輔助搬運車輛電動化智能裝備模型的設(shè)計

武晨曉,謝羽嘉,王子航,朱 磊,吳曉艷

(東北林業(yè)大學(xué),哈爾濱 150040)

0 引言

私家車數(shù)量的逐年增加給城市交通帶來了前所未有的挑戰(zhàn),城市空間的有限性導(dǎo)致停車位數(shù)量無法跟上私家車的增長速度,停車難問題日益嚴重,這不僅加劇了城市交通的擁堵,還給車主帶來了極大的不便。尋找停車位的過程不僅消耗了時間和燃料,還增加了空氣污染和交通事故的風(fēng)險,因此尋求創(chuàng)新解決方案變得尤為緊迫。

為了解決停車難問題,通常選擇在居民區(qū)和商業(yè)綜合體下方建設(shè)地下停車場。為了便于管理,這些停車場會在地面上噴涂停車線。但一些車主為了節(jié)省時間,往往沒有將車輛停在規(guī)定的停車線內(nèi),或由于停車位過小導(dǎo)致倒車空間不足,難以將車輛駛?cè)胪＼嚲€內(nèi),這種情況下需要一種能夠輔助搬運汽車進入停車線的設(shè)備。

考慮到汽車的多樣化,不同車型之間存在車輪間距的差異。目前的車輛搬運器在處理車輪較寬的汽車時,由于車輛與夾桿機構(gòu)接觸位置偏外側(cè),導(dǎo)致受力點在夾桿機構(gòu)旁邊遠離基體,容易導(dǎo)致夾桿機構(gòu)的損壞。而在搬運車輪較窄的汽車時,搬運器則容易磕碰到車輪內(nèi)側(cè),甚至可能無法將車輛順利駛?cè)肫嚨撞?。需尋找更先進、智能化的搬運器,以更好地適應(yīng)不同車型的特殊需求,提高設(shè)備的可操作性和適用性。在解決停車問題的同時,需關(guān)注搬運器設(shè)計的創(chuàng)新,以更好地服務(wù)城市交通的發(fā)展。需研發(fā)一種新型的車輛搬運器,具備以下特點:適應(yīng)不同車型,包括車輪較寬和較窄的汽車;具備較高的安全性,避免損壞車輛和夾桿機構(gòu);具有較高的搬運效率,能夠快速將車輛搬運到指定位置;操作簡單,易于推廣應(yīng)用;具有較好的環(huán)保性能,減少對空氣污染和能源消耗。

美國Boomerang公司在2015年被授權(quán)一種“自動存儲系統(tǒng)和搬運小車”專利[1],該專利中的汽車搬運器屬于夾持式汽車搬運器,可實現(xiàn)軸向伸縮以適應(yīng)不同軸距及全轉(zhuǎn)向運動,極大地提高了搬運器的靈活性,使得停放汽車之間的間隙很小。該搬運器的夾持機構(gòu)與AUTOPARK 公司的搬運器夾持機構(gòu)在結(jié)構(gòu)上有所不同,其中一根夾持臂(450 b)通過直線運動來適應(yīng)汽車輪距,另一根夾持臂(452 b)通過旋轉(zhuǎn)運動來夾持汽車輪胎[2]。

國內(nèi)有多位學(xué)者對立體車庫汽車搬運器理論進行了深入研究。趙超等設(shè)計了以液壓系為動力的夾持輪胎式汽車搬運器,降低了搬運器的整體高度,運用AMESim軟件對模型進行動態(tài)分析,驗證了設(shè)計的可行性[3-4]。張晉暢對比了各種汽車搬運器的性能,研究了夾持輪胎式搬運器的結(jié)構(gòu),該設(shè)計利用蝸輪蝸桿作為傳動機構(gòu),有效解決了傳動時間長和自鎖穩(wěn)定的問題[5]。王新等利用Abaqus有限元軟件分析了汽車搬運的起重夾持機構(gòu)強度,對其結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計,對產(chǎn)品設(shè)計具有指導(dǎo)意義[6]。邱亮等利用仿真軟件對單軸抬升形式的搬運器進行仿真,相關(guān)仿真結(jié)果可用于堆垛式搬運器的設(shè)計思路[7]。

我國汽車搬運器正在加速發(fā)展,相比于其他類型的汽車搬運器,夾持式汽車搬運器無需載車板,更能節(jié)省立體車庫空間,適用于更多類型的停車庫,應(yīng)用前景廣闊。該裝置主要應(yīng)用于露天停車場、立體停車場及消防疏散。對于露天停車場,利用衛(wèi)星尋跡確定搬運器的位置,按照預(yù)設(shè)軌跡運行。在循跡過程中通過Open CV識別車輛是否規(guī)范停車,夾持裝置負責(zé)抬起車輛并實現(xiàn)鎖止,鎖止之后通過物聯(lián)網(wǎng)告知車主目前的車輛狀態(tài),通過查詢是否已繳納停車規(guī)范費,解除鎖止車輛。立體停車場費用由車主通過掃描二維碼支付,實現(xiàn)智能跟隨。當(dāng)裝置到達指定車輛前,選擇紅外或藍牙進行遙控挪車,完成車輛的搬運倒車。

1 技術(shù)方案

提供一種輔助搬運汽車的設(shè)備,可搬運不同車體寬度的汽車,采用的技術(shù)方案為兩個主體,即第一基座和第二基座,均設(shè)有行進裝置。第一基座的一側(cè)和第二基座的一側(cè)均設(shè)有調(diào)節(jié)機構(gòu),調(diào)節(jié)機構(gòu)上滑動連接兩個托舉機構(gòu),第一基座和第二基座之間設(shè)有伸縮機構(gòu),包括伸縮絲桿、光桿和剪叉式伸縮臂,剪叉式伸縮臂的兩端分別與伸縮絲桿和光桿滑動連接。伸縮機構(gòu)包括兩根伸縮桿和保護罩,伸縮桿的兩端分別與第一基座和第二基座固定連接,第一基座的另一側(cè)和第二基座的另一側(cè)均延伸有環(huán)形臺階,伸縮絲桿和光桿分別置于相鄰的環(huán)形臺階內(nèi),保護罩套設(shè)在兩個環(huán)形臺階外側(cè)。

圖1 裝置系統(tǒng)應(yīng)用Fig.1 Application of device system

圖2 自主設(shè)計的控制移動操作軟件Fig.2 Autonomous designed control mobile operation software

剪叉式伸縮臂由兩個X型伸縮臂單元組成,兩個X型伸縮臂單元首尾相連,其中一個X型伸縮臂單元的兩個伸縮臂末端旋轉(zhuǎn)連接第一滑塊,兩個第一滑塊分別與伸縮絲桿上的左旋螺紋和右旋螺紋滑動連接。另外一個X型伸縮臂單元的兩個伸縮臂末端旋轉(zhuǎn)連接第二滑塊,第二滑塊與光桿滑動連接。伸縮絲桿上的螺紋分為兩段,伸縮絲桿上的兩端螺紋分別為左旋螺紋和右旋螺紋,兩個第一滑塊分別與伸縮絲桿上的左旋螺紋和右旋螺紋滑動連接。

調(diào)節(jié)機構(gòu)包括雙軸電機,第一基座的一側(cè)和第二基座的一側(cè)均開設(shè)收容槽,雙軸電機置于收容槽的中部,雙軸電機的兩個輸出軸上均固定連接調(diào)節(jié)絲桿,兩根調(diào)節(jié)絲桿的螺紋分別為左旋螺紋和右旋螺紋。

托舉機構(gòu)包括旋轉(zhuǎn)組件,旋轉(zhuǎn)組件包括旋轉(zhuǎn)支架和齒輪箱,旋轉(zhuǎn)支架的一端與調(diào)節(jié)絲桿滑動連接,兩個旋轉(zhuǎn)支架的一端分別與相鄰左旋螺紋和右旋螺紋的調(diào)節(jié)絲桿滑動連接。兩個相鄰的旋轉(zhuǎn)支架分別位于雙軸電機的兩側(cè),齒輪箱與旋轉(zhuǎn)支架另一端的一側(cè)固定連接,齒輪箱上設(shè)有旋轉(zhuǎn)驅(qū)動件,其輸出軸與齒輪箱連接。兩個相鄰的托舉機構(gòu)互相對稱,托舉機構(gòu)包括托舉支架,托舉支架的一端與旋轉(zhuǎn)支架的另一端旋轉(zhuǎn)連接,托舉支架的一端設(shè)有齒輪,齒輪的軸心與托舉機構(gòu)和旋轉(zhuǎn)支架旋轉(zhuǎn)連接處同軸,齒輪與齒輪箱連接。

2 設(shè)備實施及優(yōu)勢

本設(shè)備包括兩個主體,分別為抬升車輛的前輪和后輪。主體包括第一基座和第二基座,第一基座和第二基座互相對稱,均設(shè)有行進裝置,各兩個。第一基座上的兩個行進裝置分別靠近兩端,貫穿第一基座。第二基座上的兩個行進裝置分別靠近兩端,貫穿第二基座。設(shè)備優(yōu)選行進裝置為麥克納姆輪,使主體在狹窄空間內(nèi)帶動汽車轉(zhuǎn)向移動,伸縮機構(gòu)拉動或推動第一基座和第二基座互相靠近或遠離時,麥克納姆輪的運行能降低伸縮機構(gòu)在拉動或推動第一基座和第二基座的阻力。如圖3、圖4。

圖3 裝置示意圖Fig.3 Device schematic diagram

圖4 局部放大圖Fig.4 Local magnification diagram

圖5 裝置局部放大視圖Fig.5 Local enlarged view of the device

圖6 裝置爆炸視圖Fig.6 Device explosion view

圖7 Simulation SolidWork有限元分析Fig.7 Simulation SolidWork finite element analysis

收容槽位于兩個相鄰的行進裝置之間。第一基座的一側(cè)和第二基座的一側(cè)均設(shè)有調(diào)節(jié)機構(gòu),調(diào)節(jié)絲桿的一端與收容槽的內(nèi)壁旋轉(zhuǎn)連接,連接處靠近相鄰的行進裝置。調(diào)節(jié)絲桿的螺紋分別為左旋螺紋和右旋螺紋,雙軸電機驅(qū)動兩根調(diào)節(jié)絲桿正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)時,與之滑動連接的兩個托舉機構(gòu)相互靠近或遠離。

調(diào)節(jié)機構(gòu)上滑動連接兩個托舉機構(gòu),兩個托舉機構(gòu)互相對稱。雙軸電機的輸出軸帶動兩根調(diào)節(jié)絲桿正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn),從而在兩根調(diào)節(jié)絲桿上滑動兩個旋轉(zhuǎn)支架互相靠近或遠離,根據(jù)要搬運車輛車輪的尺寸調(diào)節(jié)兩個托舉機構(gòu)之間的距離。

托舉機構(gòu)包括托舉支架,托舉支架的一端與旋轉(zhuǎn)支架的另一端旋轉(zhuǎn)連接,通過齒輪箱帶動齒輪使托舉支架在旋轉(zhuǎn)支架上旋轉(zhuǎn)一定角度,從而讓兩個托舉支架靠近車輛車輪。優(yōu)選4個滾輪,位于同一軸線上,通過滾輪與車輛接觸,避免托舉支架直接頂觸車輪,對車輪造成傷害,也能在兩個托舉支架互相靠近時令滾輪在車輛上滾動,將車輛抬升,使車輪離開地面。

環(huán)形臺階位于兩個行進裝置之間。第一基座和第二基座之間設(shè)有伸縮機構(gòu),伸縮機構(gòu)包括伸縮絲桿、光桿、剪叉式伸縮臂、兩根伸縮桿及保護罩,伸縮絲桿的兩端與第一基座的另一側(cè)旋轉(zhuǎn)連接,伸縮絲桿上的螺紋分為兩段,伸縮絲桿上的兩端螺紋分別為左旋螺紋和右旋螺紋。通過伸縮桿提升伸縮機構(gòu)的自身強度,避免由于車輛重量過大導(dǎo)致伸縮機構(gòu)損壞。保護罩避免灰塵進入伸縮機構(gòu)內(nèi),影響伸縮機構(gòu)的運行。

通過伸縮驅(qū)動件帶動伸縮絲桿正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn),令兩個第一滑塊相互靠近或遠離,從而讓剪叉式伸縮臂推動或拉動第一基座和第二基座互相遠離或靠近,使主體駛?cè)胲囕v底部且不碰撞車輛。通過3D模型進行Simulation SolidWork有限元分析,得到該裝備結(jié)構(gòu)受力情況穩(wěn)定,可正常應(yīng)用于實際工作。

該搬運設(shè)備展現(xiàn)了出色的場景適應(yīng)性,不論是在繁忙的停車場、便捷的停車庫還是其他車輛集中區(qū)域都能靈活運用,獨特之處在于能夠主動獲取并準確計算環(huán)境信息,通過高精度的智能路徑規(guī)劃和搬運操作滿足機動車在各種不同應(yīng)用場景下的操控需求,這一特性顯著提升了操控靈活性和環(huán)境適應(yīng)性,為城市交通提供了更為智能、高效的解決方案。

通過工具的自主運算和操作,極大減少了人工的介入,提高了資源利用率,不僅有效降低了車輛搬運過程中的能耗,還有助于減少對環(huán)境的影響,符合可持續(xù)發(fā)展目標。這種自主性和高效性不僅提高了搬運操作效率,也提高了城市交通管理的可持續(xù)性。該搬運設(shè)備可根據(jù)實際需求進行智能化升級和功能擴展,通過集成更多先進的傳感器模塊及人工智能算法進一步提升感知能力,實現(xiàn)數(shù)字化與智能化水平的全面提升。這種可擴展性注入了更多的可能性,使其能夠持續(xù)適應(yīng)不斷變化的技術(shù)和應(yīng)用要求。未來,隨著科技的不斷進步,該搬運器將能夠更靈敏地適應(yīng)新的挑戰(zhàn)和需求,為城市交通發(fā)展提供可持續(xù)、先進的解決方案。

3 結(jié)論

提出了一種用于輔助搬運汽車的新型裝置,采用創(chuàng)新技術(shù)方案,實現(xiàn)了對不同車體寬度汽車進行有效搬運的功能。結(jié)合伸縮機構(gòu)的設(shè)計,靈活調(diào)整兩個主體之間的距離,使其適應(yīng)不同車輪之間的距離,提高了搬運的穩(wěn)定性。該裝置的優(yōu)勢在于避免了與汽車車輪的碰撞,通過伸縮機構(gòu)的調(diào)節(jié)使主體能夠在狹窄的空間中進行搬運,有效防止汽車損壞。托舉機構(gòu)的設(shè)計進一步增強了托舉強度,確保搬運過程中的安全性和可靠性。該裝置的托舉支架采用滾輪,進一步提高了對車輪的托舉效果,令汽車搬運更加平穩(wěn)。調(diào)節(jié)機構(gòu)的雙軸電機和旋轉(zhuǎn)組件設(shè)計令調(diào)整過程更為靈活、精準。設(shè)計上充分考慮了不同汽車車體寬度的需求,通過多重機構(gòu)的協(xié)同作用實現(xiàn)了對汽車的安全、穩(wěn)定搬運,為汽車運輸帶來了一種創(chuàng)新解決方案,實現(xiàn)了對不同寬度汽車車輪的適應(yīng)性托舉,提高了托舉強度及穩(wěn)定性,有助于減少汽車搬運過程中的損壞風(fēng)險。