地下圆塔型自行车自动存取立体车库设计

引言

随着国内共享单车投放量持续增长 , 多数城市 自行车公共停放场所越来越不足 , 自行车专用停车位少 ,就会出现乱停乱放现象 ,不仅影响城市形象 , 还会影响交通的正常运行 ,“停车难 ”已成为城市发 展的公共性难题之一。

近年来 , 国内外许多学者展开了关于自行车车库的研究 ,并取得了一定成果^[1]。日本ECO自行车停车塔是一种地下自行车停放系统 ,整个存入过程只需要8 s 。埋藏在地下的圆柱形结构只有7 m宽 ,每个圆柱子可以容纳200辆两轮自行车 。荷兰Bike box是 一种自动升降停车库 ,直径5 m,共4层 ,每一辆车都 有自己独立的车位 ,它的运作过程和升降货梯的工作原理相同 ,简单便捷 。常青青等人^[2]设计了一种仓 储式自动存取立体车库 ,提出了存取机械手与车位交错运动的思路 ,有效解决了停放车位紧缺的问题 , 但其基于地上的设计利用的空间有限;胡艳丽等人^[3]设计了一种旋转升降式智能立体自行车库 ,其空间利用率高 ,且管理智能化 ,但每一次存取车都需要入库一次 ,存取效率不高;王泽等人^[4]设计的装配式自行车立体车库 ,采用模块化设计 ,可实现现场快速装配及随时拆解 ,但同样存在每一次存取车都需要入库一次的问题;何兆雄等人^[5]设计的自行车智能停车库 ,树状倾斜布置10个固定停车架 ,通过机械爪的系 列动作实现自行车的抓取和存放 ,但其每个存车位 上都有一个机械爪进行存取工作 ,结构上略显冗杂; 王鑫等人^[6]设计的基于虚拟样机的单车智能车库 ,结构简单 ,单车容量大 ,但同样存在每一次存取车都需 要入库一次的问题;刘承磊等人^[7]采用两级模块组合式立体循环的设计方法 , 系统设计了模块组合式立 体循环自行车库 ,该设计容量大、耗能小 ,但仅适用于地上建设;夏荣超等人^[8]设计了一种自行车密集移动车库 ,采用模块化设计 ,且每个车位模块可独立运动 ,但其平铺的车位设计只能固定单车 ,并没有解决单车停车空间不够的问题。

本文基于自行车车库研究现状 , 设计了一种地下圆塔型自行车自动存取立体车库 。各部件由独立电机驱动 ,故可实现多向同时存取自行车 ,且机构在停满4辆车时才会上下移动存放一次 , 在此期间可以通过仅转动转盘存取车辆 ,大大提高了存取效率。

1   全自动单车车库的结构组成

1.1   立体车库总体方案设计

本车库设计外观为圆塔式 ,如图1所示 , 占地约50 m²。

车库入口位于地面上 , 外设取车、停车等操纵面板 , 存取单车亦可通过刷卡 、扫码或小程序等实现 。另外 ,车

库可根据实际需要设计为多门存取车。核心结构主要包括:升降机构、旋转机构和抓取机构。

1. 1. 1   升降机构方案设计

采用电机驱动卷扬机来带动整个升降装置的上下移动 ,整个升降装置设计为圆形 , 四周均布4根立 柱来与升降机构相配合 ,为升降机构的上下移动提供导向作用。

1. 1.2   旋转机构方案设计

采用电机单独驱动转盘转动 ,转盘的转动和升降机构的上下移动相互独立。在转盘表面均布4组抓取机构 ,这样机构在停满4辆车时才会上下移动存放一次 ,使得存取过程的效率大大提高。

1. 1.3   抓取机构方案设计

采用气缸带动连杆来完成单车的夹紧 ,夹紧机构通过平移滑块与丝杠相连接 ,通过丝杠的转动来控制平移滑块的前后移动 ,采用丝杠可以保证运送的准确性。

1.2   自行车存取原理

存车过程:用户将单车停于车库门口后 ,通过刷 卡、扫码或小程序操作 ,使控制系统发出存车指令 , 气缸控制车库门打开 ,转盘转到指定位置后 ,移动机械抓手将单车抓入滑轨 , 当转盘上4个滑轨全部停满单车后 ,通过升降机构沿立杆降入地下车库部分 , 再由机械抓手将单车分别推入系统所分配的载车架 ,最后转盘、抓手等机构复位 ,存车完成。

取车过程: 用户通过刷卡 、扫码或小程序操作后 ,控制系统发出存车指令 ,若转盘上存有单车 , 则车库门自动打开 ,机械抓手将单车推出车库 ,取车完成;若转盘上无单车 ,则转盘通过升降机构降入地下车库指定位置 ,将车库中停放的单车抓入滑轨 ,再上升至车库门 ,转盘旋转到指定位置 ,待车库门打开 , 抓手将单车推出 ,取车完成。

系统根据用户使用或预约情况 , 实时调整转盘 上自行车的数量 ,提高存取效率 。存车流程图如图2 所示。

2    立体车库尺寸设计

通过对现有单车具体参数的调研 ,根据单车的 尺寸参数(表1),确定单车车位长1.65 m,高1.2 m,每 两个单车车位之间的空间距离为0.5 m 。车身总体的 重量按照20 kg计算 ,车库的外形为直径8 m的圆塔 型 ,每层可以存16辆单车(车库的层数设计和每层停 车位的设计为模块化设计 ,可根据具体的空间位置 进行增减)。

3    立体车库结构设计

车库整体结构分为三大部分:升降机构、旋转机 构和抓取机构 。整个车库的运转需要这三大部分的 整体配合来完成 。车库主要组件如图3所示。

3.1    转盘

如图4所示 ,整个转盘结构由1个转盘 、4个滑轨机构、4个机械抓手组成 ,直径为4.4 m 。滑轨机构由 齿轮、丝杠、机械手支撑滑架组成 ,长度为1 .6 m 。其通过齿轮的旋转来带动丝杠旋转 ,使丝杠上连接的 机械手支撑滑架前后位移 ,从而带动开合机械手运 动 ,进行拉车和推车操作。转盘通过下方电机带动旋 转 ,对准车库门 ,待4个滑轨全部停满单车后 , 由升降机构将转盘送入地下或地上进行单车存取。取车时 , 若转盘上有车可以直接将转盘上的单车取走 ,无须 等待转盘降入地下取车。

3.2    升降平台

升降平台结构如图5所示 ,主要由连接块、立杆、 滑块与升降平台构成 ,连接块与卷扬机伸出的钢丝绳连接 ,滑块与升降平台连接并沿立杆上下运动 ,使平台升降更加稳定。

3.3    单层车库结构

单层车库的结构如图6所示 ,直径为8 m ,上装有 16个如图7所示的载车架 , 长度为 165 cm , 宽度为 15 cm ,单层可停放16辆单车 。每90°设计导向架 ,对立杆起固定支撑作用。单层车库高度为120 cm ,可根据实际建造要求确定层数 , 以满足不同的停车需要。

3.4    入库与动力组

整个车库的入库与动力组如图8所示 ,车库门面积5 m² ,可单门或双门设计。升降电机为主动力源 ,气 缸控制车库门的开启、关闭 ,卷扬机带动钢丝绳实现升降平台的升降。

3.5    基座部分

基座部分为整个车库的最底层 , 起到承重 、加固、保护车库整体的作用 ,如图9所示。

5   立体车库关键位置运动仿真分析

本文对运动要求较为严格的部件进行了运动学仿真 , 包括机械抓手 、转盘滑块以及升降机构 , 如 图13~15所示。

由机械抓手的位移-时间图分析可得 ,机械抓手的工作过程满足预期的设计要求 ,可以在预期的5 s 时间内运动到所需位置并完成单车的夹紧过程; 由转盘滑块位移-时间图分析滑块在水平方向的位移可知 ,滑块可在预期的5 s时间内完成对单车的运送 , 满足设计要求; 由升降机构的位移-时间图分析可 得 ,升降平台在运动过程中能在预期的5 s之内完成单车的运送 ,满足工作需求。运动学仿真的结果表明整个机构满足预期设计要求。

6    结论

针对当前城市的车库投放点多、容量小、占地面 积大 ,且乱停乱放现象严重的社会问题 ,本文设计了 一种圆塔式的地下立体车库 , 解决了停车难 、取车 难、占地多等问题 。本文采用s0lidw0rks软件建立了 圆塔式地下立体车库的三维模型 ,并应用simulati0n 对关键零部件进行力学及运动仿真 , 获得应力云图 和位移-时间图 ,根据仿真分析结果验证设计的合理 性。车库采用模块化设计 ,层数可根据区域实际需求 增减 。入库车门数量亦可调整 ,可实现多车同时存取。并且存取车时 ,若转盘上有空位或有车即可直接 存取 ,大大提高了存放和取车的效率 ,具有较好的市 场应用价值。

[参考文献]

[1]  王琴 ,杨连发 ,张震 ,等. 自行车停放装置的开发应用现状 及发展趋势[J].现代机械 ,2009(5):82-84.

[2]  常青青 ,周建阳 ,吴耀光.仓储式自行车自动存取立体车 库设计[J].机械设计与研究 ,2022 ,38(2): 193-196.

[3]  胡艳丽 ,刘团结 ,戴文俊 ,等.旋转升降式智能立体自行车 库设计[J].长春工业大学学报 ,2020 ,41(6):563-568.

[4]  王泽 ,滕志祥.装配式自行车立体车库研究设计[J].起重 运输机械 ,2020(1):88-92.

[5]  何兆雄 ,章德平 ,钱强 ,等.一种自行车智能停车库的设计 开发[J].机械研究与应用 ,2019 ,32(4): 145-147.

[6]  王鑫 ,沙鑫美.基于虚拟样机的单车智能车库结构设计与 仿真研究[J].工程与试验 ,2019 ,59(2): 124-125.

[7]  刘承磊 ,薛涛 ,王澄 ,等.模块组合式立体循环自行车库系 统设计[J].机械设计 ,2019 ,36(4):60-65.

[8]  夏荣超 ,轩亮 ,李金华.一种自行车密集移动车库的设计 与研究[J].机械工程与自动化 ,2019(2): 112-113.

2024年第10期第9篇