懸浮式旋轉停車庫的設計

胡文龍，張 俊，李威爾，劉軒松，明瑞軒，楊鵬程

(1.湖北文理學院 汽車與交通工程學院，湖北 襄陽 441053； 2.湖北文理學院 機械工程學院，湖北 襄陽 441053)

0 引 言

隨著社會的發(fā)展，汽車已經成為生活中不可缺少的一部分。但在享受汽車帶來便利的同時，停車難又成為普遍存在的一個問題。通過走訪調查和查找資料，發(fā)現(xiàn)各種類型的停車場已用于不同場所，立體停車庫更是多種多樣：升降橫移式、巷道堆垛式、垂直升降式[1]、簡易升降式等，但車庫機構復雜，工程量大，適用于大型集中停車場所。

針對城市小區(qū)停車難的問題，提出一種懸浮式可旋轉的停車庫。該停車庫造型新穎獨特，空間利用率高，機構簡單巧妙、制造成本低、停車方便，適用于空間較小、不宜建大型停車場的老舊小區(qū)。

1 懸浮式旋轉停車庫的總體設計

懸浮式旋轉停車庫主要由停車位、橫移小臂、固定大臂、支撐框架、橫移凸起、支撐板、轉盤、橫移電機、聯(lián)軸器、固定軸、旋轉主動輪、絲桿、升降導軌、升降電機、旋轉電機、連桿、升降梳齒臺、絲桿支撐座、旋轉從動輪等零部件組成[2]。整個停車庫可分為升降系統(tǒng)、旋轉裝置和橫移機構三部分，分別實現(xiàn)升降梳齒臺運輸車輛、四個車位旋轉存車取車和橫移小臂讓位的功能。懸浮式旋轉停車庫總體結構如圖1所示。

根據(jù)市場調研和老舊小區(qū)的需求，設定為四個停車位，單個停車位長5 000 mm、寬2 200 mm，通過計算最終確定了停車庫總長為L=9 066 mm、總寬為W=7 900 mm、總高為H=4 500 mm；停車庫最大承載12 t、總重量為20 t；停車位面積28.38 m2，因采用架空懸浮式結構，實際占用綠化草坪面積2.25 m2。該停車庫允許停放車輛的參數(shù)表如表1所示。

表1 允許停放車輛的參數(shù)表

圖1 懸浮式旋轉停車庫總體結構圖 1.停車位 2.橫移小臂 3.橫移擋塊 4.機架 5.大臂 6.旋轉 電機 7.升降電機 8.橫移電機 9.絲桿 10.主動小齒輪 11.轉盤齒輪 12.固定軸 13.橫移支板 14.旋轉底板 15.旋轉轉盤 16.配重架 17.配重塊 18.載車板 19.升降梳齒載車板

2 停車庫的傳動方案設計

該懸浮式旋轉停車庫，通過三個電機驅動分別實現(xiàn)載車板的升降、四車位停車架的旋轉和停車位橫移的功能，三個運動獨立工作，互不影響又相互協(xié)調運動。

2.1 升降系統(tǒng)傳動方案

如圖2所示，升降系統(tǒng)用于將車輛通過載車板升降到停車位，其傳動方案是：工作時，升降電機1輸出動力，經聯(lián)軸器2傳遞扭矩并由減速器3匹配轉速后，帶動摩擦輪傳動機構運動，從而驅動載車板與升降梳齒臺上下運動[3]。

圖2 升降系統(tǒng)傳動方案1.電動機 2.彈性聯(lián)軸器 3.減速器 4.摩擦輪傳動

2.2 旋轉裝置的工作原理

旋轉裝置用于驅動四車位停車架的水平旋轉，其傳動系統(tǒng)呈垂直安放在停車架上，如圖2所示。

工作時，旋轉電機1輸出動力，經聯(lián)軸器2、減速器3將扭矩傳遞給行星齒輪4，由于帶外齒轉盤軸承5固定在機架上不動，從而使裝配于轉盤內圈上的停車架6旋轉[4]，并帶動橫移大臂、橫移小臂和停車位共同運動，旋轉一定±90°或±180°，實現(xiàn)停車位的四分度轉停。

圖3 旋轉裝置傳動示意圖 1.電動機 2.聯(lián)軸器 3.減速器 4.行星齒輪 5.外齒轉盤軸承 6.四車位停車架

2.3 橫移機構

橫移機構是把停車位橫向移動一個車位寬度，以讓出載車板的上行通道，實現(xiàn)車輛的轉移交接。機構的實現(xiàn)方式是：橫移電機1輸出動力，經聯(lián)軸器2和減速器3帶動一端固定的絲桿旋轉，通過絲桿螺母副4驅動橫移小臂向內或外運動[5]。

圖4 橫移機構傳動方案1.電動機 2.彈性聯(lián)軸器 3.減速器 4.絲桿螺母副

3 基于CATIA的參數(shù)化三維建模

將停車庫分為機架、升降系統(tǒng)、旋轉裝置、橫移機構四個部件，其中機架為整個機構的支撐部件，用于安裝其他零部件并保證各零件間的相對位置關系，其上直接連接著升降系統(tǒng)與旋轉裝置，采用45號鋼[6]；升降系統(tǒng)與旋轉裝置均包括驅動和承載兩個部分，升降系統(tǒng)的驅動通過曳引電機、曳引輪、曳引繩等來實現(xiàn)，承載部分包括升降支架與載車板，旋轉裝置的驅動通過步進電機帶主動小齒輪、旋轉底板繞固定的轉盤齒輪做行星轉動；橫移機構包括驅動和導向兩個部分，驅動采用步進電機帶動滾珠絲杠來實現(xiàn)，導向部分采用圓柱導桿來實現(xiàn)。

為了便于修改和調整停車庫的各部分結構尺寸，應采用參數(shù)化的設計方法，通過在Catia組建中定義尺寸變量來建立各個零部件的參數(shù)化模型[7]。在此以滾珠絲桿螺母部件為例，介紹其參數(shù)化建模過程：

(1) 構建絲桿螺母副的草圖。用“文件->新建”命令打開新建對話框，選擇“part”選項，并接著在生成的命名對話框中命名為絲桿螺母副，點擊X-Y軸，用“視圖->工具欄->草圖編輯器”命令，生成所選螺母副的草圖編輯頁面，并用工具欄中的輪廓線勾畫出絲桿螺母副的二維草圖。

(2) 設置絲桿螺母副的參數(shù)。在工具欄中點擊約束命令，然后點擊螺母副草圖的相應位置，即可對螺母副尺寸進行修改。

(3) 生成絲桿螺母副的初步三維模型。點擊工具欄中的退出草圖編輯器，用“視圖->工具欄->凸臺”命令生成凸臺尺寸對話框，輸入螺母副的尺寸，即可生成絲桿螺母副的初步三維模型。

(4) 生成絲桿螺母副的三維模型。再通過倒圓角、挖槽等命令對初步的三維模型進行編輯，生成絲桿螺母副的三維模型。

使用時，只需單擊“零件幾何體”命令，在彈出的菜單上選擇需要修改的參數(shù)，輸入數(shù)值后系統(tǒng)會自動更新各元件的幾何尺寸，能實現(xiàn)個元件的同步、快速修改。最后建立的停車庫三維模型如圖5所示。

圖5 懸浮式旋轉停車庫三維模型

4 運動仿真與分析

仿真之前，將要仿真模型所需的部件在裝配模式下按照技術要求進行裝配。裝配時應在能滿足合理裝配的前提下，盡量少用約束，以免造成約束之間互相干涉[8]。以旋轉裝置的運動仿真為例：

(1) 通過“開始(S)”-“數(shù)字模擬”-“DMU Kinematics”進入到運動仿真模式，在“插入”下，點擊新機制命令，可看到目錄樹Application下添加了Mechanisms-Mechanism.1。

(2) 添加兩個旋轉鉸。點擊旋轉鉸，在出現(xiàn)的對話框Line1后的空格選擇主動齒輪的軸線，在Line2后的空格選擇側板孔的軸線，在Plane1后的空格選擇主動齒輪的端面，在Plane2后的空格選擇側板的端面，點選Angle driven即可。重復上述步驟給從動齒輪添加旋轉鉸，從動齒輪不能點選Angle driven，因為它要被主動齒輪帶動。

(3) 添加齒輪鉸。在對話框中點選齒輪鉸，出現(xiàn)齒輪鉸的對話框，在Revolute Joint1后的框里點選剛創(chuàng)建的主動齒輪旋轉鉸Revolute Joint1；在Revolute Joint2后的框里點選剛創(chuàng)建的從動齒輪旋轉鉸Revolute Joint2；Ratio定義為-1，以為主從齒輪轉向相反；點選Angle driven for revolute1.就是主動輪驅動。

(4) 添加固定鉸：點擊固定零件圖標，用鼠標選中側板即可。這時系統(tǒng)會提示，可以進行仿真了。

(5) 運動仿真：點擊命令模擬，出現(xiàn)運動模擬對話框，這時，系統(tǒng)一般默認命令角度范圍是：-360～360，點擊角度后的“…”可以修改范圍。點選On request，否則拖動游標時，系統(tǒng)無法記錄運動過程。完成上述內容并拖動游標，仿真開始。

通過運動仿真可知，四個停車位之間應留有足夠的距離，以應對轉動慣性；升降系統(tǒng)梳齒結構尺寸必須精確，以免造成錯位打齒；運動元件間需添加正確的連接方式，絲桿、齒輪軸、上下銷軸等鉸接處使用銷釘連接，絲桿螺母、升降平臺等移動部位使用滑動桿連接。

5 結 語

以設計一種空間利用率高、占地面積小、制造成本低、便于停車的停車庫為設計目標，設計出了一種新型的車庫。該停車庫建立在道路旁的草坪上，停車位懸空在草坪上，占地面積小。將梳齒交錯結構和典型機械傳動方式運用于車輛的存取運動和交接，巧妙地實現(xiàn)車輛的交接及轉移。應用橫移機構驅動4個懸臂停車位，使電機數(shù)量從4個減至1個；采用鏤空式設計減少材料重量，降低了制造成本。在大膽創(chuàng)新的設計過程中，不僅有為解決城市停車難的問題提供一種良策，對促進我國停車場設計的不斷創(chuàng)新也同樣具有一定的現(xiàn)實意義。