摩天輪式小型車庫＊

林創挺，臧天朔

（武漢理工大學 機電工程學院，湖北 武漢 430070）

1 引言

隨著我國社會經濟的不斷發展，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，伴隨著現代化的進程，汽車的價格也在逐漸下降，私家車逐漸走入普通家庭。據不完全數據統計，截至2016年，我國私人汽車擁有量已經超過1.65億輛，數目巨大。伴隨著私家車數量快速增長出現的問題是城市中日益突出的停車難問題，這種問題在現有的城市小區中尤為嚴重。為了有效緩解城市小區的停車難問題，提高有限空間停車位的空間利用率，建設立體車庫逐漸成為發展趨勢。摩天輪立體車庫以其空間利用率高的優點備受關注，但是縱觀現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是控制干涉條件空間利用不夠充分；圓形旋轉摩天輪立體車庫需要靠汽車的自重保持停車底板的水平，結構不夠穩定，對汽車傷害較大。針對現有小型車庫存在的不足，本文設計了一款摩天輪式小型立體車庫。

2 方案設計

本文設計的立體車庫主要包括機械部分和控制部分。機械部分主要由內外支撐結構、停車艙、中心齒輪和定軸輪系等組成。6個停車艙環形均布存放車輛，設計閉式差動型混合輪系驅動停車艙旋轉，同時保證停車艙始終水平穩定，防止擺動干擾；輪系與減速器結合形成反向自鎖和制動器制動，保證停車的安全可靠。控制部分包括單片機控制核心、電機、傳感器、服務器和手機APP等。車庫在單片機的控制下，輔助以傳感器的檢測，驅動電機工作，帶動整個裝置的運轉；服務器在線存儲用戶信息，提供車庫的空閑車位等信息并實時更新；APP提供查詢預約停車取車等服務。

車輛由車主駛入載車板與地面持平的停車艙中，由傳感器確認車主正確停放，車主離開停車艙，車庫運轉，停車艙旋轉，將另一空閑停車艙旋轉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APP預約停車，車庫將被預約車輛所在的停車艙提前旋轉至載車板與地面持平的位置，待車主到達后即可直接將車輛開走。

3 機械部分

該立體車庫的機械結構部分由外支撐架、內支撐板、停車艙、中心齒輪和定軸輪系等組成。外支撐架固定于地面，作為整個裝置的機架；內支撐板、停車艙與中心齒輪構成差動輪系，輪系輸出停車艙自轉為0的公轉運動，使停車艙在公轉過程中始終保持水平穩定，完成循環存取車的動作；定軸輪系輸出兩路動力，驅動差動輪系運動，通過設計定軸輪系兩路動力的速度比，可實現差動輪系特定運動的輸出，即停車艙自轉為0的公轉運動。

支撐結構在車庫運轉過程中提供整個裝置的支撐并作為中間件傳遞運動與力，是車庫機械結構中的重要部分，同時也是車庫各部分之間連接關系的基礎，其包括外支撐架和內支撐板兩部分。差輪輪系驅動停車艙的公轉，完成車輛的循環存取動作，同時使停車艙及載車板在公轉運動中始終保持水平，車輛停放更安全穩定。

該車庫的設計中，差動輪系的具體組成為：內支撐板作為系桿，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動。根據車庫的功能要求，停車艙作為從動件，其承載車輛并帶動車輛在車庫內公轉，實現循環存取車的功能。即差動輪系由行星輪輸出運動，中心輪和系桿輸入運動，通過設計2個輸入運動的速度比，即可實現特定的行星輪運動。

在定軸輪系的機構簡圖中，輪系由單電機驅動，并將電機輸入運動分解為2個具有合適速度比的分運動并傳遞給差動輪系，使差動輪系輸出行星輪自轉為0的公轉運動，實現車庫需要的運動。

在該車庫的輪系中包括定軸輪系和差動輪系。車庫混合輪系的機構如圖1所示。定軸輪系包括圖1中的3、4、5、6、7、8、9、10等齒輪。電機帶動驅動齒輪6，同時與之嚙合的齒輪7、8實現運動的分解，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速比例的兩路輸出運動，這兩個運動再分別驅動內支撐板和中心齒輪運動，即驅動差動輪系的系桿與中心輪運動，實現了差動輪系的兩路動力輸入，兩個運動合成即實現了停車艙自轉為0的公轉運動。根據差動輪系中的計算可知，要實現停車艙的特殊運動需要差動輪系中系桿與中心輪的轉速比為1∶2，因此需要計算定軸輪系中每對齒輪的傳動比，以保證兩路輸出運動的轉速比為1∶2.

圖1 車庫混合輪系的機構

對于內支撐板動力傳遞輪系，由齒輪3、4、5、6、8組成。設電機轉速為ωm，則車庫中內支撐板的轉速（即差動輪系中系桿的轉速）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。車庫中停車艙的轉速，即差動輪系中行星輪的轉速為：

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

上述計算過程設計了輸出兩路、轉速比1∶2的運動的定軸輪系，齒輪傳動實現了差動輪系2個輸入運動比穩定的目的。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，通過單個電機驅動實現差動輪系中行星輪的特定運動，使車庫運轉過程中停車艙能始終保持水平。由于輪系是通過電機經減速器驅動，其傳動是減速增矩的過程，因此反向運動增速減矩，在一定程度上具有自鎖的效果，如果在電機輸出軸端即高速端通過增加制動器進行安全保護，則可確保車庫不會在外力的作用下運動，安全穩定性極高。

4 控制部分

控制部分分車庫部分與網絡部分。其中，車庫部分直接控制車庫的運轉狀況，檢測車庫的各項信息，如空閑車位數量等；網絡部分服務于用戶，其包括網絡服務器以及客戶端（手機APP等），用戶能通過手機進行遠程查詢、預約存取車等；同時網絡部分也與車庫部分進行通信，實現車庫的網絡化、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。單片機控制電機的啟動與停止，同時接收傳感器檢測的信息，對車庫運行狀況進行判斷并執行相應動作。此外單片機負責與網絡端進行通信，對用戶的存取車請求作出反應。

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，設計將車庫網絡化，通過立體車庫的聯網，用戶能通過手機遠程查詢車位、預約存取車等，既簡化了繁雜的操作，也使用戶易于接受。

網絡部分包括服務器和用戶手機APP。其中，服務器作為數據存儲中心，接收若干個車庫的信息，同時通過手機APP將各個車庫的相關信息提供給用戶，為用戶停車提供參考，此外，服務器可收集用戶的停車時間，準確計算停車費用，便于用戶結算。手機APP端采用微信小程序作為客戶端，相比與傳統原生APP，其具有無需下載安裝即可使用的特點，同時其基于微信平臺，傳播能力更強，也貼合當前用戶的使用習慣。小程序中設計有車庫位置查詢、特定位置車庫車位查詢、遠程預約停車取車等功能，用戶通過微信即可進入小程序使用相應功能。

5 結語

本文提出的摩天輪式立體車庫通過設計閉式差動型混合輪系驅動并穩定載車板，輪系與減速器反向自鎖，使得車輛停放可靠；通過存取車APP的設計優化停車策略，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；網絡化、信息化的設計使停車服務更人性化，車主更愿意接受立體停車的方式，能有效緩解小區車輛亂停亂放等停車難問題，其在小區將有廣闊的應用前景。