吳龍飛，張 旭，劉 靜

(江西理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 江西 贛州 341000)

0 引 言

隨著中國近年來的經(jīng)濟(jì)蓬勃發(fā)展和科技的顯著進(jìn)步，人民大眾的生活水平也不斷地上升，許許多多的人都擁有了汽車。其中新能源汽車的數(shù)量也越來越多，但是相應(yīng)的停車和充電設(shè)施卻無法滿足人們的需求。從而導(dǎo)致了城市“停車難”的問題日益突出，亂停車、占道停車現(xiàn)象屢屢出現(xiàn)，給民眾的出行帶來諸多不便[1]。根據(jù)國外的發(fā)展經(jīng)驗(yàn)，城市化進(jìn)程和新能源汽車的普及都是一個(gè)漫長且較為平穩(wěn)的過程，但在我國，這兩者的發(fā)展是一個(gè)相對(duì)較為快速甚至是跳躍式的發(fā)展過程，而且兩者也相互交融。在節(jié)能減排發(fā)展過程中，過于偏重研發(fā)生產(chǎn)新能源汽車的問題、而輕視了停車和充電的問題，導(dǎo)致了城市停車充電難的問題不斷加劇，造成停車位嚴(yán)重不足，帶來了城市道路交通壓力不斷增大、生態(tài)環(huán)境不斷惡化等問題[2]。且隨著我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展和城市化進(jìn)程的推進(jìn)，我國新能源汽車的數(shù)量將持續(xù)上升，“停車難”等問題將更加突出。因此，智能充電車庫將會(huì)是解決新能源汽車“停車難”、“充電難”等問題的有力方法之一，為城市靜態(tài)交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)提供一個(gè)有益的選擇。

1 智能充電立體車庫

1.1 智能充電停車庫的特點(diǎn)

目前，智能充電立體車庫可以分為四大類型，分別是升降橫移式、垂直循環(huán)式、巷道堆垛式、垂直升降式。其中升降橫移式立體車庫除升降動(dòng)作外，通過橫移動(dòng)作讓開出車通道。由于土建工程較少，也無地下機(jī)構(gòu)，是目前使用最廣泛的立體車庫形式[3]。

智能立體停車庫主要適用于電動(dòng)汽車的停放，車輛的存取全過程智能化，用戶不進(jìn)入車庫內(nèi)，便于管理、節(jié)能減排、安全隱患少。其特點(diǎn):①車庫主體外形為立方體，且可根據(jù)用戶的要求合理的布置層數(shù)和列數(shù)，以滿足用戶停車數(shù)量和取車時(shí)間需求；②車輛的存取全過程智能化，用戶不進(jìn)入車庫內(nèi)，便于管理、節(jié)能減排、安全隱患少；③機(jī)械結(jié)構(gòu)中采用模塊化設(shè)計(jì)，便于組合使用，易于安裝拆卸，縮短施工周期；④智能充電立體車庫內(nèi)部設(shè)置有充電樁，可為新能源汽車停放時(shí)提供充電服務(wù)；⑤安全保護(hù)方面采用聲光引導(dǎo)及定位裝置、自動(dòng)消防滅火系統(tǒng)，設(shè)有防墜落、防碰撞、防過載等一系列安全保護(hù)裝置；⑥占地面積小，可充分利用地下空間，節(jié)約了大量土地資源，減少了對(duì)周邊環(huán)境的破壞。

1.2 智能充電車庫的工作流程

智能停車庫的基本功能應(yīng)當(dāng)滿足用戶汽車的存取停放需求。汽車的存取停放操作：用戶停放車輛-車庫識(shí)別車輛-系統(tǒng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)編號(hào)-夾取固定車輛-運(yùn)動(dòng)傳送入庫-停放車輛-車輛充電。存取車過程分別如圖1所示，整個(gè)過程應(yīng)盡量實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化，降低人工操作步驟，并能夠確定保證存取車的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性、快速性[4]。

圖1 存取車過程

1.3 立體車庫技術(shù)的推廣意義

傳統(tǒng)的地面停車位只能停放1層，一般每個(gè)停車位大約需要12 m2左右，占地面積大、停車數(shù)量少。而傳統(tǒng)的地上或圓形停車設(shè)備的有效停車使用面積約占建筑面積比40%，停放30輛車共需要360 m2，計(jì)算下來每個(gè)停車位需要占用12 m2左右的建筑面積。[5]

智能充電車庫每個(gè)停車位只需要12 m2，一層放4輛，一共3層，共12 輛車，按地面停車占用土地面積換算為144 m2，實(shí)際車庫占地48 m2。由此可以看出:智能充電車庫能充分利用地下空間，占用地表面積小；車庫布置靈活、對(duì)場(chǎng)地的適應(yīng)性強(qiáng);停車存取自動(dòng)化程度高、符合今后的發(fā)展方向；用戶不入車庫、便于管理、安全隱患小?？蓮V泛用于老舊城區(qū)的改造，新建小區(qū)的邊角空閑地帶，商場(chǎng)，公路和立交橋的周邊地帶;它既可獨(dú)立設(shè)置單個(gè)立方停車庫，也可以將多個(gè)單體停車庫通過組合或集群的方式，建造成為滿足實(shí)際場(chǎng)地所需要的新能源汽車智能車庫[6]。

2 停車裝置簡介

2.1 停車裝置的機(jī)構(gòu)描述

停車裝置作為智能車庫的核心組件之一，它主要包括平移裝置、升降裝置、存取車平臺(tái)和進(jìn)給裝置等部件。如圖2所示，停車裝置為二自由度機(jī)械裝置結(jié)構(gòu)，其中平移裝置和升降裝置分別實(shí)現(xiàn)汽車平臺(tái)所需要的平移運(yùn)動(dòng)和升降運(yùn)動(dòng)。

圖2 停車裝置三維模型1.存車平臺(tái) 2.升降裝置 3.平移裝置 4.停車架 5.載車板

平移裝置放置于地面，由地面支撐。平移裝置上的運(yùn)動(dòng)板塊支撐升降裝置，升降裝置則保持存取車平臺(tái)的支撐，因此可以在機(jī)械原理上繼續(xù)簡化為機(jī)械結(jié)構(gòu)簡圖，如圖3所示，平移裝置簡化為滑塊1和桿1，桿1接地，升降裝置簡化為滑塊2和桿2，其中桿2與滑塊1固定，存取平臺(tái)為滑塊2。

圖3 停車裝置結(jié)構(gòu)簡圖

停車裝置在進(jìn)行存取車時(shí)，其工作狀態(tài)可同時(shí)分為兩個(gè)工作狀態(tài),狀態(tài)1：滑塊1在桿1上進(jìn)行橫向往復(fù)運(yùn)動(dòng)；狀態(tài)2：滑塊2在桿2上進(jìn)行縱向往復(fù)運(yùn)動(dòng)。在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，兩種狀態(tài)同步協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)。

2.2 停車裝置虛擬樣機(jī)模型建立

綜合利用NX-UG進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真分析，借助虛擬樣機(jī)來模擬仿真新能源汽車智能車庫的停車裝置運(yùn)動(dòng)過程。首先對(duì)建立的停車裝置模型進(jìn)行簡化處理，略去無關(guān)零件，略去平行桿件，略去輔助支撐件，略去存取車平臺(tái)，只保留主要支撐停車裝置的部件，簡化后共有5個(gè)零件，并且模型簡化前后的質(zhì)量分布和質(zhì)心位置基本相同，然后對(duì)停車裝置的簡化模型進(jìn)行約束，得簡化后的停車裝置如圖4所示。

圖4 停車裝置簡化模型

2.3 停車裝置的動(dòng)力學(xué)仿真

在NX-UG建模簡化處理后，進(jìn)入U(xiǎn)G仿真界面，新建仿真，選擇動(dòng)力學(xué)仿真，點(diǎn)擊確定，重新進(jìn)行連桿的建立，將底部兩桿設(shè)定為一個(gè)連桿L001，并且固定連桿，將平移裝置連同四個(gè)縱向滾珠絲桿設(shè)定為連桿L002，不固定，最后將升降裝置連同存取車平臺(tái)設(shè)定為連桿L003，不固定。如圖5所示。

圖5 智能立體停車庫仿真

進(jìn)行運(yùn)動(dòng)副的建立，選擇平移裝置的連桿L002，選擇滑動(dòng)副并指定原點(diǎn)，指定矢量為x軸正方向，建立滑動(dòng)副為J002，摩擦選擇動(dòng)摩擦系數(shù)為0.1，靜摩擦過渡速度為0.1 mm/sec，最大靜摩擦變形為0.01 mm，選擇驅(qū)動(dòng)，選擇恒定平移，初始位移0 mm，初速度輸入12.5 mm/s，加速度為0，完成平移裝置的運(yùn)動(dòng)副建立。然后建立升降裝置的運(yùn)動(dòng)副，方式與平移裝置一樣，選定連桿、原點(diǎn)和矢量方向，滑動(dòng)副J003，摩擦選擇動(dòng)摩擦系數(shù)為0.1，靜摩擦過渡速度為0.1 mm/s，最大靜摩擦變形為0.01 mm，選擇驅(qū)動(dòng)，選擇恒定平移，初始位移0 mm，初速度輸入12.5 mm/s，加速度為0，確定滑動(dòng)副的建立。完成后點(diǎn)擊解算方案，選擇常規(guī)驅(qū)動(dòng)，分析類型為運(yùn)動(dòng)學(xué)，時(shí)間選擇30 s，步數(shù)1000步，包含靜態(tài)分析，重力常數(shù)為9806.65 mm/s2，方向指向z軸負(fù)方向。名稱為Solution_1，點(diǎn)擊確定。運(yùn)算求解結(jié)果如圖6所示。

圖6 升降裝置運(yùn)動(dòng)軌跡圖

3 載車板有限元分析

綜合利用UG進(jìn)行有限元分析，首先對(duì)載車板的實(shí)際受力狀態(tài)進(jìn)行分析，分析受力原理，建立出載車板受力模型。通過采用NX10.0軟件建立虛擬樣機(jī)模型來簡化載車板，并對(duì)其工作過程進(jìn)行受力模擬分析，從而得到載車板的受力求解結(jié)果。對(duì)比結(jié)果，受力狀態(tài)與實(shí)際載車板受力情況符合。求解結(jié)果如圖7所示。

圖7 載車板有限元分析

4 結(jié) 語

在節(jié)能減排發(fā)展過程中，過于偏重研發(fā)生產(chǎn)新能源汽車導(dǎo)致了城市停車充電難的問題不斷加劇，帶來了城市道路交通壓力不斷增大、生態(tài)環(huán)境不斷惡化等問題。筆者對(duì)自動(dòng)存取車輛并智能控制充電的立體車庫設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了分析，通過對(duì)車庫結(jié)構(gòu)的三維構(gòu)建，對(duì)立體車庫的停車裝置進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，分析了升降裝置的軌跡運(yùn)動(dòng)情況，對(duì)車庫的主要部件進(jìn)行有限元分析且其滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求，驗(yàn)證了立體車庫可以滿足應(yīng)有的使用性能要求，在理論上為實(shí)現(xiàn)智能立體充電車庫的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了可靠的基礎(chǔ)。