解決老舊小區(qū)停車問題的復(fù)式立體停車庫(kù)的研發(fā)

盧衛(wèi)子，王世新，鄭睿，李義強(qiáng)，馮怡然*,，張馨方，耿新英

解決老舊小區(qū)停車問題的復(fù)式立體停車庫(kù)的研發(fā)

盧衛(wèi)子1，王世新1，鄭睿1，李義強(qiáng)1，馮怡然*,1，張馨方1，耿新英2

（1.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；2.大連工業(yè)大學(xué) 教育教學(xué)評(píng)價(jià)中心，遼寧 大連 116034）

復(fù)式結(jié)構(gòu)立體停車裝置，主要針對(duì)狹小空間停車難的問題。裝置采用升降導(dǎo)軌與橫移滑軌的設(shè)計(jì)，通過梳齒托盤轉(zhuǎn)移車輛，并具備手機(jī)移動(dòng)終端一鍵控制存取車的功能，從而達(dá)到自動(dòng)停放車輛的目的。主要針對(duì)裝置的工作原理進(jìn)行分析，并根據(jù)相關(guān)理論對(duì)于某些常用的主要原件進(jìn)行非動(dòng)態(tài)的荷載情況分析，分析結(jié)果顯示，一般的零部件在工作中的最大承重小于設(shè)計(jì)的合理承重，并經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)物檢驗(yàn)得出本裝置在實(shí)際使用中的可行性。

立體車庫(kù)；適應(yīng)地形；自由定制；傳動(dòng)機(jī)構(gòu)；靜態(tài)載荷分析

近年來城市交通立體建設(shè)有了顯著發(fā)展，街道交通擁堵帶來的停車問題已經(jīng)成為了刻不容緩的問題。智能機(jī)械立體車庫(kù)可大大提高空間利用率，具有安全可靠、能耗低的特點(diǎn)。且復(fù)式結(jié)構(gòu)充分利用了垂直方向上的空間資源，提高土地面積使用率，獲得了更多的車位，在保留底層空間正常使用的情況下在二層建立車庫(kù)，因此具有很強(qiáng)的地形適應(yīng)性，能夠應(yīng)用于多種城市環(huán)境中，如綠化帶、水池、聯(lián)排停車位、人行道等[1]。

目前我國(guó)面臨的停車位資源緊張的社會(huì)問題十分嚴(yán)峻，傳統(tǒng)的停車結(jié)構(gòu)裝置和停車方式已無法滿足社會(huì)需求，而建立三維機(jī)械化車庫(kù)在解決社會(huì)問題方面發(fā)揮著重要作用，對(duì)于解決中國(guó)城市發(fā)展所面臨的停車問題，具有現(xiàn)實(shí)的社會(huì)意義和廣闊的發(fā)展前景[2]。

1 復(fù)式結(jié)構(gòu)立體停車裝置結(jié)構(gòu)方案

復(fù)式結(jié)構(gòu)立體停車裝置結(jié)構(gòu)方案如圖1所示，大致可分為支撐結(jié)構(gòu)、橫移結(jié)構(gòu)[3]、升降結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)四個(gè)部分。支撐結(jié)構(gòu)為支撐框架以及安裝在支撐框架上的停放托盤；橫移結(jié)構(gòu)包括橫移框架、安裝在橫移框架上的橫移減速電機(jī)、此外橫移結(jié)構(gòu)與支撐框架的連接為橫移滑軌及齒輪、齒條[4]；升降結(jié)構(gòu)包括升降框架，安裝在橫移框架上方的升降減速電機(jī)，安裝在升降框架底部的轉(zhuǎn)移托盤。橫移框架與升降框架的連接方式為通過使用升降導(dǎo)軌保證橫移框架與升降框架在橫向上同步運(yùn)行，并通過安裝在橫移框架上方的升降減速電機(jī)拉動(dòng)連接鏈條從而拉動(dòng)升降框架運(yùn)行。

10.支撐框架11.停放托盤20.橫移框架21.橫移減速電機(jī)22.橫移滑軌23.齒輪24.齒條30.升降框架31.升降減速電機(jī) 32.升降導(dǎo)軌33.連接鏈條34.轉(zhuǎn)移托盤40.控制柜41.傳感器

本裝置控制柜具備自動(dòng)控制系統(tǒng)[5]，包括帶有控制芯片的PLC控制器、設(shè)備運(yùn)行控制單元、行走路線規(guī)劃單元、安全監(jiān)測(cè)模塊和通信模塊，其中安全監(jiān)測(cè)模塊和通信模塊通信接口均與PLC控制器連接，PLC控制器輸出端與設(shè)備運(yùn)行控制單元、行走路線規(guī)劃單元連接。并且PLC控制器通過安裝在設(shè)備上的傳感器全程監(jiān)控設(shè)備運(yùn)行情況[6]，保證設(shè)備安全性[7]。

傳感器包括壓力傳感器[8]、光電傳感器、陀螺儀[9]，安裝如圖2所示；壓力傳感器安裝在轉(zhuǎn)移托盤與升降框架連接處，用來檢測(cè)車輛重量；光電傳感器和陀螺儀分別安裝在停放托盤中央及轉(zhuǎn)移托盤側(cè)方，用來檢測(cè)轉(zhuǎn)移托盤是否運(yùn)行到指定位置，防止停放托盤和轉(zhuǎn)移托盤撞齒以及防止車輛側(cè)滑。

11.停放托盤 34.轉(zhuǎn)移托盤 41.壓力傳感器 42.光電傳感器 43.陀螺儀

2 復(fù)式結(jié)構(gòu)立體停車工作原理與分析

2.1 手機(jī)無線終端一鍵控制存取車流程

存取車流程如圖3所示。

用戶需要停車時(shí)，手機(jī)APP自動(dòng)為用戶聯(lián)網(wǎng)尋找最近的立體停車裝置，并預(yù)留車位；用戶到達(dá)目標(biāo)車位后，系統(tǒng)通過手機(jī)軟件實(shí)時(shí)提醒用戶車輛停放位置是否合適，輔助用戶把車輛停放在合適位置[10]，待車輛完全停放好后，用戶下車即可選擇存車按鍵，各電機(jī)在傳感器的安全監(jiān)控下即可把車位轉(zhuǎn)移到合適位置。

用戶需要取車時(shí)，首先使用手機(jī)APP選擇取車選項(xiàng)；在各傳感器嚴(yán)格監(jiān)控設(shè)備安全的情況下，各電機(jī)運(yùn)行，把車輛轉(zhuǎn)移到進(jìn)出車口，用戶即可方便快捷的驅(qū)車離開立體車庫(kù)。

圖3 用戶操作流程

2.2 設(shè)備存取車運(yùn)行流程

本車庫(kù)可橫向增加車位數(shù)量，橫移框架運(yùn)動(dòng)到位置＝1、2、3……分別對(duì)應(yīng)升降區(qū)、A車位、B車位、C車位……，如圖4所示。實(shí)際應(yīng)用過程中具體工作過程可按以下兩種情況來對(duì)存取車來進(jìn)行說明。

（1）ABC均為存車

車主應(yīng)先用移動(dòng)終端客戶端連接上停車裝置，選擇停車，并等待轉(zhuǎn)移托盤下降，將車開入車庫(kù)；與此同時(shí)，安裝在轉(zhuǎn)移托盤和停放托盤上的傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)車輛停放情況，并傳回信息到控制柜，根據(jù)轉(zhuǎn)移框架和所載車輛的整體重量，導(dǎo)軌和齒輪的摩擦系數(shù)確定橫移電機(jī)的功功率[11]，如設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)正常且B車位有空余車位時(shí)：轉(zhuǎn)移托盤（1.2）轉(zhuǎn)移到（1.1）供車主停放車輛，之后轉(zhuǎn)移托盤由（1.1）先經(jīng)過（1.3）之后橫移運(yùn)動(dòng)到目標(biāo)車位B的上方（3.3），其次轉(zhuǎn)移托盤下降到（3.2）位置處，此時(shí)轉(zhuǎn)移托盤和停放托盤利用梳齒交換結(jié)構(gòu)交換車輛，最后轉(zhuǎn)移托盤回到初始位置（1.2）。

（2）ABC均為取車

車主使用移動(dòng)終端客戶端連接上停車裝置，發(fā)送取車命令；同時(shí)控制柜計(jì)算車輛停放位置，如車輛停放在位置C時(shí)，轉(zhuǎn)移托盤由（1.2）橫向移動(dòng)到目標(biāo)車位C的下方（4.2），之后提升高度到位置（4.3），此時(shí)轉(zhuǎn)移托盤和停放托盤利用梳齒交換結(jié)構(gòu)交換車輛，最后轉(zhuǎn)移托盤橫向移動(dòng)，經(jīng)（1.3）后下降高度到位置（1.1），待車主開走車輛后回到初始位置（1.2）。

（1.1）車主停車區(qū)、（1.2）（2.2）（3.2）（4.2）升降框架低位、（1.3）（2.3）（3.3）（4.3）升降框架高位

3 主要零部件的靜態(tài)載荷分析及試驗(yàn)

轉(zhuǎn)移托盤和停放托盤為本立體停車裝置的核心零件，關(guān)系到整個(gè)裝置的運(yùn)行安全性與運(yùn)行效率，本文主要分析它的應(yīng)力和位移，用SolidWorks Simulation對(duì)裝置進(jìn)行分析時(shí)，第一步是將復(fù)雜的模型簡(jiǎn)略。在這次分析中忽略焊接的強(qiáng)度以及焊縫的高度影響，并定義轉(zhuǎn)移托盤和停放托盤的的材料屬性如表1所示。

表1 材料屬性

限制轉(zhuǎn)移托盤和轉(zhuǎn)移托盤的固定位置表面自由度。在最大載荷條件下分析轉(zhuǎn)移托盤，即在滿載情況下分析托盤的應(yīng)力與形變。

取小型車輛的重量約為1.2～2.0 t，并根據(jù)小轎車的輪徑對(duì)梳齒受力計(jì)算，進(jìn)而得出傳動(dòng)托盤的最大壓強(qiáng)為1.803e+09 Pa?？紤]到設(shè)備在實(shí)際使用過程中會(huì)受到環(huán)境的影響，將受力乘以三重沖擊系數(shù)作為加載于梳齒結(jié)構(gòu)上的受力。并轉(zhuǎn)移至應(yīng)用程序以加載轉(zhuǎn)移托盤，根據(jù)轉(zhuǎn)移托盤與頂部鏈條的連接情況，可近似地把轉(zhuǎn)移托盤頂部型材的表面進(jìn)行自由度約束，如圖5所示。

圖5 轉(zhuǎn)移托盤載荷施加情況

根據(jù)停放托盤與支撐情況的焊接情況，在停放托盤底面位置固定零件表面自由度，并根據(jù)轉(zhuǎn)移托盤受力同理加載停放托盤載荷情況，停放托盤具體表面自動(dòng)約束情況及載荷加載情況如圖6所示。

在SolidWorks Simulation中，首先設(shè)置零部件材料屬性，軟件自動(dòng)對(duì)模型表面劃分網(wǎng)格以表達(dá)零件表面近似形狀，并對(duì)模型內(nèi)部進(jìn)行有限元六面體、四面體單元?jiǎng)澐忠员磉_(dá)模型積分體積；網(wǎng)格與單元體劃分完成后，開始對(duì)零件進(jìn)行自動(dòng)運(yùn)算分析，并生成算例結(jié)果。轉(zhuǎn)移托盤的輸出結(jié)果如圖7所示，停放托盤的輸出結(jié)果如圖8所示，可知，最大值出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)連接位置、其他位置變形和受力分布較為均勻。從算例結(jié)果中可以清楚地看到分析的主要數(shù)據(jù)。由于材料彈性形變程度過小，模型中難以分辨，因此對(duì)零件輸出位移進(jìn)行夸大化處理，以表達(dá)材料形變方向及程度。托盤的分析結(jié)果如表2所示；轉(zhuǎn)移托盤最大應(yīng)變?yōu)?.899e-03 mm、最大應(yīng)力為1.803e+09 Pa，設(shè)計(jì)滿足材料的許用強(qiáng)度；停放托盤最大應(yīng)變?yōu)?.122e-02 mm、最大應(yīng)力為3.605e+09 Pa，設(shè)計(jì)滿足材料的許用強(qiáng)度。因此停放托盤和轉(zhuǎn)移托盤在實(shí)際運(yùn)行過程中的強(qiáng)度與剛度可以保證。

圖6 停放托盤載荷施加情況

表2 轉(zhuǎn)移托盤靜態(tài)載荷分析結(jié)果

由以上靜態(tài)載荷分析可得出本裝置在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，各重要零件的材料選用與尺寸選取符合三倍沖擊系數(shù)下的載荷加載情況，各零件無斷裂及嚴(yán)重塑性形變問題

在此理論基礎(chǔ)上，對(duì)樣機(jī)模型進(jìn)行等比搭建并現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，試驗(yàn)測(cè)得，裝置在實(shí)際測(cè)試運(yùn)行過程無零件干涉，傳感器運(yùn)行良好并準(zhǔn)確識(shí)別轉(zhuǎn)移托盤在各位置運(yùn)行情況且無其他程序運(yùn)行錯(cuò)誤，材料完全滿足要求且運(yùn)行無故障出現(xiàn)。

圖7 轉(zhuǎn)移托盤輸出結(jié)果

圖8 停放托盤輸出結(jié)果

4 小結(jié)

本文研發(fā)的復(fù)式結(jié)構(gòu)立體停車裝置，采用升降橫移框架與梳齒交換結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了車輛的立體停放。使用SolidWorks Simulation軟件對(duì)裝置的梳齒交換結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜態(tài)載荷分析，保證了裝置在實(shí)際使用中的可靠性。本立體停車裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)巧妙，可應(yīng)用范圍廣，控制系統(tǒng)較為完善，運(yùn)行穩(wěn)定，且具備一鍵存取車功能，大大提高了停車效率，合理運(yùn)用空間資源，節(jié)約了土地使用面積，很大程度上緩解了我國(guó)所面臨的停車位資源緊張的社會(huì)問題，改善了城市停車難的問題，因此本裝置具有很高的推廣應(yīng)用價(jià)值。

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Development of Compound Parking Device to Solve the Problem of Parking in Old Communities

LU Weizi1，WANG Shixin1，ZHENG Rui1，LI Yiqiang1，F(xiàn)ENG Yiran1，ZHANG Xinfang1，GENG Xinying2

(1.School of Mechanical Engineering and Automation,Dalian Polytechnic University, Dalian 116034,China;2.Educational and Teaching Evaluation Center,Dalian Polytechnic University, Dalian 116034,China)

The compound parking device is mainly designed for the parking in a small space. It adopts the design of lifting rail and traverse rail to trasfer the vehicle laterally or longitudinally through the comb-finger pallet, and has the function of parking or getting out the car through mobile terminals by one click. The static load analysis of the main components of the device was carried out by the finite element analysis software SolidWorks Simulation. The results show that the maximal weight capacity of the components under working conditions is less than the allowable capacity. And the reliability of the device was verified in field tests.

compound garage；use of terrain；customization；transmission mechanism；static load analysis

TH122

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2020.02.007

1006－0316 (2020) 02－0039－05

2019－08－28

2018年大連工業(yè)大學(xué)教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目（教發(fā)〔2019〕23號(hào)JGLX201804）

盧衛(wèi)子（1999－），男，河南濟(jì)源人，本科生，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械自動(dòng)化。

馮怡然（1991－），男，北京人，碩士，實(shí)驗(yàn)師，主要研究方向?yàn)檩p工機(jī)械。