多功能无避让式立体车库设计*

2020-05-14单豪狄冯雪丽

机电工程技术 2020年3期

单豪狄，冯雪丽

（杭州科技职业技术学院机电工程学院，杭州 311402）

0 引言

随着社会的不断进步，城市人口的规模不断扩大，汽车越来越普及，人均生存空间变得越来越小。高层密集居住区汽车保有量的增加与停车位不足的矛盾日益突出。住宅区停车难的问题几乎覆盖了全国大部分有规模的城市，其中老住宅区停车问题尤为突出。根据各国停车问题的相关资料和我国的实际情况，大力发展立体车库是解决停车问题的首选[1]。

经调研，近年来市场上出现了多种立体停车库。市场上销售较好的立体车库有升降横移式、垂直循环式、垂直升降式、简易升降式等立体车库，但是每种立体车库都不同程度地存在缺陷，比如占地面积大、车位利用率不高、存取车时间长、成本高等。

综上考虑，本文设计了一款集自动化技术、计算机技术、信息技术和机械技术于一体的多功能无避让式立体车库，该车库能够自动、可靠地完成车辆的存取以及相关信息的管理[2]。该车库结构简单、设计合理、功能强大、自动化程度高、节约了场地和能源；并且车位利用率高、成本低、维护简便、安全快捷，改善了其它车库存取车时间长的问题。该系统可以解决城市，特别是居民区停车难的问题，提高土地利用效率，具有重要的理论意义和实用价值[2]。

车库模型设计有10个车位，每个车位不仅可以停放常规轿车，还可为新能源汽车提供充电。主要具有存车功能、取车功能、语音播报功能、用户管理功能、新能源充电功能、太阳能充电功能、空位检测功能、行人检测功能、报警功能、防锈功能、防火功能和防雷共12种功能。

多功能无避让式式立体车库主要由机械部分和电控安全系统2个部分组成。

1.1 机械部分

多功能无避让式立体车库机械部分主要由机体部分和升降横移装置2个部分组成。其中升降横移装置由提升机构、横移机构、载车机构组成。

1.1.1 机体部分

本模型机体部分为双排并列5层框架结构，共10个车位。每个车位上均装有新能源充电桩和载车板。如图1所示。

图1 机体部分

1.1.2升降横移装置

（1）提升机构

车位提升机构为钢丝滚筒式。在车库的上方装有1个电机及齿轮钢丝滚筒传动机构，当需要提升时，电机运转，通过齿轮机构带动滚筒旋转，滚筒上的钢丝绳会按照滚筒上的螺旋纹路嵌进，并缩短设备运行时间以实现提升机构的上升运动。如图2所示。

图2 提升机构

图3 横移机构

图4 载车机构

图5 齿轮齿条啮合图

（2）横移机构

电机安装在载车机构的侧面，在电机的轴上装入1个齿轮减速机构，将电机的转速降低，扭矩增高，通过齿轮齿条机构，带动载车机构横向平移。如图3所示。

（3）载车机构

载车机构配合载车板上的齿轮齿条机构实现存取车功能，并使车辆平稳停在载车板上，防止车辆滑动。如图4～6所示。

图6 载车板（正反面）

1.2 电控及安全系统

电控及安全系统由电控系统和安全防护系统组成。电控系统由新能源充电桩、后备电源、音响系统、指纹机、RFID读卡器组成；安全防护系统主要有报警装置、行人检测机构；后备电源由蓄电池和太阳能电池板组成。

其中，行人及障碍物检测机构工作原理：载车机构下方装有传感器，当载车板下方有行人或障碍物时，车库系统会使载车机构停止下降，直至载车机构下方无行人或障碍物，继续下降。

2 理论设计计算

2.1 钢丝绳的选择

采用线接触钢丝绳，线接触钢丝绳股由不同直径的钢丝制成[3]。每层钢丝的节距相等。由于外层钢丝位于内层钢丝之间的凹槽内，因此钢丝内外层之间存在线性接触。虽然这种钢丝绳的内钢丝比外钢丝承受的应力稍大，但它避免了应力集中，消除了钢丝在接触点的二次弯曲现象，降低了钢丝间的摩擦阻力，使钢丝绳具有较大的弯曲自由度，显著提高了钢丝绳的疲劳强度，其使用寿命通常高于点接触钢丝绳。由于线接触钢丝绳的总有效面积大于点接触钢丝绳，因此承载能力较高。当在相同的破断拉力下选择线接触钢丝绳时，可以采用较小直径的滑轮和卷筒来减小整个机构的尺寸[3]。

2.2 卷筒的结构设计及尺寸确定

2.2.1 卷筒绳槽的确定

卷筒绳槽槽底半径R，槽深c，槽的节矩t，钢丝绳直径d，其尺寸关系为如下：

绳槽槽底半径R=（0.54～0.6）d

标准槽绳槽深度c1=（0.25～0.4）d

深槽绳槽深度c2=（0.6～0.9）d

标准槽绳槽节距t1=d+（2～4）

深槽绳槽节距t2=d+（6～8）

卷筒槽多为标准槽。只有当钢丝绳在使用中可能出现在槽外时，才使用深槽。本设计采用标准槽，钢丝绳直径d=14 mm[4]。则：

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 卷筒的长度设计

根据扭矩的传递方式，滚筒可分为2种类型：大齿轮围绕端侧板的外啮合和滚筒端部或内齿轮的内啮合[5]。其共同特点是滚筒轴只承受弯矩，不承受扭转。本设计卷筒采用内齿轮啮合式。卷筒的设计主要尺寸有节径D0、卷筒长度L、卷筒壁厚δ[4]。采用双卷筒方案，先设计一边卷筒，有2根钢绳，如图7所示。

图7 滚筒尺寸图

卷筒的长度计算公式如下：

式中：L为卷筒总长度，mm；L1为固定钢丝绳所需要的长度[5]，一般L1=3 t；L2为两端的边缘长度（包括凸台在内），根据卷筒结构而定[6]；L3为卷筒中无绳延伸部分；L0为绳槽部分长度。

式中：H为最大起升高度，mm；a为滑轮组倍率；D0为卷筒卷绕直径，mm；t为绳槽节矩，mm；n为附加安全圈数，使钢丝绳端受力减小，便于固定，通常取n=1.5～3圈。

将H=20 mm；a=1；D0=20 mm；n=2；t=0.8分别代入式（2）得：

根据实际应用情况，L1=3 t=2.4 mm；L2=1 mm；L3=19.1 mm。将以上数据代入式（1）得L=30 mm。因此选取标准卷筒长度为30 mm。

2.2.3 材料选择

该立体车库模型在设计时考虑到车库的安装便捷和加工方便，故机体部分选用了型材钢，既保证了结构强度和后续的加工方便性，还使得研制成本下降。主要零部件材料如表1所示。

表1 车库模型主要零部件材料

2.2.4 电机选用

正确选择电机额定功率的原则是在满足机械负荷要求的前提下确定电机功率，同时充分确保最经济、最合理。所以本车库模型动力源采用直流减速电动机。电机主要参数如表2所示。

表2 电机主要参数

3 系统程序流程设计

图8所示为存取车的程序逻辑流程图，车库系统可以录入指纹进行存取车，也可以刷卡进行存取车，ECU控制器程序按图8所示的逻辑关系进行编写，对信号进行处理计算，按输入指令进行存取车，并完成扣费[8]。

4 车库特点

车库具有如下特点：空间利用率高，可达100%；节约场地，车库占地面积小，空地面积利用率为500%；结构简单，成本低，维护方便；设有自动灭火、防雷、防水、防火及报警等装置，安全有效；车库安装方便，存取车便捷；设有太阳能充电功能，节约能源；显示屏设有广告位，可收取广告费，维护设备正常运行；设有新能源充电桩，方便新能源汽车充电；车库方便扩展，适用于多种场合；障碍检测装置，保障设备运行安全可靠。