輔助搬運車輛電動化智能裝備模型的設計

武晨曉,謝羽嘉,王子航,朱 磊,吳曉艷

(東北林業大學,哈爾濱 150040)

0 引言

私家車數量的逐年增加給城市交通帶來了前所未有的挑戰,城市空間的有限性導致停車位數量無法跟上私家車的增長速度,停車難問題日益嚴重,這不僅加劇了城市交通的擁堵,還給車主帶來了極大的不便。尋找停車位的過程不僅消耗了時間和燃料,還增加了空氣污染和交通事故的風險,因此尋求創新解決方案變得尤為緊迫。

為了解決停車難問題,通常選擇在居民區和商業綜合體下方建設地下停車場。為了便于管理,這些停車場會在地面上噴涂停車線。但一些車主為了節省時間,往往沒有將車輛停在規定的停車線內,或由于停車位過小導致倒車空間不足,難以將車輛駛入停車線內,這種情況下需要一種能夠輔助搬運汽車進入停車線的設備。

考慮到汽車的多樣化,不同車型之間存在車輪間距的差異。目前的車輛搬運器在處理車輪較寬的汽車時,由于車輛與夾桿機構接觸位置偏外側,導致受力點在夾桿機構旁邊遠離基體,容易導致夾桿機構的損壞。而在搬運車輪較窄的汽車時,搬運器則容易磕碰到車輪內側,甚至可能無法將車輛順利駛入汽車底部。需尋找更先進、智能化的搬運器,以更好地適應不同車型的特殊需求,提高設備的可操作性和適用性。在解決停車問題的同時,需關注搬運器設計的創新,以更好地服務城市交通的發展。需研發一種新型的車輛搬運器,具備以下特點:適應不同車型,包括車輪較寬和較窄的汽車;具備較高的安全性,避免損壞車輛和夾桿機構;具有較高的搬運效率,能夠快速將車輛搬運到指定位置;操作簡單,易于推廣應用;具有較好的環保性能,減少對空氣污染和能源消耗。

美國Boomerang公司在2015年被授權一種“自動存儲系統和搬運小車”專利[1],該專利中的汽車搬運器屬于夾持式汽車搬運器,可實現軸向伸縮以適應不同軸距及全轉向運動,極大地提高了搬運器的靈活性,使得停放汽車之間的間隙很小。該搬運器的夾持機構與AUTOPARK 公司的搬運器夾持機構在結構上有所不同,其中一根夾持臂(450 b)通過直線運動來適應汽車輪距,另一根夾持臂(452 b)通過旋轉運動來夾持汽車輪胎[2]。

國內有多位學者對立體車庫汽車搬運器理論進行了深入研究。趙超等設計了以液壓系為動力的夾持輪胎式汽車搬運器,降低了搬運器的整體高度,運用AMESim軟件對模型進行動態分析,驗證了設計的可行性[3-4]。張晉暢對比了各種汽車搬運器的性能,研究了夾持輪胎式搬運器的結構,該設計利用蝸輪蝸桿作為傳動機構,有效解決了傳動時間長和自鎖穩定的問題[5]。王新等利用Abaqus有限元軟件分析了汽車搬運的起重夾持機構強度,對其結構進行優化設計,對產品設計具有指導意義[6]。邱亮等利用仿真軟件對單軸抬升形式的搬運器進行仿真,相關仿真結果可用于堆垛式搬運器的設計思路[7]。

我國汽車搬運器正在加速發展,相比于其他類型的汽車搬運器,夾持式汽車搬運器無需載車板,更能節省立體車庫空間,適用于更多類型的停車庫,應用前景廣闊。該裝置主要應用于露天停車場、立體停車場及消防疏散。對于露天停車場,利用衛星尋跡確定搬運器的位置,按照預設軌跡運行。在循跡過程中通過Open CV識別車輛是否規范停車,夾持裝置負責抬起車輛并實現鎖止,鎖止之后通過物聯網告知車主目前的車輛狀態,通過查詢是否已繳納停車規范費,解除鎖止車輛。立體停車場費用由車主通過掃描二維碼支付,實現智能跟隨。當裝置到達指定車輛前,選擇紅外或藍牙進行遙控挪車,完成車輛的搬運倒車。

1 技術方案

提供一種輔助搬運汽車的設備,可搬運不同車體寬度的汽車,采用的技術方案為兩個主體,即第一基座和第二基座,均設有行進裝置。第一基座的一側和第二基座的一側均設有調節機構,調節機構上滑動連接兩個托舉機構,第一基座和第二基座之間設有伸縮機構,包括伸縮絲桿、光桿和剪叉式伸縮臂,剪叉式伸縮臂的兩端分別與伸縮絲桿和光桿滑動連接。伸縮機構包括兩根伸縮桿和保護罩,伸縮桿的兩端分別與第一基座和第二基座固定連接,第一基座的另一側和第二基座的另一側均延伸有環形臺階,伸縮絲桿和光桿分別置于相鄰的環形臺階內,保護罩套設在兩個環形臺階外側。

圖1 裝置系統應用Fig.1 Application of device system

圖2 自主設計的控制移動操作軟件Fig.2 Autonomous designed control mobile operation software

剪叉式伸縮臂由兩個X型伸縮臂單元組成,兩個X型伸縮臂單元首尾相連,其中一個X型伸縮臂單元的兩個伸縮臂末端旋轉連接第一滑塊,兩個第一滑塊分別與伸縮絲桿上的左旋螺紋和右旋螺紋滑動連接。另外一個X型伸縮臂單元的兩個伸縮臂末端旋轉連接第二滑塊,第二滑塊與光桿滑動連接。伸縮絲桿上的螺紋分為兩段,伸縮絲桿上的兩端螺紋分別為左旋螺紋和右旋螺紋,兩個第一滑塊分別與伸縮絲桿上的左旋螺紋和右旋螺紋滑動連接。

調節機構包括雙軸電機,第一基座的一側和第二基座的一側均開設收容槽,雙軸電機置于收容槽的中部,雙軸電機的兩個輸出軸上均固定連接調節絲桿,兩根調節絲桿的螺紋分別為左旋螺紋和右旋螺紋。

托舉機構包括旋轉組件,旋轉組件包括旋轉支架和齒輪箱,旋轉支架的一端與調節絲桿滑動連接,兩個旋轉支架的一端分別與相鄰左旋螺紋和右旋螺紋的調節絲桿滑動連接。兩個相鄰的旋轉支架分別位于雙軸電機的兩側,齒輪箱與旋轉支架另一端的一側固定連接,齒輪箱上設有旋轉驅動件,其輸出軸與齒輪箱連接。兩個相鄰的托舉機構互相對稱,托舉機構包括托舉支架,托舉支架的一端與旋轉支架的另一端旋轉連接,托舉支架的一端設有齒輪,齒輪的軸心與托舉機構和旋轉支架旋轉連接處同軸,齒輪與齒輪箱連接。

2 設備實施及優勢

本設備包括兩個主體,分別為抬升車輛的前輪和后輪。主體包括第一基座和第二基座,第一基座和第二基座互相對稱,均設有行進裝置,各兩個。第一基座上的兩個行進裝置分別靠近兩端,貫穿第一基座。第二基座上的兩個行進裝置分別靠近兩端,貫穿第二基座。設備優選行進裝置為麥克納姆輪,使主體在狹窄空間內帶動汽車轉向移動,伸縮機構拉動或推動第一基座和第二基座互相靠近或遠離時,麥克納姆輪的運行能降低伸縮機構在拉動或推動第一基座和第二基座的阻力。如圖3、圖4。

圖3 裝置示意圖Fig.3 Device schematic diagram

圖4 局部放大圖Fig.4 Local magnification diagram

圖5 裝置局部放大視圖Fig.5 Local enlarged view of the device

圖6 裝置爆炸視圖Fig.6 Device explosion view

圖7 Simulation SolidWork有限元分析Fig.7 Simulation SolidWork finite element analysis

收容槽位于兩個相鄰的行進裝置之間。第一基座的一側和第二基座的一側均設有調節機構,調節絲桿的一端與收容槽的內壁旋轉連接,連接處靠近相鄰的行進裝置。調節絲桿的螺紋分別為左旋螺紋和右旋螺紋,雙軸電機驅動兩根調節絲桿正轉和反轉時,與之滑動連接的兩個托舉機構相互靠近或遠離。

調節機構上滑動連接兩個托舉機構,兩個托舉機構互相對稱。雙軸電機的輸出軸帶動兩根調節絲桿正轉或反轉,從而在兩根調節絲桿上滑動兩個旋轉支架互相靠近或遠離,根據要搬運車輛車輪的尺寸調節兩個托舉機構之間的距離。

托舉機構包括托舉支架,托舉支架的一端與旋轉支架的另一端旋轉連接,通過齒輪箱帶動齒輪使托舉支架在旋轉支架上旋轉一定角度,從而讓兩個托舉支架靠近車輛車輪。優選4個滾輪,位于同一軸線上,通過滾輪與車輛接觸,避免托舉支架直接頂觸車輪,對車輪造成傷害,也能在兩個托舉支架互相靠近時令滾輪在車輛上滾動,將車輛抬升,使車輪離開地面。

環形臺階位于兩個行進裝置之間。第一基座和第二基座之間設有伸縮機構,伸縮機構包括伸縮絲桿、光桿、剪叉式伸縮臂、兩根伸縮桿及保護罩,伸縮絲桿的兩端與第一基座的另一側旋轉連接,伸縮絲桿上的螺紋分為兩段,伸縮絲桿上的兩端螺紋分別為左旋螺紋和右旋螺紋。通過伸縮桿提升伸縮機構的自身強度,避免由于車輛重量過大導致伸縮機構損壞。保護罩避免灰塵進入伸縮機構內,影響伸縮機構的運行。

通過伸縮驅動件帶動伸縮絲桿正轉或反轉,令兩個第一滑塊相互靠近或遠離,從而讓剪叉式伸縮臂推動或拉動第一基座和第二基座互相遠離或靠近,使主體駛入車輛底部且不碰撞車輛。通過3D模型進行Simulation SolidWork有限元分析,得到該裝備結構受力情況穩定,可正常應用于實際工作。

該搬運設備展現了出色的場景適應性,不論是在繁忙的停車場、便捷的停車庫還是其他車輛集中區域都能靈活運用,獨特之處在于能夠主動獲取并準確計算環境信息,通過高精度的智能路徑規劃和搬運操作滿足機動車在各種不同應用場景下的操控需求,這一特性顯著提升了操控靈活性和環境適應性,為城市交通提供了更為智能、高效的解決方案。

通過工具的自主運算和操作,極大減少了人工的介入,提高了資源利用率,不僅有效降低了車輛搬運過程中的能耗,還有助于減少對環境的影響,符合可持續發展目標。這種自主性和高效性不僅提高了搬運操作效率,也提高了城市交通管理的可持續性。該搬運設備可根據實際需求進行智能化升級和功能擴展,通過集成更多先進的傳感器模塊及人工智能算法進一步提升感知能力,實現數字化與智能化水平的全面提升。這種可擴展性注入了更多的可能性,使其能夠持續適應不斷變化的技術和應用要求。未來,隨著科技的不斷進步,該搬運器將能夠更靈敏地適應新的挑戰和需求,為城市交通發展提供可持續、先進的解決方案。

3 結論

提出了一種用于輔助搬運汽車的新型裝置,采用創新技術方案,實現了對不同車體寬度汽車進行有效搬運的功能。結合伸縮機構的設計,靈活調整兩個主體之間的距離,使其適應不同車輪之間的距離,提高了搬運的穩定性。該裝置的優勢在于避免了與汽車車輪的碰撞,通過伸縮機構的調節使主體能夠在狹窄的空間中進行搬運,有效防止汽車損壞。托舉機構的設計進一步增強了托舉強度,確保搬運過程中的安全性和可靠性。該裝置的托舉支架采用滾輪,進一步提高了對車輪的托舉效果,令汽車搬運更加平穩。調節機構的雙軸電機和旋轉組件設計令調整過程更為靈活、精準。設計上充分考慮了不同汽車車體寬度的需求,通過多重機構的協同作用實現了對汽車的安全、穩定搬運,為汽車運輸帶來了一種創新解決方案,實現了對不同寬度汽車車輪的適應性托舉,提高了托舉強度及穩定性,有助于減少汽車搬運過程中的損壞風險。