摩天轮式小型车库＊

林创挺，臧天朔

（武汉理工大学 机电工程学院，湖北 武汉 430070）

1 引言

随着我国社会经济的不断发展，人民的生活水平也在不断提高，人均购买力有了较大的提升。与此同时，伴随着现代化的进程，汽车的价格也在逐渐下降，私家车逐渐走入普通家庭。据不完全数据统计，截至2016年，我国私人汽车拥有量已经超过1.65亿辆，数目巨大。伴随着私家车数量快速增长出现的问题是城市中日益突出的停车难问题，这种问题在现有的城市小区中尤为严重。为了有效缓解城市小区的停车难问题，提高有限空间停车位的空间利用率，建设立体车库逐渐成为发展趋势。摩天轮立体车库以其空间利用率高的优点备受关注，但是纵观现有的几种摩天轮立体车库，都有其局限性，支架式摩天轮立体车库的缺点是控制干涉条件空间利用不够充分；圆形旋转摩天轮立体车库需要靠汽车的自重保持停车底板的水平，结构不够稳定，对汽车伤害较大。针对现有小型车库存在的不足，本文设计了一款摩天轮式小型立体车库。

2 方案设计

本文设计的立体车库主要包括机械部分和控制部分。机械部分主要由内外支撑结构、停车舱、中心齿轮和定轴轮系等组成。6个停车舱环形均布存放车辆，设计闭式差动型混合轮系驱动停车舱旋转，同时保证停车舱始终水平稳定，防止摆动干扰；轮系与减速器结合形成反向自锁和制动器制动，保证停车的安全可靠。控制部分包括单片机控制核心、电机、传感器、服务器和手机APP等。车库在单片机的控制下，辅助以传感器的检测，驱动电机工作，带动整个装置的运转；服务器在线存储用户信息，提供车库的空闲车位等信息并实时更新；APP提供查询预约停车取车等服务。

车辆由车主驶入载车板与地面持平的停车舱中，由传感器确认车主正确停放，车主离开停车舱，车库运转，停车舱旋转，将另一空闲停车舱旋转至载车板与地面持平的位置，等待下一辆车的停放；取车流程与上述过程相反，车主通过手机APP预约停车，车库将被预约车辆所在的停车舱提前旋转至载车板与地面持平的位置，待车主到达后即可直接将车辆开走。

3 机械部分

该立体车库的机械结构部分由外支撑架、内支撑板、停车舱、中心齿轮和定轴轮系等组成。外支撑架固定于地面，作为整个装置的机架；内支撑板、停车舱与中心齿轮构成差动轮系，轮系输出停车舱自转为0的公转运动，使停车舱在公转过程中始终保持水平稳定，完成循环存取车的动作；定轴轮系输出两路动力，驱动差动轮系运动，通过设计定轴轮系两路动力的速度比，可实现差动轮系特定运动的输出，即停车舱自转为0的公转运动。

支撑结构在车库运转过程中提供整个装置的支撑并作为中间件传递运动与力，是车库机械结构中的重要部分，同时也是车库各部分之间连接关系的基础，其包括外支撑架和内支撑板两部分。差轮轮系驱动停车舱的公转，完成车辆的循环存取动作，同时使停车舱及载车板在公转运动中始终保持水平，车辆停放更安全稳定。

该车库的设计中，差动轮系的具体组成为：内支撑板作为系杆，中心齿轮作为中心轮（太阳轮），停车舱作为行星轮，三者共同构成差动轮系。分析其自由度可知差动轮系具有2个自由度，即需要2个主动件才能使轮系具有唯一的运动。根据车库的功能要求，停车舱作为从动件，其承载车辆并带动车辆在车库内公转，实现循环存取车的功能。即差动轮系由行星轮输出运动，中心轮和系杆输入运动，通过设计2个输入运动的速度比，即可实现特定的行星轮运动。

在定轴轮系的机构简图中，轮系由单电机驱动，并将电机输入运动分解为2个具有合适速度比的分运动并传递给差动轮系，使差动轮系输出行星轮自转为0的公转运动，实现车库需要的运动。

在该车库的轮系中包括定轴轮系和差动轮系。车库混合轮系的机构如图1所示。定轴轮系包括图1中的3、4、5、6、7、8、9、10等齿轮。电机带动驱动齿轮6，同时与之啮合的齿轮7、8实现运动的分解，然后通过齿轮6、7、9、10和齿轮6、8、3、4、5两组轮系得到一定转速比例的两路输出运动，这两个运动再分别驱动内支撑板和中心齿轮运动，即驱动差动轮系的系杆与中心轮运动，实现了差动轮系的两路动力输入，两个运动合成即实现了停车舱自转为0的公转运动。根据差动轮系中的计算可知，要实现停车舱的特殊运动需要差动轮系中系杆与中心轮的转速比为1∶2，因此需要计算定轴轮系中每对齿轮的传动比，以保证两路输出运动的转速比为1∶2.

图1 车库混合轮系的机构

对于内支撑板动力传递轮系，由齿轮3、4、5、6、8组成。设电机转速为ωm，则车库中内支撑板的转速（即差动轮系中系杆的转速）为：

式（1）中：i68为齿轮6、8的传动比；i54为齿轮5、4的传动比；i43为齿轮4、3的传动比。

对于中心齿轮动力传递轮系，由齿轮6、7、9、10组成。车库中停车舱的转速，即差动轮系中行星轮的转速为：

式（2）中：i67为齿轮6、7的传动比；i9，10为齿轮9、10的传动比。

取i67=i68=i9，10=1，计算可得

上述计算过程设计了输出两路、转速比1∶2的运动的定轴轮系，齿轮传动实现了差动轮系2个输入运动比稳定的目的。定轴轮系与差动轮系的组合形成闭式差动轮系，其自由度降为1，通过单个电机驱动实现差动轮系中行星轮的特定运动，使车库运转过程中停车舱能始终保持水平。由于轮系是通过电机经减速器驱动，其传动是减速增矩的过程，因此反向运动增速减矩，在一定程度上具有自锁的效果，如果在电机输出轴端即高速端通过增加制动器进行安全保护，则可确保车库不会在外力的作用下运动，安全稳定性极高。

4 控制部分

控制部分分车库部分与网络部分。其中，车库部分直接控制车库的运转状况，检测车库的各项信息，如空闲车位数量等；网络部分服务于用户，其包括网络服务器以及客户端（手机APP等），用户能通过手机进行远程查询、预约存取车等；同时网络部分也与车库部分进行通信，实现车库的网络化、信息化。

车库部分以控制电路和传感器检测装置等硬件为主。单片机控制电机的启动与停止，同时接收传感器检测的信息，对车库运行状况进行判断并执行相应动作。此外单片机负责与网络端进行通信，对用户的存取车请求作出反应。

为提升立体车库的信息化自动化程度，并提供更人性化的服务，设计将车库网络化，通过立体车库的联网，用户能通过手机远程查询车位、预约存取车等，既简化了繁杂的操作，也使用户易于接受。

网络部分包括服务器和用户手机APP。其中，服务器作为数据存储中心，接收若干个车库的信息，同时通过手机APP将各个车库的相关信息提供给用户，为用户停车提供参考，此外，服务器可收集用户的停车时间，准确计算停车费用，便于用户结算。手机APP端采用微信小程序作为客户端，相比与传统原生APP，其具有无需下载安装即可使用的特点，同时其基于微信平台，传播能力更强，也贴合当前用户的使用习惯。小程序中设计有车库位置查询、特定位置车库车位查询、远程预约停车取车等功能，用户通过微信即可进入小程序使用相应功能。

5 结语

本文提出的摩天轮式立体车库通过设计闭式差动型混合轮系驱动并稳定载车板，轮系与减速器反向自锁，使得车辆停放可靠；通过存取车APP的设计优化停车策略，在一定程度上提升了存取车效率，方便车库的使用，对用户友好；网络化、信息化的设计使停车服务更人性化，车主更愿意接受立体停车的方式，能有效缓解小区车辆乱停乱放等停车难问题，其在小区将有广阔的应用前景。