胡文龍，張 俊，李威爾，劉軒松，明瑞軒，楊鵬程

(1.湖北文理學(xué)院 汽車(chē)與交通工程學(xué)院，湖北 襄陽(yáng) 441053； 2.湖北文理學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，湖北 襄陽(yáng) 441053)

0 引 言

隨著社會(huì)的發(fā)展，汽車(chē)已經(jīng)成為生活中不可缺少的一部分。但在享受汽車(chē)帶來(lái)便利的同時(shí)，停車(chē)難又成為普遍存在的一個(gè)問(wèn)題。通過(guò)走訪(fǎng)調(diào)查和查找資料，發(fā)現(xiàn)各種類(lèi)型的停車(chē)場(chǎng)已用于不同場(chǎng)所，立體停車(chē)庫(kù)更是多種多樣：升降橫移式、巷道堆垛式、垂直升降式[1]、簡(jiǎn)易升降式等，但車(chē)庫(kù)機(jī)構(gòu)復(fù)雜，工程量大，適用于大型集中停車(chē)場(chǎng)所。

針對(duì)城市小區(qū)停車(chē)難的問(wèn)題，提出一種懸浮式可旋轉(zhuǎn)的停車(chē)庫(kù)。該停車(chē)庫(kù)造型新穎獨(dú)特，空間利用率高，機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單巧妙、制造成本低、停車(chē)方便，適用于空間較小、不宜建大型停車(chē)場(chǎng)的老舊小區(qū)。

1 懸浮式旋轉(zhuǎn)停車(chē)庫(kù)的總體設(shè)計(jì)

懸浮式旋轉(zhuǎn)停車(chē)庫(kù)主要由停車(chē)位、橫移小臂、固定大臂、支撐框架、橫移凸起、支撐板、轉(zhuǎn)盤(pán)、橫移電機(jī)、聯(lián)軸器、固定軸、旋轉(zhuǎn)主動(dòng)輪、絲桿、升降導(dǎo)軌、升降電機(jī)、旋轉(zhuǎn)電機(jī)、連桿、升降梳齒臺(tái)、絲桿支撐座、旋轉(zhuǎn)從動(dòng)輪等零部件組成[2]。整個(gè)停車(chē)庫(kù)可分為升降系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)裝置和橫移機(jī)構(gòu)三部分，分別實(shí)現(xiàn)升降梳齒臺(tái)運(yùn)輸車(chē)輛、四個(gè)車(chē)位旋轉(zhuǎn)存車(chē)取車(chē)和橫移小臂讓位的功能。懸浮式旋轉(zhuǎn)停車(chē)庫(kù)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

根據(jù)市場(chǎng)調(diào)研和老舊小區(qū)的需求，設(shè)定為四個(gè)停車(chē)位，單個(gè)停車(chē)位長(zhǎng)5 000 mm、寬2 200 mm，通過(guò)計(jì)算最終確定了停車(chē)庫(kù)總長(zhǎng)為L(zhǎng)=9 066 mm、總寬為W=7 900 mm、總高為H=4 500 mm；停車(chē)庫(kù)最大承載12 t、總重量為20 t；停車(chē)位面積28.38 m2，因采用架空懸浮式結(jié)構(gòu)，實(shí)際占用綠化草坪面積2.25 m2。該停車(chē)庫(kù)允許停放車(chē)輛的參數(shù)表如表1所示。

表1 允許停放車(chē)輛的參數(shù)表

圖1 懸浮式旋轉(zhuǎn)停車(chē)庫(kù)總體結(jié)構(gòu)圖 1.停車(chē)位 2.橫移小臂 3.橫移擋塊 4.機(jī)架 5.大臂 6.旋轉(zhuǎn) 電機(jī) 7.升降電機(jī) 8.橫移電機(jī) 9.絲桿 10.主動(dòng)小齒輪 11.轉(zhuǎn)盤(pán)齒輪 12.固定軸 13.橫移支板 14.旋轉(zhuǎn)底板 15.旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤(pán) 16.配重架 17.配重塊 18.載車(chē)板 19.升降梳齒載車(chē)板

2 停車(chē)庫(kù)的傳動(dòng)方案設(shè)計(jì)

該懸浮式旋轉(zhuǎn)停車(chē)庫(kù)，通過(guò)三個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)分別實(shí)現(xiàn)載車(chē)板的升降、四車(chē)位停車(chē)架的旋轉(zhuǎn)和停車(chē)位橫移的功能，三個(gè)運(yùn)動(dòng)獨(dú)立工作，互不影響又相互協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)。

2.1 升降系統(tǒng)傳動(dòng)方案

如圖2所示，升降系統(tǒng)用于將車(chē)輛通過(guò)載車(chē)板升降到停車(chē)位，其傳動(dòng)方案是：工作時(shí)，升降電機(jī)1輸出動(dòng)力，經(jīng)聯(lián)軸器2傳遞扭矩并由減速器3匹配轉(zhuǎn)速后，帶動(dòng)摩擦輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)載車(chē)板與升降梳齒臺(tái)上下運(yùn)動(dòng)[3]。

圖2 升降系統(tǒng)傳動(dòng)方案1.電動(dòng)機(jī) 2.彈性聯(lián)軸器 3.減速器 4.摩擦輪傳動(dòng)

2.2 旋轉(zhuǎn)裝置的工作原理

旋轉(zhuǎn)裝置用于驅(qū)動(dòng)四車(chē)位停車(chē)架的水平旋轉(zhuǎn)，其傳動(dòng)系統(tǒng)呈垂直安放在停車(chē)架上，如圖2所示。

工作時(shí)，旋轉(zhuǎn)電機(jī)1輸出動(dòng)力，經(jīng)聯(lián)軸器2、減速器3將扭矩傳遞給行星齒輪4，由于帶外齒轉(zhuǎn)盤(pán)軸承5固定在機(jī)架上不動(dòng)，從而使裝配于轉(zhuǎn)盤(pán)內(nèi)圈上的停車(chē)架6旋轉(zhuǎn)[4]，并帶動(dòng)橫移大臂、橫移小臂和停車(chē)位共同運(yùn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)一定±90°或±180°，實(shí)現(xiàn)停車(chē)位的四分度轉(zhuǎn)停。

圖3 旋轉(zhuǎn)裝置傳動(dòng)示意圖 1.電動(dòng)機(jī) 2.聯(lián)軸器 3.減速器 4.行星齒輪 5.外齒轉(zhuǎn)盤(pán)軸承 6.四車(chē)位停車(chē)架

2.3 橫移機(jī)構(gòu)

橫移機(jī)構(gòu)是把停車(chē)位橫向移動(dòng)一個(gè)車(chē)位寬度，以讓出載車(chē)板的上行通道，實(shí)現(xiàn)車(chē)輛的轉(zhuǎn)移交接。機(jī)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)方式是：橫移電機(jī)1輸出動(dòng)力，經(jīng)聯(lián)軸器2和減速器3帶動(dòng)一端固定的絲桿旋轉(zhuǎn)，通過(guò)絲桿螺母副4驅(qū)動(dòng)橫移小臂向內(nèi)或外運(yùn)動(dòng)[5]。

圖4 橫移機(jī)構(gòu)傳動(dòng)方案1.電動(dòng)機(jī) 2.彈性聯(lián)軸器 3.減速器 4.絲桿螺母副

3 基于CATIA的參數(shù)化三維建模

將停車(chē)庫(kù)分為機(jī)架、升降系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)裝置、橫移機(jī)構(gòu)四個(gè)部件，其中機(jī)架為整個(gè)機(jī)構(gòu)的支撐部件，用于安裝其他零部件并保證各零件間的相對(duì)位置關(guān)系，其上直接連接著升降系統(tǒng)與旋轉(zhuǎn)裝置，采用45號(hào)鋼[6]；升降系統(tǒng)與旋轉(zhuǎn)裝置均包括驅(qū)動(dòng)和承載兩個(gè)部分，升降系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)通過(guò)曳引電機(jī)、曳引輪、曳引繩等來(lái)實(shí)現(xiàn)，承載部分包括升降支架與載車(chē)板，旋轉(zhuǎn)裝置的驅(qū)動(dòng)通過(guò)步進(jìn)電機(jī)帶主動(dòng)小齒輪、旋轉(zhuǎn)底板繞固定的轉(zhuǎn)盤(pán)齒輪做行星轉(zhuǎn)動(dòng)；橫移機(jī)構(gòu)包括驅(qū)動(dòng)和導(dǎo)向兩個(gè)部分，驅(qū)動(dòng)采用步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)滾珠絲杠來(lái)實(shí)現(xiàn)，導(dǎo)向部分采用圓柱導(dǎo)桿來(lái)實(shí)現(xiàn)。

為了便于修改和調(diào)整停車(chē)庫(kù)的各部分結(jié)構(gòu)尺寸，應(yīng)采用參數(shù)化的設(shè)計(jì)方法，通過(guò)在Catia組建中定義尺寸變量來(lái)建立各個(gè)零部件的參數(shù)化模型[7]。在此以滾珠絲桿螺母部件為例，介紹其參數(shù)化建模過(guò)程：

(1) 構(gòu)建絲桿螺母副的草圖。用“文件->新建”命令打開(kāi)新建對(duì)話(huà)框，選擇“part”選項(xiàng)，并接著在生成的命名對(duì)話(huà)框中命名為絲桿螺母副，點(diǎn)擊X-Y軸，用“視圖->工具欄->草圖編輯器”命令，生成所選螺母副的草圖編輯頁(yè)面，并用工具欄中的輪廓線(xiàn)勾畫(huà)出絲桿螺母副的二維草圖。

(2) 設(shè)置絲桿螺母副的參數(shù)。在工具欄中點(diǎn)擊約束命令，然后點(diǎn)擊螺母副草圖的相應(yīng)位置，即可對(duì)螺母副尺寸進(jìn)行修改。

(3) 生成絲桿螺母副的初步三維模型。點(diǎn)擊工具欄中的退出草圖編輯器，用“視圖->工具欄->凸臺(tái)”命令生成凸臺(tái)尺寸對(duì)話(huà)框，輸入螺母副的尺寸，即可生成絲桿螺母副的初步三維模型。

(4) 生成絲桿螺母副的三維模型。再通過(guò)倒圓角、挖槽等命令對(duì)初步的三維模型進(jìn)行編輯，生成絲桿螺母副的三維模型。

使用時(shí)，只需單擊“零件幾何體”命令，在彈出的菜單上選擇需要修改的參數(shù)，輸入數(shù)值后系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)更新各元件的幾何尺寸，能實(shí)現(xiàn)個(gè)元件的同步、快速修改。最后建立的停車(chē)庫(kù)三維模型如圖5所示。

圖5 懸浮式旋轉(zhuǎn)停車(chē)庫(kù)三維模型

4 運(yùn)動(dòng)仿真與分析

仿真之前，將要仿真模型所需的部件在裝配模式下按照技術(shù)要求進(jìn)行裝配。裝配時(shí)應(yīng)在能滿(mǎn)足合理裝配的前提下，盡量少用約束，以免造成約束之間互相干涉[8]。以旋轉(zhuǎn)裝置的運(yùn)動(dòng)仿真為例：

(1) 通過(guò)“開(kāi)始(S)”-“數(shù)字模擬”-“DMU Kinematics”進(jìn)入到運(yùn)動(dòng)仿真模式，在“插入”下，點(diǎn)擊新機(jī)制命令，可看到目錄樹(shù)Application下添加了Mechanisms-Mechanism.1。

(2) 添加兩個(gè)旋轉(zhuǎn)鉸。點(diǎn)擊旋轉(zhuǎn)鉸，在出現(xiàn)的對(duì)話(huà)框Line1后的空格選擇主動(dòng)齒輪的軸線(xiàn)，在Line2后的空格選擇側(cè)板孔的軸線(xiàn)，在Plane1后的空格選擇主動(dòng)齒輪的端面，在Plane2后的空格選擇側(cè)板的端面，點(diǎn)選Angle driven即可。重復(fù)上述步驟給從動(dòng)齒輪添加旋轉(zhuǎn)鉸，從動(dòng)齒輪不能點(diǎn)選Angle driven，因?yàn)樗恢鲃?dòng)齒輪帶動(dòng)。

(3) 添加齒輪鉸。在對(duì)話(huà)框中點(diǎn)選齒輪鉸，出現(xiàn)齒輪鉸的對(duì)話(huà)框，在Revolute Joint1后的框里點(diǎn)選剛創(chuàng)建的主動(dòng)齒輪旋轉(zhuǎn)鉸Revolute Joint1；在Revolute Joint2后的框里點(diǎn)選剛創(chuàng)建的從動(dòng)齒輪旋轉(zhuǎn)鉸Revolute Joint2；Ratio定義為-1，以為主從齒輪轉(zhuǎn)向相反；點(diǎn)選Angle driven for revolute1.就是主動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)。

(4) 添加固定鉸：點(diǎn)擊固定零件圖標(biāo)，用鼠標(biāo)選中側(cè)板即可。這時(shí)系統(tǒng)會(huì)提示，可以進(jìn)行仿真了。

(5) 運(yùn)動(dòng)仿真：點(diǎn)擊命令模擬，出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)模擬對(duì)話(huà)框，這時(shí)，系統(tǒng)一般默認(rèn)命令角度范圍是：-360～360，點(diǎn)擊角度后的“…”可以修改范圍。點(diǎn)選On request，否則拖動(dòng)游標(biāo)時(shí)，系統(tǒng)無(wú)法記錄運(yùn)動(dòng)過(guò)程。完成上述內(nèi)容并拖動(dòng)游標(biāo)，仿真開(kāi)始。

通過(guò)運(yùn)動(dòng)仿真可知，四個(gè)停車(chē)位之間應(yīng)留有足夠的距離，以應(yīng)對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)慣性；升降系統(tǒng)梳齒結(jié)構(gòu)尺寸必須精確，以免造成錯(cuò)位打齒；運(yùn)動(dòng)元件間需添加正確的連接方式，絲桿、齒輪軸、上下銷(xiāo)軸等鉸接處使用銷(xiāo)釘連接，絲桿螺母、升降平臺(tái)等移動(dòng)部位使用滑動(dòng)桿連接。

5 結(jié) 語(yǔ)

以設(shè)計(jì)一種空間利用率高、占地面積小、制造成本低、便于停車(chē)的停車(chē)庫(kù)為設(shè)計(jì)目標(biāo)，設(shè)計(jì)出了一種新型的車(chē)庫(kù)。該停車(chē)庫(kù)建立在道路旁的草坪上，停車(chē)位懸空在草坪上，占地面積小。將梳齒交錯(cuò)結(jié)構(gòu)和典型機(jī)械傳動(dòng)方式運(yùn)用于車(chē)輛的存取運(yùn)動(dòng)和交接，巧妙地實(shí)現(xiàn)車(chē)輛的交接及轉(zhuǎn)移。應(yīng)用橫移機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)4個(gè)懸臂停車(chē)位，使電機(jī)數(shù)量從4個(gè)減至1個(gè)；采用鏤空式設(shè)計(jì)減少材料重量，降低了制造成本。在大膽創(chuàng)新的設(shè)計(jì)過(guò)程中，不僅有為解決城市停車(chē)難的問(wèn)題提供一種良策，對(duì)促進(jìn)我國(guó)停車(chē)場(chǎng)設(shè)計(jì)的不斷創(chuàng)新也同樣具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。