愛(ài)車(chē)公寓創(chuàng)新設(shè)計(jì)與制造

劉婷婷，孫亮波，郜依然，許潤(rùn)昊，嚴(yán)明威，武金亮

愛(ài)車(chē)公寓創(chuàng)新設(shè)計(jì)與制造

劉婷婷，孫亮波*，郜依然，許潤(rùn)昊，嚴(yán)明威，武金亮

（武漢輕工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，湖北 武漢 430048）

針對(duì)現(xiàn)有小區(qū)非機(jī)動(dòng)車(chē)隨意停放、占用人行道、缺少安全規(guī)范等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一款停放電動(dòng)車(chē)、自行車(chē)的立體停車(chē)庫(kù)。針對(duì)電動(dòng)車(chē)設(shè)計(jì)九桿自重夾持機(jī)構(gòu)，同時(shí)配備安全充電裝置，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)車(chē)的夾持和充電功能；針對(duì)自行車(chē)停放設(shè)計(jì)空間七桿夾持機(jī)構(gòu)，使其穩(wěn)定停放；針對(duì)自行車(chē)推送設(shè)計(jì)雙絲杠機(jī)構(gòu)，能推送自行車(chē)移動(dòng)至同層任意停車(chē)位。該車(chē)庫(kù)具有使用方便、存取效率高、防火安全性能強(qiáng)、適用地形廣的特點(diǎn)，具有良好地應(yīng)用前景和推廣意義。

非機(jī)動(dòng)車(chē)車(chē)庫(kù)；自重夾持機(jī)構(gòu)；空間七桿夾持機(jī)構(gòu)；模塊化；電動(dòng)車(chē)充電

隨著綠色出行理念的深入，越來(lái)越多的人將非機(jī)動(dòng)車(chē)作為出行工具。共享單車(chē)的出現(xiàn)給廣大市民的出行帶來(lái)了極大的便利，可是共享單車(chē)的隨意停放、占用人行道等問(wèn)題嚴(yán)重阻塞了小區(qū)交通，同時(shí)，缺少安全規(guī)范的電動(dòng)車(chē)充電裝置也成為小區(qū)消防的隱患和車(chē)主頭疼的問(wèn)題[1-4]。

目前市場(chǎng)上非機(jī)動(dòng)車(chē)停車(chē)庫(kù)的類(lèi)別主要是雙層式和圓桶式，如圖1所示。雙層式非機(jī)動(dòng)車(chē)停車(chē)庫(kù)裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，空間利用率高達(dá)85%，制造成本低，但存取自行車(chē)全過(guò)程需人工操作，不適用于老人小孩等人群，智能化程度低[5]。圓筒式非機(jī)動(dòng)車(chē)停車(chē)庫(kù)存取完全自動(dòng)化，操作簡(jiǎn)單，同時(shí)利用了地下的空間，減少了占地面積，但建造成本較高，改變了地下結(jié)構(gòu)，且一個(gè)出入口的設(shè)計(jì)降低了車(chē)庫(kù)存取效率[6]。

由分析可知，現(xiàn)有非機(jī)動(dòng)車(chē)車(chē)庫(kù)存在如下問(wèn)題：①純機(jī)械式車(chē)庫(kù)需要人工操作，不適合所有人群；②大型車(chē)庫(kù)不適合國(guó)內(nèi)小區(qū)環(huán)境；③鮮有針對(duì)電動(dòng)車(chē)設(shè)計(jì)的、配備安全充電設(shè)備的車(chē)庫(kù)[7]。

1 一體式車(chē)庫(kù)

基于上述分析，本文設(shè)計(jì)了“愛(ài)車(chē)公寓”電單車(chē)－自行車(chē)一體式車(chē)庫(kù)，其具有自動(dòng)化存取、安全充電、保護(hù)防盜等功能。該車(chē)庫(kù)的設(shè)計(jì)思路如圖2所示。

基于該設(shè)計(jì)思路，針對(duì)車(chē)輛被盜和損壞等問(wèn)題，整體采用封閉結(jié)構(gòu)，并上下劃分為電單車(chē)和自行車(chē)兩個(gè)存取模塊，構(gòu)成立體停車(chē)車(chē)庫(kù)。如圖3所示。

電動(dòng)車(chē)存取模塊中，電動(dòng)車(chē)通過(guò)載車(chē)板上的自重夾持機(jī)構(gòu)固定，電機(jī)作為動(dòng)力驅(qū)動(dòng)載車(chē)板進(jìn)出，并聯(lián)動(dòng)門(mén)的開(kāi)閉，且于車(chē)庫(kù)內(nèi)部設(shè)置定時(shí)充電裝置。自行車(chē)存取模塊中，自行車(chē)載車(chē)板設(shè)有夾持機(jī)構(gòu)穩(wěn)固自行車(chē)，通過(guò)升降平移裝置移動(dòng)到指定位置后，利用車(chē)庫(kù)內(nèi)的T型推送臺(tái)推出或拉回自行車(chē)載車(chē)板，實(shí)現(xiàn)自行車(chē)的存取。

圖1 市場(chǎng)上非機(jī)動(dòng)車(chē)停車(chē)庫(kù)

圖2 車(chē)庫(kù)設(shè)計(jì)思路

圖3 整體車(chē)庫(kù)實(shí)物圖

2 模塊功能的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 電動(dòng)車(chē)進(jìn)出充電載車(chē)板

電動(dòng)車(chē)存放時(shí)，為簡(jiǎn)化其停放流程和實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化存取，采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)帶動(dòng)同步皮帶輪，皮帶帶動(dòng)載車(chē)板沿滑軌出庫(kù)。由門(mén)板、開(kāi)門(mén)桿，載車(chē)板組成的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，將電動(dòng)車(chē)載車(chē)板與車(chē)門(mén)聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)門(mén)開(kāi)板出的功能。載車(chē)板上設(shè)計(jì)了一種自重式九桿夾持機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)車(chē)前輪左右?jiàn)A持。整體如圖4所示。

1.電動(dòng)車(chē)；2.載車(chē)板；3.前輪載重板；4.充電插座；5.自重夾持機(jī)構(gòu)。

如圖5所示，自重夾持機(jī)構(gòu)由一個(gè)載重板電動(dòng)車(chē)通過(guò)自身重力，產(chǎn)生向下的壓力，壓下前輪載重板，通過(guò)連桿帶動(dòng)夾持板運(yùn)動(dòng)。夾持板由直線軸承平滑銜接受力向中間運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)夾持功能，載重板下的彈簧為取車(chē)提供了復(fù)位的動(dòng)力。該機(jī)構(gòu)活動(dòng)構(gòu)件數(shù)為9，低副數(shù)為13，故自由度為1。

車(chē)庫(kù)同時(shí)設(shè)有電動(dòng)車(chē)充電功能。小區(qū)居民將電動(dòng)車(chē)停放穩(wěn)固后，將電動(dòng)車(chē)充電插頭插至電動(dòng)車(chē)載車(chē)板上充電插座位置，當(dāng)載車(chē)板進(jìn)入后，通過(guò)充電插頭和充電插座的接合，充電系統(tǒng)連通通電，當(dāng)充電系統(tǒng)檢測(cè)到電動(dòng)車(chē)充滿(mǎn)電后亮綠燈。在載車(chē)板的推出過(guò)程中，插口與插口分離，充電系統(tǒng)斷電，亮紅燈[8-9]。

2.2 電動(dòng)車(chē)自重夾持計(jì)算

自重夾持機(jī)構(gòu)是根據(jù)電動(dòng)車(chē)前輪尺寸、電動(dòng)車(chē)質(zhì)量等數(shù)據(jù)，來(lái)滿(mǎn)足電動(dòng)車(chē)的穩(wěn)定停放。如圖5（b）所示，機(jī)構(gòu)在點(diǎn)受到向下的外力移動(dòng)后，和'向中間水平運(yùn)動(dòng)，機(jī)構(gòu)中左右?jiàn)A持板通過(guò)桿件運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)電動(dòng)車(chē)前輪固定。

圖5 電動(dòng)車(chē)自重夾持機(jī)構(gòu)

本文采用一維優(yōu)化方法對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)選擇算法找出極值。機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)變量為：

式中：x、x、x、x為桿、、、的長(zhǎng)度，mm。

目標(biāo)函數(shù)為：

分析可知，當(dāng)目標(biāo)函數(shù)值取到最大，且桿件長(zhǎng)度取到極小值時(shí)，自行車(chē)前輪夾持最穩(wěn)固。

在機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)且不超出夾持范圍限制的條件下，找出函數(shù)約束邊界為：

為限制機(jī)構(gòu)的水平方向的工作范圍，滿(mǎn)足：

|X－X|＜90 （4）

式中：X為點(diǎn)橫坐標(biāo)；X為點(diǎn)橫坐標(biāo)。

為防止夾持板與直線導(dǎo)軌干涉，滿(mǎn)足：

30＜|X－X|＜32 （5）

式中：X為點(diǎn)初位置橫坐標(biāo)。

設(shè)步數(shù)為（＝1,2,3…），有

由式（6）可知，當(dāng)(n)－(n-1)＜0.1時(shí)，停止迭代，可得達(dá)到裝配精度要求的結(jié)果*。

解得：*＝6.173。

此時(shí)機(jī)構(gòu)各桿長(zhǎng)度如表1所示。

表1 機(jī)構(gòu)各桿長(zhǎng)度

為驗(yàn)證機(jī)構(gòu)提供的夾持力，認(rèn)為在自重夾持機(jī)構(gòu)處于夾持狀態(tài)時(shí)，、兩點(diǎn)近似垂直共線。通過(guò)計(jì)算得到關(guān)系式：

將表1數(shù)據(jù)代入式（7），得：

綜合分析上述數(shù)據(jù)結(jié)果，可得出，自重夾持機(jī)構(gòu)能夠滿(mǎn)足要求，防止電動(dòng)車(chē)搖晃。

2.3 自行車(chē)夾持載車(chē)板

自行車(chē)在升降過(guò)程中為穩(wěn)定停放，自行車(chē)載車(chē)板上設(shè)計(jì)了空間連桿機(jī)構(gòu)對(duì)自行車(chē)進(jìn)行夾持，如圖6（a）所示。

自行車(chē)夾持分為限位和夾持兩個(gè)過(guò)程。自行車(chē)前輪利用平行四邊形結(jié)構(gòu)形狀變化，改變了前輪左右空間；自行車(chē)后輪則是通過(guò)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)中的限位桿卡住。前后兩個(gè)機(jī)構(gòu)通過(guò)一根球銷(xiāo)桿銜接，機(jī)構(gòu)的夾持力由彈簧提供。

此夾持方式操作簡(jiǎn)單，適用于大多數(shù)車(chē)型?？臻g夾持機(jī)構(gòu)在無(wú)外力作用下處于夾持狀態(tài)，當(dāng)需要存自行車(chē)時(shí)，借助外力下壓限位桿解除夾持狀態(tài)將車(chē)存入。

圖6 自行車(chē)空間夾持機(jī)構(gòu)

空間連桿機(jī)構(gòu)選取如表2所示尺寸，通過(guò)模擬運(yùn)動(dòng)分析，此機(jī)構(gòu)符合夾持要求。

表2 自行車(chē)夾持各桿長(zhǎng)

該機(jī)構(gòu)的空間自由度為：

＝6－55－44－33－22－1（9）

式中：為自由度數(shù)量；為總構(gòu)件數(shù)；1～5為1～5級(jí)的構(gòu)件數(shù)。

根據(jù)文獻(xiàn)[10]，計(jì)算得：＝1。

2.4 自行車(chē)載車(chē)板推送系統(tǒng)

如圖7所示，自行車(chē)載車(chē)板推送系統(tǒng)設(shè)計(jì)了自行車(chē)推送模塊和平移裝置兩個(gè)部分。平移裝置控制推送模塊移動(dòng)到同層任意停車(chē)位置，使載車(chē)板進(jìn)出車(chē)庫(kù)[11]。

自行車(chē)推送模塊中，自行車(chē)載車(chē)板向外運(yùn)動(dòng)通過(guò)電機(jī)工作帶動(dòng)的絲杠螺母推出車(chē)庫(kù)，向內(nèi)運(yùn)動(dòng)通過(guò)電磁鐵吸住載車(chē)板并使電機(jī)反轉(zhuǎn)利用絲杠螺母拖進(jìn)車(chē)庫(kù)。同步開(kāi)關(guān)門(mén)由曲柄滑塊機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，載車(chē)板向外、向內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)通過(guò)滑塊傳動(dòng)控制車(chē)門(mén)的開(kāi)啟和關(guān)閉。平移裝置為滿(mǎn)足精確定位需求，采用絲杠滑臺(tái)帶動(dòng)整個(gè)自行車(chē)推送模塊左右移動(dòng)，使其可到達(dá)同層任意一個(gè)車(chē)位處[12]。

此系統(tǒng)通過(guò)一套裝置控制一層的載車(chē)板進(jìn)出，降低了控制難度并可以獨(dú)立控制，提升了系統(tǒng)的容錯(cuò)率。同步開(kāi)門(mén)將兩個(gè)動(dòng)作通過(guò)機(jī)械結(jié)構(gòu)相結(jié)合，減少了電機(jī)數(shù)量，降低了車(chē)庫(kù)制造成本。

2.5 自行車(chē)升降平移裝置

綜合考慮車(chē)庫(kù)容量、存（?。┸?chē)時(shí)間、車(chē)庫(kù)所服務(wù)的區(qū)域環(huán)境、車(chē)庫(kù)占地面積、技術(shù)難度等因素[13]，自行車(chē)的升降平移模塊由一個(gè)電機(jī)垂直升降機(jī)、一個(gè)水平絲杠滑臺(tái)和一個(gè)可折疊平臺(tái)組成。此模塊可以穩(wěn)定、精準(zhǔn)地將自行車(chē)載車(chē)板運(yùn)動(dòng)到指定的自行車(chē)車(chē)庫(kù)位置[14]。

如圖8所示，當(dāng)車(chē)庫(kù)處于閑置狀態(tài)時(shí)，配送臺(tái)采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)變?yōu)檎郫B形態(tài)，有效節(jié)省了空間[15]。

圖7 自行車(chē)載車(chē)板推送系統(tǒng)

圖8 升降配送平臺(tái)

3. 結(jié)論

設(shè)計(jì)的“愛(ài)車(chē)公寓”電單車(chē)－自行車(chē)一體式車(chē)庫(kù)具有以下特點(diǎn)：

（1）提供了一款適用于小區(qū)的電單車(chē)－自行車(chē)一體式存取車(chē)庫(kù)。采用封閉式結(jié)構(gòu)，具有防盜、操作便利、存取效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、空間利用率高等特點(diǎn)，很好地解決了當(dāng)前小區(qū)內(nèi)電單車(chē)和自行車(chē)無(wú)序停放、小區(qū)停放空間狹窄、電單車(chē)充電等問(wèn)題。結(jié)合手機(jī)APP研發(fā)，可借助互聯(lián)網(wǎng)更高效地利用存儲(chǔ)資源。

（2）多處采用機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)，包括自重式電單車(chē)夾持機(jī)構(gòu)、空間七桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)自行車(chē)的前后左右?jiàn)A持固定、基于尺寸優(yōu)化后的自行車(chē)門(mén)與載車(chē)板的開(kāi)閉和推出機(jī)構(gòu)、電動(dòng)車(chē)門(mén)與載車(chē)板的開(kāi)閉和推出機(jī)構(gòu)，及配送板折疊機(jī)構(gòu)。

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Innovative Design and Manufacturing of Non-motor Vehicle Garage in Residential Areas

LIU Tingting，SUN Liangbo，GAO Yiran，XU Runhao，YAN Mingwei，WU Jinliang

( School of Mechanical Engineering, Wuhan Polytechnic University, Wuhan 430048, China )

Aiming at the problems of improper parking of non-motor vehicles, sidewalk occupancy and lack of safety standards in existing residential areas, a three-dimensional parking garage for electric vehicles and bicycles is designed. A nine-rod self-weight clamping mechanism is designed for the electric vehicles, and a safety charging device is equipped to realize the clamping and charging functions of the electric vehicles; a space seven-rod mechanism is designed for the bicycle parking, so that the bicycle can be stably parked; and a double-screw mechanism is designed for bicycle pushing, so that the bicycle can be pushed to any parking space on the same floor. The garage has the characteristics of convenient use, high access efficiency, strong fire safety performance and wide application terrain, and has good application prospect and popularization significance.

non-motor vehicle garage；self-weight clamping mechanism；spatial seven-bar mechanism；modularization；electric vehicle charging

TM732

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2023.01.007

1006-0316 (2023) 01-0042-06

2022-03-24

國(guó)家自然科學(xué)基金（51875418）

劉婷婷（2001－），女，重慶人，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化，E-mail：2653041315@qq.com。*通訊作者：孫亮波（1979－），男，湖北天門(mén)人，博士，教授，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)及理論、機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)、機(jī)構(gòu)學(xué)，E-mail：4117449@qq.com。