双层升降横移立体车库的结构设计.docx

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双层升降横移立体车库的结构设计

双层升降横移立体车库的结构设计

1、前言

1.1设计题目

本次任务是设计一台两层五车位的小型立体停车设备，此设备主要适合于地下室使用，双层或前后排组合可有效地利用有限的空间，最大限度容纳车辆，亦可用于地面使用。

1.2设计要求

（1）结合生活中现有的升降横移式立体车库，去进一步地了解立体车库的运行原理及结构造型；

（2）查阅国外的有关立体车库的资料，大概的了解当前的车库发展技术，以及立体车库的最新发展概况。

清楚设计立体车库所需要的钢材种类，电机型号和设计方法等。

（3）根据查到的资料，进一步的设计计算立体车库的各个结构。

（4）依据所选的车库的组成部件，利用CAD绘图，同时绘制过程中可以对不合适的零部件进行更换，以达到最佳效果。

（5）书写说明书。

1.3国外立体车库的研究现状

在国外，机械式立体车库都已有很多年的发展历史。

比如日本，其机械式立体车库的发展起步较早、种类齐全、技术水平及开发的经验比较丰富，它可以根据现场的环境和客户的使用要求进行选型。

50多年前，在国外，就有立体停车的双层停车设备。

它是在空地上或建筑物下面的空间建起2层升降横移停车设备，适合于城市中心或人口较多的地区使用[1]。

70年代末，世界经济发展迅速，汽车变得越来越多，迫使很多人多车多的地区想更多的方法去解决停车难的问题。

目前世界上的停车产业正向多元化发展，其停车技术包含更多的方面，比如机械、电子、液压和计算机技术等领域[2]。

机械方面：

运用许多新材料、新工艺、

新模块结构，易于组合使用、安装拆卸。

安全保护装置：

如汽车出入声光引导和定位、限速保护、停车泊位自动显示、重量超围报警、汽车防盗录像和灭火系统等。

其参考资料图如图1.1、1.2所示：

图1.1国外高容量的立体车库

图1.2国LG公司研发的塔式

1.4国立体车库的研究现状

在我国，停车库还处在初级阶段，公共停车位数量很少，乱停车的现象随处可见。

在我国，停车场仍以单层的路面停车场为主，机械式立体停车库较为罕见。

单层的路面停车场存有很多缺陷，如占地多、管理人员多、成本高、效率低、环境污染等。

由于不同人员随便进入，容易发生盗车、毁车、施暴等事件[3]0

2003年以后，我国很多企业为增强自身竞争力，开始引进国外技术，根据国的实际使用情况进行分析设计与改造创新，走上自主开发的道路。

不过在我国，停车产业还存在一些不足，如创造的多数产品是仿效或引进国外的技术制造，技术水平低，生产能力不足，缺少科研单位的参与，对停车产业发展和管理严重滞后等⑷。

针对这种不足，市场方面应建立车库市场运行机制，运用价格调高占路停车收费标准，逐步消除“路满库空”现象。

鼓励按市场规则经营车库，并实施政府监督和政策调控，使停车产业良性发展。

调查的立体车库如图1.3所示：

图1.3某小区停车位实图

1.5研究设计的意义

升降横移式立体停车库是机电一体化产品形式，它主要涉及机械、电子等领域，它需要专业的技术人员辅助其工作[5]0

随着经济的飞速发展，轿车数量膨胀，而现有的车库缺点是取车等候时间长，取车繁琐，安全程度差，设计结构旧。

因此，机械式立体车库显得尤为重要。

作为现代化大都市，立体建筑和立体交通都有了显著发展，道路拥挤、车满为患已成为当今社会中的不良现象，发展立体停车库已被多数人理解。

首先，机械立体车库具有突出的节省资源优势，并且节省土建的开发成本。

其次，机械立体车库能够有效地保证人身和车辆的安全。

机械立体车库能够做到彻底的人和车的分流。

最后，机械立体车库耗电量低。

一般是以单台集装制成。

这对车库较少的地区解决停车难的问题提供了方便。

因此，在升降横移式立体车库结构设计的基础上，深入地对升降横移式立体车库的框架和载车板进行的分析是十分必要、迫切而有意义的。

因此，机械式立体车库具有广阔的发展应用前景。

2、机械式立体车库的分析

2.1机械式立体车库及其组成

车辆无处停放的问题是城市的社会、经济、交通发展到一定程度产生的结果。

研究开发机械立体停车设备，这可以大节省有限的土地资源，并节省土地建设的开发成本。

机械立体停车库是指使用车辆之外的立体化装置来完成车辆的停放和存储的机械设施。

机械式立体车库是机电一体化产品，包含机械、电子、计算机、光学等领域的先进技术[6]。

机械立体车库主要由主体框架、横梁，纵梁、载车板、传动系统、安全装置、电气控制等几部分组成。

由于运行原理的差异，不同形式的机械式立体车库，其主要区别在于主体框架、载车板、传动系统等，而安全装置、电气控制与运行原理关联不大，因此基本类似。

2.2立体车库现有种类及优缺点分析

2.2.1升降横移类机械式停车设备

采用载车板升降或横移形式存取车辆特点：

节省资源，配置灵活，操纵方便，建设周期短，价格低，投资少，构造简单，安全可靠，运行平稳，噪声低，适用于市区、机关、住宅小区使用。

缺点：

设备中必须留至少一个空车位，为链条牵动的运行过程没有防止倾斜坠落的功能。

2.2.2垂直循环类机械式停车设备

采用垂直方向做循环运动的形式来存取车辆

特点：

占地少，两个泊位面积可停6~10辆车，装修可加顶棚，消防利用消防栓，价格低，投资少，建设周期短，采用自动控制，运行安全可靠。

缺点：

设备结构复杂，没有完善的闭锁和监控系统，采用足够的安全措施和消防系统。

最远的车位一般需要消耗2分钟，高峰取车时间依次变长，依次为第20辆约需30分钟以上，实用性差，因此，这种车库数量开始减少。

2.2.3水平循环类机械式停车设备

采用水平循环运动的车位系统来存取停放车辆

特点：

可以省去进出的车道，降低通风装置的费用。

但因为只有一个出入口，所以存取车耗费时间较长。

缺点：

因为只有一个出入口，所以存取车耗费时间较长，一般最远车位一次取车需2分钟，高峰时取车时间消费过长，依次取车时间为第20辆约30分钟，实用性差。

2.2.4多层循环类机械式停车设备

采用载车板作上下循环运动来实现车辆的多层存放特点：

无需坡道，节省土地资源，自动存取，通常建设于地形细长且地面只允许有一个出入口的场所。

缺点：

设备结构复杂，故障率较高。

最远车位一次取车需2分钟，高峰取车时间过长，依次取车第20辆需30分钟以上，实用性差。

2.2.5平面移动类机械式停车设备

在同一层上用搬运或起重机平面移动车辆或者泊车板平面横移存取车辆，亦可搬运机和升降机配合来实现多层平面移动存取车辆。

特点：

一般设置在地上或半地下的无人方式，地平面层为自走式，不仅降低了建立立体车库所需的投资费用，而且在地平面层可以停放大型车辆。

缺点：

设备结构复杂，故障率高，当存车超过20辆时，高峰阶段取车时间过长，依次取车20辆需要30分钟以上，实用性较差。

2.2.6堆垛类机械式停车设备

以巷道堆垛机或桥式起重机将进入到搬运器的车辆水平且垂直移动到存车位，并用存取机构存取车辆。

巷道堆垛类立体停车库是一种专门用于停放小型汽车的立体停车设备，也是一种集机、光、电、自动控制为一体的全自动化立体停车设备[7]。

它的出现解决了人们的大型自动化停车难的问题。

特点：

车库全封闭，存车安全，完善的闭锁和监控系统，足够的安全措施和消防系统。

缺点：

设备结构复杂，故障率比较高。

取最远车位的车一般一次需2分钟，高峰取车时间一次变长，依次取车为第20辆约需30分钟以上，实用性差。

而且堆垛机的技术要求较高，单台堆垛机成本较高，所以巷道堆垛式立体车库主要适用于需要车位数较多的客户。

2.2.7垂直升降类机械式停车设备

垂直升降类汽车停车设备也称塔式立体停车设备，通过提升机的升降和装在提升机上的横移机构将车辆或载车板横移，实现存取车辆。

特点：

库存量大，整个车库可多达20〜25层，可停放40〜50辆车，占地面

2

积不到50m，空间利用率最高。

适宜建筑在繁华的城市中心以及车辆集中停放的集聚地。

缺点：

该设备结构复杂，设有完善的闭锁和监测系统，采用足够的安全措施和消防系统，因此相比于其他车库故障率较高。

最远车位一般取车需2分钟，高峰取车第20辆约需30分钟以上，实用性差，因此有的用户开始改造。

2.2.8简易升降类机械式停车设备简易升降类机械式停车设备是指车位分成上、下二层或二层以上，借助升降

机或俯仰机构使汽车存入或取出。

简易升降类机械式停车设备一般为无人方式，即人离开后再移动汽车的方式[8]。

特点：

结构简单、操作方便，充分利用地下室空间，多用于居民小区、私人住宅、企事业单位、地下室等。

在面积一定时可以增加二倍以上的停车位。

缺点：

对于二层以下的车库，整体结构设计不科学，力学结构不合理，而对于三层以上的，升降运行时摆动幅度过大、风力过大，而发生摇晃，存在巨大的安全隐患。

2.3升降横移式立体车库的工作原理本次设计将设计一个简单的升降横移式立体车库。

简单升降横移式立体车库以钢结构框架为主题，每个车位均有载车板，所需存取车辆的载车板通过电机驱动链条来升降横移运动到达地面层，实现存取车辆。

图2.1是升降横移类立体车库的运行原理图。

此类升降横移的车库适用于小区里使用，停放的车辆是小型轿车。

此车库一共有3个出入口。

底层的载车板只能进行水平的横向移动，上层的载车板只能进行竖直方向上的上下运动。

本车库一共可以停放5辆轿车（即一共有5个载车板）。

为了实现载车板的自由提升和横移，从而实现轿车的存取，底层存在一个空车位，即能够横移的载车板只有两个。

现以取车为例，说明存取车的顺序。

如图2.1所示，设2车位为有车位，如果要取2车位的轿车，需要将5车位的载车板横移到空车位，再把2车位下降到5车位即可以取车。

需要注意的是，当轿车取走后，上层的载车板需要提升到原来的位置。

存车的过程和取车的过程基本相同，唯一的区别就是：

存车时尽量先

把轿车存放在上层的车位，最后再存放下层的车位

图2.1升降横移类立体车库的运行原理图

单位：

mm

单位：

mm

单位：

mm

2.4设计升降横移式立体车库的基本参数

停车尺寸：

5300X1900X1550

载车板规格：

4720X2360

停车规格：

车长X车宽X车高5300X1900X1550

停车最大重量：

2375kg

提升时间：

4m/min

横移速度：

8m/min

3、升降横移式立体车库的结构设计

3.1结构框架

立体车库一般主要以钢结构和钢筋混凝土为主，在升降横移式车库中一般选用钢架结构。

因为钢架结构与其它的结构相比，有以下特点[9]：

1）可靠性高

2）材料的强度高，钢结构自重小

3）材料的塑性和韧性好

4）钢结构制造简便，施工工期短

5）钢结构密闭性好

6）钢材的耐锈蚀性差

结构主体采用热制H型钢、槽钢、角钢和钢板等型材制造，具有很好的强度和刚度，轻巧、美观，可二次安装拆卸，运输更方便。

本次设计的两层升降横移式立体车库主体框架结构全部为钢结构组件。

立柱采用工字型钢，横梁采用冷弯矩形钢管。

立柱直接插入地下混凝土中。

立柱与横梁之间焊接而成。

立柱采用工子钢，因为工子钢有很强的承载压力的能力。

一共有8根立柱，前后各有4根，采用浇注的方法固定在混凝图中（地面采用混凝土）。

横梁采用宽X高为2000mM100mm勺冷弯矩形空心钢管（GB6728-8®,因为提升机构的电动机、联轴器和制动器要放在横梁上，所以矩形空心钢管平放在立柱上，采用焊接的方法连接。

纵向梁的选择比较困难，因为纵向梁不仅可以用冷弯矩形空心钢管，也可以采用角钢相对放置构成。

由前面的设计知道，链轮的结构要放在纵向梁上，不管采用那种方式的纵向梁。

链轮的底板都可以方便的固定在纵向梁上。

但是，当采用前者的方法时，需要在冷弯矩形空心钢管上开矩形孔，制造比较麻烦，所以决定采用两个角钢相对放置的方法来制造纵向梁，两个角钢之间存在一定的距离，距离由链条的宽度来定。

纵向梁也采用焊接的方式固定在横梁上。

其升降横移式立体车库的结构图如图3.1所示：

图3.1升降横移式立体车库整体结构图

1后横粱2传动系统3纵梁4前横梁5立柱6载车板7控制系统

主体框架是车库中重要的组成部分，它承担着整个车库和全部车辆的重量，框架自身重量、稳定性以及可靠性对整个立体车库的成本和安全性起着重要的影响。

车库主体框架在加载条件下变形直接影响到链传动系统能否正常的运行。

车辆的最大外形尺寸决定了停车车位的有效空间以及车库的框架尺寸[10]。

本

次的立体车库所适用车型的外形尺寸：

汽车长X车宽X车高为5300X1900X1550mm另外要考虑到安装安全检测设备（即检删汽车长度是否超出停车库设计要求的检测器）和横移载车板的电机安装位置，因此，本立体车库前后立柱中心的距离定为5750mm纵粱长度为5750mm为方便人的进出和车辆的安全必须保证第一层停车的空间不低于1800mm所以前立柱的高度为2100mm后立柱在前立柱的高度上增加前横粱、纵粱以及后横梁的高度，所以选取后立柱的高度尺寸为2840mm一个车位的宽为2450mm考虑安装方便后横粱的长度为2430mm前横梁的长度为：

2450X3+150=7500mm

3.2载车板及其提升系统

上载车板上都配有一套独立的电机减速机与链传动组合的传动系统。

当电机

顺时针旋转时，载车板上升，电机逆时针旋转时，载车板下降。

根据载车板及车辆的重量确定链条所需的传动力；根据传动力及载车板的移动速度确定电动机的功率。

根据车的高度来确定上下载车板间的距离；然后根据这个距离来确定链条

的长度；最后根据传动力确定链轮的大小、链节形状、大小及数量

3.3控制系统的分析

升降横移式立体停车设备的控制系统采用PLC可编程序控制器控制，主要有四种控制方法：

手动、自动、复位、急停[11]。

自动控制：

应用于平时的正常工作状态。

手动控制：

应用于调试、维修的状态。

复位：

应用于排除故障场合。

急停：

应用于发现异常的紧急场合。

本次设计的升降横移式立体车库，采用手动操作。

3.4传动系统的设计

机械式立体车库采用的传动系统有钢丝传动系统、链条传动系统、液压传动系统等[12]。

钢丝传动系统：

整体稳定性不好，传动速度越大，稳定性就愈差。

而液压传动系统：

液压油受温度的影响较大，冬夏季的压力和流量相差甚远，并且提升速度和重量的变化会使得靠液压传动的立体车库的性能不稳定。

所以，目前机械式立体车库大多数采用链传动和齿轮传动作为提升和横移的传动系统，特点是可以保证准确的传动比，传动结构紧凑，运行平稳。

本次设计中上层载车板选用链条传动，底层载车板选用齿轮传动作为车库的传动系统。

3.5安全装置

在上载车板上装有上下行程极限开关和防坠落安全装置。

防坠落安全装置装在纵梁与上载车板的停位之间，在纵梁两测各装两只挂钩，上载车板两侧的相应位置处安装两只耳环，当上载车板上升后，纵梁下面的四只挂钩便自动套入四只耳环，以防止升降电机因常闭制动器释放后，上载车板在汽车和载车板自身的重力作用下自由落体，损坏汽车零部件，甚至压坏下层汽车[13]。

另外，预防制动器失灵，上载车板从上停车位突然坠落，而砸坏下层的汽车。

同时下层载车板的安全装置主要包括行程极限开关以及防碰撞板。

行程极限开关的作用：

使载车板横移到位后自动的停止。

防碰撞板的作用是：

下层载车板做横移运动时，假如碰撞到人或遗留的行时，将会切断横移的电机电源，横移载车板停止运动。

0

怪钩

珪环

电磁铁

图3.2防止载车板坠落装置

4、车库主要结构的运动及力分析

4.1上层载车板的形式

按结构形式的不同，立体车库的载车板可分为：

整体式和拼装式［14］。

整体式载车板采用具有防滑作用的花纹钢板，整体通过冲压焊接制成，用不同厚度的普通钢板做加强筋，然后整体再镀锌防锈。

拼装式载车板采用普通铜板折弯成边梁，停车面采用镀锌钢板冲压或滚压成型波浪板，相互咬合后并拼装成载车板，之后

用螺栓紧固连接，拼装前先对组件的各类表面进行处理（如电镀、烤漆等），使载车板轻巧、美观［15］。

拼装式载车板运输方便、通用性以及互换性好，还有较好的刚度，这种拼装式结构形式适合批量生产。

升降载车板由链条牵引升降，升降载车板与载车板上的车辆在升降过程中会产生前后、左右的摇动，不利于保障停放车辆的安全以及人身安全，因此，要在上层升降的载车板上设计升降导向块，导向块安装在升降载车板的后侧，导向块能前后左右调整，直到合适的位置时通过螺栓拧紧固定在升降载车板上［16］。

导向块在载车板升降过程中沿着后立柱H型钢的翼缘滑行，可以限制升降载车板升降过程中前后左右摆动。

4.2上层载车板的设计

载车板用于停放车辆，必须能够承受车辆的总重量，并且完成提升动作，因此，载车板要有足够的空间尺寸和足够的强度、刚度。

选取轻型车的数据作为设

计数据，即全长5300mm全宽1900mm全高1550mm全重2375kg进行设计。

图4.1停车板尺寸

如图4.1所示，当车辆停到载车板上后，车人员要离开载车板，因此载车板

在宽度方向上应留有人出来的足够空间。

通过对车辆的实际测量并考虑到车辆停放时的偏移，并对结果适当放大，得出结果：

载车板总宽Li=4450mm上停车板

在提升时受倾覆力作用，其底部应有坚固的支承框架，当它降至底层时，该框架不能压触到地面，总长L4=5650mm上停车板材料均选用厚度为5mmt勺菱形花纹钢板（GB3277-82拼合而成，其中上载车板的引坡可直接将钢板弯折加工而成。

由《花纹钢板（GB3277-82》查表，上载车板重量取600kg。

4.3上层载车板支承框架的设计

支承框架一方面要支承载车钢板及车辆的重量，提高钢板刚度，另一方面要起到连接钢板与提升机构的作用。

载车板的支承框架采用槽钢，靠螺栓螺母将钢板固定。

最外圈的四根槽钢与载车板边缘留有适当的距离，槽钢与槽钢相交处也要留有一定空隙［17］。

根据载车板的受力情况求槽钢的截面惯性矩，选择槽钢型号。

取支承架中间

的两根纵向槽钢分析，设汽车的重力G集中于载车板的中央1/2处，槽钢承受钢板及其自身的均布载荷，因此对于单根槽钢，它的变形是两者共同作用引起的。

在集中力P单独作用下，其最大挠度为：

当均布载荷q单独作用时，其最大挠度为:

两式中，E——材料的弹性模量E=210GPa

I――材料的截面惯性矩

综上结果，在集中力和均布载荷的共同作用下，单根槽钢的最大挠度为:

支承框架所需要的槽钢要求刚度较大，因此其挠度[f]=0.0002l，令

fBf。

由此可求得槽钢的截面惯性矩

4-4/、

I1.0910m（4.4）

由型钢表《热轧普通槽钢（GB707-65》查得，选用5号槽钢。

5号槽钢的参数为：

理论重量5.44kg/m，根据图4.4所示的尺寸数据，载车板支承框架的重量分别为：

上框架200kg。

4.4上层提升机构的设计

上层载车板固定在支承架上，靠两根链条来提升。

而链轮依靠电动机举提供动力。

上升时，为使载车板与立柱之间的摩擦阻力减小，下降时，能够靠车辆和载车板得自重顺利下滑，在每个导向板的两侧上下各装有两个滑靴。

当上载车板升降时，仅有滑靴与立柱上的导轨接触，取载车板的提升高度h=2.3mm电动机

横向布置在两立柱的上边，链轮轴固定在的横梁上。

提升链一段固定在地面上，另一端绕过链轮后与载车板及支承架垂直固定。

采用这种机构可以使电动机的行程大缩短。

从电机的安装和美观的角度来考虑，电机应该放在车库框架后方的横梁上，而且一个托盘需要两个电动机，一侧一个水平放置在横梁上，此处电机的定位依靠底盘来定位。

提升用的电机和平移用的电机一样也选用带有减速器的电机。

链传动的方式就是选用开示的链条，两个链轮在同一个水平面上。

用联轴器把一根轴上的动力传递到另一根轴上。

本次设计中采用链条来传递动力。

一般情

况下，一个托盘需要两根链条来承载。

如果托盘的前端有一个链条的固定端，后端有一个链条的固定端，在这种情况下托盘有四根链条来承载，安全系数较高。

如果链条固定在框架纵向梁的前部，和托盘上的两个齿轮配合，最后回到纵向梁的后部，示意图如下图4.2所示。

这种方式不但有四根链条来承载，而且提升平稳，安全系数高，所以采用这种方式。

图4.2上层托盘和轿车的提升简图

由于上层托盘提升到第二层位置时，需要在此处长时间停滞，所以需要在链轮轴上安装制动器，制动器应该选用常闭型的制动器，因为托盘停在固定位置的时间相比于托盘运动的时间长的很多。

电机轴和链轮轴之间采用凸缘式联轴器进行联接，传递动力。

4.5横移结构的设计

4.5.1载车板的结构设计

1）载车板的基本尺寸

此次设计的立体车库适合小区使用，所停放车辆为轿车和微型面包车，一般轿车的基本参数阿：

长：

L=4700mm;宽：

W=1700mm;高：

H=1550mm;

初步确定托盘的基本尺寸：

长：

L=5400mm;宽：

W=2000mm;

2）载车板上基本零部件的选择和设计

a.滚轮的设计：

（1）直接将滚轮安装在载车板上，在存车位上安装导轨（轻轨），滚轮直接在导轨上滚动，可以减少摩擦力，而且载车板的移动平稳。

滚轮在安装中有中心轴，轴焊接在载车板上，轴承选择圈固定，外圈旋转，其结构简图，如图4.3

所示：

图4.3滚轮示意图

1-轴承2-滚筒3-轴承端盖4-轴

b.载车板主体结构的材料选择

（1）外框空心钢管的选择

结构选用冷弯矩形空心钢管（GB6728-86

选择的尺寸：

边长70mn,壁厚t=4.0mm,理论重量7.966kg/m

另选的结构为冷弯矩形空心钢管（GB-6728-86）

选择的尺寸200mM100mm壁厚t=4.00mm,理论重量kg/m

（2）载车板中用于承载汽车的钢板的选择

根据GB3277-82选择菱形花纹钢板，以增大汽车轮胎与钢板之间的摩擦力。

厚度5mm宽0.35mm其它的钢板，如承载用的与水平面平行的钢板。

根据

（GB709-88查得，选择钢板厚度5mm宽度0.35mm即将0.77mm的钢板一分为

对于钢板厚度5mm,理论重量39.2kg/m2

..、2

厚度4mn,理论重量31.42kg/m

菱形花纹钢板厚度5mm理论重量42.30kg/m2

（3）角钢的选择

根据GB9787-88查：

碳素钢Q235-A,尺寸为50X50X5mm的热轧钢等，边

角钢理论重量1.822kg/m

（4）载车板整体采用焊接的方法：

焊缝均采用手工电弧焊，焊缝不能有透、熔、蚀等缺陷，修刺倒棱，焊后退

火处理。

综上所述得出:

矩形钢板宽W=0.15m长L=5.4m方形钢板宽W=0.1m长L=2m中间钢板宽W=1.2m长L=5.4m

得出：

方型钢管：

M=7.966kg/mx2X2.1m=33.46kg

矩形钢管：

M=18k/mX2X5.4m=194.4kg

中间钢板：

M3=31.42k/m2X5.4mX1.2m=203.47k菱形钢板：

M4=42.3k/m2X4X0.45mX1.2m=81.22k角钢：

M5=1.822k