双层无障碍立体停车设备

葛云皓+袁佶鹏+殷锟+张富豪

摘 要：针对停车位紧缺，停车难等现实问题，文中设计了一款双层无障碍立体停车设备。该设备由回转车板，控制模块，驱动模块等组成，可有效缓解临时场地的停车压力，具有良好的社会效益与经济效益。

关键词：立体停车设备；回转车板；控制模块；驱动模块

0 引 言

停车设备主要基于车架机械臂系统、车板回转系统、驱动系统及控制系统实现其无障碍停车功能；车架机械臂系统通过机械臂与车架的配合实现停车板水平上升和下降，在实现无障碍停车的同时，提高过程的稳定性和安全性。车板回转系统主要由可旋转停车板和防护板组成，前者减小了停车半径，提高了该设备的场地适应性；后者则起到应急保护作用。驱动系统通过电机、变速箱、齿轮、链条之间的配合为整个机构提供动力来源。控制系统通过在设备特定位置安装传感器和行程开关获取实时信号，经中央控制器处理后，再将指令传到各处电机，以实现对停车、取车过程的全自动控制。

1 作品的创造性、先进性、可行性、实用性

该作品具有安全稳定的举升方式，易拆卸可移动，节省空间，停电应急功能，回转车板等优势。该作品的总体设计图如图1所示。车架外形如图2所示。

2 工作原理

2.1 车架机械臂系统

机械臂通过螺栓联接安装在车架前端，支撑上车板完成平稳上升下降运动。机械臂杆组及细节如图3所示。

2.1.1 车架

作为设备的重要受力结构，车架采用桁架结构在满足受力要求的前提下减少整体质量，体现了便携性；设备车体前段设置了导轨，焊接有滚轮的上车板在机械臂的支撑下沿导轨运动，通过运动仿真分析，精确设计导轨形状，在功能方面满足了车板下降时的平稳运行。同时，依据汽车外形设计支撑结构，尽可能减少占地面积，充分利用了空间，体现了经济性。

2.1.2 车架机械臂

车架机械臂类似于人的手臂，具有限位结构，支撑上车板完成给定轨迹的举升运动。

该机构为五连杆机构，自由度大于1，原动件数目为1，若考虑理想状态即无重力的平面运动，则机构运动状态无法确定；若要使运动状态能够确定，则在四根杆件转动时必须保证在同一时间只有一根杆件转动，以确定运动路线。当支撑架下降时，由于重力作用与杆件结构的阻挡，使得杆件的运动形式为：首先其余三根杆紧压在一起，第四根杆转动；当第四根杆接触地面后，前两根杆继续紧压，第三根杆转动，最后第二根杆转动，直到支撑架触地。

车架的结构需要根据杆件运动轨迹定义，而运动轨迹又要考虑车架的结构，因此在第四根杆下降时，支撑架为水平运动，使支撑架后端运动到车架圆弧处，剩下的杆件运动时，支撑架沿车架圆弧处下降。为使车架圆弧结构简单，需要在第三根桿件运动时，支撑架下落大部分高度。综合以上要求，我们做出了理想运动轨迹图并验证了其合理性。

2.2 回转车板系统

该系统主要由旋转车板和车板防护机构组成。主要完成回转上车和回转下车，并在车架机械臂系统的支撑下升降车辆。旋转车板是车辆停泊过程中的载重平台，车板防护机构可防止在停车过程中，车辆在旋转车板上抖动和滑落，可有效保障停车安全。停车板回转机构如图4所示。

2.2.1 旋转车板

旋转车板是设备回转机构的重要组成部分，可使停车板绕回转机构轴心旋转一定角度，方便汽车直接开上停车板，减少了转弯半径。轴承采用三排圆柱滚子转盘轴承，将起重机回转部分支持在非回转部分，保证回转部分有确定的运动，并承受回转部分作用于其上的垂直力、水平力和倾覆力矩。蜗轮蜗杆传动可防止车板倒转，保证停车安全。设备轴承整体与局部实物图如图5所示。

2.2.2 车板防护机构

该装置通过四连杆机构及其限位槽的配合完成了纯机械化的防护板的上下旋转。当车板在上下车落地时，车板放下为上下车提供斜度坡道，当停车板在半空移动时防护板上弹起到车体防护作用。整个机构由旋转车板自行触发，利用限位槽限制其运动。车板防护装置如图6所示，防护装置与局部实物图如图7所示。

2.3 驱动模块

该模块主要由链轮、棘轮、变速箱、电机、皮带轮等组成，为设备提供动力。由控制模块带动电机正反转，经减速机减速、齿轮组二次减速与皮带轮的传递作用，将扭矩传递至从动轴，由从动轴带动链轮转动，链轮带动链条，停车板下的支撑架后端与链条固连，完成动力输送。链条正转，停车板受向上的拉力，完成举升过程；链条反转，停车板受向下的拉力，完成下降过程。动力系统总装图如图8所示。

经计算，该停车设备选取了P=18.5 kW的交流电机，通过和蜗轮蜗杆减速机的配合，获得了合适的速度，也拥有了能够带动整个设备正常运转的动力。

除控制车板上下运动的交流电机，停车板旋转的动力来源是一个小型的步进电机，通过控制模块使大小电机相互配合，实现自动控制。电机配合效果图如图9所示。

2.4 控制模块

控制模块包括中央控制器（以单片机为主），设备特定位置安装的各传感器、行程开关和控制器等。传感器和行程开关获取实时信号，经中央控制器处理后，再将指令传到电机，以实现对停车、取车过程的全自动控制。单片机实物如图10所示，MOS管集成模块如图11所示，MOS管电路如图12所示，传感器及开关布置如图13所示。电器传感器件一览表如图14所示。

2.4.1 回转车板控制

停车设备的回转车板通过小型步进电机带动与之固连的大齿轮来实现其运动功能。由单片机控制步进电机进行顺、逆时针的90°的旋转来实现。其中，在单片机集成模块上有相应的按键设置，依靠它和驱动模块实现正、反、和停转。

单片机由5 V直流电作供电电源，通过一个MOS管集成模块实现直-直变压，为步进电机供电，以完成工作。

2.4.2 车板整体上下移动控制

该功能的实现主要通过行程开关、光电开关和光电传感器的配合实现对车板位置的检测和控制。光电传感器实时检测车板所处位置，当车板到达极限位置时，光电传感器和行程开关及时反馈，经中央控制器的处理，使电机停止工作，保证设备的正常运行。行程开关与光电开关实物如图15所示。

2.4.3 主控程序部分

该部分主要由单片机控制和传感器检测共同实现。主控程序框图如图16所示。

印制电路板经软件方面的原理设计、实际加工等程序，可以实现设备的自动化控制过程。初步PCB原理图如图17所示，实际加工PCB如图18所示，PCB设计效果图如图19所示。

车库的控制模块由各类元件共同实现，能够对车库的进程实现精确定位和掌握，保证系统的安全性和标准性。

3 数据计算分析

3.1 车架机械臂系统设计

3.1.1 车架运动仿真

通过支撑架上一点运动的仿真，得出图20所示的运动仿真图与图21所示的运动模拟图。从图22所示的角位移曲线中可以看出，支撑架的在整个运动过程中的最大角位移为-2.6°，即支撑架倾斜的最大角度为2.6°，接近理论计算值。由图23所示的线速度曲线图可知，整个运动基本处于平稳状态，只有小段时间线速度有波动，对比角位移以及运动轨迹，这一段恰好为滚轮从内侧轨道脱离，支撑架处于倾斜角度最大处，可能是因为滚轮脱离的一瞬间有一小段向下加速运动，使得线速度产生波动。

3.1.2 车架机械臂的有限元分析

车架机械臂作为整个产品的支撑部分，其强度决定了产品的寿命与安全性。机械臂划分为单元体如图24所示，家具类型及数据如图25所示，家具材料参数如图26所示，连杆应变图如图27所示，机械臂应力图如图28所示。

车架机械臂的强度分析通过SolidWorks软件进行SimulationXpress。

（1） 首先将模型导入，划分网格，划分成有限个单元体，进行分析计算。

（2） 然后为模型添加夹具，添加在第一根连杆和第五根连杆支座处。

（3） 为模型选取材料，我们选取的是合金钢，其屈服强度为620 MPa。

（4）通过SolidWorks软件分析获得应变图，应力图及位移图。

经SolidWorks分析可知，五连杆最危险点位于第五根连杆支座处，我们选取的合金钢在此处的安全系数为7.6，由此证明材料选取是合适的。

3.2 回转车板设计

3.2.1 旋转车板

旋转车板是设备回转机构的重要组成部分，用于使停车板绕回转机构轴心旋转一定角度，使汽车可以直接开上停车板，减少了转弯半径。

在电机与减速机的选取时，车板的当量半径为1 500 mm，按模型质量500 kg，车板转速为1/12 r/s计算可得车板转动的最小扭矩T为：

T=（1/2）mr2×（1/12）×π=（1/2）×500×1.52×（1/12）×π=147 N·m

而所需要的驱动轴扭矩T=M，使用效率fb=0.9，所以电机的输出功率P为：

P=Tn/9 550=147×（1/12）×60=735 W

即选取P=0.75 kW的电机较为合适。

3.2.2 车板防护机构

停车板防护机构通过四连杆机构及其限位槽的配合完成了纯机械化防护板的上下旋转。当车板在上下车落地时车板放下为上下车提供斜度坡道，停车板在半空移动式防护板上弹起到车体防护作用。整个机构由旋转车板自行触动，利用限位槽限制其运动。

当上车板旋转时，防护板首先保持向上30°的姿态，当上车板旋转到90°时，构件1的a端触到下车板上的挡板从而推动整个机构到达虚线状态，此时防护板落下，成30°角。

当上车板反向旋转后，构件1的a端脱离挡板，构件1的a端装有弹簧，弹簧由压缩状态变成自由状态，带动机构恢复到实线状态，并利用构件3、4的死点位置形成自锁装置，防止斜坡反转。

3.3 驱动模块设计

与电机相连的轴采用20 mm的实心轴，与链轮相连的轴采用40 mm的实心轴。主动轴与从动轴之间用齿轮相连。主动轴上为M=3，Z=15的直齿轮，从动轴上为M=3，Z=40的直齿轮。从动轴由两个完全相同的半轴对接而成，中间用联轴器相连，两端分别带有链轮，带动链条转动。

电动机选取全封闭自扇冷式三相鼠籠式异步电动机，外壳防护等级为IP44，冷却方法为IC411，连续工作制。额定电压为380 V，电压频率为50 Hz。工作环境为-15～40℃，符合大多数地区的环境需求。

减速机为摆线针轮减速机，单机传动，减速比在6至87之间。一般选用35、43、59等减速比较为合适，使用效率一般在90%以上，传动效率一般在94%以上，占地面积较小且传动效果较好。

测量得到板的重心与驱动轴中心相距2 000 mm，按模型质量500 kg计算可以得到将车升起的最小力矩M，而所需力矩T=M。

选取减速机减速比X1=43，齿轮的齿数比X2=40/15，使用效率fb=0.9，所以选用输出功率P=18.5 kW的电机较为合适。

4 创新点

该系统具有如下创新点：

（1）举升方式。以链条为主动力，车架和机械臂为支撑的水平举升方式开辟了更加安全稳定的无障碍停车模式。

（2） 易拆卸可移动。安装不需要提前设置地基，适合临时快速搭建。

（3） 节省空间。通过对空间的有效安排达到空间的最大化节省。

（4）停电应急。电机处增加手柄，在停电时电机自动抱死，通过摇动手柄停车或下车。

（5）回转车板。有效减小了停车半径，车板上的防护机构通过机械方式实现了自动触发，起到应急保护的作用。

5 市场前景

我们设计的双层立体车架将传统的地上停车场改装为双层立体停车场，纵向提高了城市地上空间的利用率。停车设备利用车架机械臂系统、车板回转系统、驱动系统及其控制系统的平稳运行，使整个停车过程安全可靠，且整个二层停车过程与一层车辆互不干涉，实现无障碍停车模式。本设备适合临时快速搭建，例如大型体育馆或大剧院等不定期需要大量停车位的场所。

本产品应用范围较广。本系统可以有效缓解临时场地的停车压力，例如体育比赛场馆外由于比赛造成的汽车阻塞，可以通过安装本设备增加一倍的停车能力；小区停车系统可以安装本设备，通过对本系统的管理，小区的汽车可以有条不紊的快速存取，有效降低了停车成本；本设备可以设置在广场等空置地方收费停车位，由于空间的有效节省，为广大有车一族提供了极大便利；安装在大型商场、超市、医院等服务场所。

我们已经完成了模型完善与实物制作，并成功申请了国家专利，之后将要实现模型产品化，通过参加创新创业类比赛，以项目为依托进行创业。在2014年创青春挑战杯大赛中该项目在创业类项目中获得山东省金奖并成功走向国赛。最终，我们希望能够实现产品商业化，进行市场推广，使我们的产品真正服务于社会。