圓環(huán)式兩輪代步工具的立體車庫研究

宣德坤，馬曉錄，李沖沖，閆志杰，王勤東，熊彥昭

（河南工業(yè)大學(xué)，河南鄭州 450000）

0 引言

近年來，由于機動車輛的增多，停車難的現(xiàn)象越來越突出。由此引發(fā)的亂停車現(xiàn)象也越來越普遍，造成交通秩序混亂、交通事故頻繁發(fā)生。因此，為了尋求集約高效的停車空間[1]，人們把目光投向了熱門的立體車庫。立體車庫的出現(xiàn)在很大程度上解決了停車難的問題，而且車庫可以做成多種外形，與建筑相適應(yīng)，更加美觀。另外，立體車庫一般不是露天的，對于車輛的安全防盜、壽命保護有很大優(yōu)勢的。目前眾多的車庫主要是根據(jù)四輪汽車建造的，有垂直循環(huán)式、平面移動式、升降橫移式、垂直升降式、多層循環(huán)式、簡單升降式、圓形塔形式等。汽車具有很強的對稱性，不需要輔助支撐就有很強的穩(wěn)定性，機構(gòu)的設(shè)計更加方便。然而，人們的出行越來越需要代步工具，而電動車以便利、環(huán)保的特點進入人們的視野。但是市場上對于非機動車輛停車位的配備缺少，并且電動車的數(shù)量太多，在商場、醫(yī)院、小區(qū)等人口密集區(qū)隨處可見電動車的亂停亂放。進而引發(fā)影響交通安全、文明環(huán)境甚至滋生亂收費等一系列的問題[2]。據(jù)不完全統(tǒng)計，目前電動車的市場保有量在2.5億輛，每年還在急劇增加。因此電動車停車難是一個亟待解決的問題。有秩序的停車會提升城市文明形象，有效解決和預(yù)防一系列問題。

1 圓環(huán)式電動車立體車庫的研究意義

現(xiàn)有的立體車庫有各種各樣，現(xiàn)通過對不同類型的車庫特點的簡單介紹，分析圓環(huán)塔式立體車庫的可行性以及優(yōu)點。

根據(jù)2017年中國智能立體車庫行業(yè)市場前景研究報告指出，升降橫移式、平面移動式、巷道堆垛式、垂直升降式4種類型的車庫是最典型的、市場上最多采用的、市場占有率最高的、最適合大型化發(fā)展的[2-4]。其中升降橫移式占有的比率是最高的。對于升降橫移式，根據(jù)其存取車的原理，該立體車庫具有的原理特點是：在車庫的最下層需要預(yù)留一個空車位，為上層的存取移動留下空間；每個車位都有載車板，車輛通過在其中的升降橫移到達最下層，駕駛員進入，存取車輛；最下層的載車板不用升降；最頂層的只用升降，中間層的既升降又橫移留出空車位使上層的車輛能運動到最下層。但這種立體車庫存取效率低，過程復(fù)雜，并且每個車位都有載車板，增加了建設(shè)成本。

針對上述分析，目前市場上應(yīng)用最多的升降橫移式立體車庫的模式不適合電動自行車的存取，在建設(shè)成本上，相對于電動自行車這類兩輪代步工具是巨大的資源浪費。

針對這類代步工具的特點，介紹一種占地面積小、成本低、建造比較方便的小型立體車庫。

2 圓環(huán)式立體車庫的結(jié)構(gòu)設(shè)計

此次介紹的立體車庫結(jié)構(gòu)均采用鋼結(jié)構(gòu)的框架，主體的框架結(jié)構(gòu)由若干安裝于地面的立柱和在立柱上安裝的橫向結(jié)構(gòu)組成，在一定高度上搭建每層停車位行成中空空間塔結(jié)構(gòu)。車庫框架頂部有頂蓋，外圍可根據(jù)需要設(shè)計保護裝置，車庫保護層之外可進行不同的藝術(shù)設(shè)計，使車庫更加美觀，與附近建筑相容，增加文明形象。車位沿車庫圓環(huán)半徑方向進行布置，縮短了搬運行程，更加安全可靠。在每個車位中都設(shè)有靜叉梳載車架，用來存放停放在上面的車輛。

圖1 主框架結(jié)構(gòu)圖

圖2 俯視圖

圓環(huán)式中間的升降搬運過程中由各種的傳感器完成在運動過程中的精確定位。整個控制過程可采用單片機和PLC的控制實現(xiàn)車位的準(zhǔn)確定位和驅(qū)動機構(gòu)的運動順序[4]。圓環(huán)框架結(jié)構(gòu)中間的升降機構(gòu)上安裝有動叉梳車架，利用動靜叉梳的交換非常便利地實現(xiàn)了車輛的存取，不用在每個車位上都配有載車板，減少了過程中需要先去取出載車板的過程。該車庫的面積約為52 m2；每層停車數(shù)量8；最底層少兩個車位，在對應(yīng)該車位處設(shè)立進出口；每層高2 m。

結(jié)構(gòu)形式為圓環(huán)式，搬運機構(gòu)的移動只在中間的圓形區(qū)域，每層停車位共用，因此空間使用率比巷道式高。

圖3 圓環(huán)形立體車庫結(jié)構(gòu)設(shè)計與存車過程

3 圓環(huán)中間升降旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計及存取車過程

圖3所示為圓環(huán)形立體車庫結(jié)構(gòu)設(shè)計與存車過程。該車庫的中間結(jié)構(gòu)要實現(xiàn)的功能有升降到對應(yīng)的車位層，因車位位置是沿半徑方向圓周布置的，所以在升降到對應(yīng)的車位層之后還要進行旋轉(zhuǎn)以對正所要存取車的車位位置。該車庫的中間升降旋轉(zhuǎn)裝置的結(jié)構(gòu)為由上下兩層構(gòu)成，下層升降盤主要控制整體結(jié)構(gòu)的升降，上層旋轉(zhuǎn)盤安裝在下層升降盤上，通過平面軸承或其他設(shè)備支撐，上層旋轉(zhuǎn)盤能相對下層升降盤旋轉(zhuǎn)。在升降到需要的停車層位置后，由上層的旋轉(zhuǎn)定位到所需車位。

在上層旋轉(zhuǎn)盤上設(shè)有導(dǎo)軌，安裝有能橫移車輛進入車庫的橫移裝置，橫移裝置主要部分有驅(qū)動控制部分、動叉梳車架。如圖3所示靜叉梳車架固定在車位架中，當(dāng)動叉梳車架進入車位與靜叉梳車架交叉對齊時，動叉梳車架向下移動，穿過靜叉梳車架后，原先停放在動叉梳車架上的車輛停在了靜叉梳車架上，從而實現(xiàn)了車輛的存放。

存車時，用戶通過人機交互界面發(fā)出停車指令，升降機構(gòu)使動叉梳車架停放在預(yù)定位置，用戶把車輛停放到動叉梳車架的規(guī)定位置。

系統(tǒng)檢測到用戶離開后，系統(tǒng)發(fā)出指令，驅(qū)動升降機構(gòu)運動到預(yù)設(shè)的停車層，準(zhǔn)確停止后，上層旋轉(zhuǎn)盤根據(jù)傳感器帶動動叉梳車架旋轉(zhuǎn)到需要停車的車位對應(yīng)位置，與車位精確對正。進一步的，帶有橫移機構(gòu)的動叉梳車架開始橫移，通過傳感器的控制，使動叉梳車架準(zhǔn)確地運動到安裝在車位架中的靜叉梳車架的上方一定位置，與靜叉梳車架交叉對正。動叉梳車架伸出，形成類似懸臂梁的形式。對正后觸發(fā)控制信號，使升降盤帶動整體機構(gòu)進行下降，下降一定的預(yù)定距離，通過動靜叉梳的交換使車輛停放在靜叉梳車架上，隨后動叉梳車架收回到中間升降盤機構(gòu)上，完成存車過程。

取車過程的運動與存車過程相反，根據(jù)需要取車的車位指令，升降機構(gòu)現(xiàn)將整體機構(gòu)運動到需要取車的停車層的預(yù)設(shè)位置，隨后旋轉(zhuǎn)到對應(yīng)車位，動叉梳車架與車位對齊，隨后，動叉梳車架橫移運動到靜叉梳車架的下方進行交叉對正，對正后觸發(fā)升降指令，整體機構(gòu)上升預(yù)定距離，通過動靜叉梳的交換使停放在靜叉梳車架上的車輛移到動叉梳車架上，動叉梳車架帶著車輛收回，升降機構(gòu)下降至出口位置，用戶取走車輛，完成取車。

在兩輪代步工具的立體車庫存放過程中，有一個特別需要注意的問題，即電動車的充電問題是一個需要解決的問題。在日常的電動車使用過程中，用戶在騎行了一天后，晚上會對電動車進行充電，如果立體車庫沒有便捷可靠的充電設(shè)施，對于電動車存放問題還是不能夠解決。本文針對這種情況，設(shè)計了一種用于該立體車庫的電動自行車在存放時的充電裝置。

根據(jù)存取車的過程可知，車輛存取時是在不同的車架上的，所以充電裝置不能和載車架固定在一起。

該充電裝置類似馬鞍狀，有可調(diào)節(jié)距離的卡板，有鎖舌形狀的可伸縮的石墨電刷棒。當(dāng)用戶把車輛停放在動叉梳車架的規(guī)定位置后，在車座上放上充電裝置，因為有可調(diào)節(jié)距離的卡板，在彈簧力的作用下，充電裝置緊緊卡在車座上。用戶把電車充電插頭插在充電插座上。當(dāng)車輛進入車位時，調(diào)好距離的兩石墨電刷正好接觸預(yù)留在車庫兩側(cè)的電刷板上。當(dāng)車輛停放到位后觸發(fā)充電開關(guān)，電刷板與電源接通。然后通過石墨電刷棒、插座給電車進行充電。

圖4 充電裝置示意圖

4 結(jié)語

解決兩輪代步工具停車是一個亟待解決的問題。該小型立體車庫的設(shè)計為解決這個問題提供了一種可行性的方法。并為立體車庫行業(yè)提供了一種具有安全性能高、經(jīng)濟性好、適用性強的立體車庫[7]。從根本上解決了小區(qū)、商業(yè)區(qū)、醫(yī)院等人口密集區(qū)在建設(shè)時未規(guī)劃停車位置的電動自行車停車難問題。提高了土地利用率，可緩解城市土地緊張問題，并且推動了立體車庫制造業(yè)的發(fā)展，帶來了一定的社會經(jīng)濟效益。該圓環(huán)式兩輪代步工具立體停車庫具有較高的市場推廣價值。