林創(chuàng)挺，臧天朔

（武漢理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430070）

1 引言

隨著我國社會經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，人民的生活水平也在不斷提高，人均購買力有了較大的提升。與此同時，伴隨著現(xiàn)代化的進(jìn)程，汽車的價格也在逐漸下降，私家車逐漸走入普通家庭。據(jù)不完全數(shù)據(jù)統(tǒng)計，截至2016年，我國私人汽車擁有量已經(jīng)超過1.65億輛，數(shù)目巨大。伴隨著私家車數(shù)量快速增長出現(xiàn)的問題是城市中日益突出的停車難問題，這種問題在現(xiàn)有的城市小區(qū)中尤為嚴(yán)重。為了有效緩解城市小區(qū)的停車難問題，提高有限空間停車位的空間利用率，建設(shè)立體車庫逐漸成為發(fā)展趨勢。摩天輪立體車庫以其空間利用率高的優(yōu)點(diǎn)備受關(guān)注，但是縱觀現(xiàn)有的幾種摩天輪立體車庫，都有其局限性，支架式摩天輪立體車庫的缺點(diǎn)是控制干涉條件空間利用不夠充分；圓形旋轉(zhuǎn)摩天輪立體車庫需要靠汽車的自重保持停車底板的水平，結(jié)構(gòu)不夠穩(wěn)定，對汽車傷害較大。針對現(xiàn)有小型車庫存在的不足，本文設(shè)計了一款摩天輪式小型立體車庫。

2 方案設(shè)計

本文設(shè)計的立體車庫主要包括機(jī)械部分和控制部分。機(jī)械部分主要由內(nèi)外支撐結(jié)構(gòu)、停車艙、中心齒輪和定軸輪系等組成。6個停車艙環(huán)形均布存放車輛，設(shè)計閉式差動型混合輪系驅(qū)動停車艙旋轉(zhuǎn)，同時保證停車艙始終水平穩(wěn)定，防止擺動干擾；輪系與減速器結(jié)合形成反向自鎖和制動器制動，保證停車的安全可靠?？刂撇糠职▎纹瑱C(jī)控制核心、電機(jī)、傳感器、服務(wù)器和手機(jī)APP等。車庫在單片機(jī)的控制下，輔助以傳感器的檢測，驅(qū)動電機(jī)工作，帶動整個裝置的運(yùn)轉(zhuǎn)；服務(wù)器在線存儲用戶信息，提供車庫的空閑車位等信息并實(shí)時更新；APP提供查詢預(yù)約停車取車等服務(wù)。

車輛由車主駛?cè)胼d車板與地面持平的停車艙中，由傳感器確認(rèn)車主正確停放，車主離開停車艙，車庫運(yùn)轉(zhuǎn)，停車艙旋轉(zhuǎn)，將另一空閑停車艙旋轉(zhuǎn)至載車板與地面持平的位置，等待下一輛車的停放；取車流程與上述過程相反，車主通過手機(jī)APP預(yù)約停車，車庫將被預(yù)約車輛所在的停車艙提前旋轉(zhuǎn)至載車板與地面持平的位置，待車主到達(dá)后即可直接將車輛開走。

3 機(jī)械部分

該立體車庫的機(jī)械結(jié)構(gòu)部分由外支撐架、內(nèi)支撐板、停車艙、中心齒輪和定軸輪系等組成。外支撐架固定于地面，作為整個裝置的機(jī)架；內(nèi)支撐板、停車艙與中心齒輪構(gòu)成差動輪系，輪系輸出停車艙自轉(zhuǎn)為0的公轉(zhuǎn)運(yùn)動，使停車艙在公轉(zhuǎn)過程中始終保持水平穩(wěn)定，完成循環(huán)存取車的動作；定軸輪系輸出兩路動力，驅(qū)動差動輪系運(yùn)動，通過設(shè)計定軸輪系兩路動力的速度比，可實(shí)現(xiàn)差動輪系特定運(yùn)動的輸出，即停車艙自轉(zhuǎn)為0的公轉(zhuǎn)運(yùn)動。

支撐結(jié)構(gòu)在車庫運(yùn)轉(zhuǎn)過程中提供整個裝置的支撐并作為中間件傳遞運(yùn)動與力，是車庫機(jī)械結(jié)構(gòu)中的重要部分，同時也是車庫各部分之間連接關(guān)系的基礎(chǔ)，其包括外支撐架和內(nèi)支撐板兩部分。差輪輪系驅(qū)動停車艙的公轉(zhuǎn)，完成車輛的循環(huán)存取動作，同時使停車艙及載車板在公轉(zhuǎn)運(yùn)動中始終保持水平，車輛停放更安全穩(wěn)定。

該車庫的設(shè)計中，差動輪系的具體組成為：內(nèi)支撐板作為系桿，中心齒輪作為中心輪（太陽輪），停車艙作為行星輪，三者共同構(gòu)成差動輪系。分析其自由度可知差動輪系具有2個自由度，即需要2個主動件才能使輪系具有唯一的運(yùn)動。根據(jù)車庫的功能要求，停車艙作為從動件，其承載車輛并帶動車輛在車庫內(nèi)公轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)循環(huán)存取車的功能。即差動輪系由行星輪輸出運(yùn)動，中心輪和系桿輸入運(yùn)動，通過設(shè)計2個輸入運(yùn)動的速度比，即可實(shí)現(xiàn)特定的行星輪運(yùn)動。

在定軸輪系的機(jī)構(gòu)簡圖中，輪系由單電機(jī)驅(qū)動，并將電機(jī)輸入運(yùn)動分解為2個具有合適速度比的分運(yùn)動并傳遞給差動輪系，使差動輪系輸出行星輪自轉(zhuǎn)為0的公轉(zhuǎn)運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)車庫需要的運(yùn)動。

在該車庫的輪系中包括定軸輪系和差動輪系。車庫混合輪系的機(jī)構(gòu)如圖1所示。定軸輪系包括圖1中的3、4、5、6、7、8、9、10等齒輪。電機(jī)帶動驅(qū)動齒輪6，同時與之嚙合的齒輪7、8實(shí)現(xiàn)運(yùn)動的分解，然后通過齒輪6、7、9、10和齒輪6、8、3、4、5兩組輪系得到一定轉(zhuǎn)速比例的兩路輸出運(yùn)動，這兩個運(yùn)動再分別驅(qū)動內(nèi)支撐板和中心齒輪運(yùn)動，即驅(qū)動差動輪系的系桿與中心輪運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)了差動輪系的兩路動力輸入，兩個運(yùn)動合成即實(shí)現(xiàn)了停車艙自轉(zhuǎn)為0的公轉(zhuǎn)運(yùn)動。根據(jù)差動輪系中的計算可知，要實(shí)現(xiàn)停車艙的特殊運(yùn)動需要差動輪系中系桿與中心輪的轉(zhuǎn)速比為1∶2，因此需要計算定軸輪系中每對齒輪的傳動比，以保證兩路輸出運(yùn)動的轉(zhuǎn)速比為1∶2.

圖1 車庫混合輪系的機(jī)構(gòu)

對于內(nèi)支撐板動力傳遞輪系，由齒輪3、4、5、6、8組成。設(shè)電機(jī)轉(zhuǎn)速為ωm，則車庫中內(nèi)支撐板的轉(zhuǎn)速（即差動輪系中系桿的轉(zhuǎn)速）為：

式（1）中：i68為齒輪6、8的傳動比；i54為齒輪5、4的傳動比；i43為齒輪4、3的傳動比。

對于中心齒輪動力傳遞輪系，由齒輪6、7、9、10組成。車庫中停車艙的轉(zhuǎn)速，即差動輪系中行星輪的轉(zhuǎn)速為：

式（2）中：i67為齒輪6、7的傳動比；i9，10為齒輪9、10的傳動比。

取i67=i68=i9，10=1，計算可得

上述計算過程設(shè)計了輸出兩路、轉(zhuǎn)速比1∶2的運(yùn)動的定軸輪系，齒輪傳動實(shí)現(xiàn)了差動輪系2個輸入運(yùn)動比穩(wěn)定的目的。定軸輪系與差動輪系的組合形成閉式差動輪系，其自由度降為1，通過單個電機(jī)驅(qū)動實(shí)現(xiàn)差動輪系中行星輪的特定運(yùn)動，使車庫運(yùn)轉(zhuǎn)過程中停車艙能始終保持水平。由于輪系是通過電機(jī)經(jīng)減速器驅(qū)動，其傳動是減速增矩的過程，因此反向運(yùn)動增速減矩，在一定程度上具有自鎖的效果，如果在電機(jī)輸出軸端即高速端通過增加制動器進(jìn)行安全保護(hù)，則可確保車庫不會在外力的作用下運(yùn)動，安全穩(wěn)定性極高。

4 控制部分

控制部分分車庫部分與網(wǎng)絡(luò)部分。其中，車庫部分直接控制車庫的運(yùn)轉(zhuǎn)狀況，檢測車庫的各項(xiàng)信息，如空閑車位數(shù)量等；網(wǎng)絡(luò)部分服務(wù)于用戶，其包括網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器以及客戶端（手機(jī)APP等），用戶能通過手機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程查詢、預(yù)約存取車等；同時網(wǎng)絡(luò)部分也與車庫部分進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)車庫的網(wǎng)絡(luò)化、信息化。

車庫部分以控制電路和傳感器檢測裝置等硬件為主。單片機(jī)控制電機(jī)的啟動與停止，同時接收傳感器檢測的信息，對車庫運(yùn)行狀況進(jìn)行判斷并執(zhí)行相應(yīng)動作。此外單片機(jī)負(fù)責(zé)與網(wǎng)絡(luò)端進(jìn)行通信，對用戶的存取車請求作出反應(yīng)。

為提升立體車庫的信息化自動化程度，并提供更人性化的服務(wù)，設(shè)計將車庫網(wǎng)絡(luò)化，通過立體車庫的聯(lián)網(wǎng)，用戶能通過手機(jī)遠(yuǎn)程查詢車位、預(yù)約存取車等，既簡化了繁雜的操作，也使用戶易于接受。

網(wǎng)絡(luò)部分包括服務(wù)器和用戶手機(jī)APP。其中，服務(wù)器作為數(shù)據(jù)存儲中心，接收若干個車庫的信息，同時通過手機(jī)APP將各個車庫的相關(guān)信息提供給用戶，為用戶停車提供參考，此外，服務(wù)器可收集用戶的停車時間，準(zhǔn)確計算停車費(fèi)用，便于用戶結(jié)算。手機(jī)APP端采用微信小程序作為客戶端，相比與傳統(tǒng)原生APP，其具有無需下載安裝即可使用的特點(diǎn)，同時其基于微信平臺，傳播能力更強(qiáng)，也貼合當(dāng)前用戶的使用習(xí)慣。小程序中設(shè)計有車庫位置查詢、特定位置車庫車位查詢、遠(yuǎn)程預(yù)約停車取車等功能，用戶通過微信即可進(jìn)入小程序使用相應(yīng)功能。

5 結(jié)語

本文提出的摩天輪式立體車庫通過設(shè)計閉式差動型混合輪系驅(qū)動并穩(wěn)定載車板，輪系與減速器反向自鎖，使得車輛停放可靠；通過存取車APP的設(shè)計優(yōu)化停車策略，在一定程度上提升了存取車效率，方便車庫的使用，對用戶友好；網(wǎng)絡(luò)化、信息化的設(shè)計使停車服務(wù)更人性化，車主更愿意接受立體停車的方式，能有效緩解小區(qū)車輛亂停亂放等停車難問題，其在小區(qū)將有廣闊的應(yīng)用前景。