引言

隨著國(guó)內(nèi)共享單車投放量持續(xù)增長(zhǎng) , 多數(shù)城市 自行車公共停放場(chǎng)所越來(lái)越不足 , 自行車專用停車位少 ,就會(huì)出現(xiàn)亂停亂放現(xiàn)象 ,不僅影響城市形象 , 還會(huì)影響交通的正常運(yùn)行 ,“停車難 ”已成為城市發(fā) 展的公共性難題之一。

近年來(lái) , 國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者展開(kāi)了關(guān)于自行車車庫(kù)的研究 ,并取得了一定成果^[1]。日本ECO自行車停車塔是一種地下自行車停放系統(tǒng) ,整個(gè)存入過(guò)程只需要8 s 。埋藏在地下的圓柱形結(jié)構(gòu)只有7 m寬 ,每個(gè)圓柱子可以容納200輛兩輪自行車 。荷蘭Bike box是 一種自動(dòng)升降停車庫(kù) ,直徑5 m,共4層 ,每一輛車都 有自己獨(dú)立的車位 ,它的運(yùn)作過(guò)程和升降貨梯的工作原理相同 ,簡(jiǎn)單便捷 。常青青等人^[2]設(shè)計(jì)了一種倉(cāng) 儲(chǔ)式自動(dòng)存取立體車庫(kù) ,提出了存取機(jī)械手與車位交錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的思路 ,有效解決了停放車位緊缺的問(wèn)題 , 但其基于地上的設(shè)計(jì)利用的空間有限;胡艷麗等人^[3]設(shè)計(jì)了一種旋轉(zhuǎn)升降式智能立體自行車庫(kù) ,其空間利用率高 ,且管理智能化 ,但每一次存取車都需要入庫(kù)一次 ,存取效率不高;王澤等人^[4]設(shè)計(jì)的裝配式自行車立體車庫(kù) ,采用模塊化設(shè)計(jì) ,可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)快速裝配及隨時(shí)拆解 ,但同樣存在每一次存取車都需要入庫(kù)一次的問(wèn)題;何兆雄等人^[5]設(shè)計(jì)的自行車智能停車庫(kù) ,樹(shù)狀傾斜布置10個(gè)固定停車架 ,通過(guò)機(jī)械爪的系 列動(dòng)作實(shí)現(xiàn)自行車的抓取和存放 ,但其每個(gè)存車位 上都有一個(gè)機(jī)械爪進(jìn)行存取工作 ,結(jié)構(gòu)上略顯冗雜; 王鑫等人^[6]設(shè)計(jì)的基于虛擬樣機(jī)的單車智能車庫(kù) ,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 ,單車容量大 ,但同樣存在每一次存取車都需 要入庫(kù)一次的問(wèn)題;劉承磊等人^[7]采用兩級(jí)模塊組合式立體循環(huán)的設(shè)計(jì)方法 , 系統(tǒng)設(shè)計(jì)了模塊組合式立 體循環(huán)自行車庫(kù) ,該設(shè)計(jì)容量大、耗能小 ,但僅適用于地上建設(shè);夏榮超等人^[8]設(shè)計(jì)了一種自行車密集移動(dòng)車庫(kù) ,采用模塊化設(shè)計(jì) ,且每個(gè)車位模塊可獨(dú)立運(yùn)動(dòng) ,但其平鋪的車位設(shè)計(jì)只能固定單車 ,并沒(méi)有解決單車停車空間不夠的問(wèn)題。

本文基于自行車車庫(kù)研究現(xiàn)狀 , 設(shè)計(jì)了一種地下圓塔型自行車自動(dòng)存取立體車庫(kù) 。各部件由獨(dú)立電機(jī)驅(qū)動(dòng) ,故可實(shí)現(xiàn)多向同時(shí)存取自行車 ,且機(jī)構(gòu)在停滿4輛車時(shí)才會(huì)上下移動(dòng)存放一次 , 在此期間可以通過(guò)僅轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)盤(pán)存取車輛 ,大大提高了存取效率。

1   全自動(dòng)單車車庫(kù)的結(jié)構(gòu)組成

1.1   立體車庫(kù)總體方案設(shè)計(jì)

本車庫(kù)設(shè)計(jì)外觀為圓塔式 ,如圖1所示 , 占地約50 m²。

車庫(kù)入口位于地面上 , 外設(shè)取車、停車等操縱面板 , 存取單車亦可通過(guò)刷卡 、掃碼或小程序等實(shí)現(xiàn) 。另外 ,車

庫(kù)可根據(jù)實(shí)際需要設(shè)計(jì)為多門(mén)存取車。核心結(jié)構(gòu)主要包括:升降機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和抓取機(jī)構(gòu)。

1. 1. 1   升降機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì)

采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)卷?yè)P(yáng)機(jī)來(lái)帶動(dòng)整個(gè)升降裝置的上下移動(dòng) ,整個(gè)升降裝置設(shè)計(jì)為圓形 , 四周均布4根立 柱來(lái)與升降機(jī)構(gòu)相配合 ,為升降機(jī)構(gòu)的上下移動(dòng)提供導(dǎo)向作用。

1. 1.2   旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì)

采用電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng) ,轉(zhuǎn)盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)和升降機(jī)構(gòu)的上下移動(dòng)相互獨(dú)立。在轉(zhuǎn)盤(pán)表面均布4組抓取機(jī)構(gòu) ,這樣機(jī)構(gòu)在停滿4輛車時(shí)才會(huì)上下移動(dòng)存放一次 ,使得存取過(guò)程的效率大大提高。

1. 1.3   抓取機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì)

采用氣缸帶動(dòng)連桿來(lái)完成單車的夾緊 ,夾緊機(jī)構(gòu)通過(guò)平移滑塊與絲杠相連接 ,通過(guò)絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)控制平移滑塊的前后移動(dòng) ,采用絲杠可以保證運(yùn)送的準(zhǔn)確性。

1.2   自行車存取原理

存車過(guò)程:用戶將單車停于車庫(kù)門(mén)口后 ,通過(guò)刷 卡、掃碼或小程序操作 ,使控制系統(tǒng)發(fā)出存車指令 , 氣缸控制車庫(kù)門(mén)打開(kāi) ,轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)到指定位置后 ,移動(dòng)機(jī)械抓手將單車抓入滑軌 , 當(dāng)轉(zhuǎn)盤(pán)上4個(gè)滑軌全部停滿單車后 ,通過(guò)升降機(jī)構(gòu)沿立桿降入地下車庫(kù)部分 , 再由機(jī)械抓手將單車分別推入系統(tǒng)所分配的載車架 ,最后轉(zhuǎn)盤(pán)、抓手等機(jī)構(gòu)復(fù)位 ,存車完成。

取車過(guò)程: 用戶通過(guò)刷卡 、掃碼或小程序操作后 ,控制系統(tǒng)發(fā)出存車指令 ,若轉(zhuǎn)盤(pán)上存有單車 , 則車庫(kù)門(mén)自動(dòng)打開(kāi) ,機(jī)械抓手將單車推出車庫(kù) ,取車完成;若轉(zhuǎn)盤(pán)上無(wú)單車 ,則轉(zhuǎn)盤(pán)通過(guò)升降機(jī)構(gòu)降入地下車庫(kù)指定位置 ,將車庫(kù)中停放的單車抓入滑軌 ,再上升至車庫(kù)門(mén) ,轉(zhuǎn)盤(pán)旋轉(zhuǎn)到指定位置 ,待車庫(kù)門(mén)打開(kāi) , 抓手將單車推出 ,取車完成。

系統(tǒng)根據(jù)用戶使用或預(yù)約情況 , 實(shí)時(shí)調(diào)整轉(zhuǎn)盤(pán) 上自行車的數(shù)量 ,提高存取效率 。存車流程圖如圖2 所示。

2    立體車庫(kù)尺寸設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)現(xiàn)有單車具體參數(shù)的調(diào)研 ,根據(jù)單車的 尺寸參數(shù)(表1),確定單車車位長(zhǎng)1.65 m,高1.2 m,每 兩個(gè)單車車位之間的空間距離為0.5 m 。車身總體的 重量按照20 kg計(jì)算 ,車庫(kù)的外形為直徑8 m的圓塔 型 ,每層可以存16輛單車(車庫(kù)的層數(shù)設(shè)計(jì)和每層停 車位的設(shè)計(jì)為模塊化設(shè)計(jì) ,可根據(jù)具體的空間位置 進(jìn)行增減)。

3    立體車庫(kù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

車庫(kù)整體結(jié)構(gòu)分為三大部分:升降機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)機(jī) 構(gòu)和抓取機(jī)構(gòu) 。整個(gè)車庫(kù)的運(yùn)轉(zhuǎn)需要這三大部分的 整體配合來(lái)完成 。車庫(kù)主要組件如圖3所示。

3.1    轉(zhuǎn)盤(pán)

如圖4所示 ,整個(gè)轉(zhuǎn)盤(pán)結(jié)構(gòu)由1個(gè)轉(zhuǎn)盤(pán) 、4個(gè)滑軌機(jī)構(gòu)、4個(gè)機(jī)械抓手組成 ,直徑為4.4 m ?；墮C(jī)構(gòu)由 齒輪、絲杠、機(jī)械手支撐滑架組成 ,長(zhǎng)度為1 .6 m 。其通過(guò)齒輪的旋轉(zhuǎn)來(lái)帶動(dòng)絲杠旋轉(zhuǎn) ,使絲杠上連接的 機(jī)械手支撐滑架前后位移 ,從而帶動(dòng)開(kāi)合機(jī)械手運(yùn) 動(dòng) ,進(jìn)行拉車和推車操作。轉(zhuǎn)盤(pán)通過(guò)下方電機(jī)帶動(dòng)旋 轉(zhuǎn) ,對(duì)準(zhǔn)車庫(kù)門(mén) ,待4個(gè)滑軌全部停滿單車后 , 由升降機(jī)構(gòu)將轉(zhuǎn)盤(pán)送入地下或地上進(jìn)行單車存取。取車時(shí) , 若轉(zhuǎn)盤(pán)上有車可以直接將轉(zhuǎn)盤(pán)上的單車取走 ,無(wú)須 等待轉(zhuǎn)盤(pán)降入地下取車。

3.2    升降平臺(tái)

升降平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖5所示 ,主要由連接塊、立桿、 滑塊與升降平臺(tái)構(gòu)成 ,連接塊與卷?yè)P(yáng)機(jī)伸出的鋼絲繩連接 ,滑塊與升降平臺(tái)連接并沿立桿上下運(yùn)動(dòng) ,使平臺(tái)升降更加穩(wěn)定。

3.3    單層車庫(kù)結(jié)構(gòu)

單層車庫(kù)的結(jié)構(gòu)如圖6所示 ,直徑為8 m ,上裝有 16個(gè)如圖7所示的載車架 , 長(zhǎng)度為 165 cm , 寬度為 15 cm ,單層可停放16輛單車 。每90°設(shè)計(jì)導(dǎo)向架 ,對(duì)立桿起固定支撐作用。單層車庫(kù)高度為120 cm ,可根據(jù)實(shí)際建造要求確定層數(shù) , 以滿足不同的停車需要。

3.4    入庫(kù)與動(dòng)力組

整個(gè)車庫(kù)的入庫(kù)與動(dòng)力組如圖8所示 ,車庫(kù)門(mén)面積5 m² ,可單門(mén)或雙門(mén)設(shè)計(jì)。升降電機(jī)為主動(dòng)力源 ,氣 缸控制車庫(kù)門(mén)的開(kāi)啟、關(guān)閉 ,卷?yè)P(yáng)機(jī)帶動(dòng)鋼絲繩實(shí)現(xiàn)升降平臺(tái)的升降。

3.5    基座部分

基座部分為整個(gè)車庫(kù)的最底層 , 起到承重 、加固、保護(hù)車庫(kù)整體的作用 ,如圖9所示。

5   立體車庫(kù)關(guān)鍵位置運(yùn)動(dòng)仿真分析

本文對(duì)運(yùn)動(dòng)要求較為嚴(yán)格的部件進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真 , 包括機(jī)械抓手 、轉(zhuǎn)盤(pán)滑塊以及升降機(jī)構(gòu) , 如 圖13~15所示。

由機(jī)械抓手的位移-時(shí)間圖分析可得 ,機(jī)械抓手的工作過(guò)程滿足預(yù)期的設(shè)計(jì)要求 ,可以在預(yù)期的5 s 時(shí)間內(nèi)運(yùn)動(dòng)到所需位置并完成單車的夾緊過(guò)程; 由轉(zhuǎn)盤(pán)滑塊位移-時(shí)間圖分析滑塊在水平方向的位移可知 ,滑塊可在預(yù)期的5 s時(shí)間內(nèi)完成對(duì)單車的運(yùn)送 , 滿足設(shè)計(jì)要求; 由升降機(jī)構(gòu)的位移-時(shí)間圖分析可 得 ,升降平臺(tái)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中能在預(yù)期的5 s之內(nèi)完成單車的運(yùn)送 ,滿足工作需求。運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真的結(jié)果表明整個(gè)機(jī)構(gòu)滿足預(yù)期設(shè)計(jì)要求。

6    結(jié)論

針對(duì)當(dāng)前城市的車庫(kù)投放點(diǎn)多、容量小、占地面 積大 ,且亂停亂放現(xiàn)象嚴(yán)重的社會(huì)問(wèn)題 ,本文設(shè)計(jì)了 一種圓塔式的地下立體車庫(kù) , 解決了停車難 、取車 難、占地多等問(wèn)題 。本文采用s0lidw0rks軟件建立了 圓塔式地下立體車庫(kù)的三維模型 ,并應(yīng)用simulati0n 對(duì)關(guān)鍵零部件進(jìn)行力學(xué)及運(yùn)動(dòng)仿真 , 獲得應(yīng)力云圖 和位移-時(shí)間圖 ,根據(jù)仿真分析結(jié)果驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理 性。車庫(kù)采用模塊化設(shè)計(jì) ,層數(shù)可根據(jù)區(qū)域?qū)嶋H需求 增減 。入庫(kù)車門(mén)數(shù)量亦可調(diào)整 ,可實(shí)現(xiàn)多車同時(shí)存取。并且存取車時(shí) ,若轉(zhuǎn)盤(pán)上有空位或有車即可直接 存取 ,大大提高了存放和取車的效率 ,具有較好的市 場(chǎng)應(yīng)用價(jià)值。

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2024年第10期第9篇