單豪狄，馮雪麗

（杭州科技職業(yè)技術(shù)學院機電工程學院，杭州 311402）

0 引言

隨著社會的不斷進步，城市人口的規(guī)模不斷擴大，汽車越來越普及，人均生存空間變得越來越小。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)停車難的問題幾乎覆蓋了全國大部分有規(guī)模的城市，其中老住宅區(qū)停車問題尤為突出。根據(jù)各國停車問題的相關(guān)資料和我國的實際情況，大力發(fā)展立體車庫是解決停車問題的首選[1]。

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

綜上考慮，本文設(shè)計了一款集自動化技術(shù)、計算機技術(shù)、信息技術(shù)和機械技術(shù)于一體的多功能無避讓式立體車庫，該車庫能夠自動、可靠地完成車輛的存取以及相關(guān)信息的管理[2]。該車庫結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)計合理、功能強大、自動化程度高、節(jié)約了場地和能源；并且車位利用率高、成本低、維護簡便、安全快捷，改善了其它車庫存取車時間長的問題。該系統(tǒng)可以解決城市，特別是居民區(qū)停車難的問題，提高土地利用效率，具有重要的理論意義和實用價值[2]。

車庫模型設(shè)計有10個車位，每個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、語音播報功能、用戶管理功能、新能源充電功能、太陽能充電功能、空位檢測功能、行人檢測功能、報警功能、防銹功能、防火功能和防雷共12種功能。

多功能無避讓式式立體車庫主要由機械部分和電控安全系統(tǒng)2個部分組成。

1.1 機械部分

多功能無避讓式立體車庫機械部分主要由機體部分和升降橫移裝置2個部分組成。其中升降橫移裝置由提升機構(gòu)、橫移機構(gòu)、載車機構(gòu)組成。

1.1.1 機體部分

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

圖1 機體部分

1.1.2升降橫移裝置

（1）提升機構(gòu)

車位提升機構(gòu)為鋼絲滾筒式。在車庫的上方裝有1個電機及齒輪鋼絲滾筒傳動機構(gòu)，當需要提升時，電機運轉(zhuǎn)，通過齒輪機構(gòu)帶動滾筒旋轉(zhuǎn)，滾筒上的鋼絲繩會按照滾筒上的螺旋紋路嵌進，并縮短設(shè)備運行時間以實現(xiàn)提升機構(gòu)的上升運動。如圖2所示。

圖2 提升機構(gòu)

圖3 橫移機構(gòu)

圖4 載車機構(gòu)

圖5 齒輪齒條嚙合圖

（2）橫移機構(gòu)

電機安裝在載車機構(gòu)的側(cè)面，在電機的軸上裝入1個齒輪減速機構(gòu)，將電機的轉(zhuǎn)速降低，扭矩增高，通過齒輪齒條機構(gòu)，帶動載車機構(gòu)橫向平移。如圖3所示。

（3）載車機構(gòu)

載車機構(gòu)配合載車板上的齒輪齒條機構(gòu)實現(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。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、RFID讀卡器組成；安全防護系統(tǒng)主要有報警裝置、行人檢測機構(gòu)；后備電源由蓄電池和太陽能電池板組成。

其中，行人及障礙物檢測機構(gòu)工作原理：載車機構(gòu)下方裝有傳感器，當載車板下方有行人或障礙物時，車庫系統(tǒng)會使載車機構(gòu)停止下降，直至載車機構(gòu)下方無行人或障礙物，繼續(xù)下降。

2 理論設(shè)計計算

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力稍大，但它避免了應力集中，消除了鋼絲在接觸點的二次彎曲現(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度，其使用壽命通常高于點接觸鋼絲繩。由于線接觸鋼絲繩的總有效面積大于點接觸鋼絲繩，因此承載能力較高。當在相同的破斷拉力下選擇線接觸鋼絲繩時，可以采用較小直徑的滑輪和卷筒來減小整個機構(gòu)的尺寸[3]。

2.2 卷筒的結(jié)構(gòu)設(shè)計及尺寸確定

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

標準槽繩槽深度c1=（0.25～0.4）d

深槽繩槽深度c2=（0.6～0.9）d

標準槽繩槽節(jié)距t1=d+（2～4）

深槽繩槽節(jié)距t2=d+（6～8）

卷筒槽多為標準槽。只有當鋼絲繩在使用中可能出現(xiàn)在槽外時，才使用深槽。本設(shè)計采用標準槽，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 卷筒的長度設(shè)計

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]。其共同特點是滾筒軸只承受彎矩，不承受扭轉(zhuǎn)。本設(shè)計卷筒采用內(nèi)齒輪嚙合式。卷筒的設(shè)計主要尺寸有節(jié)徑D0、卷筒長度L、卷筒壁厚δ[4]。采用雙卷筒方案，先設(shè)計一邊卷筒，有2根鋼繩，如圖7所示。

圖7 滾筒尺寸圖

卷筒的長度計算公式如下：

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

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)實際應用情況，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。因此選取標準卷筒長度為30 mm。

2.2.3 材料選擇

該立體車庫模型在設(shè)計時考慮到車庫的安裝便捷和加工方便，故機體部分選用了型材鋼，既保證了結(jié)構(gòu)強度和后續(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 車庫模型主要零部件材料

2.2.4 電機選用

正確選擇電機額定功率的原則是在滿足機械負荷要求的前提下確定電機功率，同時充分確保最經(jīng)濟、最合理。所以本車庫模型動力源采用直流減速電動機。電機主要參數(shù)如表2所示。

表2 電機主要參數(shù)

3 系統(tǒng)程序流程設(shè)計

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

4 車庫特點

車庫具有如下特點：空間利用率高，可達100%；節(jié)約場地，車庫占地面積小，空地面積利用率為500%；結(jié)構(gòu)簡單，成本低，維護方便；設(shè)有自動滅火、防雷、防水、防火及報警等裝置，安全有效；車庫安裝方便，存取車便捷；設(shè)有太陽能充電功能，節(jié)約能源；顯示屏設(shè)有廣告位，可收取廣告費，維護設(shè)備正常運行；設(shè)有新能源充電樁，方便新能源汽車充電；車庫方便擴展，適用于多種場合；障礙檢測裝置，保障設(shè)備運行安全可靠。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計的自動多功能無避讓式立體車庫模型集機械技術(shù)、自動化技術(shù)、計算機技術(shù)、信息技術(shù)等為一體，實現(xiàn)了自動化、智能化。能夠準確可靠的實現(xiàn)車輛的存取及相關(guān)信息的管控，車庫每單元可根據(jù)實際場地情況及現(xiàn)實需要設(shè)計成2層或多層、半地下等多種形式，車位數(shù)可從幾個到上百個。

圖8 存取車的程序邏輯流程圖

立體車庫可適用于地面及地下停車場，配置靈活，適用于城市新老小區(qū)及公共場所等多種場合，能夠更好的解決城市停車難的問題。適用范圍廣，實用性強。