垂直旋轉式立體車庫的創新設計

李麗，叢東升，李貞，孔令義，李昊

（1.山東建筑大學機電工程學院，山東濟南250101；2.山東省高校機械工程創新技術重點實驗室，山東濟南250101）

垂直旋轉式立體車庫的創新設計

李麗1，2，叢東升1，2，李貞1，孔令義1，李昊1

（1.山東建筑大學機電工程學院，山東濟南250101；2.山東省高校機械工程創新技術重點實驗室，山東濟南250101）

近年來，隨著城市停車難問題的顯現，垂直旋轉式立體車庫是“停車難”問題的解決和改善城市靜態交通的重要手段和途徑，但因其存在承載能力弱、設備復雜性高、庫容利用率低等缺陷而影響其廣泛應用。文章利用發明問題解決理論（TRIZ）、公理設計（AD）的獨立公理等創新設計方法，對垂直旋轉式立體車庫設計方案進行了創新設計，進而解決其存在的耦合問題，獲得單吊點式垂直旋轉立體車庫和雙環圓形分體式垂直旋轉立體車庫滿足用戶需求的兩種建議方案。

發明問題解決理論；獨立公理；垂直旋轉式；機械式立體車庫

0 引言

隨著經濟的飛速發展和人們生活水平的不斷提高，汽車作為常用的交通工具逐步進入尋常百姓人家，隨之而來的停車難問題越來越顯現，尤其是北上廣等一線城市也同樣面臨著這樣的問題［1］。機械式立體車庫作為改善城市靜態交通的有效停車設備，具有占地面積少、造價相對低、可移動拆卸、安全防盜等優點，在國外得到廣泛應用［2］。20世紀20年代，美國學者開始研發機械式停車設備（立體車庫），用于有效解決大城市“停車難”問題，并于1920年建成了世界上第一座機械式停車設備［3-5］。之后，德國、韓國、日本等一些國家，相繼開始研發、制造機械式停車設備，并形成了研發、制造、安裝、維護為一體的行業［3-5］。我國20世紀80年代開始研發立體車庫，主要是仿制韓國、日本等國家的產品，并于1989年建造了第一臺垂直循環類機械式立體車庫［3-5］。之后，我國立體車庫行業進入了十幾年的低迷期。由于在我國機械式立體車庫還處在發展初期階段，存在著技術落后、推廣難度大、成本高等缺點，其大范圍的推廣與應用還處于停滯不前狀態［6］。近年來，隨著汽車保有量的增加和“停車難”問題的凸顯，立體車庫市場正以突飛猛進的態勢發展［3-5］。國家標準把機械式停車設備（立體車庫）分為8種類型［7］。垂直旋轉式立體車庫［3-8］是“停車難”問題的解決和改善城市靜態交通的重要手段和途徑，但因其存在承載能力弱、設備復雜性高、庫容利用率低等缺陷而影響其廣泛應用。因此，針對我國現有垂直旋轉式立體車庫存在的缺陷，融合發明問題解決理論（TRIZ）、公理設計（AD）的獨立公理等創新設計方法，對垂直旋轉式立體車庫設計方案進行創新設計，進而解決其存在的耦合問題，獲得單吊點式垂直旋轉立體車庫和雙環圓形分體式垂直旋轉立體車庫是滿足用戶需求的兩種建議方案，對“停車難”問題的解決和改善城市靜態交通具有一定的參考和應用價值［9-16］。

1 產品方案創新設計方法簡述

發明問題解決理論（TRIZ）是基于知識的、面向人的、系統化的、解決發明問題的方法學；其最終目標是完全解決矛盾，獲得最終理想解，而非折衷或者妥協［9-13］。獨立公理是公理設計（AD）中的重要設計公理之一，其在設計中要求保持產品各項功能的獨立性［14-16］。對TRIZ與獨立公理結合的產品創新設計方法進一步深化，將耦合參數進行問題屬性分類，并選擇合理的解題模型，從而創新性的改進了基于TRIZ與獨立公理的產品方案創新設計方法，有效地提高了解耦合的效率和高品質創新產品的獲得［3-4］。其步驟為:首先，獲取用戶需求，確定設計參數；即，通過市場調查分析，獲取產品的用戶需求，確定產品的功能需求，利用公理設計的“之”字形映射法則，對產品的功能域與結構域間進行相互映射，確定最終產品的設計參數。其次，構造設計矩陣，確定耦合參數；即，依據“之”字形映射過程和設計參數構造產品的設計矩陣，判斷設計矩陣的耦合性，并確定耦合參數。再次，區別問題屬性，選擇解題模型；即對相互耦合的設計參數進行問題屬性分類，對照TRIZ解題模式，選擇不同的解題模型。然后，選擇解題工具，獲取建議方案；即，依據解題模型，應用TRIZ解題工具（工具、原理、知識庫）對產品的耦合矩陣進行解耦，參照工程實際，獲取產品的多種建議方案。最后，評價建議方案，優選最佳方案；即，應用獨立公理對每種建議方案設計矩陣的獨立性進行評價，判斷是否滿足功能的獨立性，優選產品最佳的設計方案。

2 垂直旋轉式立體車庫方案創新設計

2.1 確定設計參數

對“停車難”問題的解決方法進行市場調查與分析，用戶所需求的產品屬性｛CNs｝為有效地解決大城市和旅游風景區的“停車難”問題，且不影響城市市容和靜態交通；映射到功能域（FR0）為庫容量大、效率高的機械式停車設備；映射到結構域，對應的設計參數（DP0）為垂直旋轉式立體車庫；再按照功能域與結構域間的“之”字形映射，對垂直旋轉式立體車庫的功能需求（功能域｛FRS｝）與設計參數（結構域｛DPS｝）之間進行相互映射，直到設計參數不能再分為止。表1為垂直旋轉式立體車庫功能域和結構域間的映射層次表。

表1 垂直旋轉式立體車庫功能域和結構域間的映射層次表

2.2 確定耦合參數

依據表1所知，垂直旋轉式立體車庫功能域與結構域間映射的第一層、第二層、第三層設計方程分別為

其設計矩陣分別為

則A1為下三角矩陣，不需要解耦合；而A2、A3則為一般矩陣（耦合矩陣），不滿足獨立公理條件，需要解耦合；即設計參數DP21和DP22與FR12之間存在耦合，設計參數DP12與FR111、FR112之間存在耦合。

2.3 選擇解題模型

設計參數DP21（電機）和DP22（控制裝置）與FR12（庫容面積）之間存在耦合，即DP2（存取效率高）與FR12（庫容面積）之間存在耦合；設計參數DP12（設備結構）與FR111（承載）、FR112（平衡）之間存在耦合。參照TRIZ解題工具，這兩組耦合問題為參數問題，即參數之間存在沖突。

2.4 選擇建議方案

2.4.1 存取效率與庫容率

（1）問題描述

高效地進行車輛存取的立體車庫與立體車庫的庫容面積之間存在沖突，即存取車效率與庫容面積之間存在沖突。當存取車效率提高時，必然引起車庫庫容面積的減小。因此，上述兩參數間是一對技術沖突。

（2）問題分析

參照TRIZ工具的39個通用工程技術參數進行描述:改善的參數是25＃時間損失，惡化的參數是4＃靜止物體的尺寸，查找沖突矩陣［8］（如表2所示）找到相應的發明原理。

2.4.2 載車臺與設備結構

（1）問題描述

載車臺和設備結構之間存在著沖突，即，當提高載車臺面積時，必然引起設備復雜程度的加大。因此，此兩參數間為技術沖突。

（2）問題分析

參照TRIZ工具的39個通用工程技術參數進行描述:改善的參數是5＃運動物體的面積，惡化的參數是36＃系統的復雜性，查找沖突矩陣［8］（如表2所示）找到相應的發明原理。

2.4.3 車庫平衡性與設備

（1）問題描述

車庫平衡性與設備之間存在著沖突，即，提高垂直旋轉式立體車庫平衡性的同時，必然引起設備復雜程度的加大。因此，上述兩個參數間為技術沖突。

（2）問題分析

參照TRIZ工具的39個通用工程技術參數進行描述:改善的參數是13＃穩定性，惡化的參數是36＃系統的復雜性，查找沖突矩陣［8］（如表2所示）找到相應的發明原理。

表2 沖突矩陣（部分）

（3）綜合問題分析

分析上述三對技術沖突，結合實際工程情況，初步選取14＃曲面化、13＃反向作用、1＃分割、5＃組合、2＃抽取、24＃借助中介物等六種發明原理作為解決垂直旋轉式立體車庫耦合問題的工具。表3為所選發明原理的含義。

依據表3發明原理的含義，結合工程實際經驗，獲取垂直旋轉式立體車庫建議方案步驟為:（1）選用曲面化原理將立體車庫設計成球形結構，即立體車庫的外形為圓形；依據反向作用原理將立體車庫設計為垂直旋轉式，改進了現有立體車庫固定不動，僅有載車臺運動的運行方式；（2）選用分割和組合原理將載車臺設計為分體式載車臺形式，并作為垂直旋轉式立體車庫的一部分；（3）依據抽取原理和借助中介物原理，由立體車庫系統抽取出搬運器系統，借助搬運器進行汽車的存放和取用。因此，參照工程實例（摩天輪）獲得兩種垂直旋轉式立體車庫建議方案，其中，方案一為單吊點式垂直旋轉立體車庫（配套搬運器）（如圖1（a）所示）和方案二為雙環圓形分體式垂直旋轉立體車庫（配套搬運器）（如圖1（b）所示）。

表3 發明原理的含義

圖1 垂直旋轉立體車庫（配套搬運器）方案原理圖

（4）建議方案分析

兩種方案都為半地上、半地下式立體車庫；車庫采用整體垂直旋轉方式；利用行星鏈傳動方式，使載車臺隨立體車庫公轉的同時也產生自轉，從而達到自動防擺和自平衡調節的效果。方案一的載車臺采用的是單環單吊點懸掛式設計；而方案二的載車臺采用的是雙環單吊點雙支撐式設計，增加了垂直旋轉式立體車庫的可靠性、安全性和容積率，另外，該方案同時存放和取用四輛汽車，大大提高了存取車效率。

2.5 評價建議方案優選最佳方案

根據表1垂直旋轉式立體車庫功能域和結構域間的映射層次表，結合兩種垂直旋轉式立體車庫建議方案的功能結構特點得到垂直旋轉式立體車庫功能要求和設計參數之間的設計矩陣（如表4所示）。

由表4可知，設計矩陣為下三角矩陣，即準耦合矩陣，所以上述的兩種方案滿足功能的獨立性。因此，兩種建議方案都滿足用戶需求的設計方案。

表4 垂直旋轉式立體車庫功能要求和設計參數之間的設計矩陣

3 結語

文章將發明問題解決理論（TRIZ）與公理設計（AD）的獨立公理相融合，通過獲取立體車庫的用戶需求、確定其設計參數、構造設計矩陣、確定立體車庫的耦合參數與問題屬性、選擇解題模型和工具等步驟，對機械式立體車庫（垂直旋轉式）進行創新設計，獲得了兩種滿足用戶需求的最佳設計方案—單吊點式垂直旋轉立體車庫（配套搬運器）和雙環圓形分體式垂直旋轉立體車庫（配套搬運器），解決了現有垂直旋轉式立體車庫存在的承載能力弱、設備復雜性高、庫容利用率低等技術缺陷，對旅游風景區停車難問題的解決及新型立體車庫的研制具有較高的參考價值和應用價值。

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（責任編輯：李雪蕾）

Creative design in the vertical turn stereo garage

Li li1，2，Cong Dongsheng1，2，Li zhen1，et al.

（1.School of Mechanical and Electronic Engineering，Shandong Jianzhu University，Jinan 250101，China；2.Key Laboratory of Mechanical Engineering＆Innovation Technology in Universities of Shandong，Jinan 250101，China）

At present，with the appearance of the problem of parking in the metropolis，the vertical turnmechanical stereo garage does exert such a profound effect on our daily life.However，in order to solve the technical defect in the vertical turn mechanical stereo garage with the weakness of carrying capacity and the high of equipment complexity and the low of the high capacity.In this article，its design scheme is creative and its coupling problems are solved with the theory of inventive problem solving（TRIZ）and the independent axiom of axiomatic design（AD）.Finally，two kinds of the vertical turn stereo garage of proposal scheme-monotone point vertical turn stereo garage and double ring circular partial vertical turn stereo garage are obtained to satisfy users'demands.

TRIZ；independent axiom；vertical turn；mechanical stereo garage

TH218

A

1673-7644（2014）06-0569-05

2014-06-06

國家級大學生創新創業訓練計劃項目（201210430045）

李麗（1982-）女，講師，碩士，主要從事工程機械創新設計方法、產品綠色設計等方面的研究.E-mail:lili8249＠126.com