小区地下立体车库停车原理及结构设计

马兴灶，弓满锋，黄 赞，连海山，殷华富

（机电工程学院 岭南师范学院，广东 湛江 524048）

0 引言

随着社会的发展，人们生活水平不断提高，我国城市汽车保有量和人均拥有量不断的增加，目前，我国城市机动车辆的保有量与停车位之比大约为5：1[1]。以往那种单层平面停车场已经不能满足市场需求，而空间利用率高、操作简单可靠的立体车库成为解决这一问题的有效方法，特别是在城市小区。早在20世纪20年代，美国就展开立体车库研究，欧洲等发达国家也起步很早，而亚洲日本在20世纪60年代也开始这个领域的研究，而我国起步较晚，市场需求较大。近年来，国内外学者也开展了相关的立体车库的研究[2～6]。

1 总体方案及工作原理

1.1 设计方案

本文所设计的垂直升降式立体车库，适用于小区地下车库，其具体结构如图1所示，主要由车辆横移、车辆升降和地面旋转三个系统构成，其中车辆横移系统是通过控制液压机械手的动作来实现，车辆升降系统是通过控制电梯的升降来实现，而地面旋转系统是通过控制预埋于地下的方轴电机来实现，所有系统的动作由控制器（PLC）控制。

图1 车库总体结构Fig.1 Structure of garage

1.2 工作原理

本车库可根据地下车库的实际高度，设置不同的停车层数，而本文仅以两层的车库为例，存取车的具体流程如图2和图3所示。存车过程：（a）选择存车功能，选择存车平层，控制系统根据选择控制电梯到达指定平层；（b）横移系统启动液压机械手将载车板推出；（c）电梯搭载载车板到达地面平层；（d）与载车板配合的地下方轴电机启动，载车板旋转 90°；（e）车辆驶进载车板；（f）载车板复位；（g）上升至该停车平层；（h）横移系统将载车板拉回停车位置，见图2；取车过程：（a）选择取车功能，选择取车平层，控制系统根据选择控制电梯到达指定平层；（b）横移系统启动液压机械手将载车板推出；（c）电梯搭载载车板和车到达地面平层；（d）与载车板配合的地下方轴电机启动，载车板旋转90°；（e）车辆驶出载车板；（f）载车板复位，上升至原平层；（g）横移系统将载车板拉回原位；（h）电梯返回第二平层，方便底下车道通车，见图3。

图2 存车流程图Fig.2 Car parking flow chart

图3 取车流程图Fig.3 Car taking flow chart

2 关键结构设计

在国际上通用的车库设计标准中，车辆通道的宽度最小为4.5m，但大多数都取5m作为实际的使用标准，同时车库停车位的最小宽度为2.6m，最小的长度为5m，同时考虑到不同驾驶人员的不同的驾驶水平，因此在保证车辆能够比较容易的在停车库中进行停放，大多数的车库在设计的过程中都会在最小尺寸的基础上多加0.5m左右的尺寸，这样做的目的是便于驾驶人员进行快速地停车，参考文献[7]，本设计取车库车辆通道宽度为5.3m，车库长度和宽度分别为5.3m和2.5m。

2.1 载车板

载车板的作用主要是在车辆被搬运的过程中承载车辆，其几何尺寸需要根据车库大小设计。载车板底部设计了一个向下凸出的配合装置，其外形是圆柱形，圆柱内有方孔。配合机构的作用有两点：①与地面平层预埋的方轴电机配合，实现载车板的地面平层转动；②与液压机械手配合，实现载车板的推拉。载车板的上表面设计有防滑线，主要作用是防止车辆发生滑动，防滑线可以有效地阻止车辆滑动，保证安全，载车板具体结构和视图如图4和图5所示。

图4 载车板结构Fig.4 Carriage structure

图5 载车板三视图Fig.5 Three view of vehicle plate

2.2 电梯板

电梯板其形状为U形，表面布有小滚球，焊有两块定位挡板，一端开了两个方孔。U型形状设计为载车板底部配合专门设计，使得电梯板不会阻碍载车板的平移；电梯板表面的钢珠主要起减少摩擦的作用，钢珠可以原地滚动，存取车时，载车板平移和地面转动，让载车板和电梯板之间由滑动摩擦变成了滚动摩擦，有效减少阻力。载车板的具体结构和视图如图6和图7所示。

图6 电梯板结构Fig.6 Elevator p late structure

图7 电梯板视图Fig.7 View of elevator plate

2.3 定位装置

电梯板上的定位挡板和方孔，主要作用是定位载车板。保证载车板配合装置和方轴电机配合。电梯板底面需另外焊接两个相同的定位装置，由定位柱、弹簧和小杠杆组成，如图8所示。当电梯在空中时，定位柱穿过电梯板上的方孔向上凸出，载车板移动到电梯板时，定位槽与定位柱相配合，再结合电梯板上的两块定位挡板，限制载车板在电梯板上的转动、前后移动和向左移动，设计电梯板上的钢珠安装时右边部分比左边部分稍稍高 1～2°，利用重力作用，限制右移。当电梯板搭载载车板下降至地面平层时，地面平层设计有凸起部分，将装置的右边顶起，压缩弹簧，由杠杆原理可知，装置的左边会下降，定位柱顺着电梯板上的定位方孔下降，以免定位柱妨碍载车板转动。此时，方轴电机已和载车板配合实现定位了，所以不需要定位装置的定位了。当电梯上升时，与地面凸起部分分离，弹簧回复原长，会使定位装置复原。定位柱会顺着电梯板的方孔上升与载车板定位槽配合，定位载车板。载车板空中状态和定位装置状态变化如图9和图10所示。

图8 定位装置结构图Fig.8 Structure diagram of positioning device

图9 载车板定位状态Fig.9 Carriage positioning state

2.4 液压机械手

液压机械手为载车板的横移提供动力，如图11所示；前端设计了一个以液压为动力的机械手，如图12所示，可以抓住载车板底部的配合装置，通过伸缩液压机械手来移动载车板。为满足液压机械手足够的伸缩长度和前端机械手单独动作，本文采用了多层嵌套的液压机械手，共两个液压缸，一个是用来控制液压机械手伸缩；另一个用来控制前端机械手动作。控制前端机械手的液压缸焊接在液压机械手最前部分，如图13所示，其液压控制回路如图14所示。两个液压缸作用的顺序不同，其实现的功能也不同，主要是根据是否要抓取载车板来区分。由PLC控制器控制两个液压缸的作用顺序，如图15所示。

图11 液压机械手结构Fig.11 Structure of hydraulicmanipulator

图12 机械手闭合状态Fig.12 Closed state ofmanipulator

图14 液压控制回路图Fig.14 Hydraulic control circuit diagram

图15 液压控制流程图Fig.15 Hydraulic control flow chart

前端机械手主要功能是抓取载车板底部配合装置，从而带动载车板的平移。机械手的张合也是通过液压系统来实现的，当液压机械手推出时，机械手张开，当液压机械手收缩时，机械手闭合。手指间应具有一定的开度，保证载车板底部配合装置能顺利地进入或脱开。机械手端部设计成“V”形面，以便机械手在推载车板的时候可以自动定心。此外机械手在工作的过程中会受到惯性力和振动的影响，要求有足够的强度和刚度以防弯曲变形，甚至折断。

3 结论与讨论

本文提出了一种升降横移式立体车库，阐述了该车库具体存车和取车的工作原理，并对其载车板、电梯板、定位装置和液压机械手等关键结构展开设计，实现了立体车库的基本功能。接下来将着手结构优化设计，并在这基础上搭建实体模型，开发车库控制系统设计，根据运用情况不断改进，争取设计出满足实际生产需求的车库。