一種新型魔方車庫的創(chuàng)新設(shè)計

桂 慧,秦鴻程,劉鑫月,凡 龍,姚嘉偉

(武漢輕工大學(xué)機械工程學(xué)院,湖北 武漢 430048)

1 現(xiàn)有產(chǎn)品性能分析

截至2018年底,中國汽車保有量達到3.27億輛[1],機動車的增長速度遠遠超過停車基礎(chǔ)設(shè)施的增長速度,停車難已經(jīng)成為城市的一個普遍現(xiàn)象。機械式立體車庫是解決城市靜態(tài)交通問題的重要途徑。通過市場調(diào)研可知,目前市場上的立體車庫主要有升降橫移類、垂直升降類、垂直循環(huán)類、水平循環(huán)類、多層循環(huán)類、平面移動類、巷道堆垛類、簡易升降類8大類[2]。對現(xiàn)有立體車庫的市場調(diào)研可知,其產(chǎn)品特點如下:

1)升降橫移類采用模塊化設(shè)計,規(guī)模可大可小,配置靈活、構(gòu)造簡單、運行平穩(wěn),應(yīng)用廣泛,但車輛升降橫移讓位需空出多個車位,空間利用率較低[3]。

2)垂直升降類、平面移動類和巷道堆垛類立體車庫可存放較多車輛,但需要空出一整列空間用作存取車輛裝置的升降或橫移,空間利用率較低[4-5]。

3)垂直循環(huán)類、水平循環(huán)類及多層循環(huán)類占地面積小,存取車時間短,但存取車所需傳動力大,能耗較大,傳動穩(wěn)定性較差[6]。

4)簡易升降類結(jié)構(gòu)簡單緊湊,存取車快捷,但存車數(shù)量有限,地上型車庫需移出下方車位才能取出上方車輛。

2 魔方車庫設(shè)計思路

基于對市場現(xiàn)有立體車庫的性能分析,本文設(shè)計的魔方車庫從空間利用率、存取車時間、安全防護措施三方面解決現(xiàn)有車庫存在的問題,實現(xiàn)提高空間利用率、縮短存取車時間、保障車輛存取過程中的安全[7]等目標,為市場提供一種方便高效的停車庫,從而較好地解決小區(qū)、商場、酒店等停車難問題。魔方車庫三維造型設(shè)計如圖1所示。

魔方車庫與其他立體車庫最大的不同之處在于將魔方概念融入車庫設(shè)計之中,利用類似于九宮格游戲的方法[8],實現(xiàn)3×3×3的立體停車,其設(shè)計思路如圖2所示。

圖2 魔方車庫設(shè)計思路圖

3 魔方車庫功能分析與設(shè)計

根據(jù)市場調(diào)研分析結(jié)果,確定主要針對市面上中小型車輛設(shè)計魔方車庫相應(yīng)參數(shù)。對于3×3×3的車庫,其整體尺寸(長L×寬W×高H)為17 500 mm×8 000 mm×9 000 mm,停放車輛最大尺寸(長L車×寬W車×高H車)為5 300 mm×2 200 mm×2 100 mm,單個車位的最大承載質(zhì)量為2 200 kg。魔方車庫具有進出、升降和平移換位三大主要功能,下面闡述其設(shè)計原理和功能實現(xiàn)。

3.1 進出功能實現(xiàn)

本文創(chuàng)新設(shè)計了一款吊橋式車庫門,車輛進出依托于該車庫門,車輛進出及車庫門開閉兩功能僅用一個電機即可實現(xiàn)。吊橋式車庫門由電機、鋼纜繩、滑輪組、底部可旋轉(zhuǎn)門板和配重輪等組成[9],其中推板與配重輪固接,推板與鋼纜繩末端連接,其原理圖如圖3所示。

1—升降電機;2—鋼纜繩;3—滑輪組;4—配重輪;5—推板;6—門板

存車過程如圖4所示。裝置啟動后,在電機的驅(qū)動下鋼纜繩釋放,車庫門板打開至水平位置(圖4a),π形桿換位裝置將車庫內(nèi)的空置載車平臺移至門板上(圖4b),隨后繼續(xù)釋放鋼纜繩,門板一端與地面貼緊,形成大約10°的傾角(圖4c);汽車開上載車平臺停穩(wěn)后(圖4d),電機通過滑輪組將釋放的鋼纜繩收回,車庫門板轉(zhuǎn)至水平位置(圖4e),由于此時載車板與門板之間的摩擦力遠小于汽車和載車平臺重力垂直方向的分力,繼續(xù)拉動鋼纜繩,則會使鋼纜繩末端配重輪與推板沿門板滑移,推板同步推動載車板滑動進入車庫(圖4f),隨后車庫內(nèi)π形桿裝置會隨載車平臺運動并阻礙載車平臺繼續(xù)向前運動,使其逐漸減速至停止。車輛進入車庫后,電機帶動鋼纜繩將其收回,直至吊橋式車庫門關(guān)閉。

圖4 存車時門的工作流程

取車時,升降電機轉(zhuǎn)動,通過滑輪組釋放鋼纜繩,吊橋式車庫門放下至門板一端與地面貼緊,隨后π形桿裝置將車庫內(nèi)裝有車輛的載車板推動到門板上,此時同步釋放鋼纜繩,配重輪因自身重力沿門板緩慢移動,帶動汽車及載車平臺移動至車庫門近地端,完成上述操作后汽車即可駛離載車板。

3.2 升降功能的實現(xiàn)

為提高車庫上層空間利用率,采用三層結(jié)構(gòu),且上層空間可堆疊。魔方車庫有兩個獨立的升降通道,在確保一側(cè)正常使用的情況下,另一側(cè)可以輔助搬運車輛,提高存取車效率。若一側(cè)損壞,另一側(cè)可繼續(xù)升降車輛,不影響車庫正常運轉(zhuǎn)。兩個升降通道分別位于車庫正面的兩側(cè)(見圖1),每個升降通道里均裝有兩個聯(lián)動的升降平臺。通過設(shè)計的軟件系統(tǒng)自動選取最近的出口,以減少移車和取車時間。魔方車庫第一層設(shè)有絲桿,通過控制步進電機驅(qū)動絲桿轉(zhuǎn)動,帶動升降平臺上升或下降,如圖5所示,升降平臺沿絲桿兩側(cè)導(dǎo)柱上下進行移動,從而實現(xiàn)車輛在各層之間的靈活轉(zhuǎn)移。絲桿采用滾珠絲桿,利用其精度高、傳動效率高、壽命長、可做到無背隙的優(yōu)點,既可進行平穩(wěn)升降,又可防止車在升降過程中墜落,造成不可估量的財產(chǎn)損失[10]。為保證平臺平穩(wěn)地上下運動,通過控制絲桿的轉(zhuǎn)速使平臺升降速度為0.3～0.4 m/s,則車輛從駛?cè)胲噹斓教嵘降谌龑油＼囄凰钑r間為40～55 s。

1—電機;2—升降平臺;3—載車平臺;4—絲桿;5—光軸

每套升降系統(tǒng)均可帶動兩個升降平臺同時升降,在將第一層車搬運到第二層的同時,又可利用與其聯(lián)動的升降平臺,將第二層車移動到第三層。

3.3 平移換位功能的實現(xiàn)

魔方車庫的動力裝置位于每層的下方,其示意圖如圖6所示。換位功能主要依靠π形桿推動裝置實現(xiàn),由其推動載車板沿橫、縱導(dǎo)向槽進行車輛平移,其動力部分主要由差動輪系、電磁制動器、錐齒輪和鏈輪鏈條組成。

1、4—電磁制動器;2—步進電機;3—差速器;5—帶耳鏈條

步進電機2輸出的動力傳遞到差速器3,差速器3有兩個自由度,利用電磁制動器1和4失電鎖死的特性,分別鎖緊不同的輸出軸,改變差速器的自由度,構(gòu)成變自由度的變胞機構(gòu)[11],以此來完成動力的分配。差速器3未鎖的一端輸出動力,通過錐齒輪、鏈輪鏈條5傳遞動力,實現(xiàn)了一個電機控制x、y兩個方向的平移換位。平移換位系統(tǒng)如圖7所示,鏈條部分帶耳板,π形桿推動裝置與耳板相連,由鏈條帶動裝置平移,舵機控制π形桿翻轉(zhuǎn),推動載車板沿軌道移動來實現(xiàn)車輛的平移換位。如圖6所示,當(dāng)電磁制動器1鎖死時,動力由右輸出桿輸出,通過錐齒輪、鏈輪鏈條帶動π形桿推動裝置移動,推動載車板沿軌道移動實現(xiàn)y方向的移動換位。同理,電磁制動器4鎖死時,控制車輛x方向的移動換位。

1—π形桿;2—升降平臺;3—載車板;4—底板;5—舵機;6—動力盤

如圖8所示,載車底板均加工有橫、縱導(dǎo)向槽和定位凹孔,定位凹孔比橫、縱導(dǎo)向槽深1 cm,載車板底部安裝有萬向滾輪,在π形桿推動下使其沿底板導(dǎo)向槽滾動,可精確將車輛運輸?shù)街付ㄜ囄弧?/p>

1—橫、縱導(dǎo)向槽;2—定位凹孔

三層共空出4個車位以便于車輛進出,這樣27個車位可以存放23輛車,空間利用率高達85.2%。每層移動時僅空出一個車位,來實現(xiàn)同層8輛車的換位,圖9所示為單層的結(jié)構(gòu)布局圖。

3.4 π形桿校核

π形桿在推動載車板平移時,可將其簡化為懸臂梁,建立的力學(xué)模型如圖10所示。

圖10 π形桿受力及截面圖

載車板長度為5 m,設(shè)計π形桿長度l=4.4 m,其材料選用100×100×5.5×8熱軋T型鋼(GB/T 11263—2010),牌號為Q235B,屈服強度σs=235 MPa,彈性模量E=200 GPa。取安全因數(shù)ns=1.5。參照目前市面上大多數(shù)中小型車輛的質(zhì)量,設(shè)定載車板最大承載質(zhì)量為2 200 kg,考慮載車板與各結(jié)構(gòu)之間摩擦等影響因素,設(shè)計最大均布載荷q=115 N/m。π形桿受力分析方程為:

(1)

∑Fy=0,FA-ql=0

(2)

式中:MA(F)為各力對A點的矩,MA為A點的彎矩,Fy為沿y軸方向的力,FA為A點所受的力。

解方程得MA=1 113.2 N·m,FA=506 N。如圖10所示,A點處為懸臂梁固定端,此處彎矩最大,故危險截面為A截面,計算其最大彎曲正應(yīng)力σmax:

(3)

式中:σA為A截面的應(yīng)力,ymax為截面點到中性軸的最大距離,Iz為截面對中心軸z的慣性矩。

(4)

式中:|ω|max為最大撓度,I為截面的慣性矩。

4 結(jié)束語

本文創(chuàng)新設(shè)計了一款新型立體停車設(shè)備,與市場已有產(chǎn)品相比,該立體停車設(shè)備具有以下特點:

1)創(chuàng)新設(shè)計一種吊橋式車庫門,僅用一個電機實現(xiàn)車輛的進出與門的開閉。

2)創(chuàng)新設(shè)計差動輪系與電磁制動器構(gòu)成變自由度的變胞機構(gòu),實現(xiàn)單電機雙動力輸出的效果。將九宮格停車位與π形桿推動裝置結(jié)合,單層僅空出一個車位來實現(xiàn)同層八輛車的任意移動換位,并通過導(dǎo)向凹槽和定位凹孔實現(xiàn)載車板的平穩(wěn)移位和精準定位。

3)具有較高的空間利用率(85.2%),并采用準無人化操作模式,存車量大且方便快捷。

應(yīng)用本文闡述的技術(shù)方案,該立體停車設(shè)備可以從x、y、z三個方向進行擴展加層,實現(xiàn)n×n×n的車輛存儲,以滿足不同程度的停車需求,為市場提供了一種較優(yōu)的停車庫方案,具有較好的市場推廣使用價值。

本文產(chǎn)品參加第八屆全國機械創(chuàng)新設(shè)計大賽,獲得一等獎。