基于復合交換存取的立體停車裝置設計

胡改玲，奚延輝，余珊珊，金 悅，桂 亮，王永泉，段玉崗

（1.西安交通大學 機械工程學院，陜西 西安 710049；2.西安交通大學 第二附屬醫院，陜西 西安 710004）

隨著我國經濟的迅速發展，私家車保有量逐年增加，使得城市停車難、停車亂的問題日益突出，嚴重影響了人們的日常生活水平和交通狀況。現有的立體停車裝置，一般為單體立柱式、巷道堆垛式、循環平移式等。這些裝置一部分以單體立柱式車庫為代表，采用移位低層車輛存取高層車輛，停車過程繁瑣且耗時較長；一部分以巷道堆垛式車庫為代表，利用一排空間運載車輛，單側或兩側空間存儲，空間利用率低；一部分以循環平移式車庫為代表，通過調度其他車輛實現全局存取，存取效率低，浪費能源[1-7]。本文致力于提高停車設備存取效率和空間利用率，最大化地節省停車場的建設場地，從而有利于停車裝置的大面積市場化推廣。

1 方案設計

1.1 總體結構設計

本文停車裝置采用上層托舉、下層跨越梳齒的復合交換方式實現汽車的存取。裝置共由3 層組成，第一層為地面層，可供自由停車或做倉儲、綠化等其他用途；第二層為梳齒層，采用跨越式梳齒交換方式存取車輛；第三層為懸掛層，采用掛鉤托舉原理存取車輛。如圖1 所示，在二、三兩層車位之間設置搬運層空間，搬運裝置在該空間內水平移動完成車輛在入口區和指定車位的轉移。裝置一側為入口區域，通過升降平臺將車輛抬升或下降實現車輛在入口區域與復合搬運裝置的交換。電源與控制板設置在入口區域其他空間處，維護方便。

圖1 停車裝置總體設計

1.2 車輛存取功能設計

用戶進行存取車輛時，首先通過手機或者現場控制面板瀏覽停車位實時狀態，發送存取指令，然后車庫自動執行停車程序或者取車程序。停車程序中，首先判斷車位是否已滿，若已滿則不能停入，循環至起始處，等待下一位取車用戶；若未滿，則用戶可根據界面提示選擇停放車位，系統根據指令進行停放，完成后將對應車位狀態置滿，循環至起始狀態。取車程序中，用戶輸入取車信息，系統自動執行取車動作，完成后將對應位置狀態置空，循環至起始狀態。

2 復合交換存取機械結構設計

2.1 二層車輛存取

二層車位采用梳齒板承載車輛[8]。梳齒板按照梳齒條與主板的位置關系分為外梳齒板和內梳齒板，外梳齒板梳齒條通過板中部實體連接，內梳齒板梳齒條通過板邊緣實體連接，如圖2 所示。

圖2 二層梳齒載車板

梳齒結構的作用是利用相鄰兩根梳齒形成的梳齒槽卡住汽車輪胎，從而使車輛在運載平臺上保持相對穩定。內外梳齒板結合使用，即車輛的存取是通過兩塊內梳齒板的梳齒條在一塊外梳齒板的梳齒間隙中進行上下平移，從而實現車輛在內外梳齒平臺上的交換。

2.2 三層車輛存取

三層載車板如圖3 所示，位于四角的溝槽用于連接圓柱凸緣支撐部分，條紋孔用于輪胎限位，中間四處圓孔與定位銷焊接成一體，作為下方復合搬運裝置的4 個圓孔的定位承載部分。

圖3 三層載車板結構

為了節省高空停車的空間，如果通過單層的搬運器與其上下兩層停車位均可完成車輛的存取工作時，便可節省搬運器的運行空間，同時減少搬運器的數量，從而節約停車所需空間。所以在搬運器與第3 層車位進行車輛存取時，設計了一款機械抓鉤，以實現載車板在小位移托舉升降中出入三層停車位，實現三層載車板的自解自鎖，從而實現三層車輛的存取，設計如圖4 所示。

圖4 機械抓鉤結構圖

該抓鉤由3 部分組成：一塊主抓鉤、一塊導向片和一個扭簧。扭簧的作用是使導向片與掛鉤始終保持閉合，主抓鉤上側的小圓柱對導向片進行限位。利用抓鉤停放載車板的過程如圖5 所示。

圖5 抓鉤停放載車板原理圖

當載車板的圓柱凸緣向上頂起主體抓鉤時，抓鉤的有效作用曲線段將會順時針轉動，使得圓柱凸緣繼續向上運動并頂開導向片。完全頂開以后，載車板下移一定距離，同時導向片在扭簧的回復力作用下閉合，完成載車板入鉤過程，從而完成車輛停放。

在進行取車操作時，抓鉤取出載車板的過程如圖6所示。載車板向上抬升時，圓柱凸緣頂起導向片直至脫離。此時導向片在扭簧回復力作用下回到原位，圓柱凸緣則已抬升至抓鉤外部。然后圓柱凸緣隨載車板向下沿著導向片的外側曲線滑下，直至不再接觸抓鉤，完成脫鉤過程。

圖6 抓鉤取出載車板原理圖

通過布置4 個抓鉤抓住載車板的四角，可實現車輛的平穩放置。如圖7 所示，通過抓鉤將車輛平穩地停放在三層車位的載車板上。

圖7 車輛停放在三層車位

2.3 復合搬運器設計

車輛在入口區域和指定車位的轉移通過復合搬運裝置實現，其工作原理與三維模型如圖8 所示。

圖8 復合搬運器

復合搬運器裝置為中空結構，可容納一輛車。運行時在搬運空間平移，往返于入口和指定車位。復合搬運裝置開發有兩套動力系統，可以分時完成二、三層車輛的存取，該動力系統執行機構是齒輪齒條嚙合運動。

復合搬運裝置的兩窄邊處設計了與二層車輛交換裝置，結構為一塊內梳齒板和兩條齒條固定連接，齒條在導軌內由齒輪帶動實現升降，升降裝置由電控系統保持同步。在梳齒板升降中實現二層車輛存取。復合搬運裝置的兩長邊處各自裝有兩條導軌和齒條，4條齒條與一塊托板固定連接，齒條在導軌內由齒輪帶動實現升降，托舉板存在4 個圓孔與載車板的定位銷配合進行定位承載，齒條運動由電控系統保持同步性。在托舉板升降中實現三層車輛存取。

3 軟硬件設計

控制系統的硬件按照功能可劃分為主控模塊、電機及其驅動、限位模塊、藍牙模塊和人機交互模塊。控制系統是以 STC90C516RD+單片機為核心、以TB6600 為電機驅動器的系統[9-10]，通過HC06 模塊實現單片機與手機的串口通信完成指令的輸入，通過單片機與VGUS 顯示屏的串口通信完成狀態提示功能[11-12]。電機位置和速度的控制均由脈沖數和脈沖頻率控制。通過軟件編程實現了復合搬運器與車輛的智能存取，人機交互界面和手機界面的開發，進一步提高了存取車輛的智能化和人性化。設計制作出的立體停車裝置如圖9 所示。

圖9 立體停車裝置實物圖

4 結論

本文設計了一種能實現汽車復合交換的搬運裝置，在存取車輛時，采用上層托舉、下層跨越梳齒的復合交換原理實現汽車的存取。在單向短距離運動中通過自鎖自解的車輛掛鉤裝置，可實現第3 層停車位載車板在小行程升降中入鉤存車自鎖及脫鉤自解取車，并通過內外梳齒板相互錯位實現二層車輛存取，大大提高了車輛停放的空間效率和存取效率。該裝置是筆者在指導學生參加第八屆機械創新設計大賽時提出并研制，獲得該屆大賽國賽一等獎、陜西省一等獎，并已申請國家發明專利。