悬浮式旋转停车库的设计

胡文龙，张 俊，李威尔，刘轩松，明瑞轩，杨鹏程

(1.湖北文理学院 汽车与交通工程学院，湖北 襄阳 441053； 2.湖北文理学院 机械工程学院，湖北 襄阳 441053)

0 引 言

随着社会的发展，汽车已经成为生活中不可缺少的一部分。但在享受汽车带来便利的同时，停车难又成为普遍存在的一个问题。通过走访调查和查找资料，发现各种类型的停车场已用于不同场所，立体停车库更是多种多样：升降横移式、巷道堆垛式、垂直升降式[1]、简易升降式等，但车库机构复杂，工程量大，适用于大型集中停车场所。

针对城市小区停车难的问题，提出一种悬浮式可旋转的停车库。该停车库造型新颖独特，空间利用率高，机构简单巧妙、制造成本低、停车方便，适用于空间较小、不宜建大型停车场的老旧小区。

1 悬浮式旋转停车库的总体设计

悬浮式旋转停车库主要由停车位、横移小臂、固定大臂、支撑框架、横移凸起、支撑板、转盘、横移电机、联轴器、固定轴、旋转主动轮、丝杆、升降导轨、升降电机、旋转电机、连杆、升降梳齿台、丝杆支撑座、旋转从动轮等零部件组成[2]。整个停车库可分为升降系统、旋转装置和横移机构三部分，分别实现升降梳齿台运输车辆、四个车位旋转存车取车和横移小臂让位的功能。悬浮式旋转停车库总体结构如图1所示。

根据市场调研和老旧小区的需求，设定为四个停车位，单个停车位长5 000 mm、宽2 200 mm，通过计算最终确定了停车库总长为L=9 066 mm、总宽为W=7 900 mm、总高为H=4 500 mm；停车库最大承载12 t、总重量为20 t；停车位面积28.38 m2，因采用架空悬浮式结构，实际占用绿化草坪面积2.25 m2。该停车库允许停放车辆的参数表如表1所示。

表1 允许停放车辆的参数表

图1 悬浮式旋转停车库总体结构图 1.停车位 2.横移小臂 3.横移挡块 4.机架 5.大臂 6.旋转 电机 7.升降电机 8.横移电机 9.丝杆 10.主动小齿轮 11.转盘齿轮 12.固定轴 13.横移支板 14.旋转底板 15.旋转转盘 16.配重架 17.配重块 18.载车板 19.升降梳齿载车板

2 停车库的传动方案设计

该悬浮式旋转停车库，通过三个电机驱动分别实现载车板的升降、四车位停车架的旋转和停车位横移的功能，三个运动独立工作，互不影响又相互协调运动。

2.1 升降系统传动方案

如图2所示，升降系统用于将车辆通过载车板升降到停车位，其传动方案是：工作时，升降电机1输出动力，经联轴器2传递扭矩并由减速器3匹配转速后，带动摩擦轮传动机构运动，从而驱动载车板与升降梳齿台上下运动[3]。

图2 升降系统传动方案1.电动机 2.弹性联轴器 3.减速器 4.摩擦轮传动

2.2 旋转装置的工作原理

旋转装置用于驱动四车位停车架的水平旋转，其传动系统呈垂直安放在停车架上，如图2所示。

工作时，旋转电机1输出动力，经联轴器2、减速器3将扭矩传递给行星齿轮4，由于带外齿转盘轴承5固定在机架上不动，从而使装配于转盘内圈上的停车架6旋转[4]，并带动横移大臂、横移小臂和停车位共同运动，旋转一定±90°或±180°，实现停车位的四分度转停。

图3 旋转装置传动示意图 1.电动机 2.联轴器 3.减速器 4.行星齿轮 5.外齿转盘轴承 6.四车位停车架

2.3 横移机构

横移机构是把停车位横向移动一个车位宽度，以让出载车板的上行通道，实现车辆的转移交接。机构的实现方式是：横移电机1输出动力，经联轴器2和减速器3带动一端固定的丝杆旋转，通过丝杆螺母副4驱动横移小臂向内或外运动[5]。

图4 横移机构传动方案1.电动机 2.弹性联轴器 3.减速器 4.丝杆螺母副

3 基于CATIA的参数化三维建模

将停车库分为机架、升降系统、旋转装置、横移机构四个部件，其中机架为整个机构的支撑部件，用于安装其他零部件并保证各零件间的相对位置关系，其上直接连接着升降系统与旋转装置，采用45号钢[6]；升降系统与旋转装置均包括驱动和承载两个部分，升降系统的驱动通过曳引电机、曳引轮、曳引绳等来实现，承载部分包括升降支架与载车板，旋转装置的驱动通过步进电机带主动小齿轮、旋转底板绕固定的转盘齿轮做行星转动；横移机构包括驱动和导向两个部分，驱动采用步进电机带动滚珠丝杠来实现，导向部分采用圆柱导杆来实现。

为了便于修改和调整停车库的各部分结构尺寸，应采用参数化的设计方法，通过在Catia组建中定义尺寸变量来建立各个零部件的参数化模型[7]。在此以滚珠丝杆螺母部件为例，介绍其参数化建模过程：

(1) 构建丝杆螺母副的草图。用“文件->新建”命令打开新建对话框，选择“part”选项，并接着在生成的命名对话框中命名为丝杆螺母副，点击X-Y轴，用“视图->工具栏->草图编辑器”命令，生成所选螺母副的草图编辑页面，并用工具栏中的轮廓线勾画出丝杆螺母副的二维草图。

(2) 设置丝杆螺母副的参数。在工具栏中点击约束命令，然后点击螺母副草图的相应位置，即可对螺母副尺寸进行修改。

(3) 生成丝杆螺母副的初步三维模型。点击工具栏中的退出草图编辑器，用“视图->工具栏->凸台”命令生成凸台尺寸对话框，输入螺母副的尺寸，即可生成丝杆螺母副的初步三维模型。

(4) 生成丝杆螺母副的三维模型。再通过倒圆角、挖槽等命令对初步的三维模型进行编辑，生成丝杆螺母副的三维模型。

使用时，只需单击“零件几何体”命令，在弹出的菜单上选择需要修改的参数，输入数值后系统会自动更新各元件的几何尺寸，能实现个元件的同步、快速修改。最后建立的停车库三维模型如图5所示。

图5 悬浮式旋转停车库三维模型

4 运动仿真与分析

仿真之前，将要仿真模型所需的部件在装配模式下按照技术要求进行装配。装配时应在能满足合理装配的前提下，尽量少用约束，以免造成约束之间互相干涉[8]。以旋转装置的运动仿真为例：

(1) 通过“开始(S)”-“数字模拟”-“DMU Kinematics”进入到运动仿真模式，在“插入”下，点击新机制命令，可看到目录树Application下添加了Mechanisms-Mechanism.1。

(2) 添加两个旋转铰。点击旋转铰，在出现的对话框Line1后的空格选择主动齿轮的轴线，在Line2后的空格选择侧板孔的轴线，在Plane1后的空格选择主动齿轮的端面，在Plane2后的空格选择侧板的端面，点选Angle driven即可。重复上述步骤给从动齿轮添加旋转铰，从动齿轮不能点选Angle driven，因为它要被主动齿轮带动。

(3) 添加齿轮铰。在对话框中点选齿轮铰，出现齿轮铰的对话框，在Revolute Joint1后的框里点选刚创建的主动齿轮旋转铰Revolute Joint1；在Revolute Joint2后的框里点选刚创建的从动齿轮旋转铰Revolute Joint2；Ratio定义为-1，以为主从齿轮转向相反；点选Angle driven for revolute1.就是主动轮驱动。

(4) 添加固定铰：点击固定零件图标，用鼠标选中侧板即可。这时系统会提示，可以进行仿真了。

(5) 运动仿真：点击命令模拟，出现运动模拟对话框，这时，系统一般默认命令角度范围是：-360～360，点击角度后的“…”可以修改范围。点选On request，否则拖动游标时，系统无法记录运动过程。完成上述内容并拖动游标，仿真开始。

通过运动仿真可知，四个停车位之间应留有足够的距离，以应对转动惯性；升降系统梳齿结构尺寸必须精确，以免造成错位打齿；运动元件间需添加正确的连接方式，丝杆、齿轮轴、上下销轴等铰接处使用销钉连接，丝杆螺母、升降平台等移动部位使用滑动杆连接。

5 结 语

以设计一种空间利用率高、占地面积小、制造成本低、便于停车的停车库为设计目标，设计出了一种新型的车库。该停车库建立在道路旁的草坪上，停车位悬空在草坪上，占地面积小。将梳齿交错结构和典型机械传动方式运用于车辆的存取运动和交接，巧妙地实现车辆的交接及转移。应用横移机构驱动4个悬臂停车位，使电机数量从4个减至1个；采用镂空式设计减少材料重量，降低了制造成本。在大胆创新的设计过程中，不仅有为解决城市停车难的问题提供一种良策，对促进我国停车场设计的不断创新也同样具有一定的现实意义。