王春霖 王西珍 宋逸杰 吳蘊航 楊曉卓

摘 要：基于城市中私人自行車和共享單車數(shù)量持續(xù)增長、城市中可利用的土地面積急劇減少以及亂停亂放等現(xiàn)象，提出了一種地下圓塔型自行車自動存取立體車庫設(shè)計方案，該立體車庫核心結(jié)構(gòu)包括升降機構(gòu)、旋轉(zhuǎn)機構(gòu)及抓取機構(gòu)等。利用SolidWorks軟件構(gòu)建單車車庫總體結(jié)構(gòu)及各結(jié)構(gòu)三維模型，完成單車車庫總體方案、主要運動部件的設(shè)計和自行車存取過程的運動仿真。利用Simulation對主體結(jié)構(gòu)進行力學(xué)仿真，獲得載車架、升降頂蓋及轉(zhuǎn)盤的應(yīng)力云圖，結(jié)果表明，各部件最大應(yīng)力均小于材料屈服強度。運動仿真結(jié)果表明，機械抓手、轉(zhuǎn)盤滑塊機構(gòu)及升降機構(gòu)的工作過程滿足預(yù)期的設(shè)計要求。

關(guān)鍵詞：共享單車車庫；結(jié)構(gòu)設(shè)計；三維建模；仿真分析

中圖分類號：TH122? ? 文獻標(biāo)志碼：A? ? 文章編號：1671-0797（2024）10-0036-05

0? ? 引言

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

近年來，國內(nèi)外許多學(xué)者展開了關(guān)于自行車車庫的研究，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)，整個存入過程只需要8 s。埋藏在地下的圓柱形結(jié)構(gòu)只有7 m寬，每個圓柱子可以容納200輛兩輪自行車。荷蘭Bike box是一種自動升降停車庫，直徑5 m，共4層，每一輛車都有自己獨立的車位，它的運作過程和升降貨梯的工作原理相同，簡單便捷。常青青等人[2]設(shè)計了一種倉儲式自動存取立體車庫，提出了存取機械手與車位交錯運動的思路，有效解決了停放車位緊缺的問題，但其基于地上的設(shè)計利用的空間有限；胡艷麗等人[3]設(shè)計了一種旋轉(zhuǎn)升降式智能立體自行車庫，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一次，存取效率不高；王澤等人[4]設(shè)計的裝配式自行車立體車庫，采用模塊化設(shè)計，可實現(xiàn)現(xiàn)場快速裝配及隨時拆解，但同樣存在每一次存取車都需要入庫一次的問題；何兆雄等人[5]設(shè)計的自行車智能停車庫，樹狀傾斜布置10個固定停車架，通過機械爪的系列動作實現(xiàn)自行車的抓取和存放，但其每個存車位上都有一個機械爪進行存取工作，結(jié)構(gòu)上略顯冗雜；王鑫等人[6]設(shè)計的基于虛擬樣機的單車智能車庫，結(jié)構(gòu)簡單，單車容量大，但同樣存在每一次存取車都需要入庫一次的問題；劉承磊等人[7]采用兩級模塊組合式立體循環(huán)的設(shè)計方法，系統(tǒng)設(shè)計了模塊組合式立體循環(huán)自行車庫，該設(shè)計容量大、耗能小，但僅適用于地上建設(shè)；夏榮超等人[8]設(shè)計了一種自行車密集移動車庫，采用模塊化設(shè)計，且每個車位模塊可獨立運動，但其平鋪的車位設(shè)計只能固定單車，并沒有解決單車停車空間不夠的問題。

本文基于自行車車庫研究現(xiàn)狀，設(shè)計了一種地下圓塔型自行車自動存取立體車庫。各部件由獨立電機驅(qū)動，故可實現(xiàn)多向同時存取自行車，且機構(gòu)在停滿4輛車時才會上下移動存放一次，在此期間可以通過僅轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)盤存取車輛，大大提高了存取效率。

1? ? 全自動單車車庫的結(jié)構(gòu)組成

1.1? ?立體車庫總體方案設(shè)計

本車庫設(shè)計外觀為圓塔式，如圖1所示，占地約50 m2。

車庫入口位于地面上，外設(shè)取車、停車等操縱面板，存取單車亦可通過刷卡、掃碼或小程序等實現(xiàn)。另外，車庫可根據(jù)實際需要設(shè)計為多門存取車。核心結(jié)構(gòu)主要包括：升降機構(gòu)、旋轉(zhuǎn)機構(gòu)和抓取機構(gòu)。

1.1.1? ? 升降機構(gòu)方案設(shè)計

采用電機驅(qū)動卷揚機來帶動整個升降裝置的上下移動，整個升降裝置設(shè)計為圓形，四周均布4根立柱來與升降機構(gòu)相配合，為升降機構(gòu)的上下移動提供導(dǎo)向作用。

1.1.2? ? 旋轉(zhuǎn)機構(gòu)方案設(shè)計

采用電機單獨驅(qū)動轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)動和升降機構(gòu)的上下移動相互獨立。在轉(zhuǎn)盤表面均布4組抓取機構(gòu)，這樣機構(gòu)在停滿4輛車時才會上下移動存放一次，使得存取過程的效率大大提高。

1.1.3? ? 抓取機構(gòu)方案設(shè)計

采用氣缸帶動連桿來完成單車的夾緊，夾緊機構(gòu)通過平移滑塊與絲杠相連接，通過絲杠的轉(zhuǎn)動來控制平移滑塊的前后移動，采用絲杠可以保證運送的準(zhǔn)確性。

1.2? ?自行車存取原理

存車過程：用戶將單車停于車庫門口后，通過刷卡、掃碼或小程序操作，使控制系統(tǒng)發(fā)出存車指令，氣缸控制車庫門打開，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)到指定位置后，移動機械抓手將單車抓入滑軌，當(dāng)轉(zhuǎn)盤上4個滑軌全部停滿單車后，通過升降機構(gòu)沿立桿降入地下車庫部分，再由機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、抓手等機構(gòu)復(fù)位，存車完成。

取車過程：用戶通過刷卡、掃碼或小程序操作后，控制系統(tǒng)發(fā)出存車指令，若轉(zhuǎn)盤上存有單車，則車庫門自動打開，機械抓手將單車推出車庫，取車完成；若轉(zhuǎn)盤上無單車，則轉(zhuǎn)盤通過升降機構(gòu)降入地下車庫指定位置，將車庫中停放的單車抓入滑軌，再上升至車庫門，轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)到指定位置，待車庫門打開，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，實時調(diào)整轉(zhuǎn)盤上自行車的數(shù)量，提高存取效率。存車流程圖如圖2所示。

2? ? 立體車庫尺寸設(shè)計

通過對現(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1.65 m，高1.2 m，每兩個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計算，車庫的外形為直徑8 m的圓塔型，每層可以存16輛單車（車庫的層數(shù)設(shè)計和每層停車位的設(shè)計為模塊化設(shè)計，可根據(jù)具體的空間位置進行增減）。

3? ? 立體車庫結(jié)構(gòu)設(shè)計

車庫整體結(jié)構(gòu)分為三大部分：升降機構(gòu)、旋轉(zhuǎn)機構(gòu)和抓取機構(gòu)。整個車庫的運轉(zhuǎn)需要這三大部分的整體配合來完成。車庫主要組件如圖3所示。

3.1? ? 轉(zhuǎn)盤

如圖4所示，整個轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)由1個轉(zhuǎn)盤、4個滑軌機構(gòu)、4個機械抓手組成，直徑為4.4 m?；墮C構(gòu)由齒輪、絲杠、機械手支撐滑架組成，長度為1.6 m。其通過齒輪的旋轉(zhuǎn)來帶動絲杠旋轉(zhuǎn)，使絲杠上連接的機械手支撐滑架前后位移，從而帶動開合機械手運動，進行拉車和推車操作。轉(zhuǎn)盤通過下方電機帶動旋轉(zhuǎn)，對準(zhǔn)車庫門，待4個滑軌全部停滿單車后，由升降機構(gòu)將轉(zhuǎn)盤送入地下或地上進行單車存取。取車時，若轉(zhuǎn)盤上有車可以直接將轉(zhuǎn)盤上的單車取走，無須等待轉(zhuǎn)盤降入地下取車。

3.2? ? 升降平臺

升降平臺結(jié)構(gòu)如圖5所示，主要由連接塊、立桿、滑塊與升降平臺構(gòu)成，連接塊與卷揚機伸出的鋼絲繩連接，滑塊與升降平臺連接并沿立桿上下運動，使平臺升降更加穩(wěn)定。

3.3? ? 單層車庫結(jié)構(gòu)

單層車庫的結(jié)構(gòu)如圖6所示，直徑為8 m，上裝有16個如圖7所示的載車架，長度為165 cm，寬度為15 cm，單層可停放16輛單車。每90°設(shè)計導(dǎo)向架，對立桿起固定支撐作用。單層車庫高度為120 cm，可根據(jù)實際建造要求確定層數(shù)，以滿足不同的停車需要。

3.4? ? 入庫與動力組

整個車庫的入庫與動力組如圖8所示，車庫門面積5 m2，可單門或雙門設(shè)計。升降電機為主動力源，氣缸控制車庫門的開啟、關(guān)閉，卷揚機帶動鋼絲繩實現(xiàn)升降平臺的升降。

3.5? ? 基座部分

基座部分為整個車庫的最底層，起到承重、加固、保護車庫整體的作用，如圖9所示。

4? ? 立體車庫主要零部件有限元建模與分析

使用SolidWorks建模軟件中的Simulation插件對載車架、升降平臺頂蓋和轉(zhuǎn)盤進行受力分析。整體結(jié)構(gòu)中主要的受力結(jié)構(gòu)就是不斷移動的升降平臺、轉(zhuǎn)盤以及存放單車的載車架，而升降平臺中主要受力部分為連接鋼絲繩的頂蓋。頂蓋在靜止?fàn)顟B(tài)主要受到整個車庫的重力，而在從靜止到運動的這一過程中，受到的還有鋼絲繩帶來的拉力。轉(zhuǎn)盤與頂蓋相似，在運動時除了其承載的重力，還要承受加速度帶來的慣性力。載車架需承載單車重力和慣性力。因此，選取各部件滿載狀態(tài)并根據(jù)運動仿真數(shù)據(jù)添加相應(yīng)的最大慣性力進行仿真分析。

4.1? ? 載車架

載車架選用普通碳鋼，主要承載單車的重量，經(jīng)查閱資料，單車的最大質(zhì)量為20 kg，所以受力情況為200 N（單車前后輪中的一部分與載車架相接觸），仿真分析結(jié)果如圖10所示。由圖可知，載車架的最大應(yīng)力為1.046×106 N/m2，遠小于材料的屈服力2.206×108 N/m2，滿足使用要求。

4.2? ? 升降頂蓋

升降頂蓋選用合金鋼，通過卷揚機上的鋼絲繩進行牽引，故施加載荷位置為鋼絲繩連接處。根據(jù)計算結(jié)果，整個升降機構(gòu)總負載為300 kg，故施加載荷大小為3 000 N，仿真分析結(jié)果如圖11所示。由圖可知，升降頂蓋所受最大應(yīng)力為4.999×107 N/m2，遠小于屈服應(yīng)力6.204×108 N/m2，滿足使用要求。

4.3? ? 轉(zhuǎn)盤

轉(zhuǎn)盤選用普通碳鋼，整個轉(zhuǎn)盤通過軸與轉(zhuǎn)盤下面的中心孔進行配合，然后由聯(lián)軸器將電機與軸相連，軸進行扭矩的傳遞，施加的扭矩為100 N·m，仿真分析結(jié)果如圖12所示。由圖可知，轉(zhuǎn)盤所受的最大應(yīng)力為7.808×107 N/m2，遠小于材料的屈服力2.206×108 N/m2，滿足使用要求。

5? ? 立體車庫關(guān)鍵位置運動仿真分析

本文對運動要求較為嚴(yán)格的部件進行了運動學(xué)仿真，包括機械抓手、轉(zhuǎn)盤滑塊以及升降機構(gòu)，如圖13～15所示。

由機械抓手的位移-時間圖分析可得，機械抓手的工作過程滿足預(yù)期的設(shè)計要求，可以在預(yù)期的5 s時間內(nèi)運動到所需位置并完成單車的夾緊過程；由轉(zhuǎn)盤滑塊位移-時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時間內(nèi)完成對單車的運送，滿足設(shè)計要求；由升降機構(gòu)的位移-時間圖分析可得，升降平臺在運動過程中能在預(yù)期的5 s之內(nèi)完成單車的運送，滿足工作需求。運動學(xué)仿真的結(jié)果表明整個機構(gòu)滿足預(yù)期設(shè)計要求。

6? ? 結(jié)論

針對當(dāng)前城市的車庫投放點多、容量小、占地面積大，且亂停亂放現(xiàn)象嚴(yán)重的社會問題，本文設(shè)計了一種圓塔式的地下立體車庫，解決了停車難、取車難、占地多等問題。本文采用SolidWorks軟件建立了圓塔式地下立體車庫的三維模型，并應(yīng)用Simulation對關(guān)鍵零部件進行力學(xué)及運動仿真，獲得應(yīng)力云圖和位移-時間圖，根據(jù)仿真分析結(jié)果驗證設(shè)計的合理性。車庫采用模塊化設(shè)計，層數(shù)可根據(jù)區(qū)域?qū)嶋H需求增減。入庫車門數(shù)量亦可調(diào)整，可實現(xiàn)多車同時存取。并且存取車時，若轉(zhuǎn)盤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，具有較好的市場應(yīng)用價值。

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[8] 夏榮超，軒亮，李金華.一種自行車密集移動車庫的設(shè)計與研究[J].機械工程與自動化，2019（2）：112-113.

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.10.009

基金項目：陜西省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目（S202310709138）

收稿日期：2024-01-19

作者簡介：王春霖（2003—），男，安徽濉溪人，研究方向：機械結(jié)構(gòu)設(shè)計與仿真。