垂直循環(huán)立體車庫設計

薛 彪，張可兒

(隴東學院 電氣工程學院，甘肅 慶陽 745000)

當下，伴隨著經濟的高速發(fā)展，我國的城市化水平在持續(xù)不斷地提高，道路交通設施也得到了較快的發(fā)展，從而使得大眾的購車需求一直保持旺盛的勢頭。越來越多的人選擇汽車作為代步工具，使得我國汽車保有量一直呈直線上升趨勢。截至2017年底，我國的汽車保有量已經達到3.10億輛[1]。汽車保有量的增加在加重交通壓力的同時，違法占用城市主干道停車、私自占用城市小區(qū)綠地停車等問題都顯現(xiàn)了出來[2]。這從另一方面也說明由于我國城市人口眾多以及城市規(guī)劃和交通規(guī)劃不合理，導致城市的停車設施嚴重不足。所以，增加城市道路的停車位以及建設大型停車場已成為城市發(fā)展建設中必須解決的問題，但同時一些大型城市也遭遇著土地資源緊缺與城市產業(yè)發(fā)展之間的尖銳矛盾[3]。顯然，在大型城市增設大型停車場的方案是行不通的。因此，立體車庫在大中型城市的建設勢在必行。

立體車庫就是切入平面式停車場的占地面積大、有效停車位少、難管理且對人員和車輛的安全保障性差的弊端而設計的，它具有土地利用率和空間利用率高、使用操作簡單、安全可靠、適應性強等特點[4]，這是解決我國一線城市停車難問題的最佳選擇。因此，立體車庫的建設勢在必行。

立體車庫最早出現(xiàn)于20世紀的美國，我國的機械式立體車庫早期的研究和開發(fā)工作開始于20世紀80年代。1989年，河北承德的華一機械車庫集團有限責任公司建造起了國內第一臺垂直循環(huán)類的立體車庫，開創(chuàng)了國內機械式立體車庫建設的先河。90年代開始引進和生產停車設備，在北京、上海、天津、深圳等地都有使用[5]。近幾年來，立體車庫的發(fā)展勢頭非常迅猛，部分大型的公共場所建設有大型公共停車庫。

立體車庫在我國城市中的發(fā)展勢頭迅猛，其設計與制造技術必然會在今后有大幅度提升,因此，對于立體車庫的研究與設計具有一定的社會價值。

1 立體車庫的功能以及總體設計方案

目前，我國應用的立體車庫主要有多層循環(huán)式，垂直提升式，升降橫移式，平面移動式等[6]。從其各自的特點來分析，多層循環(huán)式立體車庫適用于細長形的地帶；垂直提升式立體車庫自高比較高；升降橫移式立體車庫需要的占地面積較大；平面移動式也相同地需要占用較大的土地面積。而城市的商業(yè)區(qū)，醫(yī)院以及住宅小區(qū)中，空地的面積一般都小且非常分散，又考慮到低層建筑的采光問題，不能滿足有過高建筑的地帶[7]，所以，垂直循環(huán)式立體車庫是本次設計的最佳選擇方案。又根據(jù)我國城市的一些空閑地帶的結構及特點，在設計方案中最后確立了一種最佳的方案作為設計方案。

1.1 立體車庫的功能及結構

設計立體車庫，就意味著要擺脫傳統(tǒng)平面式車庫的定義，將平面式車庫立體化，采用單通道(只用一個通道解決停車和取車的問題)。既能在有限的土地面積上存放更多的車輛，又能有效地利用城市小區(qū)中空閑的邊角地帶，保證車輛的安全且不破壞綠化環(huán)境[8]。

垂直循環(huán)立體車庫的原理圖如圖1所示。垂直循環(huán)立體車庫必須有框架支撐，傳動系統(tǒng)要保證其具有循環(huán)功能。還需設計控制電路，使其按照設計安全平穩(wěn)地運行。所以，設計為鋼結構框架支撐，控制系統(tǒng)控制電動機通過減速機帶動鏈輪、鏈條旋轉，將轎車停放在轎廂內，由鏈條帶動轎廂在車庫支架上進行垂直循環(huán)運行[9]。當轎廂在最低位時，車輛可以進、出，從而達到存、取車的目的。

圖1 垂直循環(huán)立體車庫原理圖

1.2 車庫設計總體方案

(1)結構組成

垂直循環(huán)立體車庫主要分為機械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)兩部分。機械系統(tǒng)有傳動機構和整體框架支撐機構，控制系統(tǒng)是控制機構。

(2)功能分析

整體框架支撐機構主要起支撐作用，支撐傳動機構，從而形成立體車庫；控制機構是由手動按鍵發(fā)出信號，控制電路處理信號并響應，從而啟動電機提供動力以及通過位置開關停止電機；傳動機構主要負責動力傳輸，鏈輪帶動鏈條以及連接在鏈條上的轎廂在設定的軌道上運行，使轎廂在預定的位置啟、停，達到存、取車的目的。

(3)存、取車流程

存車時，司機將車開到車庫進口位置，檢測有空車位，選擇要停放的車位，控制機構控制傳動機構運行，待所需車位傳動到最底層，當傳動機構停止運行后，便可將車停入車庫，存車流程完成。取車時，司機只需選擇控制盤中已停放車輛車位序號的按鍵，控制機構便會控制傳動機構運行，將所選擇車位傳動到最底層，司機即可上車將車開出車庫，取車流程完成。這樣一套完整的存、取車流程就結束了。

2 立體車庫總體結構設計

按所確定立體車庫的功能，其結構應分為機械系統(tǒng)與控制系統(tǒng)，機械系統(tǒng)主要是框架和傳動機構，主要負責停車轎廂的運輸工作，控制系統(tǒng)主要為控制電路，負責控制機械系統(tǒng)中傳動機構的運行。

2.1 機械系統(tǒng)的設計

在垂直循環(huán)立體車庫的設計中，機械系統(tǒng)的設計是立體車庫總體設計的核心之一，即機械系統(tǒng)設計的成功與否，決定了立體車庫能否適應復雜的城市小區(qū)地形，以及它的安全性和使用壽命。

2.1.1 機械系統(tǒng)組成與工作原理

機械系統(tǒng)，主要由整體框架、傳動機構和動力機構組成。整體框架起支撐作用，傳動機構和動力機構都應固定在框架上；傳動機構主要由鏈輪和鏈條組成，負責固定轎廂以及運輸轎廂在固定的軌跡移動；動力機構主要由電機和減速器組成，負責給傳動機構提供動力，確保轎廂能夠安全、平穩(wěn)的運行。

(1)垂直循環(huán)立體車庫機械系統(tǒng)的總體結構

垂直循環(huán)立體車庫機械系統(tǒng)結構圖如圖2所示。單通道的立體車庫，通過整體框架的支撐，將整個傳動機構合理地分布在框架上，由電機減速器為傳動系統(tǒng)提供動力，使其安全、平穩(wěn)地運行。

圖2 整體框架結構圖

(2)傳動機構

傳動機構工作流程：傳動機構是垂直循環(huán)立體車庫機械系統(tǒng)的核心。本設計的傳動機構是由電機轉動通過減速機達到減速效果。聯(lián)軸器聯(lián)動主動鏈輪軸，帶動2個主動鏈輪旋轉，主動鏈輪通過鏈條帶動從動鏈輪同步轉動，轎廂是固定在鏈條上的，因此，轉動的速度與電機減速機的轉動速度一致。

鏈輪和鏈條設計：針對目前垂直循環(huán)立體車庫主要存在的振動和噪聲較大、設備運行不夠平穩(wěn)的問題，本設計采用鏈條傳動，可以很好地解決部分問題。設計車庫的頂端和低端各設有2個轉動鏈輪，上、下鏈輪間由鏈條連接，實現(xiàn)上、下鏈輪同步轉動，底端2個鏈輪間由鋼軸連接，鋼軸連接電機減速器軸，因此下鏈輪與上鏈輪為主動和隨動的關系。

鏈條由剛性鏈節(jié)通過鋼軸鉸接而成，當主動鏈輪以一定的速度運動時，鏈條速度與從動輪同步變化。

轎廂的設計：在垂直循環(huán)立體車庫的設計中轎廂的作用是停放車輛[10]，轎廂主要由框架、橫軸架、底板以及防溜滑裝置構成。主體框架采用鋼結構式設計，保證安全的承載車輛；橫軸架加裝軸承，確保轎廂懸掛安全，運行平穩(wěn)以及在運行時有效地減小摩擦以及摩擦產生的噪音；轎廂底板加裝防溜滑裝置，車輛駛上轎廂至定位，在汽車無人操控的情況下不會發(fā)生溜滑。

(2)動力機構

電機選擇：電機是垂直循環(huán)立體車庫運行的動力來源。電機的型號多種多樣，按照電源類型可分為：直流電機和交流電機，具體型號需按照使用環(huán)境中的電源類型進行選擇。一般對于電機轉速和穩(wěn)定性的要求較高。在本設計中，對傳動機構的傳動速度要求較高，所以，在選擇電機時，主要考慮電機的穩(wěn)定性和轉速。通過對比，最后選擇1200r/min的電機。

減速機的選擇：為了實現(xiàn)本設計中立體車庫的機械系統(tǒng)的正常運行，將1200r/min電機直接與傳動機構連接顯然不合實際，一是轉速太快會導致轉動慣量過大，造成的危害無法估量；二是電機轉動的扭力不夠，導致傳動系統(tǒng)無法正常工作，且還會給電機造成嚴重的傷害。為了解決這一系列問題，就必須在傳動系統(tǒng)中引入減速機。

減速機是一種降低轉速從而增加轉矩的設備，由剛性殼體將其封閉。其內部的傳動部件主要有齒輪和蝸桿，根據(jù)產品的設計需求還有齒輪和蝸桿配合傳動，增加其降速和加轉矩的性能。減速機最常見的用途是對于原動機與工作機或執(zhí)行機構之間匹配轉速與傳遞轉矩，其機械結構相對精密，是現(xiàn)代機械中應用廣泛且極為重要的一種設備。

減速機的種類繁多，型號各異，按照類型可將其分為行星齒輪減速機、蝸輪蝸桿減速機、諧波減速機。不同的種類也有不同的用途，減速機的選擇是需要按照設計需要，選擇最合適的類型。

齒輪減速機與其他減速機相比具有體積小、扭矩大的特點。行星齒輪減速機在結構設計上比較緊湊，而且主軸在運轉中回程間隙比較小，旋轉精度比較高，更重要的是其使用壽命相對較長。蝸輪蝸桿減速機最大的特點是其具有反自鎖的功能，根據(jù)具體應用需求，轉速比可以做得比較大，但是由于蝸輪和蝸桿的結構特點，其輸出軸與輸入軸不能在同軸，更不能在同一平面，所以渦輪蝸桿減速機的缺點是體積相比其他減速機較大。諧波減速機主要利用的是諧波傳動，其利用柔性材料的特點，控制其彈性形變量的原理將原動機得到的動力傳動到執(zhí)行機構，從而實現(xiàn)降速與加轉矩的功能，主軸在運轉中的回程間隙比較小，旋轉精度比較高，但由于柔性材料的壽命有限和抗沖擊能力相比于剛性材料而言比較弱，所以其輸入需要低轉速。

根據(jù)設計要求，為保證安全，垂直循環(huán)立體車庫的傳動機構在停止運行后，在未發(fā)出下一個轉動信號之前，必須保持穩(wěn)定，不發(fā)生動作，因此傳動機構必須具有自鎖功能，所以，垂直循環(huán)立體車庫的動力機構減速機，應選擇蝸輪蝸桿減速機。

選擇合適的減速機減速比，才能確保動力機構保持平穩(wěn)的輸出，因此傳動機構的鏈輪應保持3r/min左右。

減速比：

(1)

n1=1200r/min

(2)

n2=3r/min

(3)

可得減速比：

I=40∶1

(4)

式中：I為減速機的減速比；n1為電機的轉速；n2為減速機輸出轉速。

因此，由計算得到減速機應選擇減速比為40∶1的蝸輪蝸桿減速機。

2.2 控制系統(tǒng)的設計

垂直循環(huán)立體車庫的控制系統(tǒng)是用戶通過控制按鍵發(fā)出信號，設計電路對信號進行接收及處理后響應，從而使處理后的信號達到控制機械系統(tǒng)，實現(xiàn)最終設計的效果。

2.2.1 控制系統(tǒng)的組成與工作原理

控制系統(tǒng)的設計是立體車庫總體設計的另一個核心設計，主要是控制盤和控制電路[11]?？刂票P主要由電源開關和自復位按鍵組成，用戶須先打開電源開關再通過按鍵選擇所需的車位；控制電路主要由開關、中間繼電器和行程開關組成，負責控制電機啟、停，響應用戶選擇的車位信號。其工作原理圖如圖3所示。

圖3 控制系統(tǒng)工作原理圖

(1)控制盤

控制盤是布置監(jiān)控過程所需的儀表、控制設備(包括鍵盤和鼠標)、信號裝置和屏幕顯示器等的結構裝置。本設計中控制盤所需要安裝的是控制設備，包括開關和自復位式按鍵。

自復位式按鍵：按鈕和底殼上各固定有金屬觸點，底殼的觸點稱為靜觸點，按鈕的觸點稱為動觸點。當按下按鈕，動觸點和靜觸點相接觸，開關打開形成通路；當放開按鈕，復位裝置作用，將按鈕彈起，動觸點與靜觸點斷開，開關斷開形成短路。

自鎖式電源開關：自鎖開關是開關的一種，具有自鎖功能，第一次按下后產生自鎖，按鈕不會彈起，保持通路；第二次按下按鈕后，復位裝置啟動，由內置彈簧將按鈕彈起，開關斷開產生段路。由于本設計中，電源不需要隨時通斷，因此，須選擇自鎖式電源開關。

電源指示燈：起指示電源連接是否正常工作的作用。

(2)自鎖電路

在垂直立體車庫的設計中，電機啟、停設計是按鈕開關無法完全控制的，這就需要引入自鎖電路。自鎖電路是電路的一種，其主要組成為自復位常開按鍵、自復位常閉按鍵和繼電器[12]。按下自復位常開按鍵，松開后電路仍然保持通電，直到按下自復位常閉按鍵后，電路才斷開。

自鎖電路圖將開關SB1、SB2串聯(lián)在繼電器的主觸點(繼電器線圈)KM上。與此同時，將繼電器的副觸點(常開觸點)KM1與開關SB2并聯(lián)(并且與主觸點SB1接通)。當按下開關SB2時，副觸點(常開觸點)KM1由于通電而吸合，電路通電；當松開開關SB2之后，由于副觸點KM1已經通電吸合，并且持續(xù)向繼電器主觸點的線圈KM供電，線圈反過來又保持副觸點KM1吸合。再將線路從繼電器輸出端引出，電路就可以保持持續(xù)的通電。

自鎖電路能夠簡單、有效地控制電機按照設計合理的啟、停，能更好地達到存、取車的目的。

(3)中間繼電器的選擇

中間繼電器：中間繼電器是自動控制系統(tǒng)和繼電保護系統(tǒng)中應用比較廣泛的電路元器件，在控制電路中起中間信號傳遞的作用。結構組成主要是外殼、觸頭和線圈。線圈裝在導磁體上構成一個電磁鐵，外殼上固定有通過杠桿原理設計的金屬片，其中一端固定有彈簧。電磁鐵通電吸附金屬片的另一端，彈簧拉伸；電磁鐵斷電，通過彈簧使金屬片復位。觸頭固定在金屬片的兩端，通過電磁鐵將金屬片吸附或分離產生觸點的接觸與斷開。

控制電路的設計中選用的中間繼電器型號為HH52P。其中1和4為兩個聯(lián)動的輔助常閉觸電；5和8為兩個聯(lián)動的常開觸點；9和12為靜觸點，用于連接導線；KM為線圈；觸點13和14分別連接控制系統(tǒng)的負極和正極，用于為線圈KM通電。

(4)行程開關

行程開關是利用機械在運行過程中，擋鐵對其接觸使得觸頭動作來實現(xiàn)控制電路的接通或斷開，限制機械運動的行程或啟、停位置，使得運動中的機械按預定的行程或位置自動啟動或停止，從而達到控制目的。

在垂直循環(huán)立體車庫的設計中，行程開關的作用主要是實現(xiàn)車位轎廂在運行過程中的定位控制。行程開關的作用就是自鎖電路中的自復位常閉開關，利用機械運動時，擋鐵與其觸頭接觸實現(xiàn)斷開與閉合動作。

行程開關根據(jù)其閉合形式，可分為常閉式和常開式。根據(jù)設計，行程開關是控制垂直循環(huán)立體車庫轎廂的停止位置，分析轎廂的整體運動方式為平動，因此選擇直動式行程開關，又根據(jù)電路設計的要求，其閉合形式選擇常閉式。

2.2.2 控制系統(tǒng)的總體結構

由設計可得，控制系統(tǒng)的總體結構電路圖如圖4所示。

圖4 控制系統(tǒng)電路圖

圖中：U為電源；S為電源總開關；SB為自復位式按鈕；KM為中間繼電器的線圈；K為中間繼電器的輔助觸點；S為行程開關；M為電動機。用戶通過選擇自復位式按鍵SB1—SB6選擇所要停放的1—6號車位。

以SB1為例：用戶選擇1號停車位，按下SB1按鍵，中間繼電器線圈KM1得電，使其輔助觸點K1和K1.1同時閉合，電機M開始運轉。當松開SB1按鍵時，由于輔助觸點K1仍處于閉合狀態(tài)，所以電機依舊平穩(wěn)運轉。當1號車位運行到車庫最底層，行程開關S1碰到擋鐵斷開，從而使電路斷開，中間繼電器線圈KM1失電，使得輔助觸點K1和K1.1同時斷開，電機停止運行，這樣，一次存、取車的控制系統(tǒng)運行流程結束。

3 數(shù)據(jù)實測

垂直循環(huán)立體車庫模型設計完成。

機械系統(tǒng)模型如圖5所示。

圖5 機械系統(tǒng)模型圖

控制系統(tǒng)模型如圖6所示。

圖6 控制系統(tǒng)模型圖

設計與模型制作完成，并對其空載運行與滿載運行狀態(tài)下的車位轉換時間進行運行測試并分析測試結果。

空載的情況下，車位轉換時間如表1所示。

表1 車位空載轉換時間表

所測數(shù)據(jù)：第一次測試中每車位平均轉換時間為4.215s；第二次測試中每車位平均轉換時間為4.215s；第三次測試中每車位平均轉換時間為4.218s。即在空載情況下，每車位平均轉換時間為4.216s。

滿載的情況下，車位轉換時間如表2所示。

表2 車位滿載轉換時間表

所測數(shù)據(jù)：第一次測試中每車位平均轉換時間為4.211s；第二次測試中每車位平均轉換時間為4.211s；第三次測試中每車位平均轉換時間為4.225s。即空載情況下，每車位平均轉換時間為4.215s。

根據(jù)對所設計垂直循環(huán)立體車庫的空載和滿載情況下的數(shù)據(jù)實測，兩種情況下每車位轉換時間相差0.001s，滿足設計要求。

4 結語

設計一款垂直循環(huán)立體車庫系統(tǒng)，可以改善我國大中型城市停車設施不足的狀況。用框架結構和傳動系統(tǒng)將普通的平面車庫立體化，并實現(xiàn)垂直循環(huán)運轉，提高等面積情況下的可停車數(shù)量，且操作簡單，可解決城市停車位緊缺的問題。

垂直循環(huán)立體車庫由機械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)兩部分構成，傳動機構選用鏈條傳動，動力機構選用電機聯(lián)動自鎖式減速機，安全穩(wěn)定；控制系統(tǒng)中控制電路選用按鍵配合中間繼電器實現(xiàn)自鎖的設計，所有機構巧妙配合，實現(xiàn)立體車庫的正常運轉。對車庫空載和滿載情況下的運行狀況進行測試，通過數(shù)據(jù)的對比分析，確定滿足設計要求。