多功能無避讓式立體車庫設計*

單豪狄，馮雪麗

（杭州科技職業技術學院機電工程學院，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。高層密集居住區汽車保有量的增加與停車位不足的矛盾日益突出。住宅區停車難的問題幾乎覆蓋了全國大部分有規模的城市，其中老住宅區停車問題尤為突出。根據各國停車問題的相關資料和我國的實際情況，大力發展立體車庫是解決停車問題的首選[1]。

經調研，近年來市場上出現了多種立體停車庫。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，本文設計了一款集自動化技術、計算機技術、信息技術和機械技術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信息的管理[2]。該車庫結構簡單、設計合理、功能強大、自動化程度高、節約了場地和能源；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。該系統可以解決城市，特別是居民區停車難的問題，提高土地利用效率，具有重要的理論意義和實用價值[2]。

車庫模型設計有10個車位，每個車位不僅可以停放常規轎車，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、橫移機構、載車機構組成。

1.1.1 機體部分

本模型機體部分為雙排并列5層框架結構，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

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

圖2 提升機構

圖3 橫移機構

圖4 載車機構

圖5 齒輪齒條嚙合圖

（2）橫移機構

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

（3）載車機構

載車機構配合載車板上的齒輪齒條機構實現存取車功能，并使車輛平穩停在載車板上，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

電控及安全系統由電控系統和安全防護系統組成。電控系統由新能源充電樁、后備電源、音響系統、指紋機、RFID讀卡器組成；安全防護系統主要有報警裝置、行人檢測機構；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工作原理：載車機構下方裝有傳感器，當載車板下方有行人或障礙物時，車庫系統會使載車機構停止下降，直至載車機構下方無行人或障礙物，繼續下降。

2 理論設計計算

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]。每層鋼絲的節距相等。由于外層鋼絲位于內層鋼絲之間的凹槽內，因此鋼絲內外層之間存在線性接觸。雖然這種鋼絲繩的內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的尺寸[3]。

2.2 卷筒的結構設計及尺寸確定

2.2.1 卷筒繩槽的確定

卷筒繩槽槽底半徑R，槽深c，槽的節矩t，鋼絲繩直徑d，其尺寸關系為如下：

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

標準槽繩槽節距t1=d+（2～4）

深槽繩槽節距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在槽外時，才使用深槽。本設計采用標準槽，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 卷筒的長度設計

根據扭矩的傳遞方式，滾筒可分為2種類型：大齒輪圍繞端側板的外嚙合和滾筒端部或內齒輪的內嚙合[5]。其共同特點是滾筒軸只承受彎矩，不承受扭轉。本設計卷筒采用內齒輪嚙合式。卷筒的設計主要尺寸有節徑D0、卷筒長度L、卷筒壁厚δ[4]。采用雙卷筒方案，先設計一邊卷筒，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），根據卷筒結構而定[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為繩槽節矩，mm；n為附加安全圈數，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：

根據實際應用情況，L1=3 t=2.4 mm；L2=1 mm；L3=19.1 mm。將以上數據代入式（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，既保證了結構強度和后續的加工方便性，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。電機主要參數如表2所示。

表2 電機主要參數

3 系統程序流程設計

圖8所示為存取車的程序邏輯流程圖，車庫系統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%；節約場地，車庫占地面積小，空地面積利用率為500%；結構簡單，成本低，維護方便；設有自動滅火、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；設有太陽能充電功能，節約能源；顯示屏設有廣告位，可收取廣告費，維護設備正常運行；設有新能源充電樁，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，保障設備運行安全可靠。

5 結束語

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

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。