前移旋轉升降橫移式立體車庫結構設計＊

陳海初 余 猛 王志鋒 謝 恒

佛山科學技術學院機電工程與自動化學院 佛山 528000

0 引言

隨著汽車保有量的不斷增多，城市土地資源的緊缺、早期建筑停車位考慮不周等導致城市停車難的問題亟待解決。我國城市住宅區、廣場游樂園、地下停車場等場所還是以平面停車為主，而機械式多層停車設備擁有占地面積少、存儲車輛多、性價比高等優點，為解決停車難的問題提供了很好方法[1]。目前，國內外現有的機械式立體車庫種類很多，可分為升降橫移類、垂直循環類、平面移動類、簡易升降類等類型[2,3]。盡管市場上現有的機械式停車設備種類繁多，但絕大部分工作效率低、適應性較差，導致市場應用率較低[4]。本文針對傳統雙層升降橫移式機械立體停車設備，創新性地設計了一種前移旋轉升降橫移式立體車庫結構，提升了傳統雙層立體車庫的利用率，且降低了車位成本。

1 傳統雙層機械式立體停車庫創新設計

傳統的3變5雙層升降橫移式機械立體停車設備，為了存取車方便，必須保留一個空余的停車位，造成車位資源的浪費。

如圖1所示，雙層升降橫移式機械立體停車設備可以完美實現車位的3變6、4變8、5變10等，可實現所有停車位的全部利用，且存取車方便。

圖1 3變6雙層升降橫移式機械立體停車設備示意圖

2 前移旋轉升降停車位結構設計

2.1 前移旋轉升降停車位結構方案

將傳統3變5車位設備兩邊車位（左右均可，以右側為例）中的一個車位安裝寬度增加350 mm及以上，在右下空間位置設計安裝可前移、旋轉、升降的停車機構，嵌入到傳統的3變5車位設備中，實現第6停車位。第6停車位的結構主要由載車板部分、前移裝置、旋轉裝置、升降裝置組成，其整體如圖2所示。

圖2 第6停車位的整體結構圖

停車臺板上的連接法蘭與掛架通過標準件固定連接，在停車臺板的另一側安裝有兩組無動力萬向支承彈簧減振輪組，以實現對臺板的支承，減小臺板停車后的受力彎曲變形。旋轉立柱下端通過標準件與行走箱體上的旋轉輸出軸法蘭緊固連接，旋轉輸出軸由行走箱體內的旋轉電機及蝸輪蝸桿傳動組件驅動。上支承滾輪安裝在上支承導槽內，而上支承導槽與整個設備的框架梁焊接固定，且還設置有行程開關及機械限位塊，對設備起到保護作用。行走箱體上有兩組驅動滾輪，實現旋轉立柱、掛架帶動停車臺板整體前后移動。提升電機及傳動機構組件整體安裝在旋轉立柱上，傳動機構輸出軸通過雙排或3排鏈條與掛架連接，當提升電機轉動時，可實現對停車臺板的升降控制。下支承導軌一方面通過行走輪組對行走箱體、旋轉立柱、停車臺板等第6車位停車設備整體起到支承作用，另一方面確保了行走箱體沿支承導軌的路徑前后移動移車，下支承導軌及上支承導槽在安裝時要向前超出雙層設備立柱350 mm及以上距離。掛架安裝在旋轉立柱上，通過多個支承滾輪與旋轉立柱形成移動副，可沿旋轉立柱上下升降移動。此外，旋轉立柱頂部還涉及安裝有機械掛鉤安全鎖定機構，當掛架帶動停車臺板上升后，實現對掛架的機械鎖定，確保設備的安全。

2.2 前移旋轉升降停車位的取車原理

本文提出的3變6車位雙層升降橫移式機械立體停車設備優先將車輛存取在1～5號停車位，當1～5號停車位的停車臺板上均存有車輛時，才對第6車位進行停車存放。該設備初次安裝后6號車位的停車臺板初始狀態如圖3中的①所示，此狀態時的6號停車位停車臺板朝外，行走箱體移動到外限定位置，掛架上升到上極限位置，安全鎖定機構鎖住掛架，確保設備的安全，同時方便3號車位的車輛存取。如果1～5號停車位已停滿車輛，需要在6號停車位停車時，6號停車位的停車臺板即下降到設定位置，然后將待停車輛開到停車臺板上。首先，驅動旋轉立柱帶動6號停車臺板順時針旋轉90°，然后行走電機驅動6號停車位設備整體向后移動到設定位置，縮進到整個設備的停車位內，完成停車，從而實現3變6車位的全部車位利用，使車位利用率達到100%。整個停車過程如圖3所示。

圖3 立體車庫存車過程

3 前移旋轉升降停車位結構穩定性分析

3.1 靜力學分析

立體車庫6號車位的三維模型圖以Step文件的格式導入Ansys中，對鋼結構進行四面體網格劃分，網格精度為50 mm，上支承導槽和下支承導軌為固定約束，停車臺板受力25 000 N，其分析結果如圖4所示。

圖4 6號車位應力分布云圖和位移變形云圖

由圖4可知，6號車位鋼結構的最大應力為46.12 MPa，最大變形為24.27 mm，其強度和剛度均滿足安全使用要求[5]。

3.2 模態分析

為了分析前移旋轉升降停車位的自振頻率，防止在特定頻率下立體車庫發生共振，對其進行模態分析。6號車位的前6階模態振型分析結果如表1所示。

表1 前6階模態分析結果匯總

模態分析結果顯示：前移旋轉升降橫移式立體車庫6號車位的頻率范圍為3.997～30.902 Hz。為了避免共振的發生，立體車庫應避開3.997～7.710 Hz頻率區域工作。6號車位的前3階固有頻率在8 Hz以下，振型主要是停車臺板呈傾斜狀，變形量范圍為0～1.335 mm。第4階、第5階、第6階固有頻率為13.023～30.902 Hz，振型主要是停車臺板呈扭曲狀，變形范圍為0～1.958 mm。由上述分析可知，前移旋轉升降橫移式立體車庫6號車位的結構設計合理，滿足立體車庫的存取車需要[6]。

4 運動仿真分析

為驗證6號車位在存取車過程中是否符合設計要求，故對其進行SolidWorks運動學仿真。運用Motion插件，新建運動算例[7，8]，類型選擇Motion 分析。0～3.5 s移動箱體沿X軸移動，3.5～6 s旋轉立柱逆時針旋轉90°，6～9 s旋轉升降車板沿Y軸移動。將上支承導軌和地軌支承設置為固定副，滾輪在地軌上能實現移動，將其設置為移動副。最后將旋轉立柱設置為轉動副，旋轉立柱將帶動旋轉升降車板一起做旋轉運動。

選取旋轉升降車板上的一個點和地軌的一個面作為運動仿真對象，對整個停車設備進行運動仿真后，得到圖5所示移動箱體沿X軸、Y軸的位移曲線。0～3.5 s箱體一直在向前移動，旋轉升降車板相對Y軸保持靜止。3.5～6 s旋轉立柱旋轉時，旋轉升降車板和地軌之間在X軸上存在相對位移，所以圖像上的曲線也相對發生變化。6～9 s旋轉升降車板沿Y軸移動，箱體保持靜止。整個位移的過程符合預期的效果，滿足仿真要求。

圖5 第6車位沿X軸和Y軸位移圖

圖6為旋轉升降車板的角加速度曲線，圖中顯示0～3.5 s和6～9 s旋轉升降車板不存在任何選擇運動，是一條直線。3.5～6 s旋轉立柱旋轉帶動旋轉升降車板旋轉，所以圖像發生顯著變化。該轉動過程符合預期效果，滿足仿真要求。

圖6 角加速度曲線圖

5 結語

針對傳統升降橫移式機械立體停車設備，本文設計了一種前移旋轉升降橫移式立體停車設備，該設備結構簡單、運行穩定，提升了傳統雙層立體車庫的利用率，節約了社會土地資源。利用Ansys軟件對鋼結構進行靜力學分析和模態分析，分析結果表明，立體車庫6號停車位結構安全可靠。為解決城市停車難的問題提供了一種可行性解決方案。