王新燕，范大偉，王 遠(yuǎn)

（南京航空航天大學(xué) 金城學(xué)院，江蘇 南京 211156）

1 引言

停車棚是用來(lái)停放汽車的防護(hù)裝置，使汽車免受雨雪、日曬、沙塵的侵害，目前市場(chǎng)上的停車棚主要分為固定式和活動(dòng)式兩種。固定式停車棚占用占地空間較大，影響空間視線，安裝好后不易移位；另外，固定式車棚大部分不能全方位覆蓋車輛，且由于車位相對(duì)開放而影響相鄰車輛進(jìn)出?；顒?dòng)式停車棚具備折疊特性，移動(dòng)方便，但收放需手動(dòng)完成，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且帆布覆蓋材料的車棚在打開處于工作狀態(tài)時(shí)受風(fēng)面積大，抗風(fēng)性較差，安全性不夠，美觀性不足。對(duì)于擁有獨(dú)立院落住宅的用戶來(lái)說(shuō)，住所有較大的院落空間，適合家庭戶外活動(dòng)，固定式和活動(dòng)式停車棚都不夠理想，用戶希望停車棚能夠使用方便、美觀大方、功能多樣，同時(shí)占用較少的場(chǎng)地。基于以上問題，研究將液壓傳動(dòng)的三鉸點(diǎn)機(jī)構(gòu)用于停車棚的設(shè)計(jì)，以折疊式結(jié)構(gòu)可以有效解決上述問題。

2 產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的折疊結(jié)構(gòu)

人類認(rèn)識(shí)并使用折疊結(jié)構(gòu)歷史悠久，中國(guó)在春秋時(shí)期就發(fā)明了可以撐合的雨傘，胡床又開啟了折疊式家具在中國(guó)的運(yùn)用。歐洲文藝復(fù)興時(shí)期的藝術(shù)與科學(xué)巨匠達(dá)芬奇在其《馬德里手稿》中設(shè)計(jì)了可展開、折疊的結(jié)構(gòu)，并描述了其工作原理[1]。折疊結(jié)構(gòu)在現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)中運(yùn)用非常廣泛，例如常見的折疊手機(jī)、折疊自行車、折疊家具等。折疊結(jié)構(gòu)不僅使產(chǎn)品減小體積、有效利用空間，使其具有便攜性，而且能夠降低儲(chǔ)存和運(yùn)輸成本。折疊結(jié)構(gòu)具有兩種穩(wěn)定的狀態(tài)，即完全折疊的被動(dòng)狀態(tài)和完全展開的積極狀態(tài)狀態(tài)，折疊時(shí)呈扁平、捆狀等，便于儲(chǔ)存和運(yùn)輸，展開時(shí)呈幾何不變體系，可以承受載荷[2]。在這兩種狀態(tài)下，即使沒有起到節(jié)省空間的作用，產(chǎn)品角色仍可根據(jù)功能需求相互轉(zhuǎn)化[3]。例如隨著需求的變化，嬰兒車通過折疊的方式，可以變?yōu)橘?gòu)物車、腳踏車、晾衣架等，實(shí)現(xiàn)一物多用[4]。

3 折疊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

在停車棚設(shè)計(jì)上，目前常用的折疊機(jī)構(gòu)，如圖1所示。三款產(chǎn)品均為鉸接連桿機(jī)構(gòu)，其中圖A采用液壓伸縮桿實(shí)現(xiàn)停車棚的半自動(dòng)折疊與展開，一般稱作為傘式折疊停車棚；圖B和圖C是常見的用鉸鏈把支撐桿連接起來(lái)的結(jié)構(gòu)組成方式，一般可以稱作為推拉式折疊停車棚。如圖1（a）所示產(chǎn)品能夠?qū)崿F(xiàn)完全封閉，但在折疊和展開式需人工配合，且產(chǎn)品功能單一，抗風(fēng)性較差。圖1（b）和圖1（c）產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)了折疊移動(dòng)，但無(wú)論在功能性、穩(wěn)定性、美觀性等方面都存在問題。

圖1 常見的折疊停車棚Fig.1 Common Parking Shed with Folding Structure

基于以上分析，設(shè)計(jì)帶有折疊結(jié)構(gòu)的停車棚，滿足擁有獨(dú)立院落的用戶對(duì)產(chǎn)品的要求。設(shè)計(jì)的折疊式停車棚采用四支柱鉸接機(jī)構(gòu)，利用液壓缸伸縮帶動(dòng)支柱在水平位置和豎直位置之間擺動(dòng)實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的完全折疊與展開。根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)需求，采用直線運(yùn)動(dòng)雙作用單活塞桿緩沖式液壓缸，液壓動(dòng)力驅(qū)動(dòng)可以使保證機(jī)構(gòu)平穩(wěn)性，且造價(jià)低，具備市場(chǎng)推廣價(jià)值。產(chǎn)品完全折疊放平后占用空間較小，方便易地拆卸安裝。具體做法是：在地面設(shè)置四根支柱，且鉸接在地面上，通過電機(jī)控制支柱在水平位置及垂直方向擺動(dòng)以實(shí)現(xiàn)車庫(kù)的完全折疊與展開，再通過連桿機(jī)構(gòu)將頂棚與支柱連接，支柱的上部與頂棚之間的聯(lián)接采用滑槽滾輪配合的方式。兩個(gè)側(cè)面均用合適大小的兩個(gè)框架套嵌透明的聚碳酸脂板，中間用鉸鏈連接，這樣停車棚可以將汽車圍在一個(gè)立方體的空間內(nèi)。用戶利用遙控裝置可以升起車庫(kù)并駛?cè)胲噹?kù)。當(dāng)用戶開走車后遙控車庫(kù)折疊起來(lái)，減少占地空間和面積，同時(shí)也便于運(yùn)輸和易地安裝。

停車棚主要依靠立柱根部鉸點(diǎn)處和液壓缸上下鉸點(diǎn)所組成的三鉸點(diǎn)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)折疊，三鉸點(diǎn)的位置布置的是否合理，對(duì)產(chǎn)品的總體設(shè)計(jì)影響很大。三鉸點(diǎn)機(jī)構(gòu)安裝簡(jiǎn)圖和運(yùn)動(dòng)示意圖，兩圖相對(duì)應(yīng)，如圖2、圖3所示。圖中：AB1、AB2—液壓缸初始位置和終了位置的長(zhǎng)度；OB1—立柱處于水平位置；OB2—立柱處于豎直位置；B1CB2表示液壓缸活塞桿頂端點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡。

圖2 三鉸點(diǎn)機(jī)構(gòu)安裝簡(jiǎn)圖Fig.2 Installation Diagam of Three Hinge Points Mechanism

圖3 三鉸點(diǎn)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)示意圖Fig.3 Motion Diagram of Three Hinge Points Mechanism

設(shè)AB的長(zhǎng)度為L(zhǎng)，搖臂OB的長(zhǎng)度為r，機(jī)架OA的長(zhǎng)度為d，搖桿OB的擺角為Ψ，γ為機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)角，γ1和γ2分別表示液壓缸處于初始位置和終止位置，現(xiàn)取γ1=γ2=15°。設(shè)機(jī)架OA=d為單位長(zhǎng)，在這個(gè)三鉸點(diǎn)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，采取液壓缸焊接聯(lián)接方式實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，這是一個(gè)m＞1的情況，由幾何關(guān)系（余弦定理）可以得出：

式中：m=r/d，n=L/d，λ=L1/L2=n1/n2—油缸伸長(zhǎng)系數(shù)。

機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中需保證傳動(dòng)角變化小，這樣才可以使液壓缸推動(dòng)立柱支架仰角的變化曲線趨于平衡，液壓缸才能夠具有比較合理的機(jī)構(gòu)鉸點(diǎn)形狀和工作環(huán)境。另外還需考慮實(shí)際制造的方便性、可操作性，將 L1/L2選擇在（1.6～1.8）之間，現(xiàn)取 1.6。

把已知數(shù)據(jù)Ψ和λ代入式2-1得：m=2.91、n1=2.16、n2=3.46。

由OB=r=1000mm得：

d=r/m=344mm、L1=n1·d=743mm、L2=n2·d=1190mm。

所以，OA=d=344mm、AB=743mm、AB′=1190mm。

液壓缸的受力在勻速階段是不變的，對(duì)液壓缸進(jìn)行受力分析得知，起始位置是液壓缸受力最大的位置，因此，743mm≤AB≤1190mm，OA=344mm，OB=1000mm。通過上述計(jì)算，得到了用于停車棚折疊結(jié)構(gòu)的三鉸點(diǎn)機(jī)構(gòu)的較優(yōu)方案。

4 折疊停車棚方案設(shè)計(jì)

通過對(duì)折疊結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化，并依據(jù)現(xiàn)有產(chǎn)品的優(yōu)缺點(diǎn)以及用戶的需求分析，從產(chǎn)品功能設(shè)計(jì)、造型設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行定位，完成停車棚方案設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)運(yùn)用四組三鉸點(diǎn)機(jī)構(gòu)組合來(lái)完成產(chǎn)品折疊與展開動(dòng)作的實(shí)現(xiàn)，并運(yùn)用機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)原理與軟件仿真完成對(duì)設(shè)計(jì)方案的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析與工作狀態(tài)強(qiáng)度分析，能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期的設(shè)計(jì)要求。該停車棚設(shè)計(jì)可以應(yīng)用于擁有獨(dú)立院落的居住環(huán)境，如圖4所示。

圖4 折疊式停車棚三維效果圖Fig.4 3D Visualization of Folding Parking Shed

4.1 功能與造型設(shè)計(jì)

功能是產(chǎn)品賴以存在的價(jià)值基礎(chǔ)，也是聯(lián)系產(chǎn)品與用戶之間關(guān)系的紐帶，產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和造型都是為了實(shí)現(xiàn)某種特定的物質(zhì)或精神功能[5]。停車棚通過向內(nèi)側(cè)折疊能夠有效的節(jié)省空間，提供空間另作他用，并且可以方便拆卸、運(yùn)輸與易地安裝。折疊式停車棚展開后，通過前后卷簾和兩側(cè)套嵌的聚碳酸脂板可為汽車提供保護(hù)屏障，使汽車免受惡劣天氣的侵害和丟失的隱患。除停放汽車等交通工具外，家庭使用中，在展開時(shí)的停車棚里擺上桌椅，可起到休閑場(chǎng)所的作用，滿足人們的日常生活?yuàn)蕵沸枨螅鐖D5所示。

圖5 停車功能轉(zhuǎn)換為休閑功能Fig.5 Convert Parking Function to Leisure Function

除了停車棚固有功能之外，可根據(jù)用戶的需求進(jìn)行功能定制化設(shè)計(jì)，滿足用戶個(gè)性化的需求。隨著汽車尾氣排放造成空氣污染、能源消耗的現(xiàn)象日益嚴(yán)重，電動(dòng)汽車的使用越來(lái)越普遍，根據(jù)用戶需求在停車棚設(shè)計(jì)中增加充電樁，以清潔能源太陽(yáng)能光伏發(fā)電提供電力，節(jié)約用電成本[6-7]。同時(shí)也可為停車棚內(nèi)部LED燈提供電力，滿足夜間照明的需求。從安全防范角度考慮，停車棚內(nèi)可安裝攝像頭和報(bào)警裝置，防止失竊。

根據(jù)目前小型汽車尺寸標(biāo)準(zhǔn)，停車棚的尺寸設(shè)定為長(zhǎng)5m、高2m、寬2.5m，可以根據(jù)用戶的具體要求進(jìn)行定制化設(shè)計(jì)。作為大型的機(jī)電類產(chǎn)品，折疊式停車棚功能必須明確，性能必須可靠，操作必須安全，除了技術(shù)層面實(shí)現(xiàn)這些要求外，造型設(shè)計(jì)也應(yīng)輔助提升產(chǎn)品的堅(jiān)實(shí)、可靠的形象[6]，作為家用產(chǎn)品又需不失親和力，避免給人沉重之感。市面上現(xiàn)有的停車棚的外觀造型上通常是基于結(jié)構(gòu)的考慮，給人以粗糙、刻板、簡(jiǎn)陋、沉重的印象，折疊式停車棚整體線條簡(jiǎn)練又不失穩(wěn)重，整體造型風(fēng)格簡(jiǎn)潔大方。套嵌的透明聚碳酸脂板能夠提供極佳的自然光線，將結(jié)構(gòu)、空間和功能很好的結(jié)合起來(lái)[7]，使人感到產(chǎn)品的輕便、通透。聚碳酸脂板質(zhì)、隔音、隔熱、耐燃、抗沖擊、抗老化的特點(diǎn)適合于復(fù)雜的室外環(huán)境，使產(chǎn)品的安全性、舒適性更強(qiáng)。在色彩設(shè)計(jì)上，強(qiáng)調(diào)配合人機(jī)工程設(shè)計(jì)方面的要求，與周圍環(huán)境相協(xié)調(diào)，同時(shí)，金屬骨架、聚碳酸脂板、轉(zhuǎn)接處等位置的色彩變化又可以給產(chǎn)品帶來(lái)不同的視覺效果，滿足用戶的個(gè)性化心理需求。停車棚材料為金屬框架和聚碳酸脂板，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)成本較低，而用戶也不必以更高的成本建造車庫(kù)。

4.2 功能展望

除了停車棚固有功能之外，可根據(jù)用戶的需求進(jìn)行功能定制化設(shè)計(jì)，滿足用戶個(gè)性化的需求。隨著汽車尾氣排放造成空氣污染、能源消耗的現(xiàn)象日益嚴(yán)重，電動(dòng)汽車的使用越來(lái)越普遍，根據(jù)用戶需求在停車棚設(shè)計(jì)中以清潔能源太陽(yáng)能光伏發(fā)電提供電力，節(jié)約用電成本[8-9]。同時(shí)也可為停車棚內(nèi)部LED燈提供電力，滿足夜間照明的需求。從安全防范角度考慮，停車棚內(nèi)可安裝攝像頭和報(bào)警裝置，防止失竊。

4.3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

折疊式停車棚使用遙控器進(jìn)行控制，用戶在按下開啟開關(guān)、關(guān)閉開關(guān)和停止開關(guān)控制停車棚。在遙控操作過程中，需注意開啟前、閉合前以及閉合過程中安全問題，因此在控制系統(tǒng)中做以下設(shè)計(jì)。（1）當(dāng)用戶按下開啟開關(guān)之后警示燈以0.4s的周期開始閃爍直到5s后，車庫(kù)起升接觸器閉合，車庫(kù)開始升起，直到觸碰到限位開關(guān)，即車庫(kù)完全升起時(shí)，液壓缸停止動(dòng)作，警示燈關(guān)閉。（2）當(dāng)用戶將車開出，按下關(guān)閉按鈕后，警示燈依然以每0.4s閃爍的頻率開始閃爍，閃爍5s后關(guān)閉接觸器閉合，車庫(kù)開始折疊起來(lái)，直到關(guān)閉限位開關(guān)觸發(fā)，即車庫(kù)完全折疊時(shí)，液壓缸停止動(dòng)作，同時(shí)警示燈關(guān)閉。（3）車庫(kù)在起升過程中的任何位置時(shí)，只要按下停止開關(guān)，車庫(kù)立即停止動(dòng)作，并維持在當(dāng)前狀態(tài)不改變，警示燈關(guān)閉。（4）在車庫(kù)收起過程中，萬(wàn)一發(fā)生夾住人或動(dòng)物的情況，安全壓力板就會(huì)受到預(yù)先合理設(shè)置的安全壓力，車庫(kù)立即停止動(dòng)作，以免安全事故的發(fā)生。（5）當(dāng)用戶同時(shí)按下開啟和關(guān)閉兩個(gè)按鈕時(shí)，則兩個(gè)接觸器均布動(dòng)作并給操作者發(fā)出錯(cuò)誤操作提示音。（6）根據(jù)用戶需要，停車棚前后隱藏于頂棚的卷簾可以進(jìn)行遙控打開和關(guān)閉，如圖6所示。

圖6 全封閉的停車棚Fig.6 Fully Enclosed Parking Shed

5 總結(jié)

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是產(chǎn)品設(shè)計(jì)的關(guān)鍵要素，產(chǎn)品的創(chuàng)新很大程度上可以通過結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)[10]。折疊結(jié)構(gòu)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)中應(yīng)用非常廣泛，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品空間的節(jié)約化、功能的多樣化。在對(duì)現(xiàn)有產(chǎn)品調(diào)研的基礎(chǔ)上，結(jié)合用戶的功能和造型需求，提出折疊式停車棚的設(shè)計(jì)方案。對(duì)停車棚的三鉸點(diǎn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)和優(yōu)化，經(jīng)過計(jì)算得到實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品折疊的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的詳細(xì)數(shù)據(jù)，為設(shè)計(jì)方案的可行性提供了有力支持，同時(shí)對(duì)產(chǎn)品操控系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，大大提高了產(chǎn)品的易操作性和安全性。該折疊式停車棚結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單實(shí)用，造型簡(jiǎn)潔美觀，功能的多樣性也為用戶提供多樣化的選擇，不僅可以用在具有獨(dú)立院落的個(gè)人居住場(chǎng)所，在一些公共休閑場(chǎng)所也有較好的應(yīng)用前景。