池偉明，周 璇，吳海彬

（福州大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，福建福州 350108）

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)持續(xù)快速發(fā)展，機(jī)動(dòng)車(chē)保有量保持較快增長(zhǎng)。全國(guó)機(jī)動(dòng)車(chē)保有量以每年10%～15%的速度增長(zhǎng)，城市私人小汽車(chē)每年的增長(zhǎng)速度更是高達(dá)20%～30%，全國(guó)停車(chē)位缺口平均在60%以上[1]。由此所帶來(lái)許多問(wèn)題，其中包括交通擁堵、停車(chē)難、亂停車(chē)等現(xiàn)象。目前，大多數(shù)停車(chē)場(chǎng)每個(gè)車(chē)位只能停放一輛車(chē)，空間利用率不高，同時(shí)在一些老式小區(qū)中，并未配備有專門(mén)的停車(chē)場(chǎng)，停車(chē)場(chǎng)的數(shù)量完全不能滿足人們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)的汽車(chē)保有量。因此，研究設(shè)計(jì)一款小型輕便的停車(chē)裝置是有必要的。

對(duì)于目前市面上的停車(chē)裝置，或多或少的存在一些問(wèn)題而不能很好地得到推廣。對(duì)于覃祖朋[2]提出的升降橫移立體車(chē)庫(kù)的設(shè)計(jì)，該裝置重新規(guī)劃停車(chē)場(chǎng)，并且需要空出一個(gè)停車(chē)位用于出入車(chē)，空間利用率不是最優(yōu)；對(duì)于閆存富[3]提出的一種無(wú)避讓式小型立體停車(chē)裝置設(shè)計(jì)研究，該停車(chē)裝置下放二層車(chē)位時(shí)，停放于一層的車(chē)無(wú)須避讓，但二層車(chē)位向前伸長(zhǎng)量過(guò)大，在現(xiàn)實(shí)中不易推廣實(shí)現(xiàn)。為此，研究一種上下互不干擾式小型停車(chē)裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)提高車(chē)位的空間利用率，并方便出入車(chē)是很有價(jià)值的。

該設(shè)計(jì)提出一款小型的停車(chē)裝置，能夠在一個(gè)車(chē)位上實(shí)現(xiàn)停兩輛車(chē)，上下車(chē)位的出車(chē)和入車(chē)互不干擾并且方便停放于二層的車(chē)入庫(kù)，并且無(wú)需重新規(guī)劃停車(chē)場(chǎng)，能夠在現(xiàn)有普通車(chē)位上進(jìn)行安裝，具有一定的推廣價(jià)值。

1 上下互不干擾式停車(chē)裝置的結(jié)構(gòu)組成及功能

該停車(chē)裝置的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，其中該裝置由下部平臺(tái)6、移動(dòng)軌道5、支撐架3、上部平臺(tái)1、換向轉(zhuǎn)盤(pán)2、底座支架8、液壓缸9、連架桿7等組成。本停車(chē)裝置執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括推進(jìn)液壓缸、提升液壓缸、蝸輪蝸桿旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，各個(gè)部分通過(guò)電控部分協(xié)調(diào)配合，共同實(shí)現(xiàn)裝置的功能。其中：推進(jìn)液壓缸通過(guò)推桿的伸縮，實(shí)現(xiàn)用于帶動(dòng)整個(gè)裝置進(jìn)行水平運(yùn)動(dòng)；提升液壓缸通過(guò)推桿的伸縮，用于提升平臺(tái)，以至于將車(chē)提升至二層，或者下放平臺(tái)，方便出車(chē)；蝸輪蝸桿旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)：用于將平臺(tái)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，方便二層車(chē)的進(jìn)出車(chē)。

圖1 裝置整體結(jié)構(gòu)圖

安裝上該裝置后，若需要將車(chē)停放于一層，只需按照普通車(chē)位停車(chē)方式正常倒車(chē)入庫(kù)，該裝置不對(duì)一層車(chē)位的停放方式產(chǎn)生影響；若需要將車(chē)停放于二層，如圖2為利用Solidworks進(jìn)行的運(yùn)動(dòng)動(dòng)作仿真，機(jī)構(gòu)先沿軌道水平移除，再將平臺(tái)下放并旋轉(zhuǎn)，當(dāng)車(chē)進(jìn)入平臺(tái)后，再按照原方式收回。具體方式如下：通過(guò)電控控制推進(jìn)液壓缸將裝置整體沿軌道平移，然后控制驅(qū)動(dòng)提升液壓缸下放二層平臺(tái)同時(shí)電機(jī)驅(qū)動(dòng)蝸輪蝸桿旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)使平臺(tái)旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)至與來(lái)車(chē)方向水平。車(chē)輛只需沿公路水平進(jìn)入載車(chē)平臺(tái)，無(wú)需倒車(chē)，無(wú)需干擾停放于下層的車(chē)，具體動(dòng)作如圖2所示。

圖2 停車(chē)動(dòng)作圖

2 裝置的執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與選型

該停車(chē)裝置執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括推進(jìn)液壓缸、提升液壓缸、蝸輪蝸桿旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，各個(gè)部分通過(guò)電控部分協(xié)調(diào)配合，共同實(shí)現(xiàn)裝置的功能。

2.1 推進(jìn)液壓缸的選型

2.1.1 原理

推進(jìn)液壓缸通過(guò)控制推桿的伸縮，用于實(shí)現(xiàn)整個(gè)裝置在導(dǎo)軌上水平運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力機(jī)構(gòu)，其安裝位置位于導(dǎo)軌的外側(cè)，如圖1所示。

2.1.2 受力分析

該停車(chē)裝置整體受力如圖3所示，小轎車(chē)重量為F1，停車(chē)裝置所受重力為F2，推進(jìn)液壓缸的推力為F，裝置所受總阻力為 f。已知，一般城市私人小轎車(chē)重量F1≤392 00 N；停車(chē)裝置自重重F2≈9 800 N；導(dǎo)軌上的動(dòng)摩擦因數(shù) μ=0.05。

則裝置水平運(yùn)動(dòng)所受總阻力計(jì)算如下：

由平衡條件可知：

將上訴數(shù)據(jù)代入得：

圖3 水平推進(jìn)受力分析

2.1.3 計(jì)算，選液壓缸

選取舉升液壓缸為常州泛華機(jī)械科技有限公司HSGJ型液壓缸，缸徑為63 mm，活塞桿直徑為35 mm。速比1.46，推力49.88 kN，拉力34.48 kN，最大行程800 mm，電動(dòng)機(jī)選用R系列三相異步電動(dòng)機(jī)型號(hào)為Y112M-6，功率1.5 kW。

2.2 提升液壓缸的選型

2.2.1 原理

提升液壓缸通過(guò)控制推桿的伸縮，用于拉動(dòng)前后支撐桿的擺動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)裝置在導(dǎo)軌上水平上下運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力機(jī)構(gòu)，其安裝位置位于機(jī)架上與后支撐桿連接，如圖1所示。

2.2.2 受力分析

后支撐桿受力如圖4所示，已知：小轎車(chē)重量為F1=39 200Ν，到支點(diǎn)的力臂為L(zhǎng)1；提升液壓缸的拉力為F，到支點(diǎn)的力臂為L(zhǎng)；支點(diǎn)到提升液壓缸的距離為x1，后支撐桿總長(zhǎng)為x2；后支撐桿抬升的角度為α。

則根據(jù)杠桿原理，裝置上下運(yùn)動(dòng)所需拉力計(jì)算如下：

根據(jù)幾何關(guān)系可知：

圖4 提升動(dòng)作受力分析

可以得到：

當(dāng)α＝30°時(shí)，F(xiàn)取得最小值，所以：

2.2.3 選液壓缸

選取舉升液壓缸為常州泛華機(jī)械科技有限公司HSGJ型液壓缸，缸徑為63 mm，活塞桿直徑為35 mm。速比1.46，推力49.88 kN，拉力34.48 kN，最大行程800 mm，電動(dòng)機(jī)選用R系列三相異步電動(dòng)機(jī)型號(hào)為Y112M-6，功率1.5 kW。

2.3 蝸輪蝸桿旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與選型

2.3.1 原理

蝸輪蝸桿旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)是連接電機(jī)和負(fù)載之間傳遞扭矩，從而用于實(shí)現(xiàn)停車(chē)平臺(tái)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的減速機(jī)構(gòu)，其安裝位置位于停車(chē)平臺(tái)的下方。

2.3.2 選擇材料

考慮蝸桿傳動(dòng)功率不大，速度只是中等，故蝸桿用45鋼；因希望效率高些，故蝸桿螺旋齒面要求淬火，硬度為4555HRC。渦輪用鑄錫磷青銅ZCuSn10P1，金屬模鑄造。為節(jié)省貴重的有色金屬，僅齒圈用青銅制造，而輪芯用灰鑄鐵HT100制造。

2.3.3 選型和設(shè)計(jì)

已知：傳動(dòng)比i=50，旋轉(zhuǎn)平臺(tái)要求雙向傳動(dòng)，載荷平穩(wěn)，傳動(dòng)總效率η=0.7，蝸桿的轉(zhuǎn)速等于電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n1=1 450 r/min，輸入功率P=7.5 kW，蝸桿頭數(shù)z1=1。可以得到渦輪齒數(shù):

蝸輪上的轉(zhuǎn)矩：

9 550×7.5×0.7/（1450÷50）=1 728.879Ν?m因?yàn)楣ぷ鬏d荷平穩(wěn)，故取載荷分布不均系數(shù)Kβ=1查表選取使用系數(shù)KA=1.15；由于轉(zhuǎn)速不高，沖擊不高，可取動(dòng)載系數(shù)KV=1.05；則載荷系數(shù)為：

按照齒面接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)，則：

所以，去模數(shù)m=80 mm，蝸桿分度圓直徑d1=80 mm。中心距 a=（d1+d2）/2=(80+8×50)/2=240 mm 。蝸桿軸向齒距Pa=25.133 mm，直徑系數(shù)q=10，齒頂圓直徑da1=90 mm，齒根圓直徑df1=60.8 mm，分度圓導(dǎo)程角，γ=11°18′36"蝸桿軸向齒厚。 sa=12.566 4 mm 。

渦輪分度圓直徑d2=m×Z2=400 mm；渦輪喉圓直徑da2=d2+2ha2=(400+2×8)mm=416 mm；渦輪齒根圓直徑：df2=d2-2hf2=(400-2×1.2×8)=380.8 mm。

電動(dòng)機(jī)選用Y系列三相異步電動(dòng)機(jī)型號(hào)為Y160M-4，功率11 kW。

3 裝置的電控部分設(shè)計(jì)

電控原理圖如圖5所示，電控部分主要由8031單片機(jī)、8255可編程并行I/O接口芯片、電磁換向閥、驅(qū)動(dòng)接口、開(kāi)關(guān)接口、開(kāi)關(guān)傳感器接口、應(yīng)急燈及緊急停止開(kāi)關(guān)等組成，各個(gè)元器件互相配合，相互協(xié)調(diào)，共同實(shí)現(xiàn)裝置整體功能。

工作原理：該產(chǎn)品基于51單片機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的水平移動(dòng)、載車(chē)平臺(tái)的旋轉(zhuǎn)與平臺(tái)的升降的復(fù)合運(yùn)動(dòng)，以及以上運(yùn)動(dòng)的復(fù)位。

采用8255A芯片擴(kuò)展I/O口，其中C口作為控制開(kāi)關(guān)接入口，接入急停和啟動(dòng)開(kāi)關(guān)，用于啟動(dòng)裝置和急停；A口作為行程開(kāi)關(guān)信號(hào)輸入口，響應(yīng)3組6個(gè)起點(diǎn)與終點(diǎn)的行程開(kāi)關(guān)信號(hào)，用于判斷執(zhí)行機(jī)構(gòu)是否達(dá)到終點(diǎn)；B口作為驅(qū)動(dòng)接口，接驅(qū)動(dòng)電路，用以控制3個(gè)電磁閥的狀態(tài)以及應(yīng)急指示燈的狀態(tài)。

圖5 電控原理圖

在電路中，數(shù)字1代表有效，數(shù)字0代表不生效代表其中。C口共有8位，使用其中第1位和第2位0和1分別作為啟動(dòng)和急停狀態(tài)表示位。B口共有8位，采用第1位到第6位表示電磁閥的通斷，因?yàn)殡姶砰y為三位四通電磁閥，有3種狀態(tài)，如第1個(gè)電磁閥具有水平前進(jìn)與后退以及停止?fàn)顟B(tài)，分別對(duì)應(yīng)電磁閥的三位狀態(tài)，則使用兩位二進(jìn)制表述這種狀態(tài)，b1b0兩位，01時(shí)表示前進(jìn)，10時(shí)表示后退，00表示停止，而11時(shí)無(wú)效。以此類(lèi)推，表示另外兩個(gè)電磁閥升降與旋轉(zhuǎn)動(dòng)作的實(shí)現(xiàn)以及復(fù)位。而A口作為行程開(kāi)關(guān)信號(hào)輸入口，用于判斷執(zhí)行機(jī)構(gòu)是否達(dá)到終點(diǎn)。例如，當(dāng)電磁閥A控制的推進(jìn)液壓缸推進(jìn)到終點(diǎn)時(shí)，SA1不動(dòng)作，觸發(fā)SA2動(dòng)作，于是A0A1=01，通過(guò)程序可以判斷推進(jìn)液壓缸已推進(jìn)到終點(diǎn)，再讓液壓缸停止，其余執(zhí)行機(jī)構(gòu)都按照此方法，不再敖述。

4 結(jié)束語(yǔ)

上下互不干擾式停車(chē)裝置相比于其他立體停車(chē)裝置在提高車(chē)庫(kù)的空間利用率的同時(shí)，無(wú)需重新規(guī)劃停車(chē)場(chǎng)，安裝方便，停放于上下車(chē)位的車(chē)輛的出車(chē)和入車(chē)互不干擾，且能夠方便將車(chē)停放至二層，無(wú)需倒車(chē)。此外，能夠較好解決目前停車(chē)難，車(chē)庫(kù)數(shù)量不足的問(wèn)題，方便人們的出行，具有一定的推廣價(jià)值。