地下圓塔型自行車自動(dòng)存取立體車庫設(shè)計(jì)
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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(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 , 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(gè)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(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 ,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(jì)了一種倉 儲式自動(dòng)存取立體車庫 ,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 ,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(jì)的裝配式自行車立體車庫 ,采用模塊化設(shè)計(jì) ,可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場快速裝配及隨時(shí)拆解 ,但同樣存在每一次存取車都需要入庫一次的問題;何兆雄等人[5]設(shè)計(jì)的自行車智能停車庫 ,樹狀傾斜布置10個(gè)固定停車架 ,通過機(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 ,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(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 ,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 ,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(jì)了一種地下圓塔型自行車自動(dòng)存取立體車庫 。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 , 在此期間可以通過僅轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)盤存取車輛 ,大大提高了存取效率。
1 全自動(dòng)單車車庫的結(jié)構(gòu)組成
1.1 立體車庫總體方案設(shè)計(jì)
本車庫設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn) 。另外 ,車
庫可根據(jù)實(shí)際需要設(shè)計(jì)為多門存取車。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)卷揚(yáng)機(jī)來帶動(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)盤轉(zhuǎn)動(dòng) ,轉(zhuǎn)盤的轉(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)連桿來完成單車的夾緊 ,夾緊機(jī)構(gòu)通過平移滑塊與絲杠相連接 ,通過絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)來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(dòng)機(jī)械抓手將單車抓入滑軌 , 當(dāng)轉(zhuǎn)盤上4個(gè)滑軌全部停滿單車后 ,通過升降機(jī)構(gòu)沿立桿降入地下車庫部分 , 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、抓手等機(jī)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(dòng)打開 ,機(jī)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(jī)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(shí)時(shí)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(jì)
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(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(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 立體車庫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
車庫整體結(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)車庫的運(yùn)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(gè)轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)由1個(gè)轉(zhuǎn)盤 、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 。滑軌機(jī)構(gòu)由 齒輪、絲杠、機(jī)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(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)開合機(jī)械手運(yùn) 動(dòng) ,進(jìn)行拉車和推車操作。轉(zhuǎn)盤通過下方電機(jī)帶動(dòng)旋 轉(zhuǎn) ,對準(zhǔn)車庫門 ,待4個(gè)滑軌全部停滿單車后 , 由升降機(jī)構(gòu)將轉(zhuǎn)盤送入地下或地上進(jìn)行單車存取。取車時(shí) , 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(yáng)機(jī)伸出的鋼絲繩連接 ,滑塊與升降平臺連接并沿立桿上下運(yùn)動(dòng) ,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(gè)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(jì)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(shí)際建造要求確定層數(shù) , 以滿足不同的停車需要。
3.4 入庫與動(dòng)力組
整個(gè)車庫的入庫與動(dòng)力組如圖8所示 ,車庫門面積5 m2 ,可單門或雙門設(shè)計(jì)。升降電機(jī)為主動(dòng)力源 ,氣 缸控制車庫門的開啟、關(guān)閉 ,卷揚(yáng)機(jī)帶動(dòng)鋼絲繩實(shí)現(xiàn)升降平臺的升降。
3.5 基座部分
基座部分為整個(gè)車庫的最底層 , 起到承重 、加固、保護(hù)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(jìn)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(dòng)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(gè)車庫的重力 ,而在從靜止到運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)時(shí)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(yùn)動(dòng)仿真數(shù)據(jù)添加相應(yīng)的最大慣性力進(jìn)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(yuǎn)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(yáng)機(jī)上的鋼絲繩進(jìn)行牽引 ,故施加載荷位置為鋼絲繩連接處。根據(jù)計(jì)算結(jié)果 ,整個(gè)升降機(jī)構(gòu)總負(fù)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(yuǎn)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(gè)轉(zhuǎn)盤通過軸與轉(zhuǎn)盤下面的中心孔進(jìn)行配合 ,然后由聯(lián)軸器將電機(jī)與軸相連 ,軸進(jìn)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(yuǎn)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(yùn)動(dòng)仿真分析
本文對運(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程; 由轉(zhuǎn)盤滑塊位移-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 ,升降平臺在運(yùn)動(dòng)過程中能在預(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
針對當(dāng)前城市的車庫投放點(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)問題 ,本文設(shè)計(jì)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s0lidw0rks軟件建立了 圓塔式地下立體車庫的三維模型 ,并應(yīng)用simulati0n 對關(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 。入庫車門數(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(jià)值。
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