一種空中長廊式智能立體車庫的設(shè)計與分析

邢 剛，丁 凡，龔智強，吳廣澳，柯松凱

（巢湖學(xué)院a.機械工程學(xué)院；b.智能機械與機器人研究所，合肥 238000）

0 引言

隨著國家經(jīng)濟的飛速發(fā)展，城市化進程的推進，車輛隨之劇增，立體車庫的出現(xiàn)，受到地方政府及車主的青睞，并已經(jīng)成為解決停車難問題的重要途徑和發(fā)展方向.現(xiàn)有智能立體車庫類型主要為升降橫移類、垂直循環(huán)類、水平循環(huán)類、多層循環(huán)類、平面移動類、巷道堆垛類、垂直升降類、簡易升降類等多種類型［1］，其中升降橫移類在現(xiàn)有立體車庫中占據(jù)主要地位，但其存取效率低下，無法實現(xiàn)同時存取，且無法適應(yīng)任意地形.

本文設(shè)計了一種可以有效適應(yīng)任意地形、存取高效的空中長廊式智能立體車庫.結(jié)構(gòu)部分主要由升降裝置、運輸裝置、旋轉(zhuǎn)裝置、多功能梳齒載車板、控制系統(tǒng)等組成.其中升降裝置、旋轉(zhuǎn)裝置固定于彎道處，運輸裝置于直線段往返工作并搭配可編程控制器.采用主從站的無線通信方式［2］，升降裝置、旋轉(zhuǎn)裝置等PLC作為主站，運輸裝置的PLC作為從站，通過無線通信模塊通訊，可以使車庫實現(xiàn)存取獨立.外部構(gòu)架采用鋼梁長廊式框架提高空間利用率和地形適應(yīng)度以降低制作成本.該車庫研制成功，可有效解決當今社會停車難問題，同時還可以大量節(jié)約城市用地，緩解城市道路交通擁擠狀況.

1 智能立體車庫的工作原理及其結(jié)構(gòu)

圖1為一種空中長廊式智能立體車庫的結(jié)構(gòu)示意圖，其主要由主框架、升降裝置、旋轉(zhuǎn)裝置、運輸裝置、多功能梳齒載車板、控制器等六個部分組成［3］.主框架采用鋼結(jié)構(gòu)，起支撐作用，主要包括立柱、橫梁、載車板支撐架等，搭建于道路上方.升降裝置主要由載車板、提升機構(gòu)成，通過升降電機傳動，絲桿絲母配合帶動載車板上升；旋轉(zhuǎn)裝置由旋轉(zhuǎn)電機、轉(zhuǎn)盤、運輸車一、軌道一、載車板構(gòu)成，通過旋轉(zhuǎn)電機帶動轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)改變車輛朝向，其運輸車一、軌道一、載車板配合通過梳齒交接原理及多級復(fù)合傳動技術(shù)將車輛由升降裝置轉(zhuǎn)移至運輸裝置；運輸裝置由液壓式反轉(zhuǎn)存取機、運輸車二、軌道二、升降機構(gòu)組成，運輸車二與軌道二配合帶動液壓式反轉(zhuǎn)存取機及升降機構(gòu)橫移，升降機構(gòu)通過升降電機運動帶動液壓式反轉(zhuǎn)存取機實現(xiàn)上下分層動作，液壓式反轉(zhuǎn)存取機通過梳齒交接原理進行夾取及存放車輛；控制系統(tǒng)根據(jù)所采用的控制器不同而實現(xiàn)不同程度的智能化；安全系統(tǒng)包括車長檢測、阻車裝置、超限裝置、急停開關(guān)、防墜裝置、警報裝置等［4］.

圖1 一種空中長廊式智能立體車庫的結(jié)構(gòu)示意圖

該種車庫可修建于任意道路上方，車主將車輛開至升降平臺處通過刷IC卡啟動車庫進行停車，車輛通過升降裝置、旋轉(zhuǎn)裝置、運輸裝置配合存放至多功能梳齒載車板上，車主取車時操作方式相同，車庫裝置工作方式與之相反.當存車取車同時進行并且兩運輸裝置會晤時，控制系統(tǒng)可自動采取交叉式避讓搭配雙軌道式結(jié)構(gòu)實現(xiàn)存取獨立以提高工作效率.

2 主要部件設(shè)計及優(yōu)化

2.1 液壓式反轉(zhuǎn)存取機的設(shè)計

存取機為車庫整體核心，其結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣決定了車庫存取的效率及質(zhì)量.文中設(shè)計了一款液壓式反轉(zhuǎn)存取機，其結(jié)構(gòu)如圖2所示.液壓式反轉(zhuǎn)存取機主要由外框架、液壓泵、反轉(zhuǎn)連桿機構(gòu)、梳齒板、鋼絲繩等組成.

圖2 液壓式反轉(zhuǎn)存取機結(jié)構(gòu)示意圖

車輛放置梳齒板上并通過懸臂梁結(jié)構(gòu)支撐，鋼絲繩和外框架配合起到加固作用；存取機通過液壓泵帶動反轉(zhuǎn)連桿機構(gòu)上下運動從而通過活動鉸鏈帶動梳齒板做反轉(zhuǎn)運動從而實現(xiàn)夾取及存放車輛的功能.

由于梳齒板起到存放車輛作用，因此其尺寸設(shè)計至關(guān)重要，本文中梳齒板相當于懸臂梁，其長、寬、高可由公式（1）～（2）確定.參考機械設(shè)計手冊［5］對于一般的懸臂梁而言，其均布載荷的集度為q=3 kN/m，根據(jù)現(xiàn)有模型及車輛尺寸推算，設(shè)本車庫懸臂梁的長度為5.5 m，寬度為0.6 m，厚度為0.05 m.

由截面所獲得的支反力，得：

將式（1）進行積分，得：

將數(shù)據(jù)代入式（2）計算，則得：

即約為4.5 t，可以滿足負載的需求.

（注：F為剪力、M為截面彎矩、L為梁長、q為均布載荷）

2.2 多功能梳齒載車板的設(shè)計

載車板的結(jié)構(gòu)優(yōu)劣［3-4］決定了車庫的造價成本及車輛安全性，其結(jié)構(gòu)特點決定著存車型號及存車數(shù)量，基于現(xiàn)有載車板的現(xiàn)狀，設(shè)計了一種多功能梳齒載車板.

2.2.1 載車板尺寸設(shè)計

載車板的尺寸設(shè)計方面需確保所停放汽車前后左右均有0.1 m的安全距離，表1可確定梳齒停車位的長、寬分別為5350 mm和2200 mm.車輛軸距和輪距分別是2800 mm和1800 mm.鋼材的密度取7.85 g/cm3，重力加速度取9.8 m/m2，結(jié)構(gòu)自重通過密度ρ、重力加速度g兩個參數(shù)配合模型幾何尺寸，根據(jù)工程力學(xué)［6］可得停車設(shè)備自重按設(shè)備實際重1200 kg，載車板重300 kg，車輛載荷按2000 kg計算，由于轎車普遍采用前輪驅(qū)動，且各轎車因車型前后軸的不同，分配的比例也不同，本車庫考慮實際情況取近似值，以前后輪13∶7的比例標準進行分配，由于大部分人習(xí)慣開車入庫而不是倒車入庫，因此將車庫前半部分視為后輪端，后半部分視為前輪端，恒載作用下載車板受力簡圖如圖3所示.

圖3 多功能梳齒載車板受力簡圖

表1 汽車車型尺寸參數(shù)

2.2.2 載車板結(jié)構(gòu)優(yōu)化

基于現(xiàn)有載車板結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價高昂，故對其結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計.其結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示，采用了梳齒狀構(gòu)型并在車輪停放處采用了凹槽型結(jié)構(gòu)，起到低成本限位固定作用，在載車板兩側(cè)設(shè)有小型擋板，可以有效防止車輛左右移動.

圖4 多功能梳齒載車板結(jié)構(gòu)圖

3 控制系統(tǒng)設(shè)計

車庫系統(tǒng)采用ROBO Pro軟件編寫，該軟件采用圖形化編程方法，可實現(xiàn)模型自動化控制.因車庫系統(tǒng)運行復(fù)雜，采用了分模塊化編程方式，車庫總控制程序由主程序及各模塊子程序構(gòu)成.其存取車控制流程如圖5、圖6所示.

圖5 存車流程圖

圖6 取車流程圖

4 試驗驗證

為了在低成本條件下驗證一種空中長廊式智能立體車庫結(jié)構(gòu)設(shè)計合理性，同時驗證工作效率，采用搭建車庫模型并使用ROBO TXT控制器模擬控制系統(tǒng).

試驗中所用模型的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：外框架長78 cm、寬55 cm、高45 cm，路面占地面積76.17 cm2，層數(shù)三層，上層設(shè)有車位10個，地面為人行通道，下層設(shè)有車位18個；提升機長109 cm、寬10 cm、高87.37 cm；液壓式反轉(zhuǎn)存取機長107 cm、寬65 cm、高110 cm；氣泵規(guī)格9 V.具體模型結(jié)構(gòu)如圖7所示.

圖7 一種空中長廊式智能立體車庫的模型圖

基于上述模型參數(shù)與理論計算數(shù)據(jù)對比及模型力學(xué)性能測試可得［7］，每層空間利用率可提高62.5%，且該車庫整體及主要部件結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，可進行加工并投入市場使用.

通過ROBO TXT控制器進行操作模擬車輛存取過程，存車試驗參數(shù)如表2所示，現(xiàn)有立體車庫存取換算參數(shù)如表3所示.取車試驗參數(shù)與存車相同故不展現(xiàn).表3數(shù)據(jù)為現(xiàn)有升降橫移類立體車庫基于模型參數(shù)分析換算而來.

表2 存車試驗參數(shù)

表3 現(xiàn)有立體車庫存取換算參數(shù)

基于表2、表3數(shù)據(jù)換算對比，本設(shè)計車庫與現(xiàn)有車庫相比，其存取效率可提高一倍左右.

5 結(jié)論

基于現(xiàn)有智能立體車庫存取效率低，無法實現(xiàn)同時存取，并且無法適應(yīng)任意地形等問題，文中設(shè)計了一種空中長廊式智能立體車庫，并詳細介紹了其結(jié)構(gòu)組成及其功能特點.通過對主要部件結(jié)構(gòu)設(shè)計合理性和安全性進行計算與分析，結(jié)果表明該車庫安全可靠.同時采用了模型試驗進行驗證，得出以下結(jié)論：（1）通過對占地面積及車庫容納量等數(shù)據(jù)的分析，得出其每層空間利用率可提高62.5%；（2）通過模擬車庫運作過程，得出車庫控制邏輯準確，各裝置協(xié)調(diào)運作性可靠，并基于其實驗參數(shù)得出車庫存取效率較現(xiàn)有立體車庫可提高一倍左右.