智能立體充電車庫設計分析

吳龍飛，張 旭，劉 靜

(江西理工大學 機電工程學院， 江西 贛州 341000)

0 引 言

隨著中國近年來的經濟蓬勃發展和科技的顯著進步，人民大眾的生活水平也不斷地上升，許許多多的人都擁有了汽車。其中新能源汽車的數量也越來越多，但是相應的停車和充電設施卻無法滿足人們的需求。從而導致了城市“停車難”的問題日益突出，亂停車、占道停車現象屢屢出現，給民眾的出行帶來諸多不便[1]。根據國外的發展經驗，城市化進程和新能源汽車的普及都是一個漫長且較為平穩的過程，但在我國，這兩者的發展是一個相對較為快速甚至是跳躍式的發展過程，而且兩者也相互交融。在節能減排發展過程中，過于偏重研發生產新能源汽車的問題、而輕視了停車和充電的問題，導致了城市停車充電難的問題不斷加劇，造成停車位嚴重不足，帶來了城市道路交通壓力不斷增大、生態環境不斷惡化等問題[2]。且隨著我國經濟發展和城市化進程的推進，我國新能源汽車的數量將持續上升，“停車難”等問題將更加突出。因此，智能充電車庫將會是解決新能源汽車“停車難”、“充電難”等問題的有力方法之一，為城市靜態交通基礎設施建設提供一個有益的選擇。

1 智能充電立體車庫

1.1 智能充電停車庫的特點

目前，智能充電立體車庫可以分為四大類型，分別是升降橫移式、垂直循環式、巷道堆垛式、垂直升降式。其中升降橫移式立體車庫除升降動作外，通過橫移動作讓開出車通道。由于土建工程較少，也無地下機構，是目前使用最廣泛的立體車庫形式[3]。

智能立體停車庫主要適用于電動汽車的停放，車輛的存取全過程智能化，用戶不進入車庫內，便于管理、節能減排、安全隱患少。其特點:①車庫主體外形為立方體，且可根據用戶的要求合理的布置層數和列數，以滿足用戶停車數量和取車時間需求；②車輛的存取全過程智能化，用戶不進入車庫內，便于管理、節能減排、安全隱患少；③機械結構中采用模塊化設計，便于組合使用，易于安裝拆卸，縮短施工周期；④智能充電立體車庫內部設置有充電樁，可為新能源汽車停放時提供充電服務；⑤安全保護方面采用聲光引導及定位裝置、自動消防滅火系統，設有防墜落、防碰撞、防過載等一系列安全保護裝置；⑥占地面積小，可充分利用地下空間，節約了大量土地資源，減少了對周邊環境的破壞。

1.2 智能充電車庫的工作流程

智能停車庫的基本功能應當滿足用戶汽車的存取停放需求。汽車的存取停放操作：用戶停放車輛-車庫識別車輛-系統數據統計編號-夾取固定車輛-運動傳送入庫-停放車輛-車輛充電。存取車過程分別如圖1所示，整個過程應盡量實現全自動化，降低人工操作步驟，并能夠確定保證存取車的穩定性、準確性、快速性[4]。

圖1 存取車過程

1.3 立體車庫技術的推廣意義

傳統的地面停車位只能停放1層，一般每個停車位大約需要12 m2左右，占地面積大、停車數量少。而傳統的地上或圓形停車設備的有效停車使用面積約占建筑面積比40%，停放30輛車共需要360 m2，計算下來每個停車位需要占用12 m2左右的建筑面積。[5]

智能充電車庫每個停車位只需要12 m2，一層放4輛，一共3層，共12 輛車，按地面停車占用土地面積換算為144 m2，實際車庫占地48 m2。由此可以看出:智能充電車庫能充分利用地下空間，占用地表面積小；車庫布置靈活、對場地的適應性強;停車存取自動化程度高、符合今后的發展方向；用戶不入車庫、便于管理、安全隱患小。可廣泛用于老舊城區的改造，新建小區的邊角空閑地帶，商場，公路和立交橋的周邊地帶;它既可獨立設置單個立方停車庫，也可以將多個單體停車庫通過組合或集群的方式，建造成為滿足實際場地所需要的新能源汽車智能車庫[6]。

2 停車裝置簡介

2.1 停車裝置的機構描述

停車裝置作為智能車庫的核心組件之一，它主要包括平移裝置、升降裝置、存取車平臺和進給裝置等部件。如圖2所示，停車裝置為二自由度機械裝置結構，其中平移裝置和升降裝置分別實現汽車平臺所需要的平移運動和升降運動。

圖2 停車裝置三維模型1.存車平臺 2.升降裝置 3.平移裝置 4.停車架 5.載車板

平移裝置放置于地面，由地面支撐。平移裝置上的運動板塊支撐升降裝置，升降裝置則保持存取車平臺的支撐，因此可以在機械原理上繼續簡化為機械結構簡圖，如圖3所示，平移裝置簡化為滑塊1和桿1，桿1接地，升降裝置簡化為滑塊2和桿2，其中桿2與滑塊1固定，存取平臺為滑塊2。

圖3 停車裝置結構簡圖

停車裝置在進行存取車時，其工作狀態可同時分為兩個工作狀態,狀態1：滑塊1在桿1上進行橫向往復運動；狀態2：滑塊2在桿2上進行縱向往復運動。在電機的驅動下，兩種狀態同步協調運動。

2.2 停車裝置虛擬樣機模型建立

綜合利用NX-UG進行運動仿真分析，借助虛擬樣機來模擬仿真新能源汽車智能車庫的停車裝置運動過程。首先對建立的停車裝置模型進行簡化處理，略去無關零件，略去平行桿件，略去輔助支撐件，略去存取車平臺，只保留主要支撐停車裝置的部件，簡化后共有5個零件，并且模型簡化前后的質量分布和質心位置基本相同，然后對停車裝置的簡化模型進行約束，得簡化后的停車裝置如圖4所示。

圖4 停車裝置簡化模型

2.3 停車裝置的動力學仿真

在NX-UG建模簡化處理后，進入UG仿真界面，新建仿真，選擇動力學仿真，點擊確定，重新進行連桿的建立，將底部兩桿設定為一個連桿L001，并且固定連桿，將平移裝置連同四個縱向滾珠絲桿設定為連桿L002，不固定，最后將升降裝置連同存取車平臺設定為連桿L003，不固定。如圖5所示。

圖5 智能立體停車庫仿真

進行運動副的建立，選擇平移裝置的連桿L002，選擇滑動副并指定原點，指定矢量為x軸正方向，建立滑動副為J002，摩擦選擇動摩擦系數為0.1，靜摩擦過渡速度為0.1 mm/sec，最大靜摩擦變形為0.01 mm，選擇驅動，選擇恒定平移，初始位移0 mm，初速度輸入12.5 mm/s，加速度為0，完成平移裝置的運動副建立。然后建立升降裝置的運動副，方式與平移裝置一樣，選定連桿、原點和矢量方向，滑動副J003，摩擦選擇動摩擦系數為0.1，靜摩擦過渡速度為0.1 mm/s，最大靜摩擦變形為0.01 mm，選擇驅動，選擇恒定平移，初始位移0 mm，初速度輸入12.5 mm/s，加速度為0，確定滑動副的建立。完成后點擊解算方案，選擇常規驅動，分析類型為運動學，時間選擇30 s，步數1000步，包含靜態分析，重力常數為9806.65 mm/s2，方向指向z軸負方向。名稱為Solution_1，點擊確定。運算求解結果如圖6所示。

圖6 升降裝置運動軌跡圖

3 載車板有限元分析

綜合利用UG進行有限元分析，首先對載車板的實際受力狀態進行分析，分析受力原理，建立出載車板受力模型。通過采用NX10.0軟件建立虛擬樣機模型來簡化載車板，并對其工作過程進行受力模擬分析，從而得到載車板的受力求解結果。對比結果，受力狀態與實際載車板受力情況符合。求解結果如圖7所示。

圖7 載車板有限元分析

4 結 語

在節能減排發展過程中，過于偏重研發生產新能源汽車導致了城市停車充電難的問題不斷加劇，帶來了城市道路交通壓力不斷增大、生態環境不斷惡化等問題。筆者對自動存取車輛并智能控制充電的立體車庫設計方案進行了分析，通過對車庫結構的三維構建，對立體車庫的停車裝置進行運動仿真，分析了升降裝置的軌跡運動情況，對車庫的主要部件進行有限元分析且其滿足設計強度要求，驗證了立體車庫可以滿足應有的使用性能要求，在理論上為實現智能立體充電車庫的結構設計提供了可靠的基礎。