雙層無障礙立體停車設(shè)備

葛云皓+袁佶鵬+殷錕+張富豪

摘 要：針對停車位緊缺，停車難等現(xiàn)實(shí)問題，文中設(shè)計(jì)了一款雙層無障礙立體停車設(shè)備。該設(shè)備由回轉(zhuǎn)車板，控制模塊，驅(qū)動(dòng)模塊等組成，可有效緩解臨時(shí)場地的停車壓力，具有良好的社會效益與經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞：立體停車設(shè)備；回轉(zhuǎn)車板；控制模塊；驅(qū)動(dòng)模塊

0 引 言

停車設(shè)備主要基于車架機(jī)械臂系統(tǒng)、車板回轉(zhuǎn)系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)其無障礙停車功能；車架機(jī)械臂系統(tǒng)通過機(jī)械臂與車架的配合實(shí)現(xiàn)停車板水平上升和下降，在實(shí)現(xiàn)無障礙停車的同時(shí)，提高過程的穩(wěn)定性和安全性。車板回轉(zhuǎn)系統(tǒng)主要由可旋轉(zhuǎn)停車板和防護(hù)板組成，前者減小了停車半徑，提高了該設(shè)備的場地適應(yīng)性；后者則起到應(yīng)急保護(hù)作用。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)通過電機(jī)、變速箱、齒輪、鏈條之間的配合為整個(gè)機(jī)構(gòu)提供動(dòng)力來源。控制系統(tǒng)通過在設(shè)備特定位置安裝傳感器和行程開關(guān)獲取實(shí)時(shí)信號，經(jīng)中央控制器處理后，再將指令傳到各處電機(jī)，以實(shí)現(xiàn)對停車、取車過程的全自動(dòng)控制。

1 作品的創(chuàng)造性、先進(jìn)性、可行性、實(shí)用性

該作品具有安全穩(wěn)定的舉升方式，易拆卸可移動(dòng)，節(jié)省空間，停電應(yīng)急功能，回轉(zhuǎn)車板等優(yōu)勢。該作品的總體設(shè)計(jì)圖如圖1所示。車架外形如圖2所示。

2 工作原理

2.1 車架機(jī)械臂系統(tǒng)

機(jī)械臂通過螺栓聯(lián)接安裝在車架前端，支撐上車板完成平穩(wěn)上升下降運(yùn)動(dòng)。機(jī)械臂桿組及細(xì)節(jié)如圖3所示。

2.1.1 車架

作為設(shè)備的重要受力結(jié)構(gòu)，車架采用桁架結(jié)構(gòu)在滿足受力要求的前提下減少整體質(zhì)量，體現(xiàn)了便攜性；設(shè)備車體前段設(shè)置了導(dǎo)軌，焊接有滾輪的上車板在機(jī)械臂的支撐下沿導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)，通過運(yùn)動(dòng)仿真分析，精確設(shè)計(jì)導(dǎo)軌形狀，在功能方面滿足了車板下降時(shí)的平穩(wěn)運(yùn)行。同時(shí)，依據(jù)汽車外形設(shè)計(jì)支撐結(jié)構(gòu)，盡可能減少占地面積，充分利用了空間，體現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)性。

2.1.2 車架機(jī)械臂

車架機(jī)械臂類似于人的手臂，具有限位結(jié)構(gòu)，支撐上車板完成給定軌跡的舉升運(yùn)動(dòng)。

該機(jī)構(gòu)為五連桿機(jī)構(gòu)，自由度大于1，原動(dòng)件數(shù)目為1，若考慮理想狀態(tài)即無重力的平面運(yùn)動(dòng)，則機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)無法確定；若要使運(yùn)動(dòng)狀態(tài)能夠確定，則在四根桿件轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)必須保證在同一時(shí)間只有一根桿件轉(zhuǎn)動(dòng)，以確定運(yùn)動(dòng)路線。當(dāng)支撐架下降時(shí)，由于重力作用與桿件結(jié)構(gòu)的阻擋，使得桿件的運(yùn)動(dòng)形式為：首先其余三根桿緊壓在一起，第四根桿轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)?shù)谒母鶙U接觸地面后，前兩根桿繼續(xù)緊壓，第三根桿轉(zhuǎn)動(dòng)，最后第二根桿轉(zhuǎn)動(dòng)，直到支撐架觸地。

車架的結(jié)構(gòu)需要根據(jù)桿件運(yùn)動(dòng)軌跡定義，而運(yùn)動(dòng)軌跡又要考慮車架的結(jié)構(gòu)，因此在第四根桿下降時(shí)，支撐架為水平運(yùn)動(dòng)，使支撐架后端運(yùn)動(dòng)到車架圓弧處，剩下的桿件運(yùn)動(dòng)時(shí)，支撐架沿車架圓弧處下降。為使車架圓弧結(jié)構(gòu)簡單，需要在第三根桿件運(yùn)動(dòng)時(shí)，支撐架下落大部分高度。綜合以上要求，我們做出了理想運(yùn)動(dòng)軌跡圖并驗(yàn)證了其合理性。

2.2 回轉(zhuǎn)車板系統(tǒng)

該系統(tǒng)主要由旋轉(zhuǎn)車板和車板防護(hù)機(jī)構(gòu)組成。主要完成回轉(zhuǎn)上車和回轉(zhuǎn)下車，并在車架機(jī)械臂系統(tǒng)的支撐下升降車輛。旋轉(zhuǎn)車板是車輛停泊過程中的載重平臺，車板防護(hù)機(jī)構(gòu)可防止在停車過程中，車輛在旋轉(zhuǎn)車板上抖動(dòng)和滑落，可有效保障停車安全。停車板回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)如圖4所示。

2.2.1 旋轉(zhuǎn)車板

旋轉(zhuǎn)車板是設(shè)備回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的重要組成部分，可使停車板繞回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)軸心旋轉(zhuǎn)一定角度，方便汽車直接開上停車板，減少了轉(zhuǎn)彎半徑。軸承采用三排圓柱滾子轉(zhuǎn)盤軸承，將起重機(jī)回轉(zhuǎn)部分支持在非回轉(zhuǎn)部分，保證回轉(zhuǎn)部分有確定的運(yùn)動(dòng)，并承受回轉(zhuǎn)部分作用于其上的垂直力、水平力和傾覆力矩。蝸輪蝸桿傳動(dòng)可防止車板倒轉(zhuǎn)，保證停車安全。設(shè)備軸承整體與局部實(shí)物圖如圖5所示。

2.2.2 車板防護(hù)機(jī)構(gòu)

該裝置通過四連桿機(jī)構(gòu)及其限位槽的配合完成了純機(jī)械化的防護(hù)板的上下旋轉(zhuǎn)。當(dāng)車板在上下車落地時(shí)，車板放下為上下車提供斜度坡道，當(dāng)停車板在半空移動(dòng)時(shí)防護(hù)板上彈起到車體防護(hù)作用。整個(gè)機(jī)構(gòu)由旋轉(zhuǎn)車板自行觸發(fā)，利用限位槽限制其運(yùn)動(dòng)。車板防護(hù)裝置如圖6所示，防護(hù)裝置與局部實(shí)物圖如圖7所示。

2.3 驅(qū)動(dòng)模塊

該模塊主要由鏈輪、棘輪、變速箱、電機(jī)、皮帶輪等組成，為設(shè)備提供動(dòng)力。由控制模塊帶動(dòng)電機(jī)正反轉(zhuǎn)，經(jīng)減速機(jī)減速、齒輪組二次減速與皮帶輪的傳遞作用，將扭矩傳遞至從動(dòng)軸，由從動(dòng)軸帶動(dòng)鏈輪轉(zhuǎn)動(dòng)，鏈輪帶動(dòng)鏈條，停車板下的支撐架后端與鏈條固連，完成動(dòng)力輸送。鏈條正轉(zhuǎn)，停車板受向上的拉力，完成舉升過程；鏈條反轉(zhuǎn)，停車板受向下的拉力，完成下降過程。動(dòng)力系統(tǒng)總裝圖如圖8所示。

經(jīng)計(jì)算，該停車設(shè)備選取了P=18.5 kW的交流電機(jī)，通過和蝸輪蝸桿減速機(jī)的配合，獲得了合適的速度，也擁有了能夠帶動(dòng)整個(gè)設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)的動(dòng)力。

除控制車板上下運(yùn)動(dòng)的交流電機(jī)，停車板旋轉(zhuǎn)的動(dòng)力來源是一個(gè)小型的步進(jìn)電機(jī)，通過控制模塊使大小電機(jī)相互配合，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。電機(jī)配合效果圖如圖9所示。

2.4 控制模塊

控制模塊包括中央控制器（以單片機(jī)為主），設(shè)備特定位置安裝的各傳感器、行程開關(guān)和控制器等。傳感器和行程開關(guān)獲取實(shí)時(shí)信號，經(jīng)中央控制器處理后，再將指令傳到電機(jī)，以實(shí)現(xiàn)對停車、取車過程的全自動(dòng)控制。單片機(jī)實(shí)物如圖10所示，MOS管集成模塊如圖11所示，MOS管電路如圖12所示，傳感器及開關(guān)布置如圖13所示。電器傳感器件一覽表如圖14所示。

2.4.1 回轉(zhuǎn)車板控制

停車設(shè)備的回轉(zhuǎn)車板通過小型步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)與之固連的大齒輪來實(shí)現(xiàn)其運(yùn)動(dòng)功能。由單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行順、逆時(shí)針的90°的旋轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)。其中，在單片機(jī)集成模塊上有相應(yīng)的按鍵設(shè)置，依靠它和驅(qū)動(dòng)模塊實(shí)現(xiàn)正、反、和停轉(zhuǎn)。

單片機(jī)由5 V直流電作供電電源，通過一個(gè)MOS管集成模塊實(shí)現(xiàn)直-直變壓，為步進(jìn)電機(jī)供電，以完成工作。

2.4.2 車板整體上下移動(dòng)控制

該功能的實(shí)現(xiàn)主要通過行程開關(guān)、光電開關(guān)和光電傳感器的配合實(shí)現(xiàn)對車板位置的檢測和控制。光電傳感器實(shí)時(shí)檢測車板所處位置，當(dāng)車板到達(dá)極限位置時(shí)，光電傳感器和行程開關(guān)及時(shí)反饋，經(jīng)中央控制器的處理，使電機(jī)停止工作，保證設(shè)備的正常運(yùn)行。行程開關(guān)與光電開關(guān)實(shí)物如圖15所示。

2.4.3 主控程序部分

該部分主要由單片機(jī)控制和傳感器檢測共同實(shí)現(xiàn)。主控程序框圖如圖16所示。

印制電路板經(jīng)軟件方面的原理設(shè)計(jì)、實(shí)際加工等程序，可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備的自動(dòng)化控制過程。初步PCB原理圖如圖17所示，實(shí)際加工PCB如圖18所示，PCB設(shè)計(jì)效果圖如圖19所示。

車庫的控制模塊由各類元件共同實(shí)現(xiàn)，能夠?qū)噹斓倪M(jìn)程實(shí)現(xiàn)精確定位和掌握，保證系統(tǒng)的安全性和標(biāo)準(zhǔn)性。

3 數(shù)據(jù)計(jì)算分析

3.1 車架機(jī)械臂系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1.1 車架運(yùn)動(dòng)仿真

通過支撐架上一點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的仿真，得出圖20所示的運(yùn)動(dòng)仿真圖與圖21所示的運(yùn)動(dòng)模擬圖。從圖22所示的角位移曲線中可以看出，支撐架的在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中的最大角位移為-2.6°，即支撐架傾斜的最大角度為2.6°，接近理論計(jì)算值。由圖23所示的線速度曲線圖可知，整個(gè)運(yùn)動(dòng)基本處于平穩(wěn)狀態(tài)，只有小段時(shí)間線速度有波動(dòng)，對比角位移以及運(yùn)動(dòng)軌跡，這一段恰好為滾輪從內(nèi)側(cè)軌道脫離，支撐架處于傾斜角度最大處，可能是因?yàn)闈L輪脫離的一瞬間有一小段向下加速運(yùn)動(dòng)，使得線速度產(chǎn)生波動(dòng)。

3.1.2 車架機(jī)械臂的有限元分析

車架機(jī)械臂作為整個(gè)產(chǎn)品的支撐部分，其強(qiáng)度決定了產(chǎn)品的壽命與安全性。機(jī)械臂劃分為單元體如圖24所示，家具類型及數(shù)據(jù)如圖25所示，家具材料參數(shù)如圖26所示，連桿應(yīng)變圖如圖27所示，機(jī)械臂應(yīng)力圖如圖28所示。

車架機(jī)械臂的強(qiáng)度分析通過SolidWorks軟件進(jìn)行SimulationXpress。

（1） 首先將模型導(dǎo)入，劃分網(wǎng)格，劃分成有限個(gè)單元體，進(jìn)行分析計(jì)算。

（2） 然后為模型添加夾具，添加在第一根連桿和第五根連桿支座處。

（3） 為模型選取材料，我們選取的是合金鋼，其屈服強(qiáng)度為620 MPa。

（4）通過SolidWorks軟件分析獲得應(yīng)變圖，應(yīng)力圖及位移圖。

經(jīng)SolidWorks分析可知，五連桿最危險(xiǎn)點(diǎn)位于第五根連桿支座處，我們選取的合金鋼在此處的安全系數(shù)為7.6，由此證明材料選取是合適的。

3.2 回轉(zhuǎn)車板設(shè)計(jì)

3.2.1 旋轉(zhuǎn)車板

旋轉(zhuǎn)車板是設(shè)備回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的重要組成部分，用于使停車板繞回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)軸心旋轉(zhuǎn)一定角度，使汽車可以直接開上停車板，減少了轉(zhuǎn)彎半徑。

在電機(jī)與減速機(jī)的選取時(shí)，車板的當(dāng)量半徑為1 500 mm，按模型質(zhì)量500 kg，車板轉(zhuǎn)速為1/12 r/s計(jì)算可得車板轉(zhuǎn)動(dòng)的最小扭矩T為：

T=（1/2）mr2×（1/12）×π=（1/2）×500×1.52×（1/12）×π=147 N·m

而所需要的驅(qū)動(dòng)軸扭矩T=M，使用效率fb=0.9，所以電機(jī)的輸出功率P為：

P=Tn/9 550=147×（1/12）×60=735 W

即選取P=0.75 kW的電機(jī)較為合適。

3.2.2 車板防護(hù)機(jī)構(gòu)

停車板防護(hù)機(jī)構(gòu)通過四連桿機(jī)構(gòu)及其限位槽的配合完成了純機(jī)械化防護(hù)板的上下旋轉(zhuǎn)。當(dāng)車板在上下車落地時(shí)車板放下為上下車提供斜度坡道，停車板在半空移動(dòng)式防護(hù)板上彈起到車體防護(hù)作用。整個(gè)機(jī)構(gòu)由旋轉(zhuǎn)車板自行觸動(dòng)，利用限位槽限制其運(yùn)動(dòng)。

當(dāng)上車板旋轉(zhuǎn)時(shí)，防護(hù)板首先保持向上30°的姿態(tài)，當(dāng)上車板旋轉(zhuǎn)到90°時(shí)，構(gòu)件1的a端觸到下車板上的擋板從而推動(dòng)整個(gè)機(jī)構(gòu)到達(dá)虛線狀態(tài)，此時(shí)防護(hù)板落下，成30°角。

當(dāng)上車板反向旋轉(zhuǎn)后，構(gòu)件1的a端脫離擋板，構(gòu)件1的a端裝有彈簧，彈簧由壓縮狀態(tài)變成自由狀態(tài)，帶動(dòng)機(jī)構(gòu)恢復(fù)到實(shí)線狀態(tài)，并利用構(gòu)件3、4的死點(diǎn)位置形成自鎖裝置，防止斜坡反轉(zhuǎn)。

3.3 驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)

與電機(jī)相連的軸采用20 mm的實(shí)心軸，與鏈輪相連的軸采用40 mm的實(shí)心軸。主動(dòng)軸與從動(dòng)軸之間用齒輪相連。主動(dòng)軸上為M=3，Z=15的直齒輪，從動(dòng)軸上為M=3，Z=40的直齒輪。從動(dòng)軸由兩個(gè)完全相同的半軸對接而成，中間用聯(lián)軸器相連，兩端分別帶有鏈輪，帶動(dòng)鏈條轉(zhuǎn)動(dòng)。

電動(dòng)機(jī)選取全封閉自扇冷式三相鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)，外殼防護(hù)等級為IP44，冷卻方法為IC411，連續(xù)工作制。額定電壓為380 V，電壓頻率為50 Hz。工作環(huán)境為-15～40℃，符合大多數(shù)地區(qū)的環(huán)境需求。

減速機(jī)為擺線針輪減速機(jī)，單機(jī)傳動(dòng)，減速比在6至87之間。一般選用35、43、59等減速比較為合適，使用效率一般在90%以上，傳動(dòng)效率一般在94%以上，占地面積較小且傳動(dòng)效果較好。

測量得到板的重心與驅(qū)動(dòng)軸中心相距2 000 mm，按模型質(zhì)量500 kg計(jì)算可以得到將車升起的最小力矩M，而所需力矩T=M。

選取減速機(jī)減速比X1=43，齒輪的齒數(shù)比X2=40/15，使用效率fb=0.9，所以選用輸出功率P=18.5 kW的電機(jī)較為合適。

4 創(chuàng)新點(diǎn)

該系統(tǒng)具有如下創(chuàng)新點(diǎn)：

（1）舉升方式。以鏈條為主動(dòng)力，車架和機(jī)械臂為支撐的水平舉升方式開辟了更加安全穩(wěn)定的無障礙停車模式。

（2） 易拆卸可移動(dòng)。安裝不需要提前設(shè)置地基，適合臨時(shí)快速搭建。

（3） 節(jié)省空間。通過對空間的有效安排達(dá)到空間的最大化節(jié)省。

（4）停電應(yīng)急。電機(jī)處增加手柄，在停電時(shí)電機(jī)自動(dòng)抱死，通過搖動(dòng)手柄停車或下車。

（5）回轉(zhuǎn)車板。有效減小了停車半徑，車板上的防護(hù)機(jī)構(gòu)通過機(jī)械方式實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)觸發(fā)，起到應(yīng)急保護(hù)的作用。

5 市場前景

我們設(shè)計(jì)的雙層立體車架將傳統(tǒng)的地上停車場改裝為雙層立體停車場，縱向提高了城市地上空間的利用率。停車設(shè)備利用車架機(jī)械臂系統(tǒng)、車板回轉(zhuǎn)系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及其控制系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)行，使整個(gè)停車過程安全可靠，且整個(gè)二層停車過程與一層車輛互不干涉，實(shí)現(xiàn)無障礙停車模式。本設(shè)備適合臨時(shí)快速搭建，例如大型體育館或大劇院等不定期需要大量停車位的場所。

本產(chǎn)品應(yīng)用范圍較廣。本系統(tǒng)可以有效緩解臨時(shí)場地的停車壓力，例如體育比賽場館外由于比賽造成的汽車阻塞，可以通過安裝本設(shè)備增加一倍的停車能力；小區(qū)停車系統(tǒng)可以安裝本設(shè)備，通過對本系統(tǒng)的管理，小區(qū)的汽車可以有條不紊的快速存取，有效降低了停車成本；本設(shè)備可以設(shè)置在廣場等空置地方收費(fèi)停車位，由于空間的有效節(jié)省，為廣大有車一族提供了極大便利；安裝在大型商場、超市、醫(yī)院等服務(wù)場所。

我們已經(jīng)完成了模型完善與實(shí)物制作，并成功申請了國家專利，之后將要實(shí)現(xiàn)模型產(chǎn)品化，通過參加創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)類比賽，以項(xiàng)目為依托進(jìn)行創(chuàng)業(yè)。在2014年創(chuàng)青春挑戰(zhàn)杯大賽中該項(xiàng)目在創(chuàng)業(yè)類項(xiàng)目中獲得山東省金獎(jiǎng)并成功走向國賽。最終，我們希望能夠?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)品商業(yè)化，進(jìn)行市場推廣，使我們的產(chǎn)品真正服務(wù)于社會。