立体车库设计(论文)

分类号：U 491. 71

单位代码 ：10452

毕业设计

立体车库设计

姓 名 苑春茂

学 号 [1**********]7

年 级 2010

专 业 机械设计制造及其自动化

机械工程学院 系 （院）

指导教师 刘玉慧

2014年 3 月 30 日

摘 要

本文设计了一种新型高效的立体停车设备，该设备可容纳320辆汽车。立足创新实用，在现有成熟的机械式立体停车设备的基础上，针对其安全性，可靠性，存取效率等问题，着重对巷道堆垛式立体车库的四大主要部分，即金属框架、升降机构、存取机构、横移机构进行了优化和改进。金属框架采用方管立柱和工字钢梁的组合，并采用螺栓连接的方式，方便制造和安装；采用升降机构、存取机构和横移机构组合的存取方式替代了堆垛机存取，降低车库成本；升降机构采用电梯升降，既有效提高了升降速率也增强了安全性；升降平台和车位设置了车轮锁定机构，防止停放车辆移动；存取机构采用夹持车轮的设计，并运用差速器原理解决不同车辆轴距差异的问题；存取车辆均在PLC 控制下自动完成，方便快捷。

关键词： 立体车库 巷道堆垛式 Pro/ENGINEER

ABSTRACT

This paper designs a new type of efficient mechanical parking system, which accommodate 320 cars parking.Based on innovation and practical, on the basis of existing mature mechanical parking equipment for its safety, reliability, access efficiency, focusing on four main part of the Aisle-Stack garage, the framework of metal,the elevating mechanism, the access mechanism and traverse mechanism has been optimized and improved. Metal frame with square tube column and beam combination, and with the method of screw connection strings, convenient manufacture and installation; Using lifting mechanism and access mechanism and transverse moving mechanism combination access mode instead of the stacker accesses, decrease the cost of garage; Lifting mechanism use elevator lift, not only effectively increase the fluctuation rate also increased security; Lifting platform and the parking set the wheel lock mechanism, prevent the parked vehicle mobile; Access mechanism USES the design of clamping wheels, and by using the principle of the differential solve the problem of different wheelbase difference; Access vehicles are completed under the PLC control automatic, fast and convenient.

Keywords: mechanical parking system Aisle-Stack Pro/ENGINEER

目 录

1 绪论 .................................................................... 1

1.1引言 .............................................................. 1

1.2立体车库的发展 ................................................ 1

1.3 立体车库的结构形式 ................................................ 2

2 巷道堆垛式立体车库的总体方案 ........................................... 3

2.1 巷道堆垛式立体车库的停车原理和设计要求 ........................... 3

2.1.1停车原理 .................................................... 3

2.1.2停车要求 .................................................... 3

2.2 巷道堆垛式立体车库的载荷 .......................................... 4

2.2.1载荷类型 .................................................... 4

2.2.2载荷特点 .................................................... 4

2.3巷道堆垛式立体车库的总体设计方案 .................................. 4

3 金属框架设计 ........................................................... 7

3.1金属框架布置 ...................................................... 7

3.2梁的设计 .......................................................... 7

3.3立柱的设计 ........................................................ 8

3.4梁柱连接设计 ..................................................... 10

4 升降机构设计 .......................................................... 11

4.1升降机构原理 ..................................................... 11

4.2轿厢设计 ......................................................... 12

4.2.1轿厢框架结构 ............................................... 12

4.2.2车轮固定机构设计 ........................................... 13

4.3电梯设计计算 ..................................................... 16

4.3.1主要技术参数 ............................................... 16

4.3.2曳引系统计算 ............................................... 16

5 存取机构设计 ........................................................... 21

5.1 存取机构原理 ..................................................... 21

5.2 滑动平台的设计 ................................................... 22

5.2.1车轮托板设计 ............................................... 22

5.2.2滑动板设计 ................................................. 23

5.3存取机构存取传动系统设计 ......................................... 23

5.3.1丝杠设计计算 ............................................... 23

5.3.2 减速器的设计 . .............................................. 26

5.4存取机构升降台设计 ............................................... 27

5.4.1滑动导轨设计 ............................................... 27

5.4.2支撑框架设计 ............................................... 28

5.5存取机构底盘设计 ................................................. 28

5.5.1结构设计 ................................................... 28

5.5.2轨道轮的布置 ............................................... 28

6 横移机构设计 . ......................................................... 30

6.1横移机构原理 ..................................................... 30

6.2横移平台设计 ..................................................... 30

6.2.1横移平台设计 ............................................... 30

6.2.2横移平台轨道轮驱动设计 ..................................... 30

6.3横移导轨设计 ..................................................... 32

7 总结与期望 . ............................................................ 33

参考文献 . ................................................................ 34

致谢 . .................................................................... 35

1 绪论

1.1引言

随着改革开放的不断深入，中国经济的迅速发展，我国城市居民经济条件的日益改善，私人轿车的数量大大增加，致使在人口集中的城市里，在繁华的街道停车位的严重不足，使得停车难问题日趋严重，立体车库无疑是解决停车难问题的一种有效途径。

1.2立体车库的发展

现在所知的最早的立体车库建于1918年，位于美国伊利诺斯州芝加哥市华盛顿西大街215号的一家宾馆(Hotel La Salle)的停车库，设计师是Halberd 和Roche ，该车库于2005年被推倒, 在该原址上，后来由Jupiter Realty Corp兴建了一座49层的公寓大楼。1932 年美国开始建造第一台简易式存车库采用电梯系统上下搬运汽车。它是Bowser 公司在美国俄亥俄州辛辛那提市建造的Carew 塔式车库， 共24 层能容纳500 辆汽车， 该车库直到1979 年才投入使用。1968年6月，英国的第一座大型自动化立体停车库在伦敦Rochester Row 建造。这个能容纳300辆汽车的设施，由威斯敏斯特区政府的路外停车部门Master Park 所有和管理，它实际上是一个半自动化升降操作的设施，直到今天还在提供停车服务。20世纪80年代中期，德国的Krupp 制造公司在当地安装了两台较大的机械式立体停车设备，一个是在萨尔布昌肯，另一个是在慕尼黑，这两台设备目前都仍在运营。意大利从事停车设备开发和生产也比较早。由于欧洲国家土地资源比较富余，停车问题表现不很突出，停车设备应用量不是很大。多数为巷道堆垛式产品，多层升降横移式产品应用很好。意大利和其他一些欧洲国家的优势在巷道堆垛式产品上。截至2002年底，荷兰已有大约90座机械式停车库，但是在建筑密度较高的市中心区并不多，部分原因是人们缺乏对机械式停车系统的认同，对这种系统的信任度不高。2001年1月，一种高度相当于14层楼，内部结构好似书架的立体停车库在莫斯科投入使用。韩国机械停车设备技术是日本技术的派生。产业从20世纪70年代开始起步，80年代开始引进日本技术，经过消化生产和本土化，90年代开始为供应使用阶段。由于这几个阶段得到了政府的高度重视，各种机械停车设备得到了普遍开发和利用，韩国该领域近几年增长速度在都30%左右。1987年Krupp 在韩国汉城设计建造了当时世界上最多的自动化停车库，拥有1300个车位。亚洲的停车设备技术起源于日本，日本从20世纪60年代开始从事机械停车设备的开发、生产、销售和服务，至今已有接近50年的历史。目前日本从事机械停车库的公司有200多家[1]- [3] 。

我国从90年代初开始研究开发机械式立体停车设备。第一座立体车库建造于苏州闯门石路商业区，经过长达9个月的试运营，该车库通过了建设部门的鉴定。这座车库呈长方形，高32米，分为16层，能容纳各种轿车30辆，占地仅50平方米。由于采用

先进的变频无级调速技术，升降稳，振动小，速度每分钟90米以上，存取车辆仅需两分钟时间。同时，车库内全封闭管理，设有监控系统、防火预警系统和自动灭火设施，确保存车安全。在此之后，包括昆明市塘子巷商务大厦、苏州石路商业区、天津静安寺立体车库以及北京等多个地区的多座建筑物都相继采用了各种类型的立体车库。根据中国停车设备工作委员会统计数据显示，2010年全国兴建机械式停车库的城市达到160个，建设项目达到1147个，机械式停车泊位安装量达到232266个，机械式停车设备国内销售总额达到43.5亿元，均创下历史最高纪录。其中，项目同比增长25.4%，泊位增长35.7%，销售额增长26.8%。2010年与2006年相比，单年机械式停车库的建设城市、建设项目、安装泊位以及销售收入在量上都实现了翻番，其中项目年平均增长20%，安装泊位年平均增长29%；销售额年平均增长25%。截止2010年末，不包括港澳台地区和除西藏外，全国有30个省、市、自治区的232个城市兴建了机械式停车库，覆盖面超过全国城市总数的三分之一，全国累计已建机械式停车库（项目）5600多个，泊位总数达到93.2万余个，汽车专用升降机400多台[4]。

1.3 立体车库的结构形式

立体车库的结构和形式很多， 其分类方法也有许多。目前， 按立体车库的存取方式可分为[5]：升降横移式、垂直循环式、垂直提升式、巷道堆垛式。

其中巷道堆垛式立体车库分为[6]：巷道堆垛机式、库顶桥式起重机式、带横移小车的升降载货台式三类。巷道堆垛机式一般采用双立柱式巷道堆垛机作为搬运装置，高速运行。入库车在堆垛机载货台上同时作两维运动，快速到达指定车位。一般采用车位与巷道长度方向垂直的横向布置，也可与巷道长度方向平行的纵向布置。一般情况，一个巷道设置一台堆垛机，也可在一个巷道中设置两台堆垛机，承车板在堆垛机载货台上可旋转缩进，当两台堆垛机交汇运行时互不干扰。也可以在载货台上作一带梳齿、可伸进钢架车位的承车架．而省去承车板。此种形式适合于上百个，甚至上千个停车位的大型自动化立体停车库，可使用现代自动化立体仓库的各种高科技技术，如信号传输、位置检视及运动控制等；库顶桥式起重机式的基本工作原理是在停车库大钢结构架顶上装有一台小车固定的桥式起重机，用以替代堆垛起重机，解决了升降载货台的定位防摆问题，亦可实现高速运行快速定位对准。车位可纵向或横向布置。桥式起重机比堆垛起重机质量轻，能耗低；带横移小车的升降载货台式的基本工作原理是用一个只作垂直升降且有刚性导向装置的长形升降载货台，其上有可沿巷道长度方向运行的横移小车。升降载货 在充分考虑存取效率、安全性、可靠性和实用性等因素，本文采用了带横移小车的升降载货台式巷道堆垛式立体车库的结构形式来设计。

2 巷道堆垛式立体车库的总体方案

2.1 巷道堆垛式立体车库的停车原理和设计要求

2.1.1停车原理

巷道堆垛式立体车库采用堆垛机作为存取车辆的工具，存取车辆方便快捷，但是传统巷道堆垛式立体车库采用的堆垛机成本较高，对此，本文着重对巷道堆垛式立体车库的存取方式进行了改进，吸取了升降横移式立体车库的优点，采用一个升降机构和每层配备的横移机构、存取机构替代堆垛机，既降低了技术难度，也节约了成本，同时，存取机构采用四个夹持轮胎的机构来托举和移动车辆，不需要为每个车位配备一个可移动的载车板，使得存取车辆更为简单快捷。

驾驶员驾驶汽车进入入口层电梯的升降平台，升降平台是一个类似4S 店修车时的双边桥，两轮之间有一个矩形凹槽，凹槽下部有导轨，存取机构可由导轨进入车辆下方。驾驶员拉上车辆手刹，关闭车门下车，选择车位刷卡或者由停车管理员按下开关按钮，之后系统即可自动完成停车，具体步骤是：升降平台随电梯轿厢上升，提升车辆至指定停车层，该层横移机构沿横向导轨移动，横移机构上有纵向导轨，该纵向导轨上放置有存取机构，当横向机构横移，至纵向导轨与电梯间升降平台导轨对齐时，存取机构沿纵向导轨和升降平台导轨进入电梯，停在车辆正下方位置，车轮夹持机构展开完成夹持车轮，托举，使车辆与升降平台分离，即完成取车动作，之后存取机构托着车辆返回横移机构上，而后横移机构载着存取机构及存取机构上的汽车横向移动到指定车位，每个车位同升降平台一样也有导轨，当横移机构横向移动，至横移机构上的纵向导轨与车位上的导轨对齐时停止移动，存取机构再次托着车辆沿纵向导轨和车位导轨进入车位，放下车辆，收起车轮夹持机构，退回到横移机构即完成一次停车。

取车时反之。

当将车停放在车库第一层时，无需进入轿厢，可直接将车开入或开出车库。

2.1.2停车要求

通过仔细阅读相关立体车库设计材料，对本文所设计的立体车库有以下几个主要设计要求：

1．升降速度是0.5 m/s，横移速度40m/min。升降机构采用货运电梯升降方式可大大提高升降速度。

2．必要的安全防护。如车辆在升降梯、车位上固定，电梯安全，横移安全防护等。

3．车库主体框架具有一定抵抗风载荷、雪载荷、地震等自然因素的能力。

4．故障提示和维修通道。

3

2.2 巷道堆垛式立体车库的载荷

2.2.1载荷类型

巷道堆垛式立体车库的载荷可分为以下三类：

1. 永久载荷。主体结构自重、维护结构自重和停车设备自重（含升降机构、存取

机构、横移机构和附属设备等）的数值不随时间变化，为永久载荷。

2. 可变载荷。车辆载荷（不含驾驶员，含车内存放的物品）的数值随时间变化，

为可变载荷；风载荷和雪载荷是另外两种常见的可变载荷。

3. 在车库运营期间进行检修，检查人员和设备的载荷也要考虑。

4. 偶然载荷。在地震区，要考虑地震作用载荷。

2.2.2载荷特点

由于存取车辆的要求，巷道堆垛式立体车库的载荷有其自身的特点，主要是：

1. 升降机构在轿厢升降时，由于升降加速度的影响，轿厢和车辆的载荷是动载荷。

同样存取机构存取车辆，及横移机构横向移动也是动载荷。计算时应予以考虑。

2. 对立柱而言，多层立体车库停车位金属框架一层的立柱所受载荷最大，顶层立

柱所受载荷最小。 [7]

2.3巷道堆垛式立体车库的总体设计方案

钢结构框架是立体车库的主体部分，立柱采用方管，梁采用工字钢，连接方式采用螺栓连接。

驱动和传动系统是立体车库的核心部分，升降机构采用电梯曳引升降方式，层存取由存取机构和横移机构通过纵横交错导轨存取汽车（将在后续章节详细介绍）。

控制系统也是立体车库非常重要的组成部分，主要由控制程序，传感器和执行元件组成，本文立体车库采用PLC 作为控制核心，传感器有限位开关、旋转编码器等；执行元件主要有液压系统、电机，曳引机等。

如表1所示，巷道堆垛式代号为XD ，参考表2，选取单套立体车库容量为320辆。

表1 立体车库类别及类型代号

4

对适合在该机械式停车设备中停放的车辆，按其尺寸（GB/T 3730.3 定义的汽车长、车宽、车高）及重量（包括按

GB/T 3730.2 定义的整车整备质量加上50 kg物品的重量），分为X （小）、Z （中）、D （大）、T （特大）、C （超大）五个轿车组和K （客车）一个客车组，如表3所示。

表3 适停车辆尺寸及重量[8]

图1堆垛式立体车库模型

图2堆垛式立体车库

巷道堆垛式立体车库主要用于小区，商场等停放轿车为主的场所，本文选取D 组来设计。

3 金属框架设计

3.1金属框架布置

钢结构立体车库布置合理与否在很大程度上会影响到结构的经济性及施工的合理性。从结构的角度进行平面布置时，一般应考虑以下原则：

(1)应满足建筑使用要求，便于施工。如开间、进深、层高、层数和平面关系等要满足使用要求；

(2)应使结构平面尽可能规则整齐、均匀对称，体形力求简单，以尽可能减小立体车库的扭转效应；

（3）提高结构的总体刚度，减小侧移。除选择合理的结构体系外，还应从平面形状和立面变化等方面考虑有利于减小结构的侧移。此外，结构的高宽比不宜太大，应满足相关规范的要求。

结合立体车库载荷类型、特点和JB-T 8713-1998 《机械式停车设备类别、型式与基本参数》标准[8]。选取巷道堆垛式立体车库的整体设计参数如表4：

表4立体车库主要参数

3.2梁的设计

金属框架梁采用普通工字钢。 载荷和约束：

梁承受最大静载荷发生在存取机构托举车辆进入或出轿厢，存取机构轨道轮通过梁上的过渡导轨时。

汽车质量为M=2000kg; 存取机构质量取1300kg; 故梁的受力最大值为：

F L max=

20000N +13000N

=8250N （3−1）

施加在梁与轨道接触表面；梁两端加入固定约束；升降机构与横移机构导轨之间必须有一段过渡导轨，以满足升降机构升降及横移机构横移时不碰到梁和立柱。过渡导轨长度取240mm ，当存取机构轨道轮与梁上的过渡导轨一端接触时还必须考虑其对梁作用

的转矩M L 。

图3导轨受力

由图3，得：

F L max

M L =∙0.12N ∙m =1980N ∙m （3−2）

Q235碳素结构钢屈服强度为235MPa ，取安全系数n=2，许用应力[σ]=117．5MPa 。等效应力Max Equivalent Stress为材料力学中的第四强度理论，定义为：

1

σe = [ σ1−σ2 2+ σ2−σ3 2+ σ3−σ1 2 ] （3−3）

由表3.3可知此时最大应力332.12MPa>[σ]，显然不符合使用要求，需选择更大尺寸参数的工字钢。

根据结果选取DP9组参数，即尺寸为220mm ×112mm ×9.5mm 的22b 热轧工字钢，标注为

220×112×9.5−GB T 706−1988

Q235−B −GB T 700−1988

挠度校核：

直接承受停车设备和车辆载荷的纵向框架梁，应验算挠度，挠度容许值 υr [13]。

l 3100mm

υr ===3.1mm （3−4）

由表3.7可知υr =2.48mm

36.524Kg

m m

=220kg ； =92kg ；

36.524Kg

m

宽边梁M 2500=2.5m ×

36.524Kg

升降机构框架宽边梁M 3100=3.1m ×

=114kg 。

3.3立柱的设计

1、柱截面选取

（1）、柱结构的强度计算

立柱选用方管，选取受力最大的立柱即车位最下层的单个立柱分析，则有：

FZ max

=

Mg∙10∙8+M 6000g ∙11∙8+M 2500g ∙10∙9∙2+M Z ∙g ∙7∙11∙2+Md∙g

取立柱质量MZ=200kg，车库顶棚Md=2000kg则由式3-5得： FZ max

20000×10×8+2200×11×8+920×10×9×2+2000×7×11×2+20000=N

1600000+193600+165600+308000+20000=N

=103964N （3−5） 取FZ=104000N。

可看近似看做轴心受力构件分析，则有

σ=

式中 N——轴心压力； A n ——净截面面积；

f 1——钢材的抗压强度设计值。

取f 1=190N/mm 2， N=FZ=104000N，则有

N 103055A n1≥=mm 2=547mm 2 （3−7）

1受压构件还应满足一定的细长比，参考《钢结构设计规范》取容许细长比为150，则有

Z L

≤150 h

Z h ≥

综上取立柱参数，如表5：

表5柱的参数

N

≤f 1 （3−6） n

2900

mm =20mm （3−8）

2、建立模型

立柱热轧方形钢管，同样采用参数化建模。由于立柱可能受梁装配的影响，所以建立模型，如图4所示。

图4组合模型图

根据受力的不同将柱分为1类柱，和2类柱。 由《钢结构设计规范》柱的横向位移容许值为

H c 2500

=

2900mm 2500

=1.16mm 。

取DP38数据，即方管边长为120mm ，厚度为8mm 。

之前预取了立柱质量为Mz=200kg ，还简单校核：

26.84kg

Mz=2. 9m×=77.9kg

满足要求。

3.4梁柱连接设计

柱与柱之间4×M20螺栓连接，柱与梁采用4×M12螺栓连接，柱与柱连接板采用 4×M16螺栓连接，梁与柱连接板采用 4×M16螺栓连接，梁与梁连接板采用 4×M16螺栓连接，梁与梁采用 4×M16螺栓连接。如图5、6所示。

图5装配关系

图6零件组合图

4 升降机构设计

4.1升降机构原理

存车时驾驶员将车驶入指定位置后，选择车位，按下存车键，升降机构即开始工作，将车辆提升至指定停车层。

为达到快速升降的要求，本文升降机构采用传统的垂直电梯升降方式，升降速度可到达0.5 m/s。

电梯工作原理：曳引绳两端分别连着轿厢和对重，缠绕在曳引轮和导向轮上，曳引电动机通过减速器变速后带动曳引轮转动，靠曳引绳与曳引轮摩擦产生的牵引力，实现轿厢和对重的升降运动，达到运输目的。

电梯主要组成部分[14]：

(1)曳引系统：曳引系统的主要功能是输出与传递动力，使电梯运行。曳引系统主要 由曳引机、曳引钢丝绳，导向轮，反绳轮组成。

(2)导向系统：导向系统的主要功能是限制轿厢和对重的活动自由度，使轿厢和对重只能沿着导轨作升降运动。导向系统主要由导轨，导靴和导轨架组成。

图7钢导轨

图8导靴

(3)轿厢：轿厢是运送乘客和货物的电梯组件，是电梯的工作部分。轿厢由轿厢架和轿厢体组成。

(4)重量平衡系统（对重）：系统的主要功能是相对平衡轿厢重量，在电梯工作中能使轿厢与对重间的重量差保持在限额之内，保证电梯的曳引传动正常。系统主要由对重和重量补偿装置组成。

（5

）电力拖动系统：电力拖动系统的功能是提供动力，实行电梯速度控制。电力拖

动系统由曳引电动机，供电系统，速度反馈装置，电动机调速装置等组成。

（6）电气控制系统：电气控制系统的主要功能是对电梯的运行实行操纵和控制。电气控制系统主要由操纵装置，位置显示装置，控制屏(柜) ，平层装置，选层器等组成。

（7）安全保护系统：保证电梯安全使用，防止一切危及人身安全的事故发生。由电梯限速器、安全钳、夹绳器、缓冲器、安全触板、层门门锁、电梯安全窗、电梯超载限制装置、限位开关装置组成。

4.2轿厢设计

4.2.1轿厢框架结构

图9轿厢

建立模型：

轿厢框架结构的横梁和立柱均采用普通工字钢。

初选碳素结构钢Q235-B ，尺寸为140mm ×80mm ×5.5mm 的热轧工字钢，标注为

140×80×5.5−GB T 706−1988

Q235−B −GB T 700−1988

预留轿厢与车库金属框架之间一定间隙为74mm ，以安放升降导向轨和导靴，则轿厢框架整体为尺寸：

长度： 6000mm−74mm ×2=5852mm ； 宽度：3100mm −74mm ×2=2952mm ； 高度取3200mm 。 Pro/E模型如图10所示

图10 轿厢结构

同样运用Pro/E 4.0参数化建模，具体参数如表6所示：

表6轿厢参数

4.2.2车轮固定机构设计

（1）轮固定机构原理

为了防止车辆在电梯运行过程中移动，需在轿厢中设置固定汽车的装置，如图11：

图11升降平台尺寸

在升降平台（载车板如图11）上设置的四个长h 宽l 的矩形口是为了装配车轮载板，车轮载板在矩形口的l 边靠近载车板中间的一侧有铰链连接，当车轮载板支撑面向下转动与载车板形成一定夹角可防止汽车移动。

图12车轮载板尺寸 图13车轮载板三维图

转轴装配在载车板上（如图12），与载车板和车轮载板均为销钉连接，支撑面可沿轴转动。当电梯降至第一层即车辆入库层时凸轮1与设置在地面的凸出面作用，使支撑面与旋转平台平面平行，方便车辆驶入或驶出车库；当电梯上升，凸轮1与地面的凸出面分开，在转轴扭转弹簧和车轮压力的作用下，支撑面绕转轴向下转动，与旋转平台平面形成一定夹角α，使旋转平台形成一个楔形凹槽以防止车辆移动；当电梯上升至停车层，存取机构沿导轨进入轿厢时，凸轮2与设置在存取机构上的凸出面作用，支撑面向上旋转到与载车板平面平行的位置，以便完成之后的存取车动作。同时，每个停车位也设置有该车轮固定机构，以保障停放车辆的安全。 （2）基本尺寸确定

表7车尺寸统计[15]

取车轮直径υ=400mm， 轮胎的宽度δ=115mm，结合表4.2数据，j 、k 分别为汽车轴距和轮距，则有：

a max =j min −φ=1948mm −400mm =1548mm （4−1）

取a=1545mm。

h min =(jmax +φ−a)/2=(3142+400−1545)/2mm=998.5mm （4−2） 取h=1080mm。

b max =k min −δ=1337mm −115mm =1222mm （4−3）

考虑降低驾车入库难度，b 值不宜过大，取b=990mm。

l min =(kmax +δ−b)/2=(1618+115−990)/2mm=371.5mm （4−4） 同样，考虑降低驾车入库难度，l 值不宜过小，取l=804mm。 其他尺寸取c=5900mm、d=905mm、e=800mm。

普通轿车的底盘离地高度（最小离地间隙）在120~175毫米，综合考虑轮胎直径，变形等因素，汽车最小离地间隙取20mm ，则最大转角α为6.6°。 （3）转轴设计计算

车轮载板的转轴是一个非常重要的部件，其设计的优劣直接影响停车的安全性。

图14车轮载板受力图

F 为车轮对车轮载板支撑面的压力，

M 为汽车质量，g 取10m/s²，a 为轿厢加速度取0.8m/s²。则，

F =M （g +a ）/4=(2000×10.8)/4N=5400N （4−5） 当轴距取最小，即

ΔL=

时转轴受力最大，由

F A +F B =F （4−7） FΔL−817F B =0

得

F A =4068N （4−8）

转轴在车辆存取过程中具有很多不确定因素，车的重量可能集中于一个铰链上，所以此处取F y =F A 。

F s =F y =F A =4068N （4−9） τ=

τ——剪切应力，单位：Mpa 。 F s ——剪力，N 。

jmin−a 2

1948mm −1545mm

2

==201.5mm （4−6）

F s 4F s

=≤ τ （4−10）

d ——转轴的直径，mm 。

τ ——转轴许用剪切应力，单位：Mpa 。由《钢结构设计规范》[9]对于Q235-b 材料取τ=125 Mpa。取安全系数为2则 τ =63Mpa。

则有

4F s 4×4068

d ≥ =mm =9.1mm （4−11）

考虑到转轴的磨损取d=20mm。

4.3电梯设计计算

4.3.1主要技术参数

表8电梯主要技术参数

4.3.2曳引系统计算

（1）参数:

确定曳引系统参数，如表9。

表9曳引系统参数

（2）电机功率计算及选用曳引机:

a.计算负载转矩:

最大不平衡重量:

Q +P −W13300+2600−4184Ts ===858 kg （4−12）

D s 10.611

M s =T s ∙∙∙g =858×××9.8=1508.57 N ∙m （4−13）

b.计算摩擦转矩:

摩擦系数μ=0.1,轴承处的轴径d=0.07m,加在轴承上的总载荷

R =Q +P +W1=3300+2600+4184=5042 kg M f =μRgr =0.1×5042×9.8×0.035=172.9 N ∙m c. 计算起动转矩:直线运动部分的总质量

其对应的转动惯量为

J =1∙R D s 2 =1×5042× 0.6121 =117.25 kg ∙m 2 旋转部分的总惯量如表10所示：

表10各旋转不分转动惯量

因而旋转体的转动惯量为：

J =1

2 42.14+2×4.75+4.75 =14.10 kg ∙m 2 由式4-16、4-17得总的转动惯量为：

J =J1+J2=117.25+14.10=131.35 kg ∙m 2 若轿厢的最大起动加速度a=0.80m/s2,

ω=2a ∙22

s =2×0.80×=5.25 1 s 2 由式4-18得，最大加速转矩为：

MD =J ∙ω=131.35×5.25=689.59 N ∙m （4−14）

（4−15）

（4−16）

（4−17）

（4−18） （4−19）

（4−20）

由式4-13、4-15、4-20得，起动转矩为以上三项之和：

M =Ms +Mf +MD （4−21）

=1508.57+172.9+689.59=2371.06(N∙m)

d. 电机选择：

1−φ ∙Q ∙V 1−0.48 ×3300×0.5P ===14.02 kw （4−22）

选用YJ245D 曳引机及机架等，其参数如表11：

表11 YJ45D 曳引机参数

M e ===2965.34 N ∙m M ≤M e 满足要求。

（3）验算电梯额运行速度：

V =104%∙n 0∙π∙D max s

=1500×3.14×650=510.3mm s =0.5103m s

V n ∙π∙D p

min = =1450×3.14×610=462.9mm s =0.463m s

V max =105%∙V c =1.05×0.5=0.525(m s ) V min =92%∙V c =0.92×0.5=0.46(m s )

V max V min ，符合速度约束条件。 （4）曳引包角（α）:

（4−23）

（4−24）

（4−25）

图15牵引系统简略图

曳引轮包角α如图15，取α=180°。 （5）曳引条件计算: 曳引系统应满足式4-25。

T’

∙C 1∙C 2≤e f α （4−26） 式4-26中T ’取T 1、T 2之大者，T “取T 1、T 2之小者；C 1为加速系数，取C 1=1.15 （C 1=

g+ag −a

a 为曳引机制动加速度，当取C 1=1.15时a=0.68m/s2）； C 2为由于磨损导

致曳引轮槽断面变化的影响系数，对于半圆切口槽，取C 2=1.0。

则当量摩擦系数f 由式4-26得。

β

4μ 1−sin 4×0.09×(1−sin 48.25°) f ===0.1974 （4−27）

3.14−−sin 96.5°则有：

e f α=e 0.1974×3.14=1.8586 （4−28）

按下列两种工况计算：

a. 载有125%额定载荷的轿厢位于最低层站：

T 1=

P +1.25Q 2600+1.25×3300

==3362.5(kg) W 14184T 2===2092(kg)

T’3362.5∙C ∙C =×1.15×1.0=1.848

P

=1300(kg) W 1

T 2==2092(kg)

T 1=

由式4-26、4-28得

T’2092∙C 1∙C 2=×1.15×1.0=1.851

T“T’

钢丝绳最大静张力如式4-29所示。

1g 19.8T =∙ Q +P ∙=× 3300+2600 ×=4818.33N （4−31）

许用比压

12.5+4V c

p ≤=8.25(N mm 2) （4−32）

c

β

8×4818.33×cos 48.25°p ==650×13× π−−sin 96.5°

8T cos

=6.55(N mm 2) （4−33）

由式4-32、4-33可知，p

5 存取机构设计

5.1 存取机构原理

在升降机构提升车辆到指定层之后，存取机构开始存取工作。 存取车辆可分为以下几个步骤： （1）进入轿厢

在存取机构底盘轨道轮带动下，由导轨进入轿厢，存取机构底盘轨道轮由电机驱动，其通过链轮和链条与电机相连。

当存取机构进入到一定位置时，存取机构上的凸面与车轮载板的凸轮2作用，抬起车轮载板时车轮载板与载车板处于同一平面。 （2）托板展开

车轮托板在进入轿厢之前处于常闭状态，如图16所示。

图16车轮托班关闭

在进入轿厢，处于车辆正下方后在液压机构驱动下展开，如图17所示。

图17车轮托班展开

（3）夹持

电机通过变速箱、差速器带动丝杠转动，进而带动滑动平台向车轮夹紧（如图5.5所示），每个存取机构有四个滑动平台，两个为一组，前后轮各一组。每组的两个滑动平台运动方向相反。为适应不同轴距的车辆，这里使用了两个差速器，每组滑动平台对应一个差速器。差速器的两个输出轴分别连接该组的两个滑动平台所对应的丝杠。夹持时两滑动平台相向运动，当一个滑动平台上的托板移动到与车轮接触时，在差速器的作用下，该滑动平台停止运动，而另一滑动平台继续移动，直至两个滑动平台上的托板接触，车轮被固定在托板上，托板上的限位开关断开，电机停止转动。

（4）托举

夹持的车轮虽然已经与车轮载板分离，但存取机构在出轿厢之前必须要将托板抬高一定距离，防止托板与载车板刮蹭。托举由存取机构底盘与存取机构升降板之间的液压机构完成。 （5）出轿厢

存取机构托举车辆后沿导轨出轿厢，如图18所示。

图18汽车出轿厢

5.2 滑动平台的设计

5.2.1车轮托板设计

图19滑动平台

滑动平台包括滑块、平台框架、轴承支座、车轮托板、液压系统等部分组成。板包括主体部分、轴和圆柱滚子组成，与滑动板连接部分采用上下两个30211圆锥滚子轴承，由于托板转动角度很大，液压杆的行程很长，而两托板之间的距离有限，因此滑动平台的液压杆采用上下交叉安装的方式，两侧的托板液压铰接点位置有差异。

图20托板三维图

5.2.2滑动板设计

由于滑动平台要由丝杠转动驱动，本文将丝杠位置设置在滑动板底部的滑块上，一组滑动平台的两丝杠存在重叠部分，因此两丝杠不能在同一直线上，滑块也必须在存取机构升降台的不同滑槽轨道上滑动，每个滑动板底部有两个滑块。滑块距离较长的滑动板在外轨道滑动，称为外轨滑动板，与之对应的滑块称为外轨滑块；滑块距离较短的滑动板在内轨道滑动，称为内轨滑动板，与之对应的滑块称为内轨滑块。

5.3存取机构存取传动系统设计

存取机构存取传动系统包括电机、减速器、差速器、传动轴、锥齿轮、轴承等部分组成。

5.3.1丝杠设计计算

车轮托板受力如图21：

图21托板受力图简介

由式4-5可知F =5400N 。取R=400mm，r=20mm。

F 1=F N sin θF =F sin θ N （5−1）

R +r

sin θ=

由式5-1解得F 1=5953N 。 （1）螺纹副耐磨性计算

滑动螺旋的磨损多发生在螺母并且与螺纹工作面上的压力、滑动速度、螺纹表面粗糙度以及润滑状态等因素有关。其中最主要的是螺纹工作面上的压力，压力越大螺旋副间越容易形成过度磨损。因此，滑动螺旋的耐磨性计算，主要是限制螺纹工作面上的压力p ，使其小于材料的许用压力[p]。

滑动螺旋传动用梯形、矩形或锯齿形螺纹，其失效形式多为螺纹磨损，而螺杆的直

径和螺母的高度也常由耐磨性要求决定。传力较大时，应验算有螺纹部分的螺杆或其他危险部位以及螺母或螺杆螺纹牙强度。要求自锁时，应验算螺纹副的自锁条件。对于长径比很大的受压螺旋，应验算其稳定性，其直径也常由稳定性要求决定。

因此选用T32×6的螺杆，其参数如表12。

表12螺杆参数

滑动螺旋副材料的许用压力如表13所示。

表13 滑动螺旋副材料的许用压力[P]

（2）螺纹牙强度计算

螺纹牙的剪切和弯曲破坏多发生在螺母。 螺纹牙底宽：

t 1=0.634P =0.634×6=3.8mm (5许用压应力：

σ =σs 315==63MPa (5许用切应力：

τ = σ =63MPa (5许用弯曲应力：

σb =0.6 σ =0.6×63=37.8MPa (5相旋合螺纹圈数：

−2) −3) −4) −5)

H ′400Z ===66 (5−6)

剪切强度条件：

F 15953

==0.23MPa ≤ τ (5−7) 1滑动螺旋副材料的许用应力如表14所示。

表14 滑动螺旋副材料的许用应力

(3)螺纹副自锁条件

ψ=arctan

nP πd 2

=arctan

1×63.14×29

=3.78° (5−8)

梯形螺纹的牙型斜角β=15 ，其当量摩擦角

μ0.11

ρυ=arc tan =arc tan =6.5° (5−9)

对于螺旋传动，为保证自锁可靠，实际应取ψ

上式中；

为螺纹升角；f V 为螺旋副的当量摩擦系数；f 为摩擦系数。见表15。

表15 滑动螺旋副的摩擦系数f

(4)螺杆稳定性计算

对于长径比大的受压螺杆，当轴向压力Q 大于某一临界值时，螺杆就会突然发生侧向弯曲而丧失其稳定性。因此，在正常情况下，螺杆承受的轴向力Q 必须小于临界载荷Q 。则螺杆的稳定性条件为：

F cr

≥4 (5−10) 1

表16 螺杆的长度系数β

螺杆的长度系数β如表16所示，则有： F cr

π2EI 3.142×206×109×3.14×(29×10−3) 4==1762009.2N (5−11) F cr 1762009.2

=≫4 (5−12) 1所以，该螺杆是稳定的。 5.3.2 减速器的设计

本文减速器采用蜗轮蜗杆传动减速器，传动比i=31，电动机的型号为：Y100L2-4，同步转速1500r/min。

（1）蜗杆

轴向尺距P a =πm =3.14×8=25.133mm ； 直径系数q =

d 1m

=

808

=10；

齿顶圆直径d a1=d 1+2h a ∗m =80+2×1×8=96mm ；

齿根圆直径d f1=d 1−2 h a ∗+c m =80−2× 1+0.25 ×8=60mm ； 分度圆导程角γ=tan −1

12

z 1q

=5.71︒；

蜗杆轴向齿厚s a =πm =12.5664mm ；

蜗杆法向齿厚s n =s a cos γ=12.5664×cos 5.71︒=12.5040mm 。 （2）蜗轮

取蜗轮齿数[16]z 2=31，变位系数x 2=−0.5。 验算传动比：i =

z 2z 1

=

311

。

=3.6%，在误差允许范围之内。

这时传动比误差为：

31−29.93629.936

蜗轮分度圆直径d 2=mZ 2=8×31=248mm 喉圆直径d a2=d 2+2h a2=248+2×8×0.5=256mm

齿根圆直径d f2=d 2−2h f2=248−2×8× 1+0.5+0.25 =220mm 咽喉母圆半径r g2=a −d a2=160−0.5×256=32mm

21

（3）校核齿根弯曲疲劳强度

1.53KT 2

σF =Y Y ≤[σF ] (5−13)

12Fa2β

当量齿数z v2=

z 2cos 3γ

=

31cos 35.71︒

=31.4661

根据x 2=−0.5, z v2=31.4661，查表得齿形系数Y Fa2=3.35; 螺旋角系数：Y β=1−许用弯曲应力：

蜗轮采用铸锡青铜材料（ZCuSn10P1）金属模铸造，基本许用弯曲应力[σF ]′=56MPa[16]。

寿命系数K FN =

9

γ140︒

=1−

5.71︒140︒

=0.9592

10613.3906×10=0.5803。

[σF ]=K FN [σF ]′=0.5803×56=32.4968 (5−14)

σF =

1.53×1.47×400880.4873×3.35×0.9592

=18.2523MPa ≤[σF ] (5−15)

满足弯曲强度要求。

5.4存取机构升降台设计

5.4.1滑动导轨设计

导轨面由若干个平面组成，从制造、装配和检验来说，平面数量应尽可能少。直线运动导轨的基本截面形状。

矩形导轨，具有刚度高，承载能力大，制造，检验和维修方便。但是导轨不可避免地存在侧间间隙，因而导向精度较差。

三角形导轨，导向性能与顶角α有关，α越小导向性越好，但α减小时导轨面当量摩擦系数加大；α角加大承载能力增加。支承导轨为凸三角形时，不易积存有较大积

屑，也不易存润滑油。支承导轨为凹三角形时，导轨副易产生动压效应，但防尘性差。

燕尾形导轨，是三角形导轨的变形。其高度较小，可承受颠覆力矩；但刚度差，制造、检验和维修都不方便。

圆柱形导轨，易制造，不易积存较大积屑和润滑油，磨损后难以调整和补偿间隙。主要用于受轴向载荷的场合。

运动滑动导轨常用组合形式。

三角形组合，导向精度高，磨损后相对位置不变。常用于龙门刨床、丝杆车床等。 为双矩形组合，承载能力大，刚度高，制造、调整简单。常用于数控机床、拉床、镗床等。

为矩形与燕尾形组合，兼有承受较大力矩，调整方便等优点。用于横梁和立柱上。 为双圆柱导轨组合，常用于拉床、机械手等。 本文采用双矩形组合直线运动滑动导轨。 5.4.2支撑框架设计

图22支撑框架

80×43×5—GB T 707−1988

Q235−B —GB T 707−1988

支撑框架使用热轧槽钢

5.5存取机构底盘设计

5.5.1结构计

图23存取机构与导轨

由于金属框架高度的限制，存取机构的底盘不能太高。 5.5.2轨道轮的布置

为使受力均匀同时保证其稳定性，存取机构的轨道轮设置在每组升降液压中间部位。如图27。

图 24 存取机构底盘

底盘的凸面受到车轮载板的作用力，为保证其不被撬起，车轮载板压力对轨道轮的转矩应小于本身重力对轨道轮的转矩。

F G =M 底盘g

式中M 底盘为底盘质量，其中M 升g 均匀分成八部分作用在底盘上，作为支点轮的两边的四部分可相互抵消，另外四部分作用点在另一轮的轴心处。

M 升g F G‘=

M 存取机构=M 升+M 底盘

M 存取机构为存取机构质量，M 升为可升降部分质量。 已知F 压=则

1250F G +2500F G‘=1250×3500+2500×4750=16250000(N∙mm)

>1220F压=12200000(N∙mm)

满足要求。

Mg 2

=10000N ，M 存取机构=1300kg ，M 底盘=350kg 。

6 横移机构设计

6.1横移机构原理

横移机构由横移平台、纵向导轨、横向导轨、横移驱动等部分组成。 存车时，存取机构托举车辆出电梯轿厢后沿横移机构纵向导轨进入横移平台。 进入横移平台后，横移平台开始横向移动，将汽车送到指定车位，使横移机构纵向导轨与车位导轨对齐。。

6.2横移平台设计

6.2.1横移平台设计

图25 横移平台

横移平台（如图25）是横移机构最为重要的部分，其上部安装纵向导轨，承载存取机构，下部装横向轨道轮，使其可在横向导轨上移动。

横移平台的主体是用工字钢焊接而成的金属框架。 建立模型，参数如表17所示。

表17横移机构框架参数

6.2.2横移平台轨道轮驱动设计

轨道轮的驱动采用链传动方式。

横移速度V H =20m/min，轨道轮半径r=80mm，则轴转速n =80r/min。

电动机型号Y160M-6(额定功率P=7.5kW，转速n 0=970r/min)，加传动比为4:1减速器，主动轮n 1=243r/min，从动轮转速n 2=80rpm，载荷平稳，链传动中心距不应小于550mm ，

V H 2πr

=

402×3.14×0.08

=

要求中心距可调整。

（1）选择链轮齿数 链传动速比：

n 1243i ===3.03 （6−1）

2选小链轮齿数z 1=25。

大链轮齿数z 2=iz1=3.03×25=76，z 2

（2）确定计算功率

已知链传动工作平稳，电动机拖动，选工况系数K A =1.3，计算功率为Pc =K A P =1.3×7.5kW =9.75kW （3）初定中心距a 0，取定链节数L p

初定中心距a 0=(30~50)p，取a 0=40p。

L 2a p =0Z 1+Z +2+ Z 2−Z 12

p 0

2×40p 25+7676−252=p ++ =132.25 取L p =132节(取偶数) 。 （4）确定链节距p

确定系数，链轮齿数系数K Z 、链长系数K L ；多排链系数K P 取小链轮齿数系数K Z =1.34；取K L =1.09。选单排链，取K P =1.0。 所需传递的额定功率为

P P 0=c Z L P =9.75=6.7KW

选择滚子链型号为10A ，链节距p=15.875mm。 （5）确定链长和中心距

链长L=Lp p/1000=132×15.875/1000=2.09 中心距a 如式6-4所示。

a =p Z 1+Z 2Z 1+Z 22 L Z P − + L P −2−Z 12−8

=15.87525+76 132−+ 132−25+76276−252 −8 mm

=633.7mm （6−2） （6−3） （6−4）

a>550mm，符合设计要求。

中心距的调整量一般应大于2p ，如式6-5。

△a ≥2p =2×15.875mm =31.75mm （6−5）

实际安装中心距a′如式6-6所示。

a′=a −△a =(643.3−31.75)mm =611.55mm （6−6）

（6）选择润滑方式 链速：

n 1z 1p 243×25×15.875v ==m/s=1.607m/s （6−7）

根据链速v=1.607m/s，链节距p=15.875，选择油脂润滑方式。

综上所述：滚子链型号10A-1×136GB1243.1-83，链轮齿数z 1=25，z 2=81，中心a ＇=611.55mm。

6.3横移导轨设计

横移导轨设置在横移通道内，如图26所示。

图26单层存取示意图

横移导轨支撑采用220mm ×112mm ×9.5mm 的22b 热轧工字钢。如图27所示。

图27横移导轨支撑工字钢受力图

7 总结与期望

本文着重对巷道堆垛式立体车库的四大主要部分设计，即金属框架、升降机构、存取机构、横移机构的设计。在设计过程中一直秉承着实用和创新原则，这两点一直贯穿着本文的设计始终。

总的来说本设计具有以下几个特点：

1. 本文设计的立体车库使用的材料均为国标材料，采用螺拴连接方式，方便拆装和运输，既有效降低了制造成本，也具有很强的实用性。

2. 自动化立体停车设备的存取速率一直是民众较为关注的指标，本文采用了电梯升降的方式提升车辆，与传统升降机提升方式相比，存取速率得到很大提升，且安全性更高。

3. 去除了传统停车设备的载车板，采用了夹持车轮的存取方式，在保障车辆安全的前提下进一步提高存取速率，同时节省了材料。

4. 在轿厢和车位增加了一个由存取机构上的凸轮驱动其上下的停车保护装置（车轮固定机构），巧妙运用存取机构进出轿厢、车位与存取机构存取作业的关系，既不影响存取机构存取车辆，又解决了停放车辆的安全问题。

5. 运用差速器解决不同车辆轴距差异的问题，有效保证了夹持车轮的安全性，可靠性。

6. 存取机构夹持移动采用丝杠加直线导轨移动方式，保障了运动的平稳，丝杠的自锁特性也保障了车辆运输过程中的安全。

7. 存取机构夹持托板转动和存取平台的升降采用液压驱动，具有重量轻、体积小、运动惯性小、反应速度快等特点。

当然，限于作者能力和时间关系，本设计中还存在很多不足和可以改进的地方。 1. 本文设计的立体车库第一层没有横移机构和存取机构，第一层停车由驾驶员直接驾车进入车位，但限于立柱间距为2500mm ，这个距离对于存取机构自动存取已经足够了，但由驾驶员驾驶进入特别是新手驾驶存在一定难度，可在不影响上层车位的基础上，通过改变底层立柱布局改进。

2. 限于时间问题，本文轿厢内没有设置旋转机构，取车时如果从存车时对面的轿厢出则可正着开出，如果从原来存车的轿厢出则需倒车开出，给取车带来不便。

3. 限于时间问题，本文没有对地震、风载荷、雪载荷等自然因素影响进行分析。 4. 很多细节方面的设计没有详细说明。

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[10] 刘鸿文. 材料力学Ⅰ（第四版），高等教育出版社，2004年1月。 [11] 凌桂龙，丁金滨，温正. ANSYS workbench13.0从入门到精通. 清华大学出版社. 2012年1月。

[12] 陈杰. 运用ANSYS Workbench 快速优化设计. 船舶重工集团第七一0研究所. 2008年5月。

[13] GB 50017-2003. 钢结构设计规范. 2003年12月。 [14] http://baike.baidu.com/view/51767.htm [15] http://auto.sina.com.cn/

[16] 濮良贵，纪名刚主编. 机械设计（第八版）. 高等教育出版社. 2006年5月.

致谢

本文在设计过程中得到了很多同学和老师的帮助和关怀，并提出了许多宝贵的意见，使我能够在较短的时间内顺利完成毕业设计。值此论文结束之际，我真诚地向各位帮助过我的老师和同学表示衷心的感谢，感谢你们的亲切关怀和悉心指导。

感谢我的指导老师刘玉慧在这段时间给予我的耐心指导和帮助。

感谢舍友及同学给予的支持和关心。

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