基于小型立体旋转车库的优化改进

王雪松　李键　伍广源　陈培盛

【摘 要】近几年以来，立体车库因为其空间利用率高，在城市中逐漸被使用，开始出现在人们的视野中。然而因为立体车库在安全性或者操作性等方面一些问题的存在，并未使其得到充分的利用。本文采用了系统分析法，[1]基于小型立体旋转车库，就市面上的立体车库存在的部分问题，做出结构方面和操作方面的优化改进。同时本文作者制造出了等比例模型进行了实验。实验结果表明，所设计改进的立体车库能够稳定运行，符合理想的设计要求，能够满足用户日常生活的需要。

【关键词】立体旋转车库；优化；便捷高效；安全性

中图分类号： U491.7；TH21 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）25-0012-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.25.005

【Abstract】In recent years，because of its high utilization rate of space，stereo garage has been used gradually in the city and began to appear in people's view.However，because of the existence of some problems in safety or operability， the stereo garage has not been fully utilized.In this paper，the system analysis method is adopted to optimize the structure and operation based on the small stereo rotating garage.At the same time， the author made an full-scale model and carried out experiments.The experimental results show that the improved stereo garage can run stably，accord with the ideal design requirements，and meet the daily needs of users.

【Key words】Rotating stereo garage；Improvement；Convenience and efficiency；Security

0 引言

在我国经济健康快速的发展下，汽车作为一种日常代步工具，正为越来越多的人拥有。而相对于汽车的数量，停车场的数量却远远跟不上。在城市中，因停车导致的问题——违章停放，道路拥堵，交通秩序混乱等问题屡见不鲜。为了有效地缓解了停车困难的问题，立体车库被设计出来。实际上，由于人们对立体车库的安全性，可操作性等方面的考虑，导致部分立体车库闲置，立体车库并没有能最大发挥它的作用[2]。所以本文就国内现有立体旋转车库出发，提出立体旋转车库以及市面上部分车库的不足之处。针对这些缺点，从机械结构和控制系统两个方面提出完善缺点的方案来进行优化改良。

1 提出小型立体旋转车库的缺点以及设计要求

1.1 小型立体旋转车库的缺点

金无足赤，任何产品不可能一开始就是完美的，包括立体车库。立体车库尽管实现了最主要的功能即高的空间利用率，仍存在许多问题，以下一一列举。

（1）车库启动噪音大，在小区中会影响用户的作息。

（2）存取车过程复杂，在操作方面会显得繁琐。

（3）停电时无法取车。

（4）小型立体旋转车库主要靠电机制动，停电时无法制动。

（5）立体旋转车库的车位较难保持平衡，容易左右摇晃。

1.2 设计要求

为解决城市中小区、公园等小型密集区域中停车面积小、少的问题，并且能够满足人们日常生活的要求，在对小型立体旋转车库的优化设计应满足以下要求：

（1）安静，无噪音或者低噪音。

（2）停电时的取车措施以及保险措施。

（3）立体车库运行应该快速平稳。

（4）方便快速的存取车过程。

2 解决设计方案及工作单元

2.1 解决设计方案

立体旋转车库在原来可停两个车位的面积，可建造起一个可停六个车位的立体旋转车库。立体车库，无需考虑倒库、侧方停车以及担心周围有障碍物的情况等等。首先车库的传动方式选择蜗轮蜗杆传动，这样既使结构紧凑又降低了传动过程的噪音[3]。其次为避免停电时无法取车的问题，在机箱增设了手摇升降装置。第三，运用机械原理使车库运行时车位保持稳定不晃动。最后，在安全保险方面，一方面有蜗轮蜗杆自锁使车库保持稳定，另一方面，当机箱内的速度探测传感器发现中心轴转动速度异常时，会自动松开，两个不同方向的棘轮，使涡轮锁紧[4]。

2.2 工作单元

立体车库整体主要由载车模组，传动部件，支撑部件，平衡圆轮以及控制系统等各部分组成。

车库总体结构框图如图1所示。各种转动处均安装了轴承，降低了整个传动过程中的摩擦力，提高了车库运行的流畅性。车库的运行过程中就只有一个旋转自由度，因此控制过程非常简单。通过solidworks建模分析[5]，在满足停车空间的同时，运行过程中，各机械部分互不干涉。

3 各工作单元工作原理

3.1 传动部件以及支撑部件

传动部件由立体车库专用电机，蜗轮蜗杆传动件，转动中心轴构成，而支撑部件主要分为可转动的旋转圆支撑和固定的车库总支撑。电动机的扭矩通过蜗杆传递到涡轮。而转动中心轴一端与涡轮固定连接，同时与整个旋转圆支撑也是固定连接。开启电动机之后，通过蜗轮蜗杆啮合使中心轴稳定转动，带动旋转圆支撑转动，从而带动与旋转圆支撑连接的载车模组升降。

3.2 平衡圆轮

因为在载车模组与旋转圆支撑之间是单轴可转动连接，若无平衡装置，必会导致载车模组在升降过程中左右摇摆。这与立体车库的设计要求相悖，所以需要设计一个辅助部件使载车模组保持稳定。本文采用的辅助部件是一个与旋转圆支撑一样大小的平衡圆轮。安装时，它的圆心相对于旋转圆支撑的圆心向下垂直偏移适当距离，并与载车模组通过连接件固定连接。因此，在转动过程中，由于平衡圆轮的圆心位置确定不变，从而使载车模组始终保持位置不变，即载车板恒水平。这使立体车库在结构方面更加安全。

3.3 载车模组

载车模组为六个相同的载车板与载车模组支撑连接的部分组成，一个载车板即一个车位。

3.4 停电手摇装置

停电手摇装置设计在电机箱中。当停电之后，载车模组中的重力使涡轮成为主动件，因为自锁现象的发生，使整个车库的位置锁定。所以如果停电之后需要取车仍需要从蜗杆端克服阻力做功，才能使车库运行。停电手摇装置从本质上是一个二级齿轮装置，最高一级齿轮与手摇同轴固定，最后一级齿轮与传动装置中的蜗杆同轴固定。经过理论力学的分析计算，在极限位置时（车库一端3个车位满而另外一端3个车位空），一个正常成年男子力气即可转动车位取车[6]。

3.5 双棘轮保险装置

正常通电情况下，车库的车位主要通过电机制动来锁定位置。当停电时，整个车库的制动主要依靠涡轮蜗杆的自锁性实现。然而当蜗轮蜗杆使用到一定程度后，涡轮蜗杆可能因为表面磨损[7]等多种原因而失去自锁性。停电时且无蜗轮蜗杆自锁的立体旋转车库将失去旋转自由度上的约束，极大可能导致安全事故的发生，造成用户财产的损失甚至危及生命。为此在涡轮处增加一个速度探测传感器。当速度探测传感器探测到涡轮旋转速度异常时，即转动中心轴速度异常，会反馈给控制系统。控制系统就会释放两个互为反向的棘轮，卡住涡轮，使整个立体车库制动。同时报警，通知有关工作人员对立体车库进行维护。因此保险装置有效避免了安全事故发生。

4 控制系统设计

立体旋转车库的控制系统硬件采用的是C51单片机系统，软件采用的是keil4。[8]立体车库控制系统编程采用模块化，系统程序由多个模块组成，如初始化模块、中断模块、主程序模块及多个子程序模块等。单片机的工作方式是自上而下，不断循环扫描主程序，而主程序又会根据要求，调用相关子程序，部分子程序还有可能嵌套了另一个子程序，自动化程度越高的设备，程序的模块越多。本控制系统的主程序直接调用传感器故障自诊、复位、存车、取车、取消、消息处理、发送数据等子程序模块。在软件系统设计中，立体车库的主体功能通过数字量输入使自动存取程序运行实现，例如输入数字量“1”，立体车库的1号车位自动运转至车库入口处。同时检测转动中心轴转速是否正常，若失常即运行保险措施并报警。硬件设计框图和软件设计框图，如下图2和图3所示。

5 模型运行结果与总结

依据设计做出了等比例模型，模型如图4所示。通过对其各个功能都进行了实验，检查是否理论可行。实验结果证明其各个功能基本与本文文中所述理论相同，证明本文所设计改进的立体车库实际可行。

与现有的技术相比，本文设计改进的立体车库并不算是最好的立体车库，但是本文提出的立体车库并没有很复杂的机构，生产成本低，适合小区、公园等区域的小型停车场。现阶段，用的比较多，而且比较成熟的是垂直升降类立体停车库。但是这种停车库机构比较复杂，成本高，比较大型，而且不够美观，并不适合在小区使用。本文针对立体旋转车库以及市面上已经存在的立体车库的一些问题进行了改进和解决，并且制作出了模型并成功运行。本文的提出，希望对小区、公园等需要或者可以使用小型立体车库的机械设计有一定的帮助，進一步缓解停车难的问题，以及提高车库安全，惠于人民。

【参考文献】

[1]张春林，李志香，赵自强.《机械创新设计》[M].3版.北京：机械工业出版社，2016.

[2]陈新，张南.立体车库的现状与发展趋势[J].《起重运输机械》，2018（2）：65-68.

[3]濮良贵，陈国定，吴立言.《机械设计》[M].9版.北京：高等教育出版社，2013.

[4]张福学，《传感器应用及其电路精选》[M].电子工业出版社，1991.

[5]基于Solidworks软件的虚拟样机技术及其应用[J].张浩，冯长建.《煤矿机械》.2004（09）：67-69.

[6]机械式手摇升降装置的设计[J].陶高群，何晓云.《煤矿机械》.2016，37（10）：64-66.

[7]蜗杆蜗轮机构的自锁性及其失效原因分析[J].朱正平.《中国新技术新产品》.2016（14）：43-44.

[8]智能旋转立体车库设计[J].张桂红.《电子制作》.2017（02）：21-22.