解决老旧小区停车问题的复式立体停车库的研发

卢卫子，王世新，郑睿，李义强，冯怡然*,，张馨方，耿新英

解决老旧小区停车问题的复式立体停车库的研发

卢卫子1，王世新1，郑睿1，李义强1，冯怡然*,1，张馨方1，耿新英2

（1.大连工业大学 机械工程与自动化学院，辽宁 大连 116034；2.大连工业大学 教育教学评价中心，辽宁 大连 116034）

复式结构立体停车装置，主要针对狭小空间停车难的问题。装置采用升降导轨与横移滑轨的设计，通过梳齿托盘转移车辆，并具备手机移动终端一键控制存取车的功能，从而达到自动停放车辆的目的。主要针对装置的工作原理进行分析，并根据相关理论对于某些常用的主要原件进行非动态的荷载情况分析，分析结果显示，一般的零部件在工作中的最大承重小于设计的合理承重，并经过现场实物检验得出本装置在实际使用中的可行性。

立体车库；适应地形；自由定制；传动机构；静态载荷分析

近年来城市交通立体建设有了显著发展，街道交通拥堵带来的停车问题已经成为了刻不容缓的问题。智能机械立体车库可大大提高空间利用率，具有安全可靠、能耗低的特点。且复式结构充分利用了垂直方向上的空间资源，提高土地面积使用率，获得了更多的车位，在保留底层空间正常使用的情况下在二层建立车库，因此具有很强的地形适应性，能够应用于多种城市环境中，如绿化带、水池、联排停车位、人行道等[1]。

目前我国面临的停车位资源紧张的社会问题十分严峻，传统的停车结构装置和停车方式已无法满足社会需求，而建立三维机械化车库在解决社会问题方面发挥着重要作用，对于解决中国城市发展所面临的停车问题，具有现实的社会意义和广阔的发展前景[2]。

1 复式结构立体停车装置结构方案

复式结构立体停车装置结构方案如图1所示，大致可分为支撑结构、横移结构[3]、升降结构、控制系统四个部分。支撑结构为支撑框架以及安装在支撑框架上的停放托盘；横移结构包括横移框架、安装在横移框架上的横移减速电机、此外横移结构与支撑框架的连接为横移滑轨及齿轮、齿条[4]；升降结构包括升降框架，安装在横移框架上方的升降减速电机，安装在升降框架底部的转移托盘。横移框架与升降框架的连接方式为通过使用升降导轨保证横移框架与升降框架在横向上同步运行，并通过安装在横移框架上方的升降减速电机拉动连接链条从而拉动升降框架运行。

10.支撑框架11.停放托盘20.横移框架21.横移减速电机22.横移滑轨23.齿轮24.齿条30.升降框架31.升降减速电机 32.升降导轨33.连接链条34.转移托盘40.控制柜41.传感器

本装置控制柜具备自动控制系统[5]，包括带有控制芯片的PLC控制器、设备运行控制单元、行走路线规划单元、安全监测模块和通信模块，其中安全监测模块和通信模块通信接口均与PLC控制器连接，PLC控制器输出端与设备运行控制单元、行走路线规划单元连接。并且PLC控制器通过安装在设备上的传感器全程监控设备运行情况[6]，保证设备安全性[7]。

传感器包括压力传感器[8]、光电传感器、陀螺仪[9]，安装如图2所示；压力传感器安装在转移托盘与升降框架连接处，用来检测车辆重量；光电传感器和陀螺仪分别安装在停放托盘中央及转移托盘侧方，用来检测转移托盘是否运行到指定位置，防止停放托盘和转移托盘撞齿以及防止车辆侧滑。

11.停放托盘 34.转移托盘 41.压力传感器 42.光电传感器 43.陀螺仪

2 复式结构立体停车工作原理与分析

2.1 手机无线终端一键控制存取车流程

存取车流程如图3所示。

用户需要停车时，手机APP自动为用户联网寻找最近的立体停车装置，并预留车位；用户到达目标车位后，系统通过手机软件实时提醒用户车辆停放位置是否合适，辅助用户把车辆停放在合适位置[10]，待车辆完全停放好后，用户下车即可选择存车按键，各电机在传感器的安全监控下即可把车位转移到合适位置。

用户需要取车时，首先使用手机APP选择取车选项；在各传感器严格监控设备安全的情况下，各电机运行，把车辆转移到进出车口，用户即可方便快捷的驱车离开立体车库。

图3 用户操作流程

2.2 设备存取车运行流程

本车库可横向增加车位数量，横移框架运动到位置＝1、2、3……分别对应升降区、A车位、B车位、C车位……，如图4所示。实际应用过程中具体工作过程可按以下两种情况来对存取车来进行说明。

（1）ABC均为存车

车主应先用移动终端客户端连接上停车装置，选择停车，并等待转移托盘下降，将车开入车库；与此同时，安装在转移托盘和停放托盘上的传感器实时检测车辆停放情况，并传回信息到控制柜，根据转移框架和所载车辆的整体重量，导轨和齿轮的摩擦系数确定横移电机的功功率[11]，如设备运转正常且B车位有空余车位时：转移托盘（1.2）转移到（1.1）供车主停放车辆，之后转移托盘由（1.1）先经过（1.3）之后横移运动到目标车位B的上方（3.3），其次转移托盘下降到（3.2）位置处，此时转移托盘和停放托盘利用梳齿交换结构交换车辆，最后转移托盘回到初始位置（1.2）。

（2）ABC均为取车

车主使用移动终端客户端连接上停车装置，发送取车命令；同时控制柜计算车辆停放位置，如车辆停放在位置C时，转移托盘由（1.2）横向移动到目标车位C的下方（4.2），之后提升高度到位置（4.3），此时转移托盘和停放托盘利用梳齿交换结构交换车辆，最后转移托盘横向移动，经（1.3）后下降高度到位置（1.1），待车主开走车辆后回到初始位置（1.2）。

（1.1）车主停车区、（1.2）（2.2）（3.2）（4.2）升降框架低位、（1.3）（2.3）（3.3）（4.3）升降框架高位

3 主要零部件的静态载荷分析及试验

转移托盘和停放托盘为本立体停车装置的核心零件，关系到整个装置的运行安全性与运行效率，本文主要分析它的应力和位移，用SolidWorks Simulation对装置进行分析时，第一步是将复杂的模型简略。在这次分析中忽略焊接的强度以及焊缝的高度影响，并定义转移托盘和停放托盘的的材料属性如表1所示。

表1 材料属性

限制转移托盘和转移托盘的固定位置表面自由度。在最大载荷条件下分析转移托盘，即在满载情况下分析托盘的应力与形变。

取小型车辆的重量约为1.2～2.0 t，并根据小轿车的轮径对梳齿受力计算，进而得出传动托盘的最大压强为1.803e+09 Pa。考虑到设备在实际使用过程中会受到环境的影响，将受力乘以三重冲击系数作为加载于梳齿结构上的受力。并转移至应用程序以加载转移托盘，根据转移托盘与顶部链条的连接情况，可近似地把转移托盘顶部型材的表面进行自由度约束，如图5所示。

图5 转移托盘载荷施加情况

根据停放托盘与支撑情况的焊接情况，在停放托盘底面位置固定零件表面自由度，并根据转移托盘受力同理加载停放托盘载荷情况，停放托盘具体表面自动约束情况及载荷加载情况如图6所示。

在SolidWorks Simulation中，首先设置零部件材料属性，软件自动对模型表面划分网格以表达零件表面近似形状，并对模型内部进行有限元六面体、四面体单元划分以表达模型积分体积；网格与单元体划分完成后，开始对零件进行自动运算分析，并生成算例结果。转移托盘的输出结果如图7所示，停放托盘的输出结果如图8所示，可知，最大值出现在结构连接位置、其他位置变形和受力分布较为均匀。从算例结果中可以清楚地看到分析的主要数据。由于材料弹性形变程度过小，模型中难以分辨，因此对零件输出位移进行夸大化处理，以表达材料形变方向及程度。托盘的分析结果如表2所示；转移托盘最大应变为5.899e-03 mm、最大应力为1.803e+09 Pa，设计满足材料的许用强度；停放托盘最大应变为1.122e-02 mm、最大应力为3.605e+09 Pa，设计满足材料的许用强度。因此停放托盘和转移托盘在实际运行过程中的强度与刚度可以保证。

图6 停放托盘载荷施加情况

表2 转移托盘静态载荷分析结果

由以上静态载荷分析可得出本装置在结构设计的合理性，各重要零件的材料选用与尺寸选取符合三倍冲击系数下的载荷加载情况，各零件无断裂及严重塑性形变问题

在此理论基础上，对样机模型进行等比搭建并现场试验，试验测得，装置在实际测试运行过程无零件干涉，传感器运行良好并准确识别转移托盘在各位置运行情况且无其他程序运行错误，材料完全满足要求且运行无故障出现。

图7 转移托盘输出结果

图8 停放托盘输出结果

4 小结

本文研发的复式结构立体停车装置，采用升降横移框架与梳齿交换结构实现了车辆的立体停放。使用SolidWorks Simulation软件对装置的梳齿交换结构进行静态载荷分析，保证了装置在实际使用中的可靠性。本立体停车装置结构设计巧妙，可应用范围广，控制系统较为完善，运行稳定，且具备一键存取车功能，大大提高了停车效率，合理运用空间资源，节约了土地使用面积，很大程度上缓解了我国所面临的停车位资源紧张的社会问题，改善了城市停车难的问题，因此本装置具有很高的推广应用价值。

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[3]康海刚. 智能化平面移动式立体车库研究[J]. 自动化与信息工，2017，38（6）：1-6.

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[5]Czesław Pypno，Grzegorz Sierpiński. Automated large capacity multi-story garage - Concept and modeling of client service processes[J]. Automation in Construction，2017（81）：422-433.

[6]Juan A. Vera-Gómez，Alexis Quesada-Arencibia，Carmelo R. García，et al. An Intelligent Parking Management System for Urban Areas[J]. Sensors，2016，16（6）：931.

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[11]朱家诚. 升降横移式立体停车设备的设计[J]. 机械，2013（11）：72-74.

Development of Compound Parking Device to Solve the Problem of Parking in Old Communities

LU Weizi1，WANG Shixin1，ZHENG Rui1，LI Yiqiang1，FENG Yiran1，ZHANG Xinfang1，GENG Xinying2

(1.School of Mechanical Engineering and Automation,Dalian Polytechnic University, Dalian 116034,China;2.Educational and Teaching Evaluation Center,Dalian Polytechnic University, Dalian 116034,China)

The compound parking device is mainly designed for the parking in a small space. It adopts the design of lifting rail and traverse rail to trasfer the vehicle laterally or longitudinally through the comb-finger pallet, and has the function of parking or getting out the car through mobile terminals by one click. The static load analysis of the main components of the device was carried out by the finite element analysis software SolidWorks Simulation. The results show that the maximal weight capacity of the components under working conditions is less than the allowable capacity. And the reliability of the device was verified in field tests.

compound garage；use of terrain；customization；transmission mechanism；static load analysis

TH122

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2020.02.007

1006－0316 (2020) 02－0039－05

2019－08－28

2018年大连工业大学教育教学改革研究项目（教发〔2019〕23号JGLX201804）

卢卫子（1999－），男，河南济源人，本科生，主要研究方向为机械自动化。

冯怡然（1991－），男，北京人，硕士，实验师，主要研究方向为轻工机械。