葛云皓+袁佶鵬+殷錕+張富豪

摘 要：針對停車位緊缺，停車難等現(xiàn)實問題，文中設計了一款雙層無障礙立體停車設備。該設備由回轉車板，控制模塊，驅動模塊等組成，可有效緩解臨時場地的停車壓力，具有良好的社會效益與經濟效益。

關鍵詞：立體停車設備；回轉車板；控制模塊；驅動模塊

0 引 言

停車設備主要基于車架機械臂系統(tǒng)、車板回轉系統(tǒng)、驅動系統(tǒng)及控制系統(tǒng)實現(xiàn)其無障礙停車功能；車架機械臂系統(tǒng)通過機械臂與車架的配合實現(xiàn)停車板水平上升和下降，在實現(xiàn)無障礙停車的同時，提高過程的穩(wěn)定性和安全性。車板回轉系統(tǒng)主要由可旋轉停車板和防護板組成，前者減小了停車半徑，提高了該設備的場地適應性；后者則起到應急保護作用。驅動系統(tǒng)通過電機、變速箱、齒輪、鏈條之間的配合為整個機構提供動力來源?？刂葡到y(tǒng)通過在設備特定位置安裝傳感器和行程開關獲取實時信號，經中央控制器處理后，再將指令傳到各處電機，以實現(xiàn)對停車、取車過程的全自動控制。

1 作品的創(chuàng)造性、先進性、可行性、實用性

該作品具有安全穩(wěn)定的舉升方式，易拆卸可移動，節(jié)省空間，停電應急功能，回轉車板等優(yōu)勢。該作品的總體設計圖如圖1所示。車架外形如圖2所示。

2 工作原理

2.1 車架機械臂系統(tǒng)

機械臂通過螺栓聯(lián)接安裝在車架前端，支撐上車板完成平穩(wěn)上升下降運動。機械臂桿組及細節(jié)如圖3所示。

2.1.1 車架

作為設備的重要受力結構，車架采用桁架結構在滿足受力要求的前提下減少整體質量，體現(xiàn)了便攜性；設備車體前段設置了導軌，焊接有滾輪的上車板在機械臂的支撐下沿導軌運動，通過運動仿真分析，精確設計導軌形狀，在功能方面滿足了車板下降時的平穩(wěn)運行。同時，依據汽車外形設計支撐結構，盡可能減少占地面積，充分利用了空間，體現(xiàn)了經濟性。

2.1.2 車架機械臂

車架機械臂類似于人的手臂，具有限位結構，支撐上車板完成給定軌跡的舉升運動。

該機構為五連桿機構，自由度大于1，原動件數(shù)目為1，若考慮理想狀態(tài)即無重力的平面運動，則機構運動狀態(tài)無法確定；若要使運動狀態(tài)能夠確定，則在四根桿件轉動時必須保證在同一時間只有一根桿件轉動，以確定運動路線。當支撐架下降時，由于重力作用與桿件結構的阻擋，使得桿件的運動形式為：首先其余三根桿緊壓在一起，第四根桿轉動；當?shù)谒母鶙U接觸地面后，前兩根桿繼續(xù)緊壓，第三根桿轉動，最后第二根桿轉動，直到支撐架觸地。

車架的結構需要根據桿件運動軌跡定義，而運動軌跡又要考慮車架的結構，因此在第四根桿下降時，支撐架為水平運動，使支撐架后端運動到車架圓弧處，剩下的桿件運動時，支撐架沿車架圓弧處下降。為使車架圓弧結構簡單，需要在第三根桿件運動時，支撐架下落大部分高度。綜合以上要求，我們做出了理想運動軌跡圖并驗證了其合理性。

2.2 回轉車板系統(tǒng)

該系統(tǒng)主要由旋轉車板和車板防護機構組成。主要完成回轉上車和回轉下車，并在車架機械臂系統(tǒng)的支撐下升降車輛。旋轉車板是車輛停泊過程中的載重平臺，車板防護機構可防止在停車過程中，車輛在旋轉車板上抖動和滑落，可有效保障停車安全。停車板回轉機構如圖4所示。

2.2.1 旋轉車板

旋轉車板是設備回轉機構的重要組成部分，可使停車板繞回轉機構軸心旋轉一定角度，方便汽車直接開上停車板，減少了轉彎半徑。軸承采用三排圓柱滾子轉盤軸承，將起重機回轉部分支持在非回轉部分，保證回轉部分有確定的運動，并承受回轉部分作用于其上的垂直力、水平力和傾覆力矩。蝸輪蝸桿傳動可防止車板倒轉，保證停車安全。設備軸承整體與局部實物圖如圖5所示。

2.2.2 車板防護機構

該裝置通過四連桿機構及其限位槽的配合完成了純機械化的防護板的上下旋轉。當車板在上下車落地時，車板放下為上下車提供斜度坡道，當停車板在半空移動時防護板上彈起到車體防護作用。整個機構由旋轉車板自行觸發(fā)，利用限位槽限制其運動。車板防護裝置如圖6所示，防護裝置與局部實物圖如圖7所示。

2.3 驅動模塊

該模塊主要由鏈輪、棘輪、變速箱、電機、皮帶輪等組成，為設備提供動力。由控制模塊帶動電機正反轉，經減速機減速、齒輪組二次減速與皮帶輪的傳遞作用，將扭矩傳遞至從動軸，由從動軸帶動鏈輪轉動，鏈輪帶動鏈條，停車板下的支撐架后端與鏈條固連，完成動力輸送。鏈條正轉，停車板受向上的拉力，完成舉升過程；鏈條反轉，停車板受向下的拉力，完成下降過程。動力系統(tǒng)總裝圖如圖8所示。

經計算，該停車設備選取了P=18.5 kW的交流電機，通過和蝸輪蝸桿減速機的配合，獲得了合適的速度，也擁有了能夠帶動整個設備正常運轉的動力。

除控制車板上下運動的交流電機，停車板旋轉的動力來源是一個小型的步進電機，通過控制模塊使大小電機相互配合，實現(xiàn)自動控制。電機配合效果圖如圖9所示。

2.4 控制模塊

控制模塊包括中央控制器（以單片機為主），設備特定位置安裝的各傳感器、行程開關和控制器等。傳感器和行程開關獲取實時信號，經中央控制器處理后，再將指令傳到電機，以實現(xiàn)對停車、取車過程的全自動控制。單片機實物如圖10所示，MOS管集成模塊如圖11所示，MOS管電路如圖12所示，傳感器及開關布置如圖13所示。電器傳感器件一覽表如圖14所示。

2.4.1 回轉車板控制

停車設備的回轉車板通過小型步進電機帶動與之固連的大齒輪來實現(xiàn)其運動功能。由單片機控制步進電機進行順、逆時針的90°的旋轉來實現(xiàn)。其中，在單片機集成模塊上有相應的按鍵設置，依靠它和驅動模塊實現(xiàn)正、反、和停轉。

單片機由5 V直流電作供電電源，通過一個MOS管集成模塊實現(xiàn)直-直變壓，為步進電機供電，以完成工作。

2.4.2 車板整體上下移動控制

該功能的實現(xiàn)主要通過行程開關、光電開關和光電傳感器的配合實現(xiàn)對車板位置的檢測和控制。光電傳感器實時檢測車板所處位置，當車板到達極限位置時，光電傳感器和行程開關及時反饋，經中央控制器的處理，使電機停止工作，保證設備的正常運行。行程開關與光電開關實物如圖15所示。

2.4.3 主控程序部分

該部分主要由單片機控制和傳感器檢測共同實現(xiàn)。主控程序框圖如圖16所示。

印制電路板經軟件方面的原理設計、實際加工等程序，可以實現(xiàn)設備的自動化控制過程。初步PCB原理圖如圖17所示，實際加工PCB如圖18所示，PCB設計效果圖如圖19所示。

車庫的控制模塊由各類元件共同實現(xiàn)，能夠對車庫的進程實現(xiàn)精確定位和掌握，保證系統(tǒng)的安全性和標準性。

3 數(shù)據計算分析

3.1 車架機械臂系統(tǒng)設計

3.1.1 車架運動仿真

通過支撐架上一點運動的仿真，得出圖20所示的運動仿真圖與圖21所示的運動模擬圖。從圖22所示的角位移曲線中可以看出，支撐架的在整個運動過程中的最大角位移為-2.6°，即支撐架傾斜的最大角度為2.6°，接近理論計算值。由圖23所示的線速度曲線圖可知，整個運動基本處于平穩(wěn)狀態(tài)，只有小段時間線速度有波動，對比角位移以及運動軌跡，這一段恰好為滾輪從內側軌道脫離，支撐架處于傾斜角度最大處，可能是因為滾輪脫離的一瞬間有一小段向下加速運動，使得線速度產生波動。

3.1.2 車架機械臂的有限元分析

車架機械臂作為整個產品的支撐部分，其強度決定了產品的壽命與安全性。機械臂劃分為單元體如圖24所示，家具類型及數(shù)據如圖25所示，家具材料參數(shù)如圖26所示，連桿應變圖如圖27所示，機械臂應力圖如圖28所示。

車架機械臂的強度分析通過SolidWorks軟件進行SimulationXpress。

（1） 首先將模型導入，劃分網格，劃分成有限個單元體，進行分析計算。

（2） 然后為模型添加夾具，添加在第一根連桿和第五根連桿支座處。

（3） 為模型選取材料，我們選取的是合金鋼，其屈服強度為620 MPa。

（4）通過SolidWorks軟件分析獲得應變圖，應力圖及位移圖。

經SolidWorks分析可知，五連桿最危險點位于第五根連桿支座處，我們選取的合金鋼在此處的安全系數(shù)為7.6，由此證明材料選取是合適的。

3.2 回轉車板設計

3.2.1 旋轉車板

旋轉車板是設備回轉機構的重要組成部分，用于使停車板繞回轉機構軸心旋轉一定角度，使汽車可以直接開上停車板，減少了轉彎半徑。

在電機與減速機的選取時，車板的當量半徑為1 500 mm，按模型質量500 kg，車板轉速為1/12 r/s計算可得車板轉動的最小扭矩T為：

T=（1/2）mr2×（1/12）×π=（1/2）×500×1.52×（1/12）×π=147 N·m

而所需要的驅動軸扭矩T=M，使用效率fb=0.9，所以電機的輸出功率P為：

P=Tn/9 550=147×（1/12）×60=735 W

即選取P=0.75 kW的電機較為合適。

3.2.2 車板防護機構

停車板防護機構通過四連桿機構及其限位槽的配合完成了純機械化防護板的上下旋轉。當車板在上下車落地時車板放下為上下車提供斜度坡道，停車板在半空移動式防護板上彈起到車體防護作用。整個機構由旋轉車板自行觸動，利用限位槽限制其運動。

當上車板旋轉時，防護板首先保持向上30°的姿態(tài)，當上車板旋轉到90°時，構件1的a端觸到下車板上的擋板從而推動整個機構到達虛線狀態(tài)，此時防護板落下，成30°角。

當上車板反向旋轉后，構件1的a端脫離擋板，構件1的a端裝有彈簧，彈簧由壓縮狀態(tài)變成自由狀態(tài)，帶動機構恢復到實線狀態(tài)，并利用構件3、4的死點位置形成自鎖裝置，防止斜坡反轉。

3.3 驅動模塊設計

與電機相連的軸采用20 mm的實心軸，與鏈輪相連的軸采用40 mm的實心軸。主動軸與從動軸之間用齒輪相連。主動軸上為M=3，Z=15的直齒輪，從動軸上為M=3，Z=40的直齒輪。從動軸由兩個完全相同的半軸對接而成，中間用聯(lián)軸器相連，兩端分別帶有鏈輪，帶動鏈條轉動。

電動機選取全封閉自扇冷式三相鼠籠式異步電動機，外殼防護等級為IP44，冷卻方法為IC411，連續(xù)工作制。額定電壓為380 V，電壓頻率為50 Hz。工作環(huán)境為-15～40℃，符合大多數(shù)地區(qū)的環(huán)境需求。

減速機為擺線針輪減速機，單機傳動，減速比在6至87之間。一般選用35、43、59等減速比較為合適，使用效率一般在90%以上，傳動效率一般在94%以上，占地面積較小且傳動效果較好。

測量得到板的重心與驅動軸中心相距2 000 mm，按模型質量500 kg計算可以得到將車升起的最小力矩M，而所需力矩T=M。

選取減速機減速比X1=43，齒輪的齒數(shù)比X2=40/15，使用效率fb=0.9，所以選用輸出功率P=18.5 kW的電機較為合適。

4 創(chuàng)新點

該系統(tǒng)具有如下創(chuàng)新點：

（1）舉升方式。以鏈條為主動力，車架和機械臂為支撐的水平舉升方式開辟了更加安全穩(wěn)定的無障礙停車模式。

（2） 易拆卸可移動。安裝不需要提前設置地基，適合臨時快速搭建。

（3） 節(jié)省空間。通過對空間的有效安排達到空間的最大化節(jié)省。

（4）停電應急。電機處增加手柄，在停電時電機自動抱死，通過搖動手柄停車或下車。

（5）回轉車板。有效減小了停車半徑，車板上的防護機構通過機械方式實現(xiàn)了自動觸發(fā)，起到應急保護的作用。

5 市場前景

我們設計的雙層立體車架將傳統(tǒng)的地上停車場改裝為雙層立體停車場，縱向提高了城市地上空間的利用率。停車設備利用車架機械臂系統(tǒng)、車板回轉系統(tǒng)、驅動系統(tǒng)及其控制系統(tǒng)的平穩(wěn)運行，使整個停車過程安全可靠，且整個二層停車過程與一層車輛互不干涉，實現(xiàn)無障礙停車模式。本設備適合臨時快速搭建，例如大型體育館或大劇院等不定期需要大量停車位的場所。

本產品應用范圍較廣。本系統(tǒng)可以有效緩解臨時場地的停車壓力，例如體育比賽場館外由于比賽造成的汽車阻塞，可以通過安裝本設備增加一倍的停車能力；小區(qū)停車系統(tǒng)可以安裝本設備，通過對本系統(tǒng)的管理，小區(qū)的汽車可以有條不紊的快速存取，有效降低了停車成本；本設備可以設置在廣場等空置地方收費停車位，由于空間的有效節(jié)省，為廣大有車一族提供了極大便利；安裝在大型商場、超市、醫(yī)院等服務場所。

我們已經完成了模型完善與實物制作，并成功申請了國家專利，之后將要實現(xiàn)模型產品化，通過參加創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)類比賽，以項目為依托進行創(chuàng)業(yè)。在2014年創(chuàng)青春挑戰(zhàn)杯大賽中該項目在創(chuàng)業(yè)類項目中獲得山東省金獎并成功走向國賽。最終，我們希望能夠實現(xiàn)產品商業(yè)化，進行市場推廣，使我們的產品真正服務于社會。