嵌套式小區(qū)立體停車裝置設(shè)計

胡 建 忠， 梁 哲 源， 楊 浩

( 大連工業(yè)大學(xué) 機械工程與自動化學(xué)院, 遼寧 大連 116034 )

0 引 言

近年來我國人民的經(jīng)濟水平普遍提高，汽車保有量呈爆炸式的增長。2017年，全國機動車駕駛?cè)藬?shù)高達3.85億，其中汽車駕駛?cè)思s為3.42億[1]，截至2019年6月，我國機動車保有量達3.4億輛，比2016年提高了1.56%[2]。這使“停車難”的問題更加嚴重。家家都有車的狀況促使小區(qū)有限的停車空間急劇縮小，如何解決小區(qū)停車難成為現(xiàn)在急需解決的問題。

20世紀，隨著汽車技術(shù)的飛快發(fā)展，城市汽車擁有量急劇升高，發(fā)達國家出現(xiàn)不同程度停車難的問題，各種各樣的停車裝置也相應(yīng)孕育而生，1920年美國建立第一座停車裝置[3]。20世紀60年代日本就開始對停車方面進行研究，現(xiàn)已投入的設(shè)備約為300萬個，其中主要以升降橫移式停車設(shè)備為主[4]。全球立體停車車庫技術(shù)在不斷多元化發(fā)展，以使其更便捷、可靠、人性化。

我國對于立體車庫的研究起步較晚，在現(xiàn)階段最為典型的4種類型的車庫為升降橫移類、垂直升降類、平面移動類、軌道堆垛類[5]，圖1為現(xiàn)行市場上普遍采用的停車裝置。這些車庫雖然節(jié)約了空間，但是考慮到大多數(shù)市民平時普遍在同一時間取車去上班，就會存在取車的擁堵現(xiàn)象，耽誤寶貴的上班時間。根據(jù)調(diào)查發(fā)現(xiàn)大部分停車裝置無法同時停取兩輛車或更多，而且取車的平均時間大約2 min。簡易式升降停車裝置，只有在第一層汽車取走以后第二層汽車才可以取走，對于寶貴的晨間時間無疑是很大的浪費。

為了解決停車效率低下、空間利用率低以及不安全等問題，本設(shè)計采用嵌套式停取的方式對停車裝置進行了改進創(chuàng)新。

(a) 簡易式升降車庫

(b) 垂直循環(huán)立體車庫

(c) 多層循環(huán)式車庫

(d) 軌道堆垛式車庫

1 嵌套式小區(qū)立體停車裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計

考慮到低層住戶的采光需求，本著有限的小區(qū)空間的合理利用原則，本停車裝置設(shè)計為3層6車位結(jié)構(gòu)，分別位于馬路兩側(cè)。一層即為正常地面，當(dāng)停車時，優(yōu)先停在二層車位或三層車位上，第二層車位趨近于一個車架，沿x方向移動到指定位置，接著在y方向處做下降運動，降到馬路上。車開到二層車板上后，車板便做歸位運動。這期間耗時不到2 min便實現(xiàn)了停取功能，三層停取車同理。為了提高停取汽車的效率，該停車裝置最多可以同時停取4輛汽車，大大節(jié)約了時間。停車裝置的三維模型如圖2所示。

圖2 嵌套式小區(qū)停車裝置三維建模

在設(shè)計過程中考慮到該停車裝置停取車效率問題，在第一層設(shè)計上采用旋轉(zhuǎn)式停車，如圖3所示。通過推動裝置的作用使一層車位的車板繞其中心旋轉(zhuǎn)45°，這樣更方便車主取車或停車，當(dāng)車主取車或停車結(jié)束后，根據(jù)光電傳感器作用，一層車位便進行反向的45°旋轉(zhuǎn)歸位。

圖3 一層車位停車示意圖

對于二層和三層停取車的時候，為了更好地利用上下的空間，車位的結(jié)構(gòu)組合如圖4所示。第三層兩側(cè)對稱的車位采用上面的滑軌與滑塊的配合，滑軌擁有高強度、高精度等特點。從而可以使第三層車位進行x方向準(zhǔn)確穩(wěn)定移動。第二層則是與下面的滑軌滑塊配合控制x方向的移動。車位的x方向運動需要準(zhǔn)確的移動距離，其驅(qū)動形式在機械結(jié)構(gòu)上應(yīng)考慮采用電機驅(qū)動或液壓驅(qū)動，提高橫向移動的安全性和可靠性。模型的設(shè)計采用了氣缸控制方式，因為氣缸控制在實驗時方便控制且使用成本較低。

當(dāng)車位沿x方向移動結(jié)束后，步進電機帶動同步輪轉(zhuǎn)動，使停車車板在沿著4根光軸的引導(dǎo)下緩緩下落做y方向移動，通過傳感器的檢測，當(dāng)停車車板停到指定地方，車主便可以將車取出或?qū)④囃７牛蟛竭M電機帶動同步帶上升到指定高度，在氣缸的帶動下將停車車位收回。

圖4 立體車庫三層停車演示圖

安全措施方面，考慮到高層車輛停在位置較高的地方相對存在著一定安全隱患。步進電機雖然在沒有程序指令的情況下具有自鎖功能，但是如若小區(qū)停電或停車裝置備用電源也無電的情況下，設(shè)置一個機械自鎖裝置就變得至關(guān)重要。棘輪機構(gòu)多用于各種機床和自動機的進給結(jié)構(gòu)，如牛頭刨床工作臺的進給機構(gòu)采用回轉(zhuǎn)棘爪式雙向棘輪機構(gòu)[6]，同時棘輪棘爪也同樣用作防止機構(gòu)逆轉(zhuǎn)的停止器，多用于卷揚機和運輸機等設(shè)備中[7]。雖然所設(shè)計的停車裝置在升降裝置上和卷揚機運作方式相似，但是本裝置需要雙向轉(zhuǎn)動且每個旋轉(zhuǎn)方向都需要防止機構(gòu)逆轉(zhuǎn)。由于兩個繞線輪在一根驅(qū)動軸上固定配合，且在停車裝置上升下降時做回轉(zhuǎn)運動，要想使驅(qū)動軸能在程序制定的位置上立刻停止就只能采用棘輪和棘爪同時運動的方法。如圖5所示為棘輪棘爪模型圖和示意圖，雙桿氣缸與雙頭棘爪配合，在緊急情況下

圖5 棘輪棘爪模型圖

時，氣缸帶動棘爪推出，與棘輪的內(nèi)側(cè)滑面產(chǎn)生摩擦，滑到底端從而實現(xiàn)機械自鎖。

考慮到在緊急情況下棘爪推出不能立刻和棘輪配合上，所以采用小缸徑的氣缸使其在和棘輪外側(cè)接觸時使氣缸處于壓縮狀態(tài)，在棘輪轉(zhuǎn)到內(nèi)側(cè)時，棘爪迅速彈出與棘輪嚙合，這樣可以大大降低危險系數(shù)。另外，由于是兩股鋼繩懸吊著一個停車底板，從張宏志等[8]的研究中可知應(yīng)適當(dāng)降低鋼繩在運動過程中的摩擦力，進而減少鋼繩的應(yīng)力變化，減低鋼繩疲勞。通常利用多股鋼繩懸吊物體比一股鋼繩懸吊物體更容易斷裂。由vonMises應(yīng)力分析，短鋼繩所受應(yīng)力要高于長鋼繩所受應(yīng)力，所以在安裝時要保證兩股鋼繩的長度一致，以提高鋼繩的使用壽命。

2 主要零部件的靜態(tài)載荷分析

對于該停車裝置，停車車板和懸掛停車位的懸梁承受較大的力，也關(guān)系到整個裝置的運行安全性和運行效率，所以載荷分析主要分析這兩部分的應(yīng)力和位移情況。設(shè)計中停車車板模型材料采用不銹鋼304，其材料屬性見表1。

表1 不銹鋼304的材料屬性

在SolidWorks內(nèi)帶的Simulation中，限制停車車板的空間自由度，在最大載荷條件下分析停車車板。在停車車板4個與導(dǎo)向軸配合的地方進行固定，在連接吊繩處施加相應(yīng)的力，考慮到實際可變向因素，施加兩倍的沖擊系數(shù)并輸入到應(yīng)用程序中，分析結(jié)果如圖6所示。由圖6可知，最大應(yīng)力與位移發(fā)生在吊繩連接處，其最大屈服強度遠低于2.068×108N/m2，最大位移0.154 9 mm，可見設(shè)計滿足材料的許用強度?？紤]到兩處所施加的力相同情況下，對導(dǎo)向軸配合部分也產(chǎn)生了相應(yīng)大小的應(yīng)力。在實際應(yīng)用中，應(yīng)該在這兩個位置適當(dāng)增加一定的強度，保證導(dǎo)向軸的可靠運行。

(a) 停車板靜應(yīng)力分析

(b) 停車板靜態(tài)應(yīng)變

(c) 停車板靜態(tài)位移

懸掛停車位的懸梁由于要使車位沿著x方向移動，需要考慮到在承受較大載荷的同時，減少它的摩擦。在制作模型的時候采用了HGH20CA型號的滾動直線導(dǎo)軌，因其在數(shù)控機床上適應(yīng)性強、加工精度高、自動化程度高等特點被廣泛使用[9]。對于直線導(dǎo)軌副的靜力學(xué)問題，孔祥希等[10]根據(jù)Hertzian接觸理論，已經(jīng)建立了修正模型且分析了靜載荷等對導(dǎo)軌產(chǎn)生的靜力學(xué)特性影響。導(dǎo)軌各部件相關(guān)材料參數(shù)如表2所示。

在本設(shè)計中，導(dǎo)軌所受最大靜載荷為兩組第三層車位同時取車情況。在同樣限制了導(dǎo)軌的空間自由度情況下，在導(dǎo)軌表面處施加正常情況下的3倍載荷。導(dǎo)軌承受靜載荷情況下，其受力分析如圖7所示。由圖7可知，最大應(yīng)力與位移發(fā)生在導(dǎo)軌中間，但是由于車位寬度稍大于一個車位的寬度，所以主要受力點將偏向兩側(cè)，其最大屈服強度為4.6×108N/m2、最大位移為0.522 3 mm。設(shè)計滿足材料的許用強度，在實際應(yīng)用中可以得到保證。

表2 導(dǎo)軌各部件相關(guān)材料參數(shù)

(a) 導(dǎo)軌靜應(yīng)力分析

(b) 導(dǎo)軌靜態(tài)應(yīng)變

(c) 導(dǎo)軌靜態(tài)位移

3 嵌套式小區(qū)立體停車裝置的控制系統(tǒng)設(shè)計

為了方便用戶使用，降低使用難度，停車裝置控制裝置裝有藍牙模塊，用于接受手機發(fā)出的指令，從而用戶可以通過手機App藍牙連接，不必使用額外遙控器，控制裝置運行，停放和取出汽車藍牙連接有密碼保護，可防止非車主操作，保證用戶的個人財產(chǎn)安全。同WIFI模塊類似，藍牙模塊設(shè)有密碼保護，而且每次只能與一臺設(shè)備連接，可防止兩人同時操作車輛，發(fā)生危險。圖8為總體方案電氣控制圖框。

圖8 總體方案電氣控制圖

本停車裝置樣機模型的控制系統(tǒng)由一塊Arduino Mega2560單片機、一個HC-05藍牙模塊、4個機械限位開關(guān)、4個大扭矩57步進電機，4個TB6600步進電機驅(qū)動器、4個單桿氣缸、4個雙桿電機及多個光電傳感器組成，控制程序自主編寫。Arduino Mega2560是一塊ATmega2560為核心的微控制器開發(fā)板，本身具有54組數(shù)字I/O端(其中14組可做PWM輸出)，16組模擬比輸入端，4組UART(hardware serial ports)，使用16 MHz晶體振蕩器。由于具有引導(dǎo)加載程序，因此能夠通過USB直接下載程序而不需經(jīng)過其他外部燒寫器，藍牙模塊能實現(xiàn)短距離迅速定位并連接設(shè)備，并且信號的傳輸不受視線距離的影響[11]。

4 結(jié) 論

通過對現(xiàn)有停車裝置的工作原理的分析研究，針對其空間利用率低、停車效率低等缺點，設(shè)計了嵌套式的停取車方案。停車裝置結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便。在安全方面采用了機械式雙向棘輪機構(gòu)和電機自身的自鎖機構(gòu)相結(jié)合的雙保險設(shè)計，降低了停取車時的危險系數(shù)，克服了大部分停車裝置運行時沒有防止傾斜墜落功能的缺陷。利用三維工程設(shè)計軟件對方案進行了虛擬設(shè)計，使用軟件的分析組件對關(guān)鍵零部件進行了靜態(tài)結(jié)構(gòu)強度分析，校核了關(guān)鍵零部件的結(jié)構(gòu)強度，分析結(jié)果驗證了方案結(jié)構(gòu)的正確性和可行性。本次研究與設(shè)計的停車裝置不僅提高了車庫的空間利用率、停取車輛的效率，同時在強度和安全兩方面對停車裝置的運行提供了可靠保證。該停車裝置采用嵌套式設(shè)計，無論在橫向上還是縱向上都可以進行拓展延伸設(shè)計，具有較好的發(fā)展前景。