劉清超 郭安福 賀業(yè)林 相 國 李俊頡

（聊城大學 機械與汽車工程學院，聊城 252000）

隨著城市的發(fā)展，私家車數(shù)量逐年增加，使得停車難問題成為當前社會城市化發(fā)展需要解決的問題之一[1-3]。中華人民共和國公安部2019年底統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，小型載客汽車保有量遠超2018年，私家車保有量首次突破2億輛。2020年全年，國內(nèi)最新注冊的車輛達3328萬輛，70個城市車輛保有量突破100萬輛，其中有31個城市車輛保有量突破200萬輛，13個城市車輛保有量突破300萬輛。在新增的數(shù)千萬輛汽車中，如果排除已經(jīng)廢棄的汽車數(shù)量與非機械式、非立體化的車位數(shù)量，同時以每個車位價格50000元計算，從全國范圍的角度來看，這無疑是價值千億元的巨大市場。所以，停車難問題的出現(xiàn)不僅關(guān)系到當前的國計民生，而且是機械式現(xiàn)代化停車裝備產(chǎn)業(yè)發(fā)展的絕佳機會。因此，國家需要的是一種集智能化、信息化、立體化、機械化于一體的現(xiàn)代停車裝備，以滿足提高車位的利用效率和體現(xiàn)智慧停車的新模式、新格局的要求，進而完成城市管理的新飛躍。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

國外立體停車裝置早在20世紀80年代已經(jīng)開始研究，如日本、德國以及美國等。他們研究機械式立體停車裝置的現(xiàn)狀相較于國內(nèi)研究更加成熟，研究體系更加健全，設(shè)計種類更加多樣。國外立體停車裝置的設(shè)計由于前期工業(yè)積累和多年來的經(jīng)驗與教訓，積累的豐富經(jīng)驗使其設(shè)計更加具有當代藝術(shù)的美感，如德國的立體泊車塔[4]、迪拜的機器人泊車庫[4]以及美國加州的太陽能車庫。

我國在立體停車庫方面的研究相對起步較晚[4-6]。據(jù)調(diào)查，我國生產(chǎn)升降橫移類機械式停車設(shè)備的企業(yè)行業(yè)占比最高為整個生產(chǎn)停車設(shè)備企業(yè)的1/3，生產(chǎn)垂直循環(huán)類機械式停車設(shè)備與簡易升降類機械式停車設(shè)備的企業(yè)各占比約1/5，生產(chǎn)垂直升降類機械式停車設(shè)備與平面移動類機械式停車設(shè)備的企業(yè)占比約1/10。2018年國內(nèi)主要類型車庫趨勢如圖1所示。該數(shù)據(jù)表明，升降橫移類車庫雖占份額較大，但增長態(tài)勢緩慢；簡易升降類車庫、垂直升降類車庫和垂直循環(huán)類車庫增長趨勢迅猛；機械式停車設(shè)備受地理和空間影響大；升降橫移類機械停車設(shè)備泊位數(shù)量都遠遠領(lǐng)先于其他類型泊位，未來受居民區(qū)空間條件制約，車庫規(guī)模小型化的趨勢還將持續(xù)發(fā)展。

本文設(shè)計了一種三位六車自動泊車裝置，介紹了整個裝置的結(jié)構(gòu)組成和工作原理，應(yīng)用SolidWorks軟件建立機械部分的三維模型，并對重要部件進行了有限元分析。

2 三位六車自動泊車裝置的結(jié)構(gòu)組成及工作原理

三位六車自動泊車裝置三維模型如圖2所示，由整體支撐框架、升降載車板、自動導(dǎo)引運輸車（Automated Guided Vehicle，AGV）載車板、曳引機和橫移載車板等裝配構(gòu)成。

本裝置采用AGV載車板進行第一步操作[7-9]。使用AGV載車板不僅可以增加用戶的安全系數(shù)，而且可以提高存取車的速度。存車時，用戶將車輛行駛至AGV載車板上，然后下車進行控制存車。取車時，將車輛行駛出AGV載車板即可。

本裝置的適用車型為家用D型車，停車單位長度5000 mm，停車單位寬度1850 mm，停車單位高度1550 mm，單車自身質(zhì)量為1800 kg，容車數(shù)量為6輛，具體相關(guān)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 裝置對所要存取的車輛的基本要求

采用曳引機通過鋼絲繩帶動車輛升降，同時利用齒梳結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)車輛從AGV載車板轉(zhuǎn)到升降載車板上，然后車輛平穩(wěn)且快速上升，在達到指定高度后停止上升。

采用兩個電動缸協(xié)同作業(yè)的方式進行車輛橫移，同時利用齒梳結(jié)構(gòu)[10-11]，實現(xiàn)車輛從升降載車板轉(zhuǎn)到橫移載車板上，然后車輛平穩(wěn)且快速橫移至指定區(qū)域。在完成橫移指令后，升降載車板下降至初始位置，停車操作完成。

取車操作與存車操作相反。升降載車板在曳引機的帶動下上升并到達指定位置，橫移載車板在兩個電動缸協(xié)同作業(yè)下將車輛移動出指定位置，利用齒梳結(jié)構(gòu)，曳引機帶動升降載車板繼續(xù)上升一段距離至車輛脫離橫移載車板。橫移載車板在兩個電動缸協(xié)同作業(yè)下回到初始位置，升降載車板在曳引機的帶動下下降至初始位置。此時，利用齒梳結(jié)構(gòu)，車輛重回AGV載車板上，AGV載車板無避讓移出車輛，用戶上車，將車輛駛出載車板。在感應(yīng)到車輛離開且安全時，AGV載車板回到初始位置，取車結(jié)束。

3 關(guān)鍵部位設(shè)計

3.1 AGV載車板結(jié)構(gòu)設(shè)計及分析

為保證整體穩(wěn)定，不出現(xiàn)車輛溜車情況，在齒梳式載車板的預(yù)定位置進行圓弧型設(shè)計[10-11]，停車狀態(tài)下不溜車，啟動后也能方便地駛出載車板。AGV載車板要有足夠的承載力支撐車輛，以保證AGV載車板不被已經(jīng)停放的車輛壓垮[7-9]。此外，需要降低AGV載車板自身重量。載車板本身重量越小，越能減輕麥克納姆輪的壓力，增加載車板的使用壽命。使用SolidWorks軟件進行三維建模，AGV載車板結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖3所示。

使用軟件進行有限元分析，為保證結(jié)構(gòu)安全，車輛自身質(zhì)量為1800 kg。取車輛自身質(zhì)量150%的載荷，在AGV載車板上[7-9]進行最大載荷的模擬。當車輛穩(wěn)定停放時，對AGV載車板進行有限元分析，固定下平面，在輪子停放處給予載荷經(jīng)過模擬得到應(yīng)力變化。車重力由4個輪子平均分配，每個輪子分配的重力為1/4。取車輛自身質(zhì)量為1800 kg，重力為18000 N，即每個輪子分配4500 N，一般車輛前后都是50∶50，后驅(qū)車可達到45∶55，分析結(jié)果如圖4所示，可見設(shè)計滿足承重要求。

3.2 升降載車板設(shè)計及有限元分析

三位六車自動泊車裝置中升降載車板的外形結(jié)構(gòu)設(shè)計，綜合結(jié)構(gòu)選擇要求，采用齒梳式的底板和籠式的整體框架。在齒梳式的底板設(shè)計中，為了降低重量并提高結(jié)構(gòu)剛度，采用空心架構(gòu)成。同時，為保證車輛上升時的安全，將車輪所在位置的空心架進行弧度設(shè)計，即滿足車輛在上升時位置固定。在籠式的整體框架設(shè)計中，為了降低曳引機的提升壓力和上升時整體的平穩(wěn)運行，盡量去除不必要的部分。為了避免應(yīng)力集中進行合理的圓角處理，在與外部型材接觸部位設(shè)置滾輪以提高平穩(wěn)度，同時設(shè)置防墜裝置做到升降安全有保障。使用SolidWorks軟件進行三維建模，升降載車板結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖5所示。

使用軟件進行有限元分析，為保證結(jié)構(gòu)安全，車輛自身質(zhì)量為1800 kg?？紤]上升加速度的影響，取車輛自重170%的載荷，在升降載車板上進行最大載荷的模擬。當車輛穩(wěn)定停放時，對升降載車板進行有限元分析，固定升降載車板四角支撐柱，給整個載車板施加靜應(yīng)力，經(jīng)過模擬得到應(yīng)力變化及位移變化，分析結(jié)果如圖6和圖7所示。

由圖6可以看出，最大應(yīng)力出現(xiàn)在4個頂點處，大小為64.99 MPa左右，符合要求。由圖7看出，在給定載荷下，載車板的最大變形量出現(xiàn)在兩側(cè)邊緣，大小為2.212 mm。

3.3 橫移載車板設(shè)計及分析

橫移載車板的設(shè)計分為兩部分：一是一級橫移載車板的結(jié)構(gòu)[12]；二是二級支撐橫移載車板結(jié)構(gòu)。一級橫移載車板如圖8所示，二級載車板如圖9所示。一級橫移載車板與二級支撐橫移載車板裝配后，橫移載車板結(jié)構(gòu)如圖10所示。

使用軟件進行有限元分析，為保證車輛最終停穩(wěn)后的結(jié)構(gòu)安全，車輛自身質(zhì)量為1800 kg，取車輛自重150%的載荷，在橫移載車板上進行最大載荷的模擬。當車輛穩(wěn)定停放后，對橫移載車板進行有限元分析，經(jīng)過模擬得到應(yīng)力變化和位移變化。升降載車板有限元分析結(jié)果如圖11和圖12所示。

由圖11可知，最大應(yīng)力出現(xiàn)在車輪停放處附近，大小在32.88 MPa左右，符合設(shè)計要求。由圖12可知，載車板最大變形量出現(xiàn)在邊緣處，大小在4.667 mm左右。

4 控制系統(tǒng)設(shè)計

本設(shè)計選用樹莓派作為控制設(shè)備[13-15]。首先，它小巧輕便，可以很好地安裝在智能設(shè)備上；其次，它有40個通用輸入與輸出（General-Purpose Input/Output，GPIO）接口，可以連接多個傳感器，方便系統(tǒng)后續(xù)功能的擴展。最后，它具有獨立的處理器和操作系統(tǒng)，可以快速處理各種傳感器反饋的數(shù)據(jù)，并通過調(diào)用相關(guān)模塊使驅(qū)動模塊作出反應(yīng)?；跇漭傻目刂?，可以完成三位六車自動泊車裝置的運行。樹莓派如圖13所示。

當車輛行駛至裝置前準備停車，駕駛員通過手機藍牙啟動停車系統(tǒng)。AGV載車板啟動循跡程序，左右紅外循跡傳感器開始檢測黑線。若沒有檢測到黑線，則繼續(xù)檢測；若檢測到黑線，則進行程序處理。處理程序通過控制電機的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速，可實現(xiàn)AGV載車板的左前、左后、右前、右后移送和左向、右向橫移，從而完成循跡過程。繼續(xù)前進，若到達指定位置，AGV載車板停止向前運動，并原地順時針旋轉(zhuǎn)90°，供車輛駛上AGV載車板。車輛停穩(wěn)后，駕駛員下車，AGV載車板載車原路返回初始位置。AGV載車板的循跡模塊流程圖如圖14所示。

5 結(jié)語

文章分析了三位六車自動泊車裝置的工作原理，提出了三位六車自動泊車裝置的設(shè)計方案。通過SolidWorks軟件對裝置的整體結(jié)構(gòu)進行三維建模，并對裝置的關(guān)鍵部件如AGV載車板、升降載車板、橫移載車板等進行了設(shè)計，同時設(shè)計分析控制系統(tǒng)，經(jīng)過需求分析最終選擇采用樹莓派作為控制設(shè)備。本裝置具有車位利用率高、安全性能好等優(yōu)點，為解決城市化建設(shè)過程中車位不足提供了理論參考，具有重要的現(xiàn)實意義和推廣價值。