前移旋转升降横移式立体车库结构设计＊

陈海初 余 猛 王志锋 谢 恒

佛山科学技术学院机电工程与自动化学院 佛山 528000

0 引言

随着汽车保有量的不断增多，城市土地资源的紧缺、早期建筑停车位考虑不周等导致城市停车难的问题亟待解决。我国城市住宅区、广场游乐园、地下停车场等场所还是以平面停车为主，而机械式多层停车设备拥有占地面积少、存储车辆多、性价比高等优点，为解决停车难的问题提供了很好方法[1]。目前，国内外现有的机械式立体车库种类很多，可分为升降横移类、垂直循环类、平面移动类、简易升降类等类型[2,3]。尽管市场上现有的机械式停车设备种类繁多，但绝大部分工作效率低、适应性较差，导致市场应用率较低[4]。本文针对传统双层升降横移式机械立体停车设备，创新性地设计了一种前移旋转升降横移式立体车库结构，提升了传统双层立体车库的利用率，且降低了车位成本。

1 传统双层机械式立体停车库创新设计

传统的3变5双层升降横移式机械立体停车设备，为了存取车方便，必须保留一个空余的停车位，造成车位资源的浪费。

如图1所示，双层升降横移式机械立体停车设备可以完美实现车位的3变6、4变8、5变10等，可实现所有停车位的全部利用，且存取车方便。

图1 3变6双层升降横移式机械立体停车设备示意图

2 前移旋转升降停车位结构设计

2.1 前移旋转升降停车位结构方案

将传统3变5车位设备两边车位（左右均可，以右侧为例）中的一个车位安装宽度增加350 mm及以上，在右下空间位置设计安装可前移、旋转、升降的停车机构，嵌入到传统的3变5车位设备中，实现第6停车位。第6停车位的结构主要由载车板部分、前移装置、旋转装置、升降装置组成，其整体如图2所示。

图2 第6停车位的整体结构图

停车台板上的连接法兰与挂架通过标准件固定连接，在停车台板的另一侧安装有两组无动力万向支承弹簧减振轮组，以实现对台板的支承，减小台板停车后的受力弯曲变形。旋转立柱下端通过标准件与行走箱体上的旋转输出轴法兰紧固连接，旋转输出轴由行走箱体内的旋转电机及蜗轮蜗杆传动组件驱动。上支承滚轮安装在上支承导槽内，而上支承导槽与整个设备的框架梁焊接固定，且还设置有行程开关及机械限位块，对设备起到保护作用。行走箱体上有两组驱动滚轮，实现旋转立柱、挂架带动停车台板整体前后移动。提升电机及传动机构组件整体安装在旋转立柱上，传动机构输出轴通过双排或3排链条与挂架连接，当提升电机转动时，可实现对停车台板的升降控制。下支承导轨一方面通过行走轮组对行走箱体、旋转立柱、停车台板等第6车位停车设备整体起到支承作用，另一方面确保了行走箱体沿支承导轨的路径前后移动移车，下支承导轨及上支承导槽在安装时要向前超出双层设备立柱350 mm及以上距离。挂架安装在旋转立柱上，通过多个支承滚轮与旋转立柱形成移动副，可沿旋转立柱上下升降移动。此外，旋转立柱顶部还涉及安装有机械挂钩安全锁定机构，当挂架带动停车台板上升后，实现对挂架的机械锁定，确保设备的安全。

2.2 前移旋转升降停车位的取车原理

本文提出的3变6车位双层升降横移式机械立体停车设备优先将车辆存取在1～5号停车位，当1～5号停车位的停车台板上均存有车辆时，才对第6车位进行停车存放。该设备初次安装后6号车位的停车台板初始状态如图3中的①所示，此状态时的6号停车位停车台板朝外，行走箱体移动到外限定位置，挂架上升到上极限位置，安全锁定机构锁住挂架，确保设备的安全，同时方便3号车位的车辆存取。如果1～5号停车位已停满车辆，需要在6号停车位停车时，6号停车位的停车台板即下降到设定位置，然后将待停车辆开到停车台板上。首先，驱动旋转立柱带动6号停车台板顺时针旋转90°，然后行走电机驱动6号停车位设备整体向后移动到设定位置，缩进到整个设备的停车位内，完成停车，从而实现3变6车位的全部车位利用，使车位利用率达到100%。整个停车过程如图3所示。

图3 立体车库存车过程

3 前移旋转升降停车位结构稳定性分析

3.1 静力学分析

立体车库6号车位的三维模型图以Step文件的格式导入Ansys中，对钢结构进行四面体网格划分，网格精度为50 mm，上支承导槽和下支承导轨为固定约束，停车台板受力25 000 N，其分析结果如图4所示。

图4 6号车位应力分布云图和位移变形云图

由图4可知，6号车位钢结构的最大应力为46.12 MPa，最大变形为24.27 mm，其强度和刚度均满足安全使用要求[5]。

3.2 模态分析

为了分析前移旋转升降停车位的自振频率，防止在特定频率下立体车库发生共振，对其进行模态分析。6号车位的前6阶模态振型分析结果如表1所示。

表1 前6阶模态分析结果汇总

模态分析结果显示：前移旋转升降横移式立体车库6号车位的频率范围为3.997～30.902 Hz。为了避免共振的发生，立体车库应避开3.997～7.710 Hz频率区域工作。6号车位的前3阶固有频率在8 Hz以下，振型主要是停车台板呈倾斜状，变形量范围为0～1.335 mm。第4阶、第5阶、第6阶固有频率为13.023～30.902 Hz，振型主要是停车台板呈扭曲状，变形范围为0～1.958 mm。由上述分析可知，前移旋转升降横移式立体车库6号车位的结构设计合理，满足立体车库的存取车需要[6]。

4 运动仿真分析

为验证6号车位在存取车过程中是否符合设计要求，故对其进行SolidWorks运动学仿真。运用Motion插件，新建运动算例[7，8]，类型选择Motion 分析。0～3.5 s移动箱体沿X轴移动，3.5～6 s旋转立柱逆时针旋转90°，6～9 s旋转升降车板沿Y轴移动。将上支承导轨和地轨支承设置为固定副，滚轮在地轨上能实现移动，将其设置为移动副。最后将旋转立柱设置为转动副，旋转立柱将带动旋转升降车板一起做旋转运动。

选取旋转升降车板上的一个点和地轨的一个面作为运动仿真对象，对整个停车设备进行运动仿真后，得到图5所示移动箱体沿X轴、Y轴的位移曲线。0～3.5 s箱体一直在向前移动，旋转升降车板相对Y轴保持静止。3.5～6 s旋转立柱旋转时，旋转升降车板和地轨之间在X轴上存在相对位移，所以图像上的曲线也相对发生变化。6～9 s旋转升降车板沿Y轴移动，箱体保持静止。整个位移的过程符合预期的效果，满足仿真要求。

图5 第6车位沿X轴和Y轴位移图

图6为旋转升降车板的角加速度曲线，图中显示0～3.5 s和6～9 s旋转升降车板不存在任何选择运动，是一条直线。3.5～6 s旋转立柱旋转带动旋转升降车板旋转，所以图像发生显著变化。该转动过程符合预期效果，满足仿真要求。

图6 角加速度曲线图

5 结语

针对传统升降横移式机械立体停车设备，本文设计了一种前移旋转升降横移式立体停车设备，该设备结构简单、运行稳定，提升了传统双层立体车库的利用率，节约了社会土地资源。利用Ansys软件对钢结构进行静力学分析和模态分析，分析结果表明，立体车库6号停车位结构安全可靠。为解决城市停车难的问题提供了一种可行性解决方案。