采用極坐標(biāo)復(fù)合運動模態(tài)的大型車輛輸送機構(gòu)設(shè)計

楊 航，孔維雄，宋書飄

（遵義師范學(xué)院工學(xué)院，貴州遵義563006）

1 前言

隨著科學(xué)技術(shù)帶動經(jīng)濟的發(fā)展，人們的生活水平不斷得到提高，汽車成為人們必不可少的一部分[1]。汽車不再以運輸貨物為用途，更多的是成為人們的出行交通工具。汽車的增多就需要更多的停車位，必須把停車位的空間利用率提高，所以出現(xiàn)了立體車庫[2-4]。特別在一些發(fā)達國家對于出現(xiàn)的車多停車位少的問題，他們積極開展研發(fā)能解決停車的機械式停車技術(shù)。通過相關(guān)技術(shù)制造投入市場所使用，解決了出行停車難的部分問題。特別以德國研發(fā)的立體停車裝置處于領(lǐng)先地位，他們研發(fā)的停車庫形式多種多樣，能滿足不同地形的使用要求[5，6]。在歐洲地區(qū)立體停車設(shè)備并不少見，以巷道堆垛式、多層升降橫移式的停車車庫為主[6，7]。在美國，立體停車庫得到快速發(fā)展，在有的大型商場都會見到機械式立體停車裝置，并且種類繁多[8]。

近年來，中國經(jīng)濟快車飛速開來，加快了城市化進程[9]，汽車制造技術(shù)不斷得到提高，特別是小轎車市場需求得到快速發(fā)展，使得汽車保有量的不斷增加[10]。停車難的問題主要體現(xiàn)在都市的住宅小區(qū)、寫字樓、購物中心等地區(qū)。然而，在城市建設(shè)中沒有對停車設(shè)施考慮到位，停車位的增加速度卻始終跟不上汽車的增加速度。在短期能夠緩解停車難的問題，最主要方法就是建設(shè)立體停車庫。

2 大型車輛輸送機構(gòu)類型及特點

機械式立體停車裝置的種類繁多，根據(jù)原理和設(shè)計結(jié)構(gòu)的不同可分為六大類，分別為：垂直循環(huán)式立體車庫[11，12]、垂直升降立體車庫[13]、簡易升降設(shè)備[14]、多層升降橫移、無避讓停車設(shè)備[15，16]、兩層升降橫移設(shè)備，這幾類停車裝置各有其特點和優(yōu)勢。所以選擇的類型比較多，用戶可根據(jù)地理環(huán)境的不同選擇安裝合適的停車裝置。

垂直循環(huán)式立體車庫是現(xiàn)有的最常見的停車裝置，只使用差不多兩個車位的面積就能建設(shè)這樣一個停車庫，能停下十幾輛小橋車，所以極大的提高了車位的利用率。垂直循環(huán)立體車庫是以垂直方向做循環(huán)運動的停車系統(tǒng)，完成存取車輛。

垂直升降立體車庫是利用提升機構(gòu)將小汽車提升或者下降到指定層，并采用存取交換機構(gòu)存取小汽車的機械式停車設(shè)備。簡易升降設(shè)備是在地面層直接存取車，上層車位降下后可取下層車位的車輛，取上層車位時，地面車位必須開走。其特點是二倍增加車位、設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、安裝操作簡單、出入車視野開闊。

多層升降橫移設(shè)備，此類停車庫主要由升降機構(gòu)、搬運小車機構(gòu)、停車板來完成，升降機可作上、下運動。

無避讓停車設(shè)備，下層小車不動，將載車盤移動到相應(yīng)位置，車主將車開上載車盤，通過提升機構(gòu)提升到一定的高度，接著順時針旋轉(zhuǎn)90。，然后再移動指定的距離小車就停入庫中，取車便是相反的操縱運行。

兩層升降橫移設(shè)備，利用存車板的升降（和）橫向平移存取停放車輛的機械式停車設(shè)備。對土建要求較低，可建在露天，也可以建在建筑的地上、地下、規(guī)模可大可小，可根據(jù)不同的地形和空間進行適當(dāng)?shù)难b配組合。所以這類停車庫裝置運用較為廣泛。

3 基于極坐標(biāo)復(fù)合運動模態(tài)的車輛輸送機構(gòu)

關(guān)于立體停車庫的設(shè)計有很多種類，但各種車庫都有不同形式的優(yōu)缺點。本文所設(shè)計的停車庫是基于極坐標(biāo)運動的形式來設(shè)計，極坐標(biāo)運動也就是旋轉(zhuǎn)運動[17]。雖然也有人發(fā)明了一種類似摩天輪的停車裝置，但是這類停車裝置只依靠重力來提供平衡，在運行過程中會存在搖擺晃動的現(xiàn)象。為了解決車位的擺動，設(shè)計了這款新型的停車裝置，該停車裝置采用減速電機驅(qū)動，鏈條傳遞動力。使用SOLIDWORKS進行三維建模，得出該停車裝置設(shè)計模型如圖1所示。通過鏈傳動帶動連桿旋轉(zhuǎn)來實現(xiàn)停車托盤的升降。并根據(jù)停車托盤的運動軌跡設(shè)計定位圓環(huán)，安裝定位圓環(huán)來限制車位的移動，解決汽車在運行過程中出現(xiàn)滑移或搖擺的現(xiàn)象，使每個停車托盤始終保持水平，提高停車安全系數(shù)。該裝置共有8個停車位，相鄰兩個車位之間與回轉(zhuǎn)中心的連線所構(gòu)成的夾角為45。。由于車輛輸送裝置采用極坐標(biāo)形式，在旋轉(zhuǎn)方向具有對稱等效性，因此車輛間的層高不會隨著車輛具體位置發(fā)生變化。其層高差始終為旋轉(zhuǎn)半徑的1/。圖中每個停車位對應(yīng)一個停車托盤，一個停車托盤只能停一輛車。

圖1 極坐標(biāo)停車庫總體圖

驅(qū)動機構(gòu)采用電機9和減速箱8所組成的減速電機驅(qū)動，能提供足夠的轉(zhuǎn)矩并且在不工作時能夠?qū)崿F(xiàn)自鎖。用鏈條和鏈輪傳遞動能，鏈條帶動大鏈輪4，驅(qū)動轉(zhuǎn)盤5及連桿3旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)停車托,10的停車位的移動，為了提供比較大的力矩，所以在支承架1的兩邊都安裝有相同的減速電機，并安裝壓緊輪7來壓緊鏈條。在鏈條的帶動下同時啟動兩邊的大鏈輪4，大鏈輪4與轉(zhuǎn)盤5用螺栓連接固定在一起繞中心軸6轉(zhuǎn)動，停車托盤10上的小車會在重力的作用下會保持水平，但可能會受到外界因素的影響，出現(xiàn)搖擺不定的現(xiàn)象，比如在刮風(fēng)下雨時很可能出現(xiàn)停車托盤搖擺不定，所以安裝了定位圓環(huán)2，停車托盤10就在定位環(huán)2所固定的路線上運動，起到限制每個停車位不搖擺晃動。停車位以極坐標(biāo)運動的形式穩(wěn)定運動，實現(xiàn)停-取車輛的目的。

大部分的設(shè)計的停車裝置只能停小型橋車，而現(xiàn)在市場上的SUV型汽車在長、寬、高方面都比普通橋車大。為了能夠使停車裝置能夠停下多種類型的車輛，停車托盤的長寬高的設(shè)計是以現(xiàn)在市場最常見的MPV型小車的大小所設(shè)計的，這類車型的長寬高都比一些家用SUV大，其長為4780mm、寬為1780mm、高為1755mm，所以能夠容納很多類型的車輛。要使停車托盤在運動的過程中始終與地面保持平行，所以加裝了定位圓環(huán)是必不可少的，它能保證車子停在托盤上不晃動，防止危險事故的發(fā)生。

4 輸送機構(gòu)機電一體化詳細設(shè)計

4.1 基于極坐標(biāo)運動的停車裝置總體結(jié)構(gòu)

4.1.1 停車裝置的主系統(tǒng)

如圖2所示為停車裝置的主系統(tǒng)，是由支撐架、支座、大鏈輪、停車托盤、轉(zhuǎn)盤與連桿等組成，支撐架是采用普通碳鋼所焊接的鋼架結(jié)構(gòu)搭建而成，支座與中心軸連接固定不動，大鏈輪和轉(zhuǎn)盤用螺栓固定在一起并繞中心軸轉(zhuǎn)動，連桿與轉(zhuǎn)盤再用螺栓連接安裝在一起，連桿又與停車托盤用軸連接，當(dāng)大鏈輪轉(zhuǎn)動時停車托盤就能夠上下移動，實現(xiàn)移動車位的目的。

圖2 極坐標(biāo)停車裝置主系統(tǒng)

4.1.2 停車裝置的定位系統(tǒng)

定位系統(tǒng)是由連桿、停車托盤、定位圓環(huán)等組成，定位系統(tǒng)具有保護的作用，是固定停車托盤不會在運行的過程中或是其他外力的作用下?lián)u擺晃動，如圖3所示是該停車裝置的定位系統(tǒng)，停車托盤的兩側(cè)都有凸出來的圓柱，圓柱能夠在定位圓弧溝槽中移動，就能將停車托盤固定軌跡運動。可以將停車托盤、連桿、定位圓環(huán)三者看作構(gòu)成了個三角形，因為三角形具有穩(wěn)定性，所以停車托盤就不會搖擺晃動。

圖3 定位系統(tǒng)

4.1.3 停車裝置的驅(qū)動系統(tǒng)

驅(qū)動系統(tǒng)由電機、變數(shù)箱、鏈條、壓緊輪、鏈輪等所組成，通過PLC編程技術(shù)控制，如圖2、3所示。該機構(gòu)裝置采用電機與減速箱構(gòu)成的減速電機啟動，減速箱中有蝸輪蝸桿，這樣構(gòu)成的減速電機能夠自鎖，并且在支撐架上安裝兩個電機。需要兩個減速電機同步啟動，這樣才能夠提供足夠的運行功率，因為可能出現(xiàn)啟動不同步的現(xiàn)象，所以需考慮兩個電機啟動后所產(chǎn)生的耦合性問題。在加上啟動時通過鏈條傳動時會出現(xiàn)瞬時傳動比不恒定的現(xiàn)象，所以在選擇電機時需要優(yōu)先考慮電機轉(zhuǎn)動時轉(zhuǎn)速的準(zhǔn)確度。電機通過減速箱傳遞力矩，減速箱是否能夠提供足夠的轉(zhuǎn)動力矩才能讓把轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動？這樣需要計算電機的功率，選擇合適的電機。

圖4 驅(qū)動系統(tǒng)

通過查閱資料，一般的家用橋車的重量在1200kg到1300kg之間，中高級橋車的重量在1400kg到1600kg之間，一些SUV的重量在1900kg左右，為保證安全承載重量，我們設(shè)定汽車與停車托盤的最大重量為m=2300kg來計算，在運行過程中防止停車托盤搖擺不定，所以需要鏈輪的運動速度小并且勻速轉(zhuǎn)動，所以取大鏈輪的轉(zhuǎn)速為n=1.5r/min。減速箱的傳動比設(shè)為1:96，小鏈輪與大鏈輪的傳動比為1:10。

電機的輸出功率：

根據(jù)作用于轉(zhuǎn)動剛體上的力的功率等于該力對轉(zhuǎn)軸的力矩與速度的乘積，即變速箱的輸出功率為：

圖5 停車托盤的重力對連桿的作用力圖

如圖5所示，當(dāng)停車托盤的重力相同時，對中心軸的力矩為：

當(dāng)重力只在虛線的右半部分時，對中心軸的力矩為：

圖6 對中心力矩最大點處的函數(shù)圖像

由于是兩個電機驅(qū)動，所以單個減速箱的功率為27.74kW，經(jīng)過查《機械設(shè)計手冊》取聯(lián)軸器的效率為0.993；軸承的效率為0.996。帶入上式得：

電機的功率為：

根據(jù)計算結(jié)果選擇電機的型號，選取型號為Y200L.2的電機，其轉(zhuǎn)速為1440 r/min、額定電壓380V、效率90.5%、功率因數(shù)0.89，可控制正反轉(zhuǎn)。

4.2 極坐標(biāo)復(fù)合運動模態(tài)智能控制

該停車裝置的轉(zhuǎn)盤在運行過程時會根據(jù)系統(tǒng)測出的情況運行不同的角度，由于該裝置共有8個車位，所以連桿之間的夾角是450，轉(zhuǎn)盤會出現(xiàn)順時針轉(zhuǎn)動 180。、135。、90。、45。或逆時針轉(zhuǎn)動 180。、135。、90。、45。的情況。

當(dāng)車主需要停車時，存儲按鈕，停車系統(tǒng)通過判斷距離地面最近空車位，PLC記錄此位號并打印條形碼，無車位則不能打印出條形碼。就類似于超市里面的免費儲物柜的工作原理，車主收起條形碼，條形碼丟失造成不能取車只能由工作人員來取車。電機通電后通過鏈條和鏈輪的帶動，將停車托盤轉(zhuǎn)到停-取車的位置，此時電機停止工作，只能等待下一個車主來輸入信號是存車還是取車。轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動的距離由旋轉(zhuǎn)編碼器計算，利用PLC的高速計數(shù)器功能處理此信號，待車主將車開到停車托盤的指定位置后便停好了車輛。取車過程則是將條形碼對準(zhǔn)掃面口，系統(tǒng)識別出停車位，電機通電后經(jīng)過鏈條和鏈輪的帶動，將轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)到停-取車的位置，電機同樣停止工作等待下一個信號的輸入，車主就能開走自己的車，如圖7所示為停-取車的路線圖。

圖7 停-取車過程運行路線圖

5 車輛輸送裝置動力學(xué)設(shè)計與尺寸校核

5.1 單個車庫的設(shè)計

所以停車托盤在運行過程中既有水平方向的運動，又有豎直方向上的運動。在運行過程中如果遇到雨雪天氣，車身上的淤泥會被洗涮下到停車托盤上，又會流到下方停車托盤的車輛上，弄臟其它車輛，所以設(shè)計了如圖8所示的停車托盤，在托盤中留有承載雨雪的溝槽，在溝槽的上方用網(wǎng)狀板鋪墊，這樣不僅能讓雨水流入槽中，還能增大車輪與板的摩擦系數(shù)，防止車滑動。

圖8 停車托盤模型圖

5.1.1 車輪限位裝置的結(jié)構(gòu)

在停車時需要將車停靠在指定的位置，防止干涉其他停車托盤的運行，這時候需要一個裝置來限制車輛是否停止到位，考慮到停車盤的質(zhì)量不能太重，因此不能再在車盤中加裝其它驅(qū)動機構(gòu)，只能通過傳感器信號來控制車輛的停放位置。如圖 9所示，在停車托盤的圖示位置上安裝車感信號感應(yīng)器，當(dāng)車移動到位時信號燈會發(fā)出綠光，當(dāng)超出停車范圍時會發(fā)出紅光。

圖9 傳感器安裝位置

5.1.2 定位圓環(huán)限位裝置的安裝布局

定位圓環(huán)限位裝置是為了能讓停車托盤能夠保持水平實現(xiàn)平動，防止車輛在車盤上出現(xiàn)搖擺晃動的現(xiàn)象。所以設(shè)計了定位圓環(huán)用來實現(xiàn)停車托盤的限位作用。定位圓環(huán)是根據(jù)雙曲柄機構(gòu)的機械運動原理設(shè)計，是將從動曲柄的運動用圓環(huán)代替，在雙曲柄機構(gòu)中，兩個曲柄的長度相等并且平行，則稱其為平行四邊形機構(gòu)，圖10所示平行四邊形機構(gòu)。這種機構(gòu)最顯著的特點連桿作平動，該定位圓環(huán)的安裝布局原理就是按照平行四邊形機構(gòu)運動原理進行安裝。

圖10 平行四邊形機構(gòu)

從上圖可看出兩桿的運動軌跡出現(xiàn)相交的現(xiàn)象，所以設(shè)計定位圓環(huán)就分成了兩部分，因此限位裝置在安裝的過程中比較困難，因為這個裝置是一個分割成兩部分的圓環(huán)，上半部分是和中心軸固定在一起，通過機械零件連接，可以上下調(diào)節(jié)圓環(huán)與中心軸之間的距離，中心軸是固定在支座上不作轉(zhuǎn)動，定位圓環(huán)就固定不動。下半部分固定在地面上，需要調(diào)整圓心與上半部分的圓環(huán)相重合，才能保證停車托盤在運行過程中不會出現(xiàn)卡死的現(xiàn)象。

5.1.3 停車盤限位裝置的作用

圖11 限位裝置布局圖

如圖11所示，定位圓環(huán)中的槽口是停車托盤上兩側(cè)凸出的圓柱體運動的軌道，定位圓環(huán)就能限制停車托盤的擺動，圓柱體能夠在定位圓環(huán)中移動，停車托盤、連桿、定位圓環(huán)和機架四者構(gòu)成雙曲柄機構(gòu)，也稱平行四邊形機構(gòu)，保證了停車托盤始終水平。

5.2 模型的運動仿真分析

利用 SOLIDWORKS所帶的插件 SOLIDWORKSMOTION做運動仿真。運動仿真能夠減少機械產(chǎn)品在設(shè)計當(dāng)中遇到的問題，可以有效的防止設(shè)計時出現(xiàn)的問題。此外，這款軟件里面的有限元插件還能與SOLIDWORKSMOTION所輸出的運動載荷實現(xiàn)有機結(jié)合，從而有利于對運動構(gòu)件的強度進行校核。

將停車裝置的三維模型建好后，在裝配的環(huán)境下設(shè)置好配合關(guān)系，才可以進行仿真。利用SOLIDWORKSMOTION插件進行仿真。給大鏈輪添加旋轉(zhuǎn)運動，通過表達式填寫連桿的受力。設(shè)置完以后，分析時直接點擊MOTION分析，再點擊計算算例后，軟件就生成運動動畫，其中進行零件的干涉檢查是仿真運動的一個重要作用，運動仿真分析后并沒有發(fā)現(xiàn)零件之間存在干涉，所以初步認(rèn)定結(jié)構(gòu)設(shè)計合理。并計算出停車托盤的加速度，平均轉(zhuǎn)動力矩，如圖12所示。

圖12 停車托盤運動仿真圖

5.3 減速箱軸的尺寸校核

減速箱的輸出軸受力較大，受力情況比較復(fù)雜，所以要對此軸進行受力分析。減速箱的軸的直徑為=0.09m，軸的材料為40Cr，查資料得知其許用切應(yīng)力[]=211.1MPa，在前面已經(jīng)得出減速箱需要提供的最大功率為max=27.74kW，因為小鏈輪與大鏈輪的傳動比為1:10，大鏈輪的轉(zhuǎn)速為=1.5r/min，再由公式=M得出，減速箱需要提供的轉(zhuǎn)矩為：

圖13 減速箱輸出軸的受力圖

輸出軸可看作為等直圓桿，如圖13所示是軸的受力圖，在軸上的力偶矩為=17660m。先求軸中間任意橫截面2-2上的扭矩，應(yīng)用截面法將軸沿橫截面2.2處假想地截分開，并研究其左半段軸的平衡。由平衡方程

按軸的變化情況，規(guī)定軸因扭轉(zhuǎn)而使其縱向線在某一段內(nèi)有變成右手螺旋線的趨勢時，則該段軸截面上的扭矩為正，反之為負。作出軸的扭矩圖，如圖14所示。

圖14 減速箱輸出軸的扭矩圖

扭轉(zhuǎn)截面系數(shù)以及強度校核條件為：

所以，滿足強度要求。

6 總結(jié)

基于極坐標(biāo)運動復(fù)合運動模態(tài)的停車裝置采取減速電機驅(qū)動、鏈條傳動、PLC編程控制等。本文所設(shè)計的停車裝置可以解決都市的住宅小區(qū)、寫字樓、購物中心等地區(qū)停車難的問題，該停車裝置具有容量大、空間利用率高、機械結(jié)構(gòu)簡單、泊車方便、安裝和維護方便、占地面積小等優(yōu)點。

根據(jù)停車托盤的運動軌跡設(shè)計定位圓環(huán)，安裝定位圓環(huán)來限制車位的移動，解決汽車在運行過程中出現(xiàn)滑移或搖擺的現(xiàn)象，使每個停車托盤始終保持水平，提高停車安全系數(shù)。該裝置共有8個停車位，相鄰兩個車位之間與回轉(zhuǎn)中心的連線所構(gòu)成的夾角為45°。與直循環(huán)式立體車庫、垂直升降立體車庫比較起來，在停車效率方面具有優(yōu)勢，前兩者場地利用比一般為1:2，本裝置可以達到約2.2:8。與多層升降橫移等車輛輸送裝置比較起來，雖然在場地利用效率方面不足，但是在使用的便利性和可靠性方面有優(yōu)勢。

裝置的主系統(tǒng)是由支撐架、支座、大鏈輪、停車托盤、轉(zhuǎn)盤與連桿等組成；定位系統(tǒng)由停車托盤、連桿、定位圓環(huán)；驅(qū)動系統(tǒng)由電機、變數(shù)箱、鏈條、壓緊輪、鏈輪等所組成。以極坐標(biāo)的運動原理所設(shè)計的機械式力體停車庫，首先確定這種立體車庫的可行性，設(shè)計的各零部件是否滿足其設(shè)計要求，通過運動仿真和靜力學(xué)仿真分析，驗證結(jié)構(gòu)的可行性。

立體車庫有著很大的發(fā)展空間和很多的使用價值。有些停車庫已經(jīng)作為一些特殊的建筑，引來更多的人的重視，所以研究立體停車庫的人越來越多，在空間的利用率得到提高，從手動變?yōu)樽詣樱⒉粩嗳〉眯碌倪M展。設(shè)計出符合地形地貌的立體停車庫，滿足人們的使用需求，不再讓交通變得擁堵，提高出行速度，同時提高了辦事效率。