一種垂直循環立體車庫的設計

曲藝，田海鋒，周傳喜，周華健，張仕帆

一種垂直循環立體車庫的設計

曲藝，田海鋒，周傳喜*，周華健，張仕帆

（長江大學 機械工程學院，湖北 荊州 434023）

針對由于私家車數量增加而愈發嚴重的小區亂停車、停車難問題，設計了一款新型防晃垂直立體停車裝置。裝置由六個系統組成：驅動系統、傳動系統、載車系統、機架系統、防晃系統、控制系統，通過 SolidWorks 三維建模建立了完整的機構，并對關鍵零件尺寸進行計算。裝置采用螺旋傳動使得機械運轉更加平穩，且配備防晃裝置提高整體安全性，并通過PLC控制系統智能控制可實現低功耗存取車。裝置可同時容納8輛汽車，在一定程度上減輕了停車壓力。

垂直循環；立體車庫；防晃裝置；螺旋傳動

隨著我國汽車保有量的持續增加，停車難問題日益突出。目前市面上主流的停車裝置按工作結構及形式分有巷道堆垛式、垂直循環式、升降或橫移式等。其中垂直循環式停車裝置最為適用于小區，該種停車裝置占地面積小，靈活性高，可在小區樓棟之間建立[1-3]。本文旨在介紹一種創新垂直循環立式車庫，該車庫外型采用鋼架結構，可快速組裝，并采用螺桿傳動，使得運動更加平穩。在安全方面，采用防晃軌道與防晃滾輪配合的方式，大大提高了載車系統的平穩性，從而提高了整體的安全性。

1 立體車庫總體結構

本垂直循環防晃車庫的機械結構主要由驅動系統、傳動系統、載車系統、防晃系統、機架系統、PLC控制系統這六大部分組成[4]。本裝置總體結構如圖1所示。

1.驅動系統 2.傳動系統 3.載車系統 4.機架系統

1.1 驅動系統

由單個三相交流異步電機為原動力，驅動多級齒輪傳動，進而帶動四連桿驅動使得滑座可延直槽口型滑軌運動，即將動力傳至傳動系統。

1.2 傳動系統

傳動系統則使用兩級錐齒輪機構將主軸的旋轉運動轉變為螺桿的旋轉運動，螺桿的傳動采用回旋螺桿傳動機構[5]，將車運轉起來，從而留出空位便于下一輛車的停入。具體結構如圖2所示。

電動機1通電旋轉，經過一對斜齒圓柱齒輪機構2降低轉速增大力矩同時帶動長軸3旋轉。長軸3再通過左右對稱的直齒錐齒輪機構5將運動傳遞給水平方向上對稱布置的兩根短軸7。每根短軸7又通過一對直齒錐齒輪帶動豎直方向上的螺桿6（左、右旋各一根）。螺桿6繞其軸線旋轉，帶動與之嚙合的滾子4，即滾子卡在螺桿的槽中。滾子4的內圈安裝在滑座8上，每個滑座通過四個梯形滾輪10嵌入到梯形槽導軌9中。所以在螺桿6旋轉時，滾子4與滑座8形成的整體在梯形槽導軌9上移動。相鄰的滑座由連桿11相連，構成了一個整體的循環系統。由于螺桿較長，故在其螺桿槽內會同時有多個滾子與其嚙合，則在螺桿不斷旋轉的過程中，至少兩個不同滾子一直與其嚙合，由多個滑座構成的系統便沿著梯形槽導軌9連續運動。因為連桿組成了封閉回路，使得假使有一根連桿發生了斷裂，整體回路也依舊能繼續運轉，這樣提高了整體結構的安全性也使得更換維修更加方便。同時通過調節連桿即改變連桿長度，就可以改變兩滑座的間距，確保了滑座間距的準確性。本傳動裝置所采用的螺桿傳動，即螺旋形凸輪機構，相較于傳統的鏈條和皮帶傳動具有所需驅動力更小、循環速度更快、運動更加平穩且噪音更小的優點。

1.電機 2.斜齒圓柱齒輪 3.長軸 4.滾子 5.直齒錐齒輪 6.螺桿 7.短軸 8.滑座 9.梯形槽導軌 10.梯形滾輪 11.連桿

1.3 載車系統

載車系統的載車板上在輪胎與載車板接觸的部分采用凹槽設計，增大摩擦防止車輛滑移。

1.4 機架系統

機架系統由方鋼焊接而成，并通過力學原理計算得出最為穩定的結構。車庫的每個系統之間采用可拆的連接方式，使得整個裝置拆裝簡單、安裝周期短。

1.5 防晃裝置

防晃裝置主要作用是約束載車系統的周向自由度, 保證系統的的穩定運行。裝置結構如圖3和圖4所示。

1.左側防晃直導軌 2.上端防晃圓弧導軌 3.右側防晃直導軌 4.下端防晃圓弧導軌

1.左側防晃桿 2.防晃滾輪 3.中間防晃桿 4.吊籃 5.右側防晃桿

裝置由兩部分構成：第一部份是四條不相連的防晃導軌（圖3），分別是上下兩段防晃圓弧導軌與左右兩段防晃直導軌，四段防晃軌道分別固定在機架的不同位置上；第二部份是固連在各個載車板前側上的三個與防晃導軌配合且端部帶防晃滾輪的防晃桿（圖4）。在整個裝置啟動與制動的瞬間，車輛與載車裝置形成的系統加速度變化大，尤其位于梯形槽導軌圓弧處的車輛極易產生晃動，平穩性與安全性較低。本防晃裝置通過這兩部分的配合，可有效提高吊籃4（圖4）在運轉過程中的穩定性。

在吊籃4延梯形槽導軌直線上行或下行時，載車板上的兩側中某一側防晃桿的防晃滾輪在與其配合的防晃直軌道內滑動；在吊籃4延梯形槽導軌圓弧線段進行運動時，載車板上的中間防晃桿3上的防晃滾輪2在與其配合的防晃圓弧導軌內滑動；在吊籃4延梯形槽導軌從直線部分軌道進入圓弧部分軌道的過程中，載車板上的兩側中某一側防晃桿的防晃滾輪脫離與其配合的防晃直軌道，中間防晃桿上的防晃滾輪則進入與其配合的防晃圓弧導軌軌道。即綜上過程，吊籃在延梯形槽導軌上運動的整個過程中，載車板上的防晃桿端部的防晃滾輪總與防晃導軌配合，這樣便可保證車輛在任何位置都晃動最小，以此提高本垂直循環車庫的安全性。

1.6 控制系統

本車庫采用三菱FX2N單片機控制器在控制系統中采用PLC控制進步電機，高性能光敏元件傳感器檢測定位信號，人機操作界面等。出于安全方面的考慮，設有用于不同目的的傳感器，如檢測停車位置、人員出入等。存車流程如圖5所示[6]。

2 結構設計計算

2.1 導軌的回轉半徑、連桿長度和滑座長度尺寸確定

為簡化設計思路，現做如下假定。假定一，滑座長等于連桿長；假定二，車位數為8輛。假定三，兩個車位之間有一個空滑座。有了以上三個假定，即可通過停車位的最小外廓尺寸確定導軌的回轉半徑。經確定不會引起車位碰撞的導軌的較小的回轉半徑為1700 mm，從而連桿長和滑座長都確定下來為776.03 mm。

圖6所示為用SolidWorks零件草圖進行的輔助設計[7]，線粗相同的方框對應相同時刻相鄰車位的位置[8]。

圖5 存車流程圖

圖6 八車位位置示意圖

2.2 螺桿小徑確定

受力分析前，先確定螺桿螺紋段的長度。由于每根螺桿嚙合的滾子數必須大于2個才能穩定運行，由此可知螺桿螺紋段的長度必須大于四倍的連桿長度，又已知連桿和滑座長度為776.03 mm，取螺桿螺紋段的長度為 3200 mm。再假定固定螺桿的軸承座上下均偏移100 mm，齒輪距下軸承座100 mm。

螺桿受力分析如圖7所示。

圖7 螺桿受力分析圖

圖中：1為軸承滾子對螺桿的彎矩，N·m；2為軸承座對螺桿的彎矩，N·m；F為螺桿的軸向力，N；F為錐齒輪的徑向力，N；F為錐齒輪的切向力，N；F為螺桿的自重，N；1為滾子在豎直方向上所受的力，N；2為滾子在水平方向上所的力，N；為軸承座支反力，N。

由于軸承滾子的軸徑為90 mm、寬度為54 mm且軸向采用軸用彈性擋圈固定，可初步確定螺桿螺牙深度為65 mm。假設螺桿的小徑為1。則軸力、扭矩如圖8和圖9所示。

圖8 軸力圖

由于錐齒輪的直徑還沒有確定，故無法一次確定錐齒輪的徑向力的準確值，但是可知錐齒輪的徑向力為[9]：

式中：α為壓力角，一般取標準壓力角20°[9]；

由圖7可知，F與2都是作用在螺桿上且垂直于紙面的力，可平移至同一作用線上，即22與F達到力的平衡。2的大小代表滾子在水平方向上所能承受的最大的力的數值，超過該值便會導致滾子受力過大而損壞，所以F不

能大于22，即F≤22。根據文獻[10]，選取了大型車的參考重量來計算2的值，實際使用的時候會有不同重量的車進入，在理論計算時應考慮盡可能大的受力，這樣更為安全，所以在這里選取2最大值為21.63，由此可得：

分別對、兩點取距，根據上述所求出的作用力，可分別求出兩個支座處的支反力，得出彎矩如圖10所示。

圖9 扭矩圖

圖10 彎矩圖

以下為點上方的應力計算[9]。

最大切應力為：

最大彎曲應力為：

合成應力為[9]：

由以上分析計算整理得：1≥496.31 mm。

3 存取車流程

存車過程：用戶將車輛行駛至裝置護欄門外，下車走到PLC控制面板前[10]，輕觸面板上的存車選項（圖11），電腦后臺程序將自動選擇合適的車位，并將該車位的車位號顯示在屏幕上，用戶輕觸面板屏幕上的“確認車位號”后就可返回車上，同時電腦發出指令，裝置開始運行，將該車位旋轉至裝置最底部并停穩，然后自動打開護欄門。門開后用戶即可將車開入裝置，行駛至裝置剛旋轉至最底部的空車架上，用戶在車架上停好車后，裝置上的重量感應器將信號傳給電腦，電腦發出聲音告知用戶已將車輛停好，用戶得知車已停好后就可下車并延地面上的綠色安全過道行走，走出護欄門回到控制面板前，此時面板屏幕上的顯示已改變，用戶在控制面板前選擇“確認已停好車輛”后便可離開，在用戶觸屏后護欄門將關閉，裝置將按電腦設計的程序再次旋轉車位至合適位置。

取車過程：用戶來到PLC控制面板前，輕觸面板上的取車選項（圖11），并點擊車位號（圖12），再點擊“確認取車”，電腦將使裝置開始運行，把指定車位旋轉至最底部停穩，由感應器感應停穩后護欄門開，用戶即可進入經由綠色安全過道回到車上并將車開出裝置然后駛離，中途無需下車。護欄門上的傳感器監測到車輛完全使出后將會把信號傳給電腦，經由電腦處理后發出指令使得護欄門自動關合，并使裝置再次旋轉起來至一個新的平穩位置停穩，等待下一次存車或取車的指令。

圖13為整體機構成品示意圖，即在圖1所展示的裝置結構圖的基礎上增加其他功能結構，如護欄、地面特殊結構布置、PLC控制面板的布置，由圖13可看出用戶在存取車過程中的位置移動。

圖11 PLC系統頁面

圖12 PLC系統取車頁面

4 結論

本文針對安全快速存取汽車與提高停車區域空間利用率的兩方面問題，設計了該螺桿型的垂直循環導軌停車裝置。本裝置的傳動系統是本裝置區別于市面上其他垂直循環停車裝置的地方，創新性地螺桿運用到停車裝置的傳動上來，提高了裝置的平穩性。通過PLC技術與機械裝置相結合的方式，將存取車的過程簡化為幾次觸屏操作從而使得車庫變得更為智能，車輛存取也更加方便快捷。同時針對本裝置的特性而設計的防晃裝置極大程度地制止了車位在運行時可能發生的晃動，消除了車輛晃動對裝置的影響，提高了車庫的安全性。水平僅需兩個車位的空間就可存放8輛汽車，極大提高了停車區域的空間利用率。

圖13 裝置成品圖

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Design of a Rotary Parking Equipment

QU Yi，TIAN Haifeng，ZHOU Chuanxi，ZHOU Huajian，ZHANG Shifan

( School of Mechanical Engineering, Yangtze University, Jingzhou 434023, China)

Aiming at the problem that the number of private cars is increasing, a new anti-vibration vertical three-dimensional parking device is designed. The device is composed of six systems: drive system, transmission system, vehicle loading system, control system, anti-sway system and rack system. The complete mechanism is established through SolidWorks 3d modeling and the size of key parts is calculated. The device adopts screw drive to make the mechanical operation more stable, and equipped with anti-vibration device to improve the overall safety, and through PLC control system intelligent control can achieve low power access vehicle. The device can accommodate 8 cars at the same time, relieving the parking pressure to some extent.

rotary；parking equipment；anti-sway device；screw drive

U491.7

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2020.04.011

1006－0316 (2020) 04－0064－06

2019－10－30

長江大學大學生創新創業訓練計劃項目（2018093）

曲藝（1998－），女，湖北武漢人，本科，主要研究方向為機械設計制造及自動化。

周傳喜（1975－），女，湖北荊州人，工學碩士，副教授，主要研究方向為機械設計及理論的教學與研究，48763760@qq.com。