多功能無(wú)避讓式立體車庫(kù)設(shè)計(jì)*

單豪狄，馮雪麗

（杭州科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，杭州 311402）

0 引言

隨著社會(huì)的不斷進(jìn)步，城市人口的規(guī)模不斷擴(kuò)大，汽車越來(lái)越普及，人均生存空間變得越來(lái)越小。高層密集居住區(qū)汽車保有量的增加與停車位不足的矛盾日益突出。住宅區(qū)停車難的問(wèn)題幾乎覆蓋了全國(guó)大部分有規(guī)模的城市，其中老住宅區(qū)停車問(wèn)題尤為突出。根據(jù)各國(guó)停車問(wèn)題的相關(guān)資料和我國(guó)的實(shí)際情況，大力發(fā)展立體車庫(kù)是解決停車問(wèn)題的首選[1]。

經(jīng)調(diào)研，近年來(lái)市場(chǎng)上出現(xiàn)了多種立體停車庫(kù)。市場(chǎng)上銷售較好的立體車庫(kù)有升降橫移式、垂直循環(huán)式、垂直升降式、簡(jiǎn)易升降式等立體車庫(kù)，但是每種立體車庫(kù)都不同程度地存在缺陷，比如占地面積大、車位利用率不高、存取車時(shí)間長(zhǎng)、成本高等。

綜上考慮，本文設(shè)計(jì)了一款集自動(dòng)化技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)和機(jī)械技術(shù)于一體的多功能無(wú)避讓式立體車庫(kù)，該車庫(kù)能夠自動(dòng)、可靠地完成車輛的存取以及相關(guān)信息的管理[2]。該車庫(kù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、設(shè)計(jì)合理、功能強(qiáng)大、自動(dòng)化程度高、節(jié)約了場(chǎng)地和能源；并且車位利用率高、成本低、維護(hù)簡(jiǎn)便、安全快捷，改善了其它車庫(kù)存取車時(shí)間長(zhǎng)的問(wèn)題。該系統(tǒng)可以解決城市，特別是居民區(qū)停車難的問(wèn)題，提高土地利用效率，具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值[2]。

車庫(kù)模型設(shè)計(jì)有10個(gè)車位，每個(gè)車位不僅可以停放常規(guī)轎車，還可為新能源汽車提供充電。主要具有存車功能、取車功能、語(yǔ)音播報(bào)功能、用戶管理功能、新能源充電功能、太陽(yáng)能充電功能、空位檢測(cè)功能、行人檢測(cè)功能、報(bào)警功能、防銹功能、防火功能和防雷共12種功能。

多功能無(wú)避讓式式立體車庫(kù)主要由機(jī)械部分和電控安全系統(tǒng)2個(gè)部分組成。

1.1 機(jī)械部分

多功能無(wú)避讓式立體車庫(kù)機(jī)械部分主要由機(jī)體部分和升降橫移裝置2個(gè)部分組成。其中升降橫移裝置由提升機(jī)構(gòu)、橫移機(jī)構(gòu)、載車機(jī)構(gòu)組成。

1.1.1 機(jī)體部分

本模型機(jī)體部分為雙排并列5層框架結(jié)構(gòu)，共10個(gè)車位。每個(gè)車位上均裝有新能源充電樁和載車板。如圖1所示。

圖1 機(jī)體部分

1.1.2升降橫移裝置

（1）提升機(jī)構(gòu)

車位提升機(jī)構(gòu)為鋼絲滾筒式。在車庫(kù)的上方裝有1個(gè)電機(jī)及齒輪鋼絲滾筒傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，當(dāng)需要提升時(shí)，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，通過(guò)齒輪機(jī)構(gòu)帶動(dòng)滾筒旋轉(zhuǎn)，滾筒上的鋼絲繩會(huì)按照滾筒上的螺旋紋路嵌進(jìn)，并縮短設(shè)備運(yùn)行時(shí)間以實(shí)現(xiàn)提升機(jī)構(gòu)的上升運(yùn)動(dòng)。如圖2所示。

圖2 提升機(jī)構(gòu)

圖3 橫移機(jī)構(gòu)

圖4 載車機(jī)構(gòu)

圖5 齒輪齒條嚙合圖

（2）橫移機(jī)構(gòu)

電機(jī)安裝在載車機(jī)構(gòu)的側(cè)面，在電機(jī)的軸上裝入1個(gè)齒輪減速機(jī)構(gòu)，將電機(jī)的轉(zhuǎn)速降低，扭矩增高，通過(guò)齒輪齒條機(jī)構(gòu)，帶動(dòng)載車機(jī)構(gòu)橫向平移。如圖3所示。

（3）載車機(jī)構(gòu)

載車機(jī)構(gòu)配合載車板上的齒輪齒條機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)存取車功能，并使車輛平穩(wěn)停在載車板上，防止車輛滑動(dòng)。如圖4～6所示。

圖6 載車板（正反面）

1.2 電控及安全系統(tǒng)

電控及安全系統(tǒng)由電控系統(tǒng)和安全防護(hù)系統(tǒng)組成。電控系統(tǒng)由新能源充電樁、后備電源、音響系統(tǒng)、指紋機(jī)、RFID讀卡器組成；安全防護(hù)系統(tǒng)主要有報(bào)警裝置、行人檢測(cè)機(jī)構(gòu)；后備電源由蓄電池和太陽(yáng)能電池板組成。

其中，行人及障礙物檢測(cè)機(jī)構(gòu)工作原理：載車機(jī)構(gòu)下方裝有傳感器，當(dāng)載車板下方有行人或障礙物時(shí)，車庫(kù)系統(tǒng)會(huì)使載車機(jī)構(gòu)停止下降，直至載車機(jī)構(gòu)下方無(wú)行人或障礙物，繼續(xù)下降。

2 理論設(shè)計(jì)計(jì)算

2.1 鋼絲繩的選擇

采用線接觸鋼絲繩，線接觸鋼絲繩股由不同直徑的鋼絲制成[3]。每層鋼絲的節(jié)距相等。由于外層鋼絲位于內(nèi)層鋼絲之間的凹槽內(nèi)，因此鋼絲內(nèi)外層之間存在線性接觸。雖然這種鋼絲繩的內(nèi)鋼絲比外鋼絲承受的應(yīng)力稍大，但它避免了應(yīng)力集中，消除了鋼絲在接觸點(diǎn)的二次彎曲現(xiàn)象，降低了鋼絲間的摩擦阻力，使鋼絲繩具有較大的彎曲自由度，顯著提高了鋼絲繩的疲勞強(qiáng)度，其使用壽命通常高于點(diǎn)接觸鋼絲繩。由于線接觸鋼絲繩的總有效面積大于點(diǎn)接觸鋼絲繩，因此承載能力較高。當(dāng)在相同的破斷拉力下選擇線接觸鋼絲繩時(shí)，可以采用較小直徑的滑輪和卷筒來(lái)減小整個(gè)機(jī)構(gòu)的尺寸[3]。

2.2 卷筒的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及尺寸確定

2.2.1 卷筒繩槽的確定

卷筒繩槽槽底半徑R，槽深c，槽的節(jié)矩t，鋼絲繩直徑d，其尺寸關(guān)系為如下：

繩槽槽底半徑R=（0.54～0.6）d

標(biāo)準(zhǔn)槽繩槽深度c1=（0.25～0.4）d

深槽繩槽深度c2=（0.6～0.9）d

標(biāo)準(zhǔn)槽繩槽節(jié)距t1=d+（2～4）

深槽繩槽節(jié)距t2=d+（6～8）

卷筒槽多為標(biāo)準(zhǔn)槽。只有當(dāng)鋼絲繩在使用中可能出現(xiàn)在槽外時(shí)，才使用深槽。本設(shè)計(jì)采用標(biāo)準(zhǔn)槽，鋼絲繩直徑d=14 mm[4]。則：

R=（0.54～0.6）d=7.56～8.4 mm，取R=8.2 mm。

c1=（0.25～0.4）d=3.5～5.6 mm，取c1=4 mm。

t=d+（2～4）=16～18 mm，取t1=18 mm。

2.2.2 卷筒的長(zhǎng)度設(shè)計(jì)

根據(jù)扭矩的傳遞方式，滾筒可分為2種類型：大齒輪圍繞端側(cè)板的外嚙合和滾筒端部或內(nèi)齒輪的內(nèi)嚙合[5]。其共同特點(diǎn)是滾筒軸只承受彎矩，不承受扭轉(zhuǎn)。本設(shè)計(jì)卷筒采用內(nèi)齒輪嚙合式。卷筒的設(shè)計(jì)主要尺寸有節(jié)徑D0、卷筒長(zhǎng)度L、卷筒壁厚δ[4]。采用雙卷筒方案，先設(shè)計(jì)一邊卷筒，有2根鋼繩，如圖7所示。

圖7 滾筒尺寸圖

卷筒的長(zhǎng)度計(jì)算公式如下：

式中：L為卷筒總長(zhǎng)度，mm；L1為固定鋼絲繩所需要的長(zhǎng)度[5]，一般L1=3 t；L2為兩端的邊緣長(zhǎng)度（包括凸臺(tái)在內(nèi)），根據(jù)卷筒結(jié)構(gòu)而定[6]；L3為卷筒中無(wú)繩延伸部分；L0為繩槽部分長(zhǎng)度。

式中：H為最大起升高度，mm；a為滑輪組倍率；D0為卷筒卷繞直徑，mm；t為繩槽節(jié)矩，mm；n為附加安全圈數(shù)，使鋼絲繩端受力減小，便于固定，通常取n=1.5～3圈。

將H=20 mm；a=1；D0=20 mm；n=2；t=0.8分別代入式（2）得：

根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況，L1=3 t=2.4 mm；L2=1 mm；L3=19.1 mm。將以上數(shù)據(jù)代入式（1）得L=30 mm。因此選取標(biāo)準(zhǔn)卷筒長(zhǎng)度為30 mm。

2.2.3 材料選擇

該立體車庫(kù)模型在設(shè)計(jì)時(shí)考慮到車庫(kù)的安裝便捷和加工方便，故機(jī)體部分選用了型材鋼，既保證了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和后續(xù)的加工方便性，還使得研制成本下降。主要零部件材料如表1所示。

表1 車庫(kù)模型主要零部件材料

2.2.4 電機(jī)選用

正確選擇電機(jī)額定功率的原則是在滿足機(jī)械負(fù)荷要求的前提下確定電機(jī)功率，同時(shí)充分確保最經(jīng)濟(jì)、最合理。所以本車庫(kù)模型動(dòng)力源采用直流減速電動(dòng)機(jī)。電機(jī)主要參數(shù)如表2所示。

表2 電機(jī)主要參數(shù)

3 系統(tǒng)程序流程設(shè)計(jì)

圖8所示為存取車的程序邏輯流程圖，車庫(kù)系統(tǒng)可以錄入指紋進(jìn)行存取車，也可以刷卡進(jìn)行存取車，ECU控制器程序按圖8所示的邏輯關(guān)系進(jìn)行編寫，對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理計(jì)算，按輸入指令進(jìn)行存取車，并完成扣費(fèi)[8]。

4 車庫(kù)特點(diǎn)

車庫(kù)具有如下特點(diǎn)：空間利用率高，可達(dá)100%；節(jié)約場(chǎng)地，車庫(kù)占地面積小，空地面積利用率為500%；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，維護(hù)方便；設(shè)有自動(dòng)滅火、防雷、防水、防火及報(bào)警等裝置，安全有效；車庫(kù)安裝方便，存取車便捷；設(shè)有太陽(yáng)能充電功能，節(jié)約能源；顯示屏設(shè)有廣告位，可收取廣告費(fèi)，維護(hù)設(shè)備正常運(yùn)行；設(shè)有新能源充電樁，方便新能源汽車充電；車庫(kù)方便擴(kuò)展，適用于多種場(chǎng)合；障礙檢測(cè)裝置，保障設(shè)備運(yùn)行安全可靠。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的自動(dòng)多功能無(wú)避讓式立體車庫(kù)模型集機(jī)械技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)等為一體，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化、智能化。能夠準(zhǔn)確可靠的實(shí)現(xiàn)車輛的存取及相關(guān)信息的管控，車庫(kù)每單元可根據(jù)實(shí)際場(chǎng)地情況及現(xiàn)實(shí)需要設(shè)計(jì)成2層或多層、半地下等多種形式，車位數(shù)可從幾個(gè)到上百個(gè)。

圖8 存取車的程序邏輯流程圖

立體車庫(kù)可適用于地面及地下停車場(chǎng)，配置靈活，適用于城市新老小區(qū)及公共場(chǎng)所等多種場(chǎng)合，能夠更好的解決城市停車難的問(wèn)題。適用范圍廣，實(shí)用性強(qiáng)。