一種利用綠化帶上方空間停車裝置的設計研究

（南昌大學 機電工程學院，南昌 330100）

0 引言

隨著人們對生活品質需求的日益提高，私人汽車已經成為中國家庭的必需品。但隨著城市中汽車數量的急劇增加，停車問題成為各個大、中城市面臨的一大難題[1]。數據顯示，2010年以前建造的老小區，規劃配建的車位在0.3～0.8之間， 老舊小區和次新住宅區公共區域小，且沒有足夠的空間增建集中式停車場立體停車庫[2]，“停車難”問題亟待解決。

通過調查統計，60%以上擁有私家車的居民希望能夠采取地上停車的方式。一方面，地面停車費用僅為地下車庫停車費用的30%，另一方面，地面停車也易于車主出行。現場調查發現幾乎所有私家車都是采用地面停車的方式，但大量的地面停車阻礙了路面交通，過往車輛難以并排雙向而行。面對“停車難”問題，78%的住戶表示贊成增設停車位，但需要以不破壞小區原有格局為前提。

針對現有裝置的一些問題，并結合小區特征，以不破壞小區原有格局為前提，本文設計了一種利用小區綠化帶上方空間停車裝置的設計研究。本方案將載車板平鋪于兩側道路，保證汽車與行人無障礙通行。當車主需要停車時，將車停置于載車板上，以單電機驅動設備分步完成載車板的“垂直升降+水平橫移”動作，最終將汽車抬升并橫移至一側的綠化帶上方。且小區車主于清晨外出工作，將小轎車取出，對植物接收光照與生長的影響較小、對小區景觀造成的影響較小，綠化帶的觀賞功能得以保證。本設計方案適用于老舊小區等地方安裝使用。

1 綠色停車裝置的總體方案設計

設計的綠色停車裝置如圖所示，整個裝置分為兩大部分組成，一是嵌入在綠化帶內側的動力部分1，包括電機驅動設備，鏈條傳動3，動滑輪組2。第二部分是平鋪于路面的載車板5，連接兩大部分的剛柔雙屬性柔性桿8。停車時，通過電機驅動鏈條3，進而通過推桿4推動柔性桿8，柔性桿由柔性變為剛性，將水平推力轉化成豎直方向的支持力，致使載車板被其平穩地頂起，有效解決了傳統升降機構阻礙路面交通的問題。該方案的橫移裝置采用鏈條鏈連接塊帶動滑輪組的形式，將升起的載車板橫移至綠化帶上方，也實現載車板與小轎車橫向位移倍增的效果，從而達到將鏈條長度減少到原來的一半的目的，減少鏈條垂度過大對嚙合傳動造成的影響。在橫向位移倍增的同時，其橫移速度也將倍增，提高停車設備的運轉效率。

圖1 設計的停車裝置簡圖

本設備將載車板平鋪于右側道路（車主視角），保證汽車與行人無障礙通行。當車主需要停車時，只需將車停置于載車板上，按下停車按鈕后即可離去，該設備自動完成后續停車過程。將汽車抬升并橫移至一側的綠化帶上方，保證不阻礙路面交通。整個流程極為簡潔，方便高效。取車過程與此相反，車主只需按下取車按鈕，待小轎車停穩于路面后，即可上車出行。

圖2 三維模型停車示意圖

2 升降柔性桿機構設計

2.1 柔性桿機構設計

為了適應道路側垂直升降的要求，避免阻礙路面交通，實現遠距離支撐和升降裝置初始狀態平鋪地面，提升小轎車過程中支撐裝置垂直于地面提供持續的支持力，該方案創造性的設計出柔性桿機構。柔性桿機構由一段段連桿單元體組合而成，柔性桿“鏈節”成平行四邊形，具有剛柔雙屬性。未工作時柔性桿平鋪于路面一側的地下，由于處于平鋪狀態，柔性桿機構的高度僅僅來自于桿的厚度。工作時柔性桿各連桿單元體在綠化帶一側驅動力的作用下，逐次越過引導彎板1，將水平推力轉化成豎直方向的支持力。“鏈節”單元逐個相連，源源不斷地由水平狀態的平行四邊形展開成豎直狀態，致使載車板被其平穩地頂起。為保證平行四邊形結構的穩定性，方案在兩相對的鉸鏈點間增設2根短桿2，用于保持死點位置，提供穩定可靠的支撐。在下降過程中，綠化帶一側提供拉力，柔性桿中的短桿2，觸碰引導彎板1，破壞死點支撐位置，載車板可以穩定下降。

圖3 柔性桿機構原理圖

圖4 三維模型仿真圖

2.2 柔性桿受力分析

柔性桿機構以普通碳鋼為主要材料，其彈性模量約為2.1×101N/m2，屈服強度約為2.2×108N/m2，泊松比為0.28。由對載車板受力（詳見3.2節）的分析可得單根柔性桿將承受大約7500N的壓力，定義柔性桿中各短桿間通過鉸鏈連接，利用SolidWorks進行模型應力求解。

圖5 柔性桿應力

如上圖所示，施加載荷后柔性桿機構所承受的最大應力為1.628×107N/m2，低于其屈服力2.2×108N/m2。其最大應變量發生在右側短桿的鉸鏈點附近。

圖6 柔性桿應變

通過最大Von Mises應力準則進行校核，其安全系數大于14，滿足方案對柔性桿的設計要求。

圖7 柔性桿安全因子

3 載車板的設計與計算

3.1 載車板結構設計

載車板的主要作用是承載車輛。為了使車輛進入載車板停放時獲得定位和防止車輛在載車板運動時產生位移，需要在載車板上設置稱為“車輪限位裝置”的安全設施[3]。故要對汽車進行x軸或y軸進行限位和汽車繞z軸旋轉的限位。Y軸方向通過兩根橫梁1、2限位。在抬升過程中對兩個前輪（后輪）進行限位，限制其沿Y軸和z軸方向的運動，后輪（前輪）在方向不限位以適應各種車型。柔性支撐部分3主要是對汽車x方向的限位。橫桿抬升過程中車輪下陷，柔性部分也會產生一定形變，因此能盡量保證汽車y軸方向水平，防止汽車傾斜，并減小y軸方向的分力。

圖8 載車板總方案

圖9 柔性支撐部分對x方向限位的原理圖

3.2 橫桿受力分析[4]

受力分析（重力加速度g=10N/kg）如下：

設汽車前輪位置載荷1200kg，后輪位置載荷800kg。由于汽車行駛方向不同，前后車輪相對載車板的位置也不同，為滿足雙向停車，載車板前后校核均按載荷1200kg校核。

圖10 輪胎受力分析圖

車輪與橫梁受力模型圖（F1為橫梁對車輪的支撐力，F’為車輪受到的壓力，R為車輪半徑，r為圓管半徑）。

輪胎直徑計算公式為：D=輪轂的直徑 + 輪胎寬度×扁平比×2（1英寸=25.4mm）。

輪轂的直徑一般在15～22英寸之間，輪胎的寬度一般在165～225毫米之間，扁平率在0.45～0.70之間。代入公式得輪胎直徑在529.5～873.8mm。故按車輪直徑為529.5mm計算。

代入式(3)、式(1)得β=29.69°，F1=6056.85N。

圖11 單根橫梁受力模型

圖12 根據力的平衡定理對力系簡化

圖13 剪力圖

圖14 扭矩圖

由工程力學知識可知：

3.3 柔性支撐部分受力分析

1）分析受力

圖15 受力模型

如圖所示為受力簡化模型圖，F'為車輪所受壓力6000N，F4，F5，F6分別為載車板對鋼絲繩的支撐力。由于抬升過程中鋼絲繩不在形變，故可以看作是剛性物體，即將鋼絲繩剛化。

按照理想狀態進行受力分析，可簡化為：

圖16 柔性支撐受力模型圖

圖17 柔性支撐受力簡化圖

易得：

同理：

所以當輪間距最小（x=1320mm）時，F6最大F6max=9920N。

4 鏈傳動

鏈條推拉柔性桿時，緊邊與松邊張力分布如圖18所示。

圖18 鏈條受力圖

受力分析后，可初步確定鏈條受到的阻力約為20kN。鏈條緊邊拉力Ft等于鏈條松邊拉力與有效圓周力之和，可求得鏈條緊邊需要承受35kN拉力。

裝置中鏈傳動部分中心距大，傳動比小，鏈條應當適當增大，且該設備工作于重載狀況下，宜選用雙排鏈增加其承載能力。鏈條在提升小轎車過程中受力力最大，根據《居住區綠地設計規范》，方案擬定將小轎車抬升80cm需要20s，則該過程當中的平均速度V=0.04m/s。單側鏈條輸出功率：

考慮功率損失等因素，將鏈輪輸入功率調整為：

擬定鏈輪直徑為d=0.2m，若不考慮鏈的多邊形效應，則鏈輪速度：

取雙排鏈鏈輪齒數為14， 當量單排鏈計算功率：

根據單排滾子鏈額定功率曲線，選用28A-2號滾子鏈，其節距p=44.45mm。

5 結束語

1）隨著汽車數量的增加，停車問題已經亟待解決。

2）提出一種利用綠化帶上方空間停車方案的設計研究：對柔性桿和載車板進行了詳細設計，通過計算確定了載車板的尺寸，完成了鏈條的選擇。

提出的停車方案具有機構簡單、占地面積小、開辟新的停車空間、綠化兼顧停車雙作用等優點，非常適合我國老舊小區和次新商品房區的布局結構，具有良好的市場前景和推廣價值。