基于复合交换存取的立体停车装置设计

胡改玲，奚延辉，余珊珊，金 悦，桂 亮，王永泉，段玉岗

（1.西安交通大学 机械工程学院，陕西 西安 710049；2.西安交通大学 第二附属医院，陕西 西安 710004）

随着我国经济的迅速发展，私家车保有量逐年增加，使得城市停车难、停车乱的问题日益突出，严重影响了人们的日常生活水平和交通状况。现有的立体停车装置，一般为单体立柱式、巷道堆垛式、循环平移式等。这些装置一部分以单体立柱式车库为代表，采用移位低层车辆存取高层车辆，停车过程繁琐且耗时较长；一部分以巷道堆垛式车库为代表，利用一排空间运载车辆，单侧或两侧空间存储，空间利用率低；一部分以循环平移式车库为代表，通过调度其他车辆实现全局存取，存取效率低，浪费能源[1-7]。本文致力于提高停车设备存取效率和空间利用率，最大化地节省停车场的建设场地，从而有利于停车装置的大面积市场化推广。

1 方案设计

1.1 总体结构设计

本文停车装置采用上层托举、下层跨越梳齿的复合交换方式实现汽车的存取。装置共由3 层组成，第一层为地面层，可供自由停车或做仓储、绿化等其他用途；第二层为梳齿层，采用跨越式梳齿交换方式存取车辆；第三层为悬挂层，采用挂钩托举原理存取车辆。如图1 所示，在二、三两层车位之间设置搬运层空间，搬运装置在该空间内水平移动完成车辆在入口区和指定车位的转移。装置一侧为入口区域，通过升降平台将车辆抬升或下降实现车辆在入口区域与复合搬运装置的交换。电源与控制板设置在入口区域其他空间处，维护方便。

图1 停车装置总体设计

1.2 车辆存取功能设计

用户进行存取车辆时，首先通过手机或者现场控制面板浏览停车位实时状态，发送存取指令，然后车库自动执行停车程序或者取车程序。停车程序中，首先判断车位是否已满，若已满则不能停入，循环至起始处，等待下一位取车用户；若未满，则用户可根据界面提示选择停放车位，系统根据指令进行停放，完成后将对应车位状态置满，循环至起始状态。取车程序中，用户输入取车信息，系统自动执行取车动作，完成后将对应位置状态置空，循环至起始状态。

2 复合交换存取机械结构设计

2.1 二层车辆存取

二层车位采用梳齿板承载车辆[8]。梳齿板按照梳齿条与主板的位置关系分为外梳齿板和内梳齿板，外梳齿板梳齿条通过板中部实体连接，内梳齿板梳齿条通过板边缘实体连接，如图2 所示。

图2 二层梳齿载车板

梳齿结构的作用是利用相邻两根梳齿形成的梳齿槽卡住汽车轮胎，从而使车辆在运载平台上保持相对稳定。内外梳齿板结合使用，即车辆的存取是通过两块内梳齿板的梳齿条在一块外梳齿板的梳齿间隙中进行上下平移，从而实现车辆在内外梳齿平台上的交换。

2.2 三层车辆存取

三层载车板如图3 所示，位于四角的沟槽用于连接圆柱凸缘支撑部分，条纹孔用于轮胎限位，中间四处圆孔与定位销焊接成一体，作为下方复合搬运装置的4 个圆孔的定位承载部分。

图3 三层载车板结构

为了节省高空停车的空间，如果通过单层的搬运器与其上下两层停车位均可完成车辆的存取工作时，便可节省搬运器的运行空间，同时减少搬运器的数量，从而节约停车所需空间。所以在搬运器与第3 层车位进行车辆存取时，设计了一款机械抓钩，以实现载车板在小位移托举升降中出入三层停车位，实现三层载车板的自解自锁，从而实现三层车辆的存取，设计如图4 所示。

图4 机械抓钩结构图

该抓钩由3 部分组成：一块主抓钩、一块导向片和一个扭簧。扭簧的作用是使导向片与挂钩始终保持闭合，主抓钩上侧的小圆柱对导向片进行限位。利用抓钩停放载车板的过程如图5 所示。

图5 抓钩停放载车板原理图

当载车板的圆柱凸缘向上顶起主体抓钩时，抓钩的有效作用曲线段将会顺时针转动，使得圆柱凸缘继续向上运动并顶开导向片。完全顶开以后，载车板下移一定距离，同时导向片在扭簧的回复力作用下闭合，完成载车板入钩过程，从而完成车辆停放。

在进行取车操作时，抓钩取出载车板的过程如图6所示。载车板向上抬升时，圆柱凸缘顶起导向片直至脱离。此时导向片在扭簧回复力作用下回到原位，圆柱凸缘则已抬升至抓钩外部。然后圆柱凸缘随载车板向下沿着导向片的外侧曲线滑下，直至不再接触抓钩，完成脱钩过程。

图6 抓钩取出载车板原理图

通过布置4 个抓钩抓住载车板的四角，可实现车辆的平稳放置。如图7 所示，通过抓钩将车辆平稳地停放在三层车位的载车板上。

图7 车辆停放在三层车位

2.3 复合搬运器设计

车辆在入口区域和指定车位的转移通过复合搬运装置实现，其工作原理与三维模型如图8 所示。

图8 复合搬运器

复合搬运器装置为中空结构，可容纳一辆车。运行时在搬运空间平移，往返于入口和指定车位。复合搬运装置开发有两套动力系统，可以分时完成二、三层车辆的存取，该动力系统执行机构是齿轮齿条啮合运动。

复合搬运装置的两窄边处设计了与二层车辆交换装置，结构为一块内梳齿板和两条齿条固定连接，齿条在导轨内由齿轮带动实现升降，升降装置由电控系统保持同步。在梳齿板升降中实现二层车辆存取。复合搬运装置的两长边处各自装有两条导轨和齿条，4条齿条与一块托板固定连接，齿条在导轨内由齿轮带动实现升降，托举板存在4 个圆孔与载车板的定位销配合进行定位承载，齿条运动由电控系统保持同步性。在托举板升降中实现三层车辆存取。

3 软硬件设计

控制系统的硬件按照功能可划分为主控模块、电机及其驱动、限位模块、蓝牙模块和人机交互模块。控制系统是以 STC90C516RD+单片机为核心、以TB6600 为电机驱动器的系统[9-10]，通过HC06 模块实现单片机与手机的串口通信完成指令的输入，通过单片机与VGUS 显示屏的串口通信完成状态提示功能[11-12]。电机位置和速度的控制均由脉冲数和脉冲频率控制。通过软件编程实现了复合搬运器与车辆的智能存取，人机交互界面和手机界面的开发，进一步提高了存取车辆的智能化和人性化。设计制作出的立体停车装置如图9 所示。

图9 立体停车装置实物图

4 结论

本文设计了一种能实现汽车复合交换的搬运装置，在存取车辆时，采用上层托举、下层跨越梳齿的复合交换原理实现汽车的存取。在单向短距离运动中通过自锁自解的车辆挂钩装置，可实现第3 层停车位载车板在小行程升降中入钩存车自锁及脱钩自解取车，并通过内外梳齿板相互错位实现二层车辆存取，大大提高了车辆停放的空间效率和存取效率。该装置是笔者在指导学生参加第八届机械创新设计大赛时提出并研制，获得该届大赛国赛一等奖、陕西省一等奖，并已申请国家发明专利。