基于多連桿的無避讓立體停車裝置設計

顏建強，劉朝陽，陳思遠，姜志豪，任志軍

基于多連桿的無避讓立體停車裝置設計

顏建強，劉朝陽，陳思遠，姜志豪，任志軍

（湖南師范大學 工程與設計學院，湖南 長沙 410081）

根據當今中國社會私家汽車的數目越來越多，車位的數目相對汽車越來越少而立體車庫的技術仍處于發展階段的情況，在分析已有立體車庫的基礎上，設計了一款實用性強、拓展性好、停車效率高的多連桿無避讓雙層立體停車裝置。對該裝置的結構進行了三維建模，利用MATLAB軟件對多連桿進行了設計與計算，并介紹了該停車裝置的運動原理與軌道設計原理。

多連桿；無避讓立體停車裝置；結構設計；軌道設計

隨著中國汽車保有量的持續增加，停車位緊張、停車難等現象日漸成為社會問題，為緩解這一現狀，國內眾多公司及研究機構開始研究設計與制造立體停車設備[1-2]。目前，國內市場上立體停車方式主要分為升降橫移式、多層循環式、巷道堆垛式等，這些立體停車方式及設備雖然增加了停車位，但依然沒有普及應用。究其原因，主要是因為當前立體車庫的建設工程較大、制造與維護成本較高、車輛存取時間較長。因此，研究設計一種成本較低、結構精巧、效率較高的無避讓停車裝置，具有顯著的市場價值與社會效益。

1 整體設計思路

該立體停車裝置整體設計為兩層式，且能夠直接應用于現有的地面停車位，從而實現設備的較高兼容性，使其投入市場較為容易。立體停車裝置能實現平移（或旋轉）和升降兩個動作合一，使上層車位的運動軌跡為弧線型，既實現了無避讓停車，也大大縮短了停車時間。為實現上層車板的弧形運動軌跡，鏈條導軌和空間連桿機構配合工作，鏈條聯接停車裝置動力源，驅動上層載車板在空間連桿作用下實現平移和升降，導軌固定上層車位的運動軌跡，多連桿機構的運動必須保持上層車位在運動過程中始終處于水平狀態。為了進一步提高車輛存取效率，在該停車裝置上增加了旋轉結構，使車輛停放更為方便，預計存車、取車時間分別不超過1 min。

產品的三維效果如圖1所示。

圖1 無避讓立體停車裝置三維效果圖

2 立體停車裝置的結構設計

2.1 升降裝置設計

該立體停車裝置的升降裝置主要分為連桿部分和導軌部分。導軌部分的主要作用為為上層載車板的弧線運動提供支撐與導引，使其停放過程不會影響下層車位，通過研究比較發現，采用鏈條鏈輪傳動的承載能力較大，從而提高了車庫的安全系數，傳動精度較高，且維護成本較低，是最為適合的傳動方式[3]。

連桿部分應用多連桿機構，使上層載車板在升降過程中能夠始終保持水平狀態，也能夠在升降過程中對上層載車板起到分力作用，此功能的實現主要依靠連桿的長度配合和空間限位，形式仿造人類手臂結構設計。根據設計要求采用七連桿機構，其結構如圖2所示，各連桿的長度和限位的角度可通過數學建模分析解得。因上層載車板的理想運動軌跡已知，可知在某一時刻載車板上點的位置，將載車板上與連桿的固定點和主支撐桿與水平面的夾角離散，得出在載車板運動?時，點的具體位置和連桿主支撐桿的角度，再將其一一對應，將各連桿長度和連桿與水平角度的夾角作為設計變量，對其構造目標函數，將桿長約束和角度約束作為目標函數的絕對約束和目標約束，利用MATLAB進行模型求解[4]，具體求解過程如下。

圖2 立體停車裝置多連桿結構示意圖

根據圖2所示直角坐標系，以∠HGF的角度變化作為分段條件，將點F在載車板運動過程中分為四個部分：∠HGF=110°，110°＜∠HGF<177°，177°＜∠HGF<185°，∠HGF=185°，同時將AC，∠O′AF理想對應角度一一對應，求解點F的縱坐標與橫坐標的關系式如表1所示。

表1 點F坐標關系表

∠HGFfn（x）x范圍αAC∠O′AF 110°f1（x）750≤x≤1 310－UG75°120° 110°～177°f2（x）1 310－UG≤x≤1 420－UG70°90° 177°～185°f3（x）－UG≤x≤1 353－UG60°60° 185°f4（x）1 494－UG≤x≤1 553－UG30°30° 185°f5（x）1 553－UG≤x≤1 6560°0°

n（）的表達式如下：

由MATLAB編程獲得載車板理想軌跡圖，如圖3所示。

求得=101.7 mm，取整得100 mm。

將已知的理想軌跡離散為10個不同位置，各個離散位置如圖4、表2所示。

建立優化數學模型，確定設計變量為：=[1，2，3，4，5，6，7，8，9，10，11]T=[GF，AC，CD，DE，EF，AC，CD，DE，EF，GH，∠O′AF]T。

根據設計變量和所求目標構造目標函數如下：

xi=AF×cosAF=AF×cos11

yi=AF×sinAF=AF×sin11

AF=1×（sin6+sin11－180°）+2×（sin7+sin11－180°）+

3×（sin8+sin11－180°）+4×（sin9+sin11－180°）+5×

（sin10+ sin11－180°）

sin11=120°+?AFi

sin6=75°+?AFi

此目標函數為求出點在規定軌跡下，坐標浮動最小的全局最優解，以桿長條件和角度條件作為該目標函數的約束條件，使用MATLAB進行求解，并對相關條件進行約束[5]。

桿長約束：

角度約束：

利用MATLAB中非線性約束優化函數fmincom進行求解，獲得結果。

2.2 旋轉機構

該旋轉機構是為了使載車板下放后旋轉車輛能直接開上載車板設計的。上層車位載車板結構如圖5所示。旋轉的傳動方式利用履帶和帶輪傳動，大帶輪和小帶輪利用履帶進行傳動工作，可靠，效率較高，成本較低，結構簡單，空間利用率高，還有過載保護的作用[5-6]。載車板的坡度設計使車輛停放更為平穩，不易側滑。拉線塊與引車板通過鋼絲線連接，因為鋼絲線的長度一定，在旋轉的過程中，鋼絲線因處于繃緊狀態，使引車板可進行一定角度的上拉和下放，防止車輛停放時出現滑落而造成的一系列危險。

圖4 上層停車位載車板理想軌跡離散圖

表2 理想軌跡離散數據表

離散點SxiSyi?αACi∠O′AFi 175043200 2850432﹣15﹣25 3950432﹣30﹣40 41 050432﹣40﹣60 51 150432﹣50﹣70 61 250425.078 1﹣55﹣80 71 350389﹣60﹣90 81 450378.154 6﹣65﹣100 91 550211.41﹣70﹣110 101 65063.337 74﹣75﹣120

3 結論

相對而言，基于多連桿的無避讓停車裝置的性能與結構上有如下特點：兼容性好，可適用于大部分現有停車位的改建，既可單獨安裝，又可成規模安裝，上層停車位載車板旋轉裝置實現順時針、逆時針兩個方向旋轉，車輛存、取更便捷；通過導軌和多連桿結構設計，使上層車位的停車平穩可靠且具有較高的安全性，連桿的優化設計使得車輛的存取時間較短，效率較高；引車板的拉線設計節省了一個動力源電機，節約成本。同時，車輛在上層車位停放時引車板的上翹使得車輛不容易因為一些突發原因滑落而造成傷害，進一步提高了車輛存取時的安全系數。

圖5 上層車位載車板結構圖

［1］史學磊.立體車庫的特點、應用及發展前景［J］.建筑資訊，2016（11）：60-63.

［2］劉杰，劉楠嶓，吳立輝，等.無避讓立體車庫整體設計研究［J］.現代制造技術與裝備，2016（12）：91-92.

［3］盧玉明.機械設計基礎［M］.6版.北京：高等教育出版社，2015.

［4］春雷，潘宏俠，李冉，等.基于Matlab的平面連桿機構仿真軟件的研究［J］.機械設計與制造，2012（12）：94-96.

［5］田培棠，石曉輝，米林.機械零部件結構設計手冊［M］.北京：國防工業出版社，2011.

［6］張榮.機械原理［M］.武漢：華中科技大學出版社，2015.

U491.71

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.13.004

2095－6835（2020）13－0008－03

顏建強（1979—），男，碩士，工程師，實驗室主任，研究方向為數字化制造。

〔編輯：嚴麗琴〕