胡 建 忠， 梁 哲 源， 楊 浩

( 大連工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院, 遼寧 大連 116034 )

0 引 言

近年來(lái)我國(guó)人民的經(jīng)濟(jì)水平普遍提高，汽車保有量呈爆炸式的增長(zhǎng)。2017年，全國(guó)機(jī)動(dòng)車駕駛?cè)藬?shù)高達(dá)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(guó)機(jī)動(dòng)車保有量達(dá)3.4億輛，比2016年提高了1.56%[2]。這使“停車難”的問(wèn)題更加嚴(yán)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(wèn)題。

20世紀(jì)，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(dá)國(guó)家出現(xiàn)不同程度停車難的問(wèn)題，各種各樣的停車裝置也相應(yīng)孕育而生，1920年美國(guó)建立第一座停車裝置[3]。20世紀(jì)60年代日本就開始對(duì)停車方面進(jìn)行研究，現(xiàn)已投入的設(shè)備約為300萬(wàn)個(gè)，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(kù)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(guó)對(duì)于立體車庫(kù)的研究起步較晚，在現(xiàn)階段最為典型的4種類型的車庫(kù)為升降橫移類、垂直升降類、平面移動(dòng)類、軌道堆垛類[5]，圖1為現(xiàn)行市場(chǎng)上普遍采用的停車裝置。這些車庫(kù)雖然節(jié)約了空間，但是考慮到大多數(shù)市民平時(shí)普遍在同一時(shí)間取車去上班，就會(huì)存在取車的擁堵現(xiàn)象，耽誤寶貴的上班時(shí)間。根據(jù)調(diào)查發(fā)現(xiàn)大部分停車裝置無(wú)法同時(shí)停取兩輛車或更多，而且取車的平均時(shí)間大約2 min。簡(jiǎn)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(duì)于寶貴的晨間時(shí)間無(wú)疑是很大的浪費(fèi)。

為了解決停車效率低下、空間利用率低以及不安全等問(wèn)題，本設(shè)計(jì)采用嵌套式停取的方式對(duì)停車裝置進(jìn)行了改進(jìn)創(chuàng)新。

(a) 簡(jiǎn)易式升降車庫(kù)

(b) 垂直循環(huán)立體車庫(kù)

(c) 多層循環(huán)式車庫(kù)

(d) 軌道堆垛式車庫(kù)

1 嵌套式小區(qū)立體停車裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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(jì)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(shí)，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(gè)車架，沿x方向移動(dòng)到指定位置，接著在y方向處做下降運(yùn)動(dòng)，降到馬路上。車開到二層車板上后，車板便做歸位運(yùn)動(dòng)。這期間耗時(shí)不到2 min便實(shí)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(shí)停取4輛汽車，大大節(jié)約了時(shí)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(jì)過(guò)程中考慮到該停車裝置停取車效率問(wèn)題，在第一層設(shè)計(jì)上采用旋轉(zhuǎn)式停車，如圖3所示。通過(guò)推動(dòng)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(jìn)行反向的45°旋轉(zhuǎn)歸位。

圖3 一層車位停車示意圖

對(duì)于二層和三層停取車的時(shí)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(duì)稱的車位采用上面的滑軌與滑塊的配合，滑軌擁有高強(qiáng)度、高精度等特點(diǎn)。從而可以使第三層車位進(jìn)行x方向準(zhǔn)確穩(wěn)定移動(dòng)。第二層則是與下面的滑軌滑塊配合控制x方向的移動(dòng)。車位的x方向運(yùn)動(dòng)需要準(zhǔn)確的移動(dòng)距離，其驅(qū)動(dòng)形式在機(jī)械結(jié)構(gòu)上應(yīng)考慮采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)或液壓驅(qū)動(dòng)，提高橫向移動(dòng)的安全性和可靠性。模型的設(shè)計(jì)采用了氣缸控制方式，因?yàn)闅飧卓刂圃趯?shí)驗(yàn)時(shí)方便控制且使用成本較低。

當(dāng)車位沿x方向移動(dòng)結(jié)束后，步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)同步輪轉(zhuǎn)動(dòng)，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(dòng)，通過(guò)傳感器的檢測(cè)，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?，之后步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)同步帶上升到指定高度，在氣缸的帶動(dòng)下將停車車位收回。

圖4 立體車庫(kù)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(duì)存在著一定安全隱患。步進(jìn)電機(jī)雖然在沒(méi)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(wú)電的情況下，設(shè)置一個(gè)機(jī)械自鎖裝置就變得至關(guān)重要。棘輪機(jī)構(gòu)多用于各種機(jī)床和自動(dòng)機(jī)的進(jìn)給結(jié)構(gòu)，如牛頭刨床工作臺(tái)的進(jìn)給機(jī)構(gòu)采用回轉(zhuǎn)棘爪式雙向棘輪機(jī)構(gòu)[6]，同時(shí)棘輪棘爪也同樣用作防止機(jī)構(gòu)逆轉(zhuǎn)的停止器，多用于卷?yè)P(yáng)機(jī)和運(yùn)輸機(jī)等設(shè)備中[7]。雖然所設(shè)計(jì)的停車裝置在升降裝置上和卷?yè)P(yáng)機(jī)運(yùn)作方式相似，但是本裝置需要雙向轉(zhuǎn)動(dòng)且每個(gè)旋轉(zhuǎn)方向都需要防止機(jī)構(gòu)逆轉(zhuǎn)。由于兩個(gè)繞線輪在一根驅(qū)動(dòng)軸上固定配合，且在停車裝置上升下降時(shí)做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，要想使驅(qū)動(dòng)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(shí)運(yùn)動(dòng)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(shí)，氣缸帶動(dòng)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(shí)現(xiàn)機(jī)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(shí)使氣缸處于壓縮狀態(tài)，在棘輪轉(zhuǎn)到內(nèi)側(cè)時(shí)，棘爪迅速?gòu)棾雠c棘輪嚙合，這樣可以大大降低危險(xiǎn)系數(shù)。另外，由于是兩股鋼繩懸吊著一個(gè)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(yùn)動(dòng)過(guò)程中的摩擦力，進(jìn)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(zhǎng)鋼繩所受應(yīng)力，所以在安裝時(shí)要保證兩股鋼繩的長(zhǎng)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(duì)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(gè)裝置的運(yùn)行安全性和運(yùn)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(jì)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(gè)與導(dǎo)向軸配合的地方進(jìn)行固定，在連接吊繩處施加相應(yīng)的力，考慮到實(shí)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(qiáng)度遠(yuǎn)低于2.068×108N/m2，最大位移0.154 9 mm，可見設(shè)計(jì)滿足材料的許用強(qiáng)度?？紤]到兩處所施加的力相同情況下，對(duì)導(dǎo)向軸配合部分也產(chǎn)生了相應(yīng)大小的應(yīng)力。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)該在這兩個(gè)位置適當(dāng)增加一定的強(qiáng)度，保證導(dǎo)向軸的可靠運(yùn)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(dòng)，需要考慮到在承受較大載荷的同時(shí)，減少它的摩擦。在制作模型的時(shí)候采用了HGH20CA型號(hào)的滾動(dòng)直線導(dǎo)軌，因其在數(shù)控機(jī)床上適應(yīng)性強(qiáng)、加工精度高、自動(dòng)化程度高等特點(diǎn)被廣泛使用[9]。對(duì)于直線導(dǎo)軌副的靜力學(xué)問(wèn)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(duì)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(jì)中，導(dǎo)軌所受最大靜載荷為兩組第三層車位同時(shí)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(gè)車位的寬度，所以主要受力點(diǎn)將偏向兩側(cè)，其最大屈服強(qiáng)度為4.6×108N/m2、最大位移為0.522 3 mm。設(shè)計(jì)滿足材料的許用強(qiáng)度，在實(shí)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(jì)

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(lán)牙模塊，用于接受手機(jī)發(fā)出的指令，從而用戶可以通過(guò)手機(jī)App藍(lán)牙連接，不必使用額外遙控器，控制裝置運(yùn)行，停放和取出汽車藍(lán)牙連接有密碼保護(hù)，可防止非車主操作，保證用戶的個(gè)人財(cái)產(chǎn)安全。同WIFI模塊類似，藍(lán)牙模塊設(shè)有密碼保護(hù)，而且每次只能與一臺(tái)設(shè)備連接，可防止兩人同時(shí)操作車輛，發(fā)生危險(xiǎn)。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(jī)模型的控制系統(tǒng)由一塊Arduino Mega2560單片機(jī)、一個(gè)HC-05藍(lán)牙模塊、4個(gè)機(jī)械限位開關(guān)、4個(gè)大扭矩57步進(jìn)電機(jī)，4個(gè)TB6600步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、4個(gè)單桿氣缸、4個(gè)雙桿電機(jī)及多個(gè)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(guò)USB直接下載程序而不需經(jīng)過(guò)其他外部燒寫器，藍(lán)牙模塊能實(shí)現(xiàn)短距離迅速定位并連接設(shè)備，并且信號(hào)的傳輸不受視線距離的影響[11]。

4 結(jié) 論

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