一种夹持轮胎式泊车装置设计

杜 勇，解继红，刘嘉耀，马晓晨，胡雅男

（晋中学院机械学院，山西晋中030619）

随着汽车数量的急剧增加，停车难已成为亟待解决的问题，立体停车库及相应的立体停车库搬运设备成为研究热点.［1～3］立体停车库搬运设备主要有横移台车+有轨泊车机器人的组合式和无轨泊车机器人，无轨泊车机器人主要有载车板式、梳齿式和夹持轮胎式，其中载车板式需配有多台载车板，梳齿型需要与装有梳齿的支架配合使用，［2～3］因此本文设计了一款夹持轮胎式泊车装置.

1 设计分析及整体机构设计

泊车装置工作流程为：泊车装置驶入汽车底盘下，夹紧机构自动调节适应不同轮距，夹紧轮胎并进行一次小幅抬升，在夹紧过程中需要具有自锁性保障汽车的稳定性；完成夹紧后抬升机构进行整车的抬升，将车辆放入车位之后，抬升机构和夹持机构依次复位，释放车辆.

分析多种轿车的轴距、轮距、车长及重量等参数，确定自动泊车装置宽度为1200mm，长度为4900mm，高度为120 mm，工作载荷为2 000Kg.

图1 泊车装置整体结构

基于以上分析，泊车装置主要由夹持机构、抬升机构、行走系统和驱动系统组成，整体设计结构如图1所示.

2 夹持机构设计

2.1 夹持机构结构设计和运动分析

夹持机构（如图2）中蜗轮蜗杆带动夹持臂进行90°的旋转运动完成夹持臂的伸缩，通过正反牙双头梯形丝杠使两个夹持臂在滑轨上相对运动，调节轴距进行轮胎的夹紧.夹持臂圆柱面加工有梯形槽，使夹持臂与轮胎能够良好接触，同时，蜗轮蜗杆具有自锁性，保障夹紧轮胎后的稳定性.

图2 夹持机构

夹持机构可依据不同轴距进行自动调节，有以下两种情况：

（1）当轴距L1较大时，外侧夹持臂先碰到轮胎停止运动，内侧夹持臂在丝杠带动下继续动作，夹紧轮胎，如图 3（a）所示；

（2）当轴距L1较小时，内侧夹持臂先碰到轮胎停止运动，外侧夹持臂在丝杠带动下继续动作，夹紧轮胎，如图 3（b）所示.

图3 夹持机构运动

图中V1是摇臂相对于地面的绝对速度，V2是夹紧机构支撑板相对于地面的绝对速度.

2.2 夹持机构受力分析及动力选择

如图 4（a）所示，轮胎半径为 r，摇臂中心距地面高为 a，则 OA=OB=OC=r，OD=r-a，FN为夹持臂对轮胎的支持力，拟定车重力为4mg，每个轮子承重为mg，由轮胎受力分析图可得出：

图4 轮胎及夹持臂受力分析

如图4（b）所示，b为夹持臂固定端，a为自由端，L为夹持臂长度，夹持臂直径为d，F为轮胎对夹持臂的正压力（F=FN），M为弯矩，夹持臂最大拉应力σmax=，许用切应力［σ］＞，其中抗弯截面系数Wz=，截面面积S=π（）2，若满足最大拉应力σmax和许用切应力［σ］，取安全系数为1.2，则夹持臂直径d=42 mm符合设计要求.

在夹持机构中，蜗轮蜗杆传动比为1:30，选用28BYG250C-0071型步进电机，夹持臂承受轿车重量产生的负载通过双头丝杆传递给其驱动电机，经计算，选用42BYG250C-0151型步进电机.

3 抬升机构设计

抬升机构如图5所示.

抬升机构完成汽车的抬升与下降动作，其主要结构为电动机（86BYG350AH-0201型步进电机）、行星减速器（1：8）、螺旋千斤顶、剪叉梁、滑轨等组成，其工作原理为：夹持机构的夹持动作完成后，电动机带动螺旋千斤顶的螺杆旋转（伸长或缩短），其力作用于剪叉机构中有滑块的一端，使剪叉机构角度发生变化而使滑块运动，从而实现剪叉梁抬升或下降.

图5 抬升机构

4 行走系统设计

行走机构采用如图6布置的麦克拉姆轮作为行走轮，由分析可得出：

图6 行走系统布置

其中a为车体中心距轮子左右的距离（m），b为车体中心距轮子前后的距离（m），r为车体中心距轮子的距离（m），Vy为轮子 y轴方向的速度（m/s），Vx为轮子 x方向的速度（m/s），ω 为车体中心角速度（rad/s），ω1、ω2、ω3、ω4分别为 1、2、3、4 号四个轮子的角速度（rad/s）.

依据以上分析，四个麦克拉姆轮分别由四个驱动电机（SH30506三相单/双脉冲步进电机）独立控制，即可实现泊车装置的前进、横移、斜行、转弯等全方位移动，行走速度为30m/min.

5 小结

该泊车装置可以进入汽车底部，采用蜗轮蜗杆伸开夹持臂，电机驱动丝杠带动夹持臂在滑轨上相对运动调节轴距夹紧轮胎，剪叉式升降结构抬升汽车，全方位行走系统完成汽车移动.本文仅对泊车装置进行了结构设计和驱动设计，在自动定位、路径规划等方面还需进一步研究.