三位六車(chē)自動(dòng)泊車(chē)裝置的設(shè)計(jì)與分析

劉清超 郭安福 賀業(yè)林 相 國(guó) 李俊頡

（聊城大學(xué) 機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院，聊城 252000）

隨著城市的發(fā)展，私家車(chē)數(shù)量逐年增加，使得停車(chē)難問(wèn)題成為當(dāng)前社會(huì)城市化發(fā)展需要解決的問(wèn)題之一[1-3]。中華人民共和國(guó)公安部2019年底統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，小型載客汽車(chē)保有量遠(yuǎn)超2018年，私家車(chē)保有量首次突破2億輛。2020年全年，國(guó)內(nèi)最新注冊(cè)的車(chē)輛達(dá)3328萬(wàn)輛，70個(gè)城市車(chē)輛保有量突破100萬(wàn)輛，其中有31個(gè)城市車(chē)輛保有量突破200萬(wàn)輛，13個(gè)城市車(chē)輛保有量突破300萬(wàn)輛。在新增的數(shù)千萬(wàn)輛汽車(chē)中，如果排除已經(jīng)廢棄的汽車(chē)數(shù)量與非機(jī)械式、非立體化的車(chē)位數(shù)量，同時(shí)以每個(gè)車(chē)位價(jià)格50000元計(jì)算，從全國(guó)范圍的角度來(lái)看，這無(wú)疑是價(jià)值千億元的巨大市場(chǎng)。所以，停車(chē)難問(wèn)題的出現(xiàn)不僅關(guān)系到當(dāng)前的國(guó)計(jì)民生，而且是機(jī)械式現(xiàn)代化停車(chē)裝備產(chǎn)業(yè)發(fā)展的絕佳機(jī)會(huì)。因此，國(guó)家需要的是一種集智能化、信息化、立體化、機(jī)械化于一體的現(xiàn)代停車(chē)裝備，以滿足提高車(chē)位的利用效率和體現(xiàn)智慧停車(chē)的新模式、新格局的要求，進(jìn)而完成城市管理的新飛躍。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

國(guó)外立體停車(chē)裝置早在20世紀(jì)80年代已經(jīng)開(kāi)始研究，如日本、德國(guó)以及美國(guó)等。他們研究機(jī)械式立體停車(chē)裝置的現(xiàn)狀相較于國(guó)內(nèi)研究更加成熟，研究體系更加健全，設(shè)計(jì)種類更加多樣。國(guó)外立體停車(chē)裝置的設(shè)計(jì)由于前期工業(yè)積累和多年來(lái)的經(jīng)驗(yàn)與教訓(xùn)，積累的豐富經(jīng)驗(yàn)使其設(shè)計(jì)更加具有當(dāng)代藝術(shù)的美感，如德國(guó)的立體泊車(chē)塔[4]、迪拜的機(jī)器人泊車(chē)庫(kù)[4]以及美國(guó)加州的太陽(yáng)能車(chē)庫(kù)。

我國(guó)在立體停車(chē)庫(kù)方面的研究相對(duì)起步較晚[4-6]。據(jù)調(diào)查，我國(guó)生產(chǎn)升降橫移類機(jī)械式停車(chē)設(shè)備的企業(yè)行業(yè)占比最高為整個(gè)生產(chǎn)停車(chē)設(shè)備企業(yè)的1/3，生產(chǎn)垂直循環(huán)類機(jī)械式停車(chē)設(shè)備與簡(jiǎn)易升降類機(jī)械式停車(chē)設(shè)備的企業(yè)各占比約1/5，生產(chǎn)垂直升降類機(jī)械式停車(chē)設(shè)備與平面移動(dòng)類機(jī)械式停車(chē)設(shè)備的企業(yè)占比約1/10。2018年國(guó)內(nèi)主要類型車(chē)庫(kù)趨勢(shì)如圖1所示。該數(shù)據(jù)表明，升降橫移類車(chē)庫(kù)雖占份額較大，但增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)緩慢；簡(jiǎn)易升降類車(chē)庫(kù)、垂直升降類車(chē)庫(kù)和垂直循環(huán)類車(chē)庫(kù)增長(zhǎng)趨勢(shì)迅猛；機(jī)械式停車(chē)設(shè)備受地理和空間影響大；升降橫移類機(jī)械停車(chē)設(shè)備泊位數(shù)量都遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)先于其他類型泊位，未來(lái)受居民區(qū)空間條件制約，車(chē)庫(kù)規(guī)模小型化的趨勢(shì)還將持續(xù)發(fā)展。

本文設(shè)計(jì)了一種三位六車(chē)自動(dòng)泊車(chē)裝置，介紹了整個(gè)裝置的結(jié)構(gòu)組成和工作原理，應(yīng)用SolidWorks軟件建立機(jī)械部分的三維模型，并對(duì)重要部件進(jìn)行了有限元分析。

2 三位六車(chē)自動(dòng)泊車(chē)裝置的結(jié)構(gòu)組成及工作原理

三位六車(chē)自動(dòng)泊車(chē)裝置三維模型如圖2所示，由整體支撐框架、升降載車(chē)板、自動(dòng)導(dǎo)引運(yùn)輸車(chē)（Automated Guided Vehicle，AGV）載車(chē)板、曳引機(jī)和橫移載車(chē)板等裝配構(gòu)成。

本裝置采用AGV載車(chē)板進(jìn)行第一步操作[7-9]。使用AGV載車(chē)板不僅可以增加用戶的安全系數(shù)，而且可以提高存取車(chē)的速度。存車(chē)時(shí)，用戶將車(chē)輛行駛至AGV載車(chē)板上，然后下車(chē)進(jìn)行控制存車(chē)。取車(chē)時(shí)，將車(chē)輛行駛出AGV載車(chē)板即可。

本裝置的適用車(chē)型為家用D型車(chē)，停車(chē)單位長(zhǎng)度5000 mm，停車(chē)單位寬度1850 mm，停車(chē)單位高度1550 mm，單車(chē)自身質(zhì)量為1800 kg，容車(chē)數(shù)量為6輛，具體相關(guān)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 裝置對(duì)所要存取的車(chē)輛的基本要求

采用曳引機(jī)通過(guò)鋼絲繩帶動(dòng)車(chē)輛升降，同時(shí)利用齒梳結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)車(chē)輛從AGV載車(chē)板轉(zhuǎn)到升降載車(chē)板上，然后車(chē)輛平穩(wěn)且快速上升，在達(dá)到指定高度后停止上升。

采用兩個(gè)電動(dòng)缸協(xié)同作業(yè)的方式進(jìn)行車(chē)輛橫移，同時(shí)利用齒梳結(jié)構(gòu)[10-11]，實(shí)現(xiàn)車(chē)輛從升降載車(chē)板轉(zhuǎn)到橫移載車(chē)板上，然后車(chē)輛平穩(wěn)且快速橫移至指定區(qū)域。在完成橫移指令后，升降載車(chē)板下降至初始位置，停車(chē)操作完成。

取車(chē)操作與存車(chē)操作相反。升降載車(chē)板在曳引機(jī)的帶動(dòng)下上升并到達(dá)指定位置，橫移載車(chē)板在兩個(gè)電動(dòng)缸協(xié)同作業(yè)下將車(chē)輛移動(dòng)出指定位置，利用齒梳結(jié)構(gòu)，曳引機(jī)帶動(dòng)升降載車(chē)板繼續(xù)上升一段距離至車(chē)輛脫離橫移載車(chē)板。橫移載車(chē)板在兩個(gè)電動(dòng)缸協(xié)同作業(yè)下回到初始位置，升降載車(chē)板在曳引機(jī)的帶動(dòng)下下降至初始位置。此時(shí)，利用齒梳結(jié)構(gòu)，車(chē)輛重回AGV載車(chē)板上，AGV載車(chē)板無(wú)避讓移出車(chē)輛，用戶上車(chē)，將車(chē)輛駛出載車(chē)板。在感應(yīng)到車(chē)輛離開(kāi)且安全時(shí)，AGV載車(chē)板回到初始位置，取車(chē)結(jié)束。

3 關(guān)鍵部位設(shè)計(jì)

3.1 AGV載車(chē)板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及分析

為保證整體穩(wěn)定，不出現(xiàn)車(chē)輛溜車(chē)情況，在齒梳式載車(chē)板的預(yù)定位置進(jìn)行圓弧型設(shè)計(jì)[10-11]，停車(chē)狀態(tài)下不溜車(chē)，啟動(dòng)后也能方便地駛出載車(chē)板。AGV載車(chē)板要有足夠的承載力支撐車(chē)輛，以保證AGV載車(chē)板不被已經(jīng)停放的車(chē)輛壓垮[7-9]。此外，需要降低AGV載車(chē)板自身重量。載車(chē)板本身重量越小，越能減輕麥克納姆輪的壓力，增加載車(chē)板的使用壽命。使用SolidWorks軟件進(jìn)行三維建模，AGV載車(chē)板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3所示。

使用軟件進(jìn)行有限元分析，為保證結(jié)構(gòu)安全，車(chē)輛自身質(zhì)量為1800 kg。取車(chē)輛自身質(zhì)量150%的載荷，在AGV載車(chē)板上[7-9]進(jìn)行最大載荷的模擬。當(dāng)車(chē)輛穩(wěn)定停放時(shí)，對(duì)AGV載車(chē)板進(jìn)行有限元分析，固定下平面，在輪子停放處給予載荷經(jīng)過(guò)模擬得到應(yīng)力變化。車(chē)重力由4個(gè)輪子平均分配，每個(gè)輪子分配的重力為1/4。取車(chē)輛自身質(zhì)量為1800 kg，重力為18000 N，即每個(gè)輪子分配4500 N，一般車(chē)輛前后都是50∶50，后驅(qū)車(chē)可達(dá)到45∶55，分析結(jié)果如圖4所示，可見(jiàn)設(shè)計(jì)滿足承重要求。

3.2 升降載車(chē)板設(shè)計(jì)及有限元分析

三位六車(chē)自動(dòng)泊車(chē)裝置中升降載車(chē)板的外形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，綜合結(jié)構(gòu)選擇要求，采用齒梳式的底板和籠式的整體框架。在齒梳式的底板設(shè)計(jì)中，為了降低重量并提高結(jié)構(gòu)剛度，采用空心架構(gòu)成。同時(shí)，為保證車(chē)輛上升時(shí)的安全，將車(chē)輪所在位置的空心架進(jìn)行弧度設(shè)計(jì)，即滿足車(chē)輛在上升時(shí)位置固定。在籠式的整體框架設(shè)計(jì)中，為了降低曳引機(jī)的提升壓力和上升時(shí)整體的平穩(wěn)運(yùn)行，盡量去除不必要的部分。為了避免應(yīng)力集中進(jìn)行合理的圓角處理，在與外部型材接觸部位設(shè)置滾輪以提高平穩(wěn)度，同時(shí)設(shè)置防墜裝置做到升降安全有保障。使用SolidWorks軟件進(jìn)行三維建模，升降載車(chē)板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖5所示。

使用軟件進(jìn)行有限元分析，為保證結(jié)構(gòu)安全，車(chē)輛自身質(zhì)量為1800 kg?？紤]上升加速度的影響，取車(chē)輛自重170%的載荷，在升降載車(chē)板上進(jìn)行最大載荷的模擬。當(dāng)車(chē)輛穩(wěn)定停放時(shí)，對(duì)升降載車(chē)板進(jìn)行有限元分析，固定升降載車(chē)板四角支撐柱，給整個(gè)載車(chē)板施加靜應(yīng)力，經(jīng)過(guò)模擬得到應(yīng)力變化及位移變化，分析結(jié)果如圖6和圖7所示。

由圖6可以看出，最大應(yīng)力出現(xiàn)在4個(gè)頂點(diǎn)處，大小為64.99 MPa左右，符合要求。由圖7看出，在給定載荷下，載車(chē)板的最大變形量出現(xiàn)在兩側(cè)邊緣，大小為2.212 mm。

3.3 橫移載車(chē)板設(shè)計(jì)及分析

橫移載車(chē)板的設(shè)計(jì)分為兩部分：一是一級(jí)橫移載車(chē)板的結(jié)構(gòu)[12]；二是二級(jí)支撐橫移載車(chē)板結(jié)構(gòu)。一級(jí)橫移載車(chē)板如圖8所示，二級(jí)載車(chē)板如圖9所示。一級(jí)橫移載車(chē)板與二級(jí)支撐橫移載車(chē)板裝配后，橫移載車(chē)板結(jié)構(gòu)如圖10所示。

使用軟件進(jìn)行有限元分析，為保證車(chē)輛最終停穩(wěn)后的結(jié)構(gòu)安全，車(chē)輛自身質(zhì)量為1800 kg，取車(chē)輛自重150%的載荷，在橫移載車(chē)板上進(jìn)行最大載荷的模擬。當(dāng)車(chē)輛穩(wěn)定停放后，對(duì)橫移載車(chē)板進(jìn)行有限元分析，經(jīng)過(guò)模擬得到應(yīng)力變化和位移變化。升降載車(chē)板有限元分析結(jié)果如圖11和圖12所示。

由圖11可知，最大應(yīng)力出現(xiàn)在車(chē)輪停放處附近，大小在32.88 MPa左右，符合設(shè)計(jì)要求。由圖12可知，載車(chē)板最大變形量出現(xiàn)在邊緣處，大小在4.667 mm左右。

4 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)選用樹(shù)莓派作為控制設(shè)備[13-15]。首先，它小巧輕便，可以很好地安裝在智能設(shè)備上；其次，它有40個(gè)通用輸入與輸出（General-Purpose Input/Output，GPIO）接口，可以連接多個(gè)傳感器，方便系統(tǒng)后續(xù)功能的擴(kuò)展。最后，它具有獨(dú)立的處理器和操作系統(tǒng)，可以快速處理各種傳感器反饋的數(shù)據(jù)，并通過(guò)調(diào)用相關(guān)模塊使驅(qū)動(dòng)模塊作出反應(yīng)?；跇?shù)莓派的控制，可以完成三位六車(chē)自動(dòng)泊車(chē)裝置的運(yùn)行。樹(shù)莓派如圖13所示。

當(dāng)車(chē)輛行駛至裝置前準(zhǔn)備停車(chē)，駕駛員通過(guò)手機(jī)藍(lán)牙啟動(dòng)停車(chē)系統(tǒng)。AGV載車(chē)板啟動(dòng)循跡程序，左右紅外循跡傳感器開(kāi)始檢測(cè)黑線。若沒(méi)有檢測(cè)到黑線，則繼續(xù)檢測(cè)；若檢測(cè)到黑線，則進(jìn)行程序處理。處理程序通過(guò)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速，可實(shí)現(xiàn)AGV載車(chē)板的左前、左后、右前、右后移送和左向、右向橫移，從而完成循跡過(guò)程。繼續(xù)前進(jìn)，若到達(dá)指定位置，AGV載車(chē)板停止向前運(yùn)動(dòng)，并原地順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°，供車(chē)輛駛上AGV載車(chē)板。車(chē)輛停穩(wěn)后，駕駛員下車(chē)，AGV載車(chē)板載車(chē)原路返回初始位置。AGV載車(chē)板的循跡模塊流程圖如圖14所示。

5 結(jié)語(yǔ)

文章分析了三位六車(chē)自動(dòng)泊車(chē)裝置的工作原理，提出了三位六車(chē)自動(dòng)泊車(chē)裝置的設(shè)計(jì)方案。通過(guò)SolidWorks軟件對(duì)裝置的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維建模，并對(duì)裝置的關(guān)鍵部件如AGV載車(chē)板、升降載車(chē)板、橫移載車(chē)板等進(jìn)行了設(shè)計(jì)，同時(shí)設(shè)計(jì)分析控制系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)需求分析最終選擇采用樹(shù)莓派作為控制設(shè)備。本裝置具有車(chē)位利用率高、安全性能好等優(yōu)點(diǎn)，為解決城市化建設(shè)過(guò)程中車(chē)位不足提供了理論參考，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和推廣價(jià)值。