垂直旋轉(zhuǎn)式立體車庫(kù)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

李麗，叢東升，李貞，孔令義，李昊

（1.山東建筑大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山東濟(jì)南250101；2.山東省高校機(jī)械工程創(chuàng)新技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東濟(jì)南250101）

垂直旋轉(zhuǎn)式立體車庫(kù)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

李麗1，2，叢東升1，2，李貞1，孔令義1，李昊1

（1.山東建筑大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山東濟(jì)南250101；2.山東省高校機(jī)械工程創(chuàng)新技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東濟(jì)南250101）

近年來，隨著城市停車難問題的顯現(xiàn)，垂直旋轉(zhuǎn)式立體車庫(kù)是“停車難”問題的解決和改善城市靜態(tài)交通的重要手段和途徑，但因其存在承載能力弱、設(shè)備復(fù)雜性高、庫(kù)容利用率低等缺陷而影響其廣泛應(yīng)用。文章利用發(fā)明問題解決理論（TRIZ）、公理設(shè)計(jì)（AD）的獨(dú)立公理等創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法，對(duì)垂直旋轉(zhuǎn)式立體車庫(kù)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計(jì)，進(jìn)而解決其存在的耦合問題，獲得單吊點(diǎn)式垂直旋轉(zhuǎn)立體車庫(kù)和雙環(huán)圓形分體式垂直旋轉(zhuǎn)立體車庫(kù)滿足用戶需求的兩種建議方案。

發(fā)明問題解決理論；獨(dú)立公理；垂直旋轉(zhuǎn)式；機(jī)械式立體車庫(kù)

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和人們生活水平的不斷提高，汽車作為常用的交通工具逐步進(jìn)入尋常百姓人家，隨之而來的停車難問題越來越顯現(xiàn)，尤其是北上廣等一線城市也同樣面臨著這樣的問題［1］。機(jī)械式立體車庫(kù)作為改善城市靜態(tài)交通的有效停車設(shè)備，具有占地面積少、造價(jià)相對(duì)低、可移動(dòng)拆卸、安全防盜等優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)外得到廣泛應(yīng)用［2］。20世紀(jì)20年代，美國(guó)學(xué)者開始研發(fā)機(jī)械式停車設(shè)備（立體車庫(kù)），用于有效解決大城市“停車難”問題，并于1920年建成了世界上第一座機(jī)械式停車設(shè)備［3-5］。之后，德國(guó)、韓國(guó)、日本等一些國(guó)家，相繼開始研發(fā)、制造機(jī)械式停車設(shè)備，并形成了研發(fā)、制造、安裝、維護(hù)為一體的行業(yè)［3-5］。我國(guó)20世紀(jì)80年代開始研發(fā)立體車庫(kù)，主要是仿制韓國(guó)、日本等國(guó)家的產(chǎn)品，并于1989年建造了第一臺(tái)垂直循環(huán)類機(jī)械式立體車庫(kù)［3-5］。之后，我國(guó)立體車庫(kù)行業(yè)進(jìn)入了十幾年的低迷期。由于在我國(guó)機(jī)械式立體車庫(kù)還處在發(fā)展初期階段，存在著技術(shù)落后、推廣難度大、成本高等缺點(diǎn)，其大范圍的推廣與應(yīng)用還處于停滯不前狀態(tài)［6］。近年來，隨著汽車保有量的增加和“停車難”問題的凸顯，立體車庫(kù)市場(chǎng)正以突飛猛進(jìn)的態(tài)勢(shì)發(fā)展［3-5］。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)把機(jī)械式停車設(shè)備（立體車庫(kù)）分為8種類型［7］。垂直旋轉(zhuǎn)式立體車庫(kù)［3-8］是“停車難”問題的解決和改善城市靜態(tài)交通的重要手段和途徑，但因其存在承載能力弱、設(shè)備復(fù)雜性高、庫(kù)容利用率低等缺陷而影響其廣泛應(yīng)用。因此，針對(duì)我國(guó)現(xiàn)有垂直旋轉(zhuǎn)式立體車庫(kù)存在的缺陷，融合發(fā)明問題解決理論（TRIZ）、公理設(shè)計(jì)（AD）的獨(dú)立公理等創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法，對(duì)垂直旋轉(zhuǎn)式立體車庫(kù)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，進(jìn)而解決其存在的耦合問題，獲得單吊點(diǎn)式垂直旋轉(zhuǎn)立體車庫(kù)和雙環(huán)圓形分體式垂直旋轉(zhuǎn)立體車庫(kù)是滿足用戶需求的兩種建議方案，對(duì)“停車難”問題的解決和改善城市靜態(tài)交通具有一定的參考和應(yīng)用價(jià)值［9-16］。

1 產(chǎn)品方案創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)述

發(fā)明問題解決理論（TRIZ）是基于知識(shí)的、面向人的、系統(tǒng)化的、解決發(fā)明問題的方法學(xué)；其最終目標(biāo)是完全解決矛盾，獲得最終理想解，而非折衷或者妥協(xié)［9-13］。獨(dú)立公理是公理設(shè)計(jì)（AD）中的重要設(shè)計(jì)公理之一，其在設(shè)計(jì)中要求保持產(chǎn)品各項(xiàng)功能的獨(dú)立性［14-16］。對(duì)TRIZ與獨(dú)立公理結(jié)合的產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法進(jìn)一步深化，將耦合參數(shù)進(jìn)行問題屬性分類，并選擇合理的解題模型，從而創(chuàng)新性的改進(jìn)了基于TRIZ與獨(dú)立公理的產(chǎn)品方案創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法，有效地提高了解耦合的效率和高品質(zhì)創(chuàng)新產(chǎn)品的獲得［3-4］。其步驟為:首先，獲取用戶需求，確定設(shè)計(jì)參數(shù)；即，通過市場(chǎng)調(diào)查分析，獲取產(chǎn)品的用戶需求，確定產(chǎn)品的功能需求，利用公理設(shè)計(jì)的“之”字形映射法則，對(duì)產(chǎn)品的功能域與結(jié)構(gòu)域間進(jìn)行相互映射，確定最終產(chǎn)品的設(shè)計(jì)參數(shù)。其次，構(gòu)造設(shè)計(jì)矩陣，確定耦合參數(shù)；即，依據(jù)“之”字形映射過程和設(shè)計(jì)參數(shù)構(gòu)造產(chǎn)品的設(shè)計(jì)矩陣，判斷設(shè)計(jì)矩陣的耦合性，并確定耦合參數(shù)。再次，區(qū)別問題屬性，選擇解題模型；即對(duì)相互耦合的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行問題屬性分類，對(duì)照TRIZ解題模式，選擇不同的解題模型。然后，選擇解題工具，獲取建議方案；即，依據(jù)解題模型，應(yīng)用TRIZ解題工具（工具、原理、知識(shí)庫(kù)）對(duì)產(chǎn)品的耦合矩陣進(jìn)行解耦，參照工程實(shí)際，獲取產(chǎn)品的多種建議方案。最后，評(píng)價(jià)建議方案，優(yōu)選最佳方案；即，應(yīng)用獨(dú)立公理對(duì)每種建議方案設(shè)計(jì)矩陣的獨(dú)立性進(jìn)行評(píng)價(jià)，判斷是否滿足功能的獨(dú)立性，優(yōu)選產(chǎn)品最佳的設(shè)計(jì)方案。

2 垂直旋轉(zhuǎn)式立體車庫(kù)方案創(chuàng)新設(shè)計(jì)

2.1 確定設(shè)計(jì)參數(shù)

對(duì)“停車難”問題的解決方法進(jìn)行市場(chǎng)調(diào)查與分析，用戶所需求的產(chǎn)品屬性｛CNs｝為有效地解決大城市和旅游風(fēng)景區(qū)的“停車難”問題，且不影響城市市容和靜態(tài)交通；映射到功能域（FR0）為庫(kù)容量大、效率高的機(jī)械式停車設(shè)備；映射到結(jié)構(gòu)域，對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)參數(shù)（DP0）為垂直旋轉(zhuǎn)式立體車庫(kù)；再按照功能域與結(jié)構(gòu)域間的“之”字形映射，對(duì)垂直旋轉(zhuǎn)式立體車庫(kù)的功能需求（功能域｛FRS｝）與設(shè)計(jì)參數(shù)（結(jié)構(gòu)域｛DPS｝）之間進(jìn)行相互映射，直到設(shè)計(jì)參數(shù)不能再分為止。表1為垂直旋轉(zhuǎn)式立體車庫(kù)功能域和結(jié)構(gòu)域間的映射層次表。

表1 垂直旋轉(zhuǎn)式立體車庫(kù)功能域和結(jié)構(gòu)域間的映射層次表

2.2 確定耦合參數(shù)

依據(jù)表1所知，垂直旋轉(zhuǎn)式立體車庫(kù)功能域與結(jié)構(gòu)域間映射的第一層、第二層、第三層設(shè)計(jì)方程分別為

其設(shè)計(jì)矩陣分別為

則A1為下三角矩陣，不需要解耦合；而A2、A3則為一般矩陣（耦合矩陣），不滿足獨(dú)立公理?xiàng)l件，需要解耦合；即設(shè)計(jì)參數(shù)DP21和DP22與FR12之間存在耦合，設(shè)計(jì)參數(shù)DP12與FR111、FR112之間存在耦合。

2.3 選擇解題模型

設(shè)計(jì)參數(shù)DP21（電機(jī)）和DP22（控制裝置）與FR12（庫(kù)容面積）之間存在耦合，即DP2（存取效率高）與FR12（庫(kù)容面積）之間存在耦合；設(shè)計(jì)參數(shù)DP12（設(shè)備結(jié)構(gòu)）與FR111（承載）、FR112（平衡）之間存在耦合。參照TRIZ解題工具，這兩組耦合問題為參數(shù)問題，即參數(shù)之間存在沖突。

2.4 選擇建議方案

2.4.1 存取效率與庫(kù)容率

（1）問題描述

高效地進(jìn)行車輛存取的立體車庫(kù)與立體車庫(kù)的庫(kù)容面積之間存在沖突，即存取車效率與庫(kù)容面積之間存在沖突。當(dāng)存取車效率提高時(shí)，必然引起車庫(kù)庫(kù)容面積的減小。因此，上述兩參數(shù)間是一對(duì)技術(shù)沖突。

（2）問題分析

參照TRIZ工具的39個(gè)通用工程技術(shù)參數(shù)進(jìn)行描述:改善的參數(shù)是25＃時(shí)間損失，惡化的參數(shù)是4＃靜止物體的尺寸，查找沖突矩陣［8］（如表2所示）找到相應(yīng)的發(fā)明原理。

2.4.2 載車臺(tái)與設(shè)備結(jié)構(gòu)

（1）問題描述

載車臺(tái)和設(shè)備結(jié)構(gòu)之間存在著沖突，即，當(dāng)提高載車臺(tái)面積時(shí)，必然引起設(shè)備復(fù)雜程度的加大。因此，此兩參數(shù)間為技術(shù)沖突。

（2）問題分析

參照TRIZ工具的39個(gè)通用工程技術(shù)參數(shù)進(jìn)行描述:改善的參數(shù)是5＃運(yùn)動(dòng)物體的面積，惡化的參數(shù)是36＃系統(tǒng)的復(fù)雜性，查找沖突矩陣［8］（如表2所示）找到相應(yīng)的發(fā)明原理。

2.4.3 車庫(kù)平衡性與設(shè)備

（1）問題描述

車庫(kù)平衡性與設(shè)備之間存在著沖突，即，提高垂直旋轉(zhuǎn)式立體車庫(kù)平衡性的同時(shí)，必然引起設(shè)備復(fù)雜程度的加大。因此，上述兩個(gè)參數(shù)間為技術(shù)沖突。

（2）問題分析

參照TRIZ工具的39個(gè)通用工程技術(shù)參數(shù)進(jìn)行描述:改善的參數(shù)是13＃穩(wěn)定性，惡化的參數(shù)是36＃系統(tǒng)的復(fù)雜性，查找沖突矩陣［8］（如表2所示）找到相應(yīng)的發(fā)明原理。

表2 沖突矩陣（部分）

（3）綜合問題分析

分析上述三對(duì)技術(shù)沖突，結(jié)合實(shí)際工程情況，初步選取14＃曲面化、13＃反向作用、1＃分割、5＃組合、2＃抽取、24＃借助中介物等六種發(fā)明原理作為解決垂直旋轉(zhuǎn)式立體車庫(kù)耦合問題的工具。表3為所選發(fā)明原理的含義。

依據(jù)表3發(fā)明原理的含義，結(jié)合工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，獲取垂直旋轉(zhuǎn)式立體車庫(kù)建議方案步驟為:（1）選用曲面化原理將立體車庫(kù)設(shè)計(jì)成球形結(jié)構(gòu)，即立體車庫(kù)的外形為圓形；依據(jù)反向作用原理將立體車庫(kù)設(shè)計(jì)為垂直旋轉(zhuǎn)式，改進(jìn)了現(xiàn)有立體車庫(kù)固定不動(dòng)，僅有載車臺(tái)運(yùn)動(dòng)的運(yùn)行方式；（2）選用分割和組合原理將載車臺(tái)設(shè)計(jì)為分體式載車臺(tái)形式，并作為垂直旋轉(zhuǎn)式立體車庫(kù)的一部分；（3）依據(jù)抽取原理和借助中介物原理，由立體車庫(kù)系統(tǒng)抽取出搬運(yùn)器系統(tǒng)，借助搬運(yùn)器進(jìn)行汽車的存放和取用。因此，參照工程實(shí)例（摩天輪）獲得兩種垂直旋轉(zhuǎn)式立體車庫(kù)建議方案，其中，方案一為單吊點(diǎn)式垂直旋轉(zhuǎn)立體車庫(kù)（配套搬運(yùn)器）（如圖1（a）所示）和方案二為雙環(huán)圓形分體式垂直旋轉(zhuǎn)立體車庫(kù)（配套搬運(yùn)器）（如圖1（b）所示）。

表3 發(fā)明原理的含義

圖1 垂直旋轉(zhuǎn)立體車庫(kù)（配套搬運(yùn)器）方案原理圖

（4）建議方案分析

兩種方案都為半地上、半地下式立體車庫(kù)；車庫(kù)采用整體垂直旋轉(zhuǎn)方式；利用行星鏈傳動(dòng)方式，使載車臺(tái)隨立體車庫(kù)公轉(zhuǎn)的同時(shí)也產(chǎn)生自轉(zhuǎn)，從而達(dá)到自動(dòng)防擺和自平衡調(diào)節(jié)的效果。方案一的載車臺(tái)采用的是單環(huán)單吊點(diǎn)懸掛式設(shè)計(jì)；而方案二的載車臺(tái)采用的是雙環(huán)單吊點(diǎn)雙支撐式設(shè)計(jì)，增加了垂直旋轉(zhuǎn)式立體車庫(kù)的可靠性、安全性和容積率，另外，該方案同時(shí)存放和取用四輛汽車，大大提高了存取車效率。

2.5 評(píng)價(jià)建議方案優(yōu)選最佳方案

根據(jù)表1垂直旋轉(zhuǎn)式立體車庫(kù)功能域和結(jié)構(gòu)域間的映射層次表，結(jié)合兩種垂直旋轉(zhuǎn)式立體車庫(kù)建議方案的功能結(jié)構(gòu)特點(diǎn)得到垂直旋轉(zhuǎn)式立體車庫(kù)功能要求和設(shè)計(jì)參數(shù)之間的設(shè)計(jì)矩陣（如表4所示）。

由表4可知，設(shè)計(jì)矩陣為下三角矩陣，即準(zhǔn)耦合矩陣，所以上述的兩種方案滿足功能的獨(dú)立性。因此，兩種建議方案都滿足用戶需求的設(shè)計(jì)方案。

表4 垂直旋轉(zhuǎn)式立體車庫(kù)功能要求和設(shè)計(jì)參數(shù)之間的設(shè)計(jì)矩陣

3 結(jié)語(yǔ)

文章將發(fā)明問題解決理論（TRIZ）與公理設(shè)計(jì)（AD）的獨(dú)立公理相融合，通過獲取立體車庫(kù)的用戶需求、確定其設(shè)計(jì)參數(shù)、構(gòu)造設(shè)計(jì)矩陣、確定立體車庫(kù)的耦合參數(shù)與問題屬性、選擇解題模型和工具等步驟，對(duì)機(jī)械式立體車庫(kù)（垂直旋轉(zhuǎn)式）進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，獲得了兩種滿足用戶需求的最佳設(shè)計(jì)方案—單吊點(diǎn)式垂直旋轉(zhuǎn)立體車庫(kù)（配套搬運(yùn)器）和雙環(huán)圓形分體式垂直旋轉(zhuǎn)立體車庫(kù)（配套搬運(yùn)器），解決了現(xiàn)有垂直旋轉(zhuǎn)式立體車庫(kù)存在的承載能力弱、設(shè)備復(fù)雜性高、庫(kù)容利用率低等技術(shù)缺陷，對(duì)旅游風(fēng)景區(qū)停車難問題的解決及新型立體車庫(kù)的研制具有較高的參考價(jià)值和應(yīng)用價(jià)值。

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（責(zé)任編輯：李雪蕾）

Creative design in the vertical turn stereo garage

Li li1，2，Cong Dongsheng1，2，Li zhen1，et al.

（1.School of Mechanical and Electronic Engineering，Shandong Jianzhu University，Jinan 250101，China；2.Key Laboratory of Mechanical Engineering＆Innovation Technology in Universities of Shandong，Jinan 250101，China）

At present，with the appearance of the problem of parking in the metropolis，the vertical turnmechanical stereo garage does exert such a profound effect on our daily life.However，in order to solve the technical defect in the vertical turn mechanical stereo garage with the weakness of carrying capacity and the high of equipment complexity and the low of the high capacity.In this article，its design scheme is creative and its coupling problems are solved with the theory of inventive problem solving（TRIZ）and the independent axiom of axiomatic design（AD）.Finally，two kinds of the vertical turn stereo garage of proposal scheme-monotone point vertical turn stereo garage and double ring circular partial vertical turn stereo garage are obtained to satisfy users'demands.

TRIZ；independent axiom；vertical turn；mechanical stereo garage

TH218

A

1673-7644（2014）06-0569-05

2014-06-06

國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（201210430045）

李麗（1982-）女，講師，碩士，主要從事工程機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法、產(chǎn)品綠色設(shè)計(jì)等方面的研究.E-mail:lili8249＠126.com