自动立体车库结构设计

摘 要 随着我国国民经济的快速发展，越来越的汽车进入家庭，使得我国城市停车难问题日益加剧。立体车库成为目前解决停车难问题的重要方式之一 ， 其中以升降横移式立体车库应用最为广泛。 本次设计的主要内容是自动立体车库的结构设计。而自动立体车库按结构可分为升降横移类、垂直循环类、水平循环类、平面移动类、巷道堆垛类、垂直升降类、简易升降类等。本文主要对两层式升降横移自动立体车库进行详细的结构设计和对关键部位受力分析并校核。 四柱结构型 式钢结构车库由于其结构较为简单有较大使用范围，本文对其进行详细设计。文中主要对自动立 体车库的横梁，纵梁，支撑柱以及载车板进行详细的受力分析和校核。另外，本文中的自动立体车库采用了液压系统进行传动，区别与采用电动机驱动的自动车库。由于液压传动的优点，车库在升降或是横移过程中会更加稳定，减少了运动中所产生的噪音，使其适用于更多场合。在车库的设计中还介绍了车库运行中重要的安全防护装置。 除此之外，还绘制了总装图、零件图。 关键词： 自动立体车库；结构设计；液压 Abstract With the development of the national economy in our country, more and more cars are entering the common families. Stereo garage becomes the first choice for solving the problems of hard parking. Especially, lift-sliding type stereo garage is the most widely used The main content of this design is the design of automatic stereo garage, the stereo garage is including lift-sliding type, vertical circulation type, level of circulation, plane mobile, laneway type, vertical lifting, simple movements and etc. The main contents of this paper is about the design structure of two layers of lifting and transferring automatic stereo garage and the force analysis and check by the key parts of stereo garage. Four-column type steel structure garage has a large range of use because of its simple structure. The main content of this paper is the force analysis and check by the beams, stringers, support columns and car carrying boards. In addition, automatic stereo garage use hydraulic system for driving, it has difference between using the motor-driven automatic garage. Because of the advantages of hydraulic transmission, the garage will be more stable in process. This makes it suitable for more occasions. The design of the garage is also introduced the safety protection device in the running of garage. In addition, the paper includes drawn up the assembly diagram, parts diagram. Keywords: automatic stereo garage； structure design； hydraulic V 目 录 摘 要 . I ABSTRACT . II 目 录 . V 1 绪论 . 1 1.1 本课题研究的内容及意义 . 1 1.2 国内外的发展概况 . 2 1.3 本章小结 . 4 2 自动立体车库的 总体设计方案 . 5 2.1 升降横移自动立体车库选型 . 5 2.2 自动立体车库提升方式的选择 . 6 2.3 自动立体车库的其他部件 . 6 2.4 自动立体车库的设计参数 . 7 2.5 自动立体车库结构设计的内容及要求 . 7 2.6 本章小结 . 7 3 自动立体车库主体框架 设计 . 8 3.1 立体车库的工作原理 . 8 3.2 自动立体车库 钢结构设计 . 8 3.2.1 支撑柱设计 . 9 3.2.2 横梁受力分析 . 12 3.2.3 纵梁受力分析 . 13 3.3 载车板受力分析校核 . 15 3.4 本章小结 . 16 4 自动立体车库的传动系统 . 17 4.1 上层载车板提升装 置设计 . 17 4.1.1 升降传动系统设计 . 17 4.1.2 升降液压系统设计 . 19 4.1.3 升降液压系统链轮设计 . 20 4.1.4 升降液压系统传动轴设计 . 21 4.2 横移液压系统设计 . 22 4.3 本章小结 . 24 5 车库的配套系统 . 25 5.1 安全系统 . 25 5.2 立体车库的 控制 系统 . 26 5.3 本章小结 . 28 6 结论与展望 . 29 6.1 结论 . 29 6.2 不足之处 及未来展望 . 29 致 谢 . 30 参考文献 . 31 附 录 . 32 自动立体车库结构设计 1 1 绪论 1.1 本课题研究的内容及意义 本课题研究的内容是：自动立体车库的结构设计，包括自动立体车库的总体方案设计，有关零件部件的选型计算，结构强度校核及液压系统设计，并绘制出装配图和零件图纸。 本课题研究的意义是：自动立体车库是我国的新兴产业，具有广阔的发展前景。随着我国经济快速的发展，城市交通拥堵和停车难的问题成了影响城市发展的重要因素之一，传统的车库己经不能适应城市发展的要求，再加上我国汽车保有量的不断增加，自动立体车库成为解决这一问题的必然途径 1。机械式立体车库具有空间利用率高，节省城市有 限的土地资源；具有建造成本较低、建造周期较短；车辆停放入车库快速便捷、自动车库更加安全，还具有节约能源等优点。同时自动立体车库还可以在有限的土地上停放更多的车辆，便于集中管理，减少管理费用和人员等的优势，在各个小区或空地都可以根据当地的实际情况进行立体车库的建设，可大大缓解这些地方停车难的问题，这对现在车库紧张的小区和其他人员较多的公共场所提供了很好的解决方法。因此，机械式立体车库具有广阔的应用前景。 而自动立体车库的结构设计是车库建设及运行的重要环节，其设计水平与质量直接影响到用户的安全和建造成本。合理的 结构设计可最大限度的利用有限的土地空间，缓解城市中停车难的问题。而目前我国自动立体车库加工生产厂家没有统一的标准：大多数自动立体车库行业的生产厂家大多以国外现有产品或技术为基础进行制造，对产品创新开发能力差，没有自己的知识产权；我国对立体车库的新技术引入研究较少，而对立体车库的主体结构框架钢研究和优化才刚刚起步，不能形成较大的生产加工规模。机械式自动立体车库种类较多，按照 现在立体车库的发展，可将它分为巷道堆垛式立体车库，垂直升降式立体车库，垂直循环式立体车库，圆形水平循环式立体车库等。 根据运行方式和结构特 点可分为：升降横移式立体车库，水平循环式立体车库，垂直循环式立体车库，多层循环式立体车库，堆垛式立体车库，平面移动式立体车库，垂直升降式立体车库，简易升降式立体车库等八大类 2。 1、升降横移式立体车库：整机特点，可有效利用空间，提高空间利用率达数倍。存取车快捷便利，其结构使用跨梁结构设计，使车辆出入无障碍。采用 PLC控制，自动化程度高，人机界面好，多种操作方式可选配，操作简便，同时环保节能，低噪音。但下层车库必须有一空位用于车库升降。 2、垂直循环式立体车库：车库采取垂直方向做循环运动进行对车辆存取的方 式的立体车库。垂直循环式立体车库调车时间短，取车快速，占地面积小， 可设置在地面上或半地上半地下，可独立或附设在建筑物内，还可多台组合 。 3、水平循环式立体车库：采用水平循环运动来存取车辆的机械式立体车库。水平循环式立体车库可以省去进出车道，充分利用狭长地形的地方建车库，降低通风装置的费用，若多层重叠可为大型停车场，但车库只有一个出入 El，存取车时间较长，实用性差。 4、简易升降式立体车库：其结构大多为 一个车位泊两台车 ， 构造简单实用，无需特殊地面基础要求。适合装置于工厂、 别墅 、住宅停车场 。 无锡太湖学院学士学位论文 5、多层循环式立体车库：其工作原理是使载车板作上下循环运动来进行车辆的调取工作。 6、堆垛式立体车库： 通过升降机、行走台车及横移装置输送载车板实现存取车操作，整个过程全自动完成 ， 可设置于地上或地下，充分利用有效空间。载车板的升降和行走同时运行，存取车方便快捷。全封闭式管理，安全可靠，保障人、车安全 3。 从机械式自动立体车库的类型上看，应用较多的是升降横移式立体车库，占自动车库总量的绝大部分 ，其所占比例随着机械式立体车库的发展还会继续上升 4。所以本文详细对升降横移式自动立体车库结构设计进行研究。 1.2国内外的发展概况 机械式立体车库经过几十年的发展，已由初期的半自动化控制方式发展到全自动化的控制方式；机械结构也发展到了模块化设计，便于组合、拆卸；使用材料和工艺也都有了突飞猛进的发展 5。如今，立体车库在西欧、东南亚、韩国、日本都得到了广泛的应用，形成了一个包括制造、安装、使用和维修的行业 6。 国外的发展状况 国外经济发达国家其自动立体车库在过去的几十年中已经得到了充分的发展。日本是一个人口众多人均土地资源较少的国家，由于其经济发达，停车难的问题早就出现，同时也带动了自动立体车库的发展、使其发展至今已经较为完善，现已经发展出较多车库种类。同时日本在车库的技术研究与开发、制造、管理等方面的水平都处于亚洲领先地位，所建成的立体停车场的数量和其容车量也居于世界前列。如今在日本全国建设并使用的自动立体车库的停车位已有 300 万个，大部分自动立体车库是升降横移式车库。而日本的优势主要在多层升降横移车库、水平循环车库、垂直循环车库、简易升降车库、垂直升降车库等产品上。而在韩国自动立体车库的技术发展主 要受到其邻国日本的技术影响。韩国的立体车库产业从上世纪 70 年代中期进入起步阶段，在发展过程中又从其邻国日本引进相关技术，再对引进技术后不断改进，最后 90 年代立体车库展业进入大规模使用阶段。经过这几个阶段的快速发展再加上韩国政府的大力支持，自动立体车库在韩国国内得到大规模的应用和再开发，使得韩国这几年的自动立体车库产业增长速度加快到 30左右 7，使现在其产业进入稳步发展阶段。 国外的机械式立体车库发源于上世纪 20 年代的美国，美国建成世界上第一座机械升降汽车库，但需要由司机自己开车来完成车辆的存取； 50 年代 以后，伴随着小汽车的大量增加，在西欧、东南亚、韩国和日本立体车库也得到了广泛的应用，并形成了一个包括制造、安装、使用和维修的行业完整体系 8。这些国家和公司从上世纪六十年代初就开发并使用可最大限度地利用空间的机械式停车设备，经过几十年的不断发展，自动立体车库从结构、控制、驱动、监测等方面不断地更新换代，日趋完善。而自动立体车库的外形也发生了较大的变化，使原来生硬机械钢架子的立体车库变成了一道独特的城市景观。 国内的发展现状 我国经济快速发展的同时汽车的数量也在快速发展，尤其在我国的大中城市。汽车数量的增长 同时也造成了路面的拥堵，许多车辆面临着停车难的问题。面对这些问题，我国需要大量的停车设施和相关配套设备。据有关方面统计，截止到 2008 年底的数据，我国自动立体车库结构设计 3 生产汽车数量增长到近一千万台，同比增长 5左右 9。由于我国停车位新建的速度远远达不到每年汽车增长的数量，致使每年我国仅在停车位的缺口数量就在 300 多万个左右，城市现有的停车位远远不能满足人们的需要。当前我国的车位数量与汽车数量之比约为 1: 5，而正常的平衡比例应当是 1: 1.2，与我国现有情况差距很大，需要大量增加停车位，在城市土地资源紧缺的情况下通过地面 增加车位己成为城市发展的巨大矛盾指引 10。 为了解决这些，我国从二十世纪八十年代开始使用机械式停车设备。此时我国的立体车库技术较为落后仅只能进行自我的研究和开发，此阶段生产企业无法满足用户的需求，而自动车库种类单一，技术落后，无法满足用户较大的要求。到二十世纪九十年代，我国开始从国外引进技术，由于大量国外企业进入中国的立体车库行业，形成了比较多的中外合资企业。而有些有实力的中国企业开始向国外引进先进的技术，在国内由于其生产成本与国外相比较为低廉，这些企业利用国外先进技术并 根据 我国现有经济情况开发出符合我国的先进的自动立体车库。到如今经过近 30 年的发展历史，尤其是 2000 年以后得到了高速发展，现在我国的自动立体车库行业正处于快速发展阶段并很快进入稳定发展阶段，未来市场巨大。尤其在，我国的大中型城市中，自动立体车库需要巨大。但用户对产品的要求有两点，第一点是降低产品的价格，第二点是提高产品技术和性能。随着我国经济持续快速发展，城市规划不断完善，自动立体车库将使一个充满生机的朝阳产业，它的技术将得到长远发展。 在我国随着现代各种高科技技术的发展，诸如计算机技术和电子技术的高速发展，越来越多的新功能被引入到立体车 库中，让其向专业化、复杂化和智能化方向发展。重点表现为以下几个方面：专业化 :立体车库系统稳定可靠:立体车库产业正在向多元化方向发展子、建筑、液压、光学、磁控、管理和计算机技术等领域的大量先进技术。立体停车系统别、限速保护与多重机构互锁、停车泊位自动跟踪、链绳长度超范围报警和弹 性变形自动补偿、汽车安全检测、图像识别技术、科学管理等库成为一个独立的大型复杂的高技术设备。智能化 :一些新技术正在迅速进入该领域变频技术、全电脑控制系统、导航定位技术、停电及电源故障的自动判别排除及处理系统等 14 11。 但在我国现有的自动立体车库产业发展并不十分完善，如在我国车库行业中并没有可依据较高的行业技术标准；大部分车库是根据或 引进国外先进技术进行设计制造，但技术水平不高；并且我国国内并没有较大规模的车库生产加工企业，其大规模量产能力明显不足。在国内自动车库市场竞争无序，小型企业为抢占市场份额，进行恶性竞争；同时我国没有相关的部门参与详细研究，使其技术创新能力落后于其他国家；国家也没有相关政策进行扶持。为了解决上述问题，国家需要出台相关市场政策、管理方案等。 虽然立体车库在我国的发展势头非常的迅猛，但是目前立体车库在住宅小区内的应用，却还是少的可怜。其主要原因还是人们的思维观念没有转变过来，而技术上的问题已经退无锡太湖学院学士学位论文 居其次。可以说，当前 的技术已经完全可以满足小区内建造立体车库的主要要求，急需解决的是人们的思想问题 12。伴随着我国住房业的迅速发展，小区式居住方式已经成为市民住房方式的主流。并且，伴随我国经济的迅速发展，人们拥有自己的私家车也已经成为一种必然。所以，正是由于小区与私家车的数量越来越多，一旦人们的思想方式转变过来，那么应用于小区内的立体车库必将会如同雨后春笋般迅速地生长起来。而且，立体车库的技术也必然在今后的若干年内有大幅度的发展 13。所以，无论是立体车库技术的研究，还是立体车库工程的建造，发展前景都是非常乐观的，都必将 在不久的将来得到丰厚的回报。 1.3本章小结 本章主要介绍了自动立体车库的主要研究内容和及其意义，详细对自动立体车库的国内外发展情况做了详细介绍，在我国自动立体车库有较大的发展前景。本文将对车库主体结构设计，关键部件校核，传动部件及液压系统的设计和主要机械部位总装配图及主要零件图。 自动立体车库结构设计 5 2 自动立体车库的 总体设计方案 目前，立体车库主要有以下几种形式：升降横移式、垂直循环式、简易升降式、垂直升降式、平面移动式、巷道堆垛式 14。而在中国使用较多的是 升降横 移式 自动立体车库和简易升降式 车库， 升降横移式 自动立体车库具有 存取车快捷便利 ，结构简单等优点。而 简易升降式 车库所能停车辆数量较少不适合较大规模应用，无法满足较大空间的大规模布置。所以选择 升降横移式 自动立体车库进行设计。 如图 2.1 所示为 升降横移式 立体车库示意图。 图 2.1 升降横移式 立体车库示意图 2.1 升降横移 自动立体车库选型 升降横移 自动立体车库按照主框架可分为两种。 1 四柱结构型式：这种型式的停车设备的钢结构框架稳定性好，有较好的强度和刚度，特别适用于多层式或重列式的升降横移类停车设备。 2 二柱结构型式，亦叫后悬臂型式 立体车库如图 2.2所示 ：这种型式的停车设备的最大优点是视野宽阔，存取车方便。缺点是对设备运行的稳定性和结构框架的强度、刚度、设计要求严 格 。 图 2.2 后悬臂型式 立体车库示意图 按车位布置形式分 可分为 全地上布置 ， 半地下布置 ， 重列式 布置 。 全地上布置：有二层、三层、四层、五层，一般不超过五层，但也七层以上的，有的还做到了 18层，但相对无锡太湖学院学士学位论文 于低层提升速度要提高以保证客户使用要求。半地下布置：这种布置形式比全地上布置能多建车位，空间利用率高，但土建投资大。重列式布置：（对于只能设置一个车道，或设置两个车道太浪费，但有能停放两排或两排以上车辆长度的停车位时，可用这种方式布置）这种布置可充分利用平面减少车道占地，但进出车较麻烦一些。 由于车库要求结构简单充分利用土地，所以选择第 四柱结构型式 的两层立体车库进行设计。 2.2 自动立体车库 提升方式 的选择 升降横移 自动立体车库的提升方式有六种： （ 1）钢丝绳式提升型式 （ 2）链条式提升型式 （ 3）液压式提升型式 （ 4）螺杆式提升型式 （ 5）液压马达、钢丝绳组合提升型式 （ 6）链条、钢丝绳组合提升型式 而车库选用液压马达、钢丝绳组合提升型式，其优点是结构紧凑、响应速度快、低速平稳性好，并且产生噪音低，其升降传动方式如图 2.3 所示 图 2.3 自动立体车库提升装置示意图 而车库横移传动方式也可选用液压马 达带动导轮进行传动，其优点是可与升降系统使用同一液压泵减少了系统的占用空间。 2.3 自动立体车库的其他部件 自动立体车库的其他部件还包括载车板，安全系统，横移系统，横移系统，控制系统等。 载车板是用于车辆停放以及移动升降车辆的载体，所以载车板设计必须稳定安全便于用户停放车辆。而载车板按照其结构形式可分为两种，一种是拼装式一种是整体式 11。拼装式载车板主要使用普通钢板弯折成形，载车板面板使用波浪板冲压成形，并用螺栓固定。整体式载车板使用防滑花纹钢板焊接在加强筋上而成。由于整体式载车板加工方便快捷，稳定安 全性高。所以车库设计中使用整体式载车板。 安全系统是用于防止上层车辆和载车板坠落砸坏下层车辆或砸伤驾驶员的重要车库自动立体车库结构设计 7 组成部分。上层载车板安全系统可分为防坠钩和防坠架。其中防坠钩安装于上层载车板上当上层载车板到位后防坠钩固定住载车板来实现防坠目地。而防坠架安装固定在下层载车板上，但体积较大不便于用户在下层停放车辆。经过上述分析选择防坠钩进行对车辆人员的安全防护。 横移系统是用于底层车位横移的主要部件。控制系统是控制车辆移动的系统。 2.4 自动立体车库的设计参数 停车位设计最大尺寸 5200mm 2250mm 1600mm； 最大停车质量为 1800kg； 车库共两层上成层可停放 3辆车，下层可停放 2辆车，车库使用 PLC进行控制； 车库载车板提升时间 10s； 下层载车板横移时间 10s。 2.5 自动立体车库结构设计的内容及要求 自动立体车库主体框架钢结构由前、后支撑柱，前、后横梁，纵梁等组成。传动系统安装在主体框架的纵梁与后立柱上，包含液压缸，传动的链条链轮，链条张紧装置和钢丝绳。载车板与钢丝绳相连进行提升，而下层载车板通过电机和导轨进行横移。自动立体车库必须具有足够的强度和刚度，才能安全稳定工作。升降横移式自动立 体车库的结构设计主要包括：主体框架、传动系统、载车板及安全防护装置。 2.6 本章小结 本章主要确定了自动立体车库主体设计的重要参数，选择二层式升降横移自动立体车库，其采用液压传动方式进行提升和横移运动，使车库运行更加平稳。还确定了自动立体车库的安全防护等其他技术要求。 无锡太湖学院学士学位论文 3 自动立体车库主体框架 设计 自动立体车库主体框架在车库稳定和安全中起着很大作用，是车库的基础要进行详细的校核。 3.1 立体车库的工作原理 图 3.1 立体车库的工作原理图 升降横移式立体车库是指利用载车板的升降或横向平移存取停放车辆的机械式停车设备。如图 3.1所示上层载车板只作上下移动，下层载车板只作左右横移。 立体车库工作原理当车辆驶入车库，用户根据需要选择所需停车位置。当用户选择上层空载车板时如 1号载车板，控制系统会先控制 5号载车板向有移动， 5号载车板移动到位后系统控制 4号载车板向右移动，下层载车板无法同时移动。此时 1号载车板下方有空位，控制系统控制 1号载车板下移等待用户将车辆驶入，用户将车辆停放好并确认后，提升装置带动载车 板提升到二层固定位置。下层载车板只作横移，为上层车库下移留出空位，所以下层有一个空位。而用户选择下层车位时，可将车辆直接驶入车库，但不能驶入无载车板的空位。用户取车时，停放在下层载车板的汽车可直接驶出车库，停放在上层载车板的汽车操作过程与停车过程类似。升降横移式自动立体车库通过这种停车方式可更有效的应用土地，增加单位面积停放汽车的数量。 3.2自动立体车库 钢结构设计 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可选用钢架结构或钢筋混凝土。钢架结构与其它建筑结构相比，具有可靠性高，材料的强度高 ，钢结构自重小，材料的塑性和韧性好，钢结构制造简便，施工工期短等优点。而使用钢筋混凝土建设车库，建设周期过长同时也无法满足其精度要求。由于自动立体车库对其结构精度要求比较高，所以选用钢结构进行设计。如图 3.2 所示自动立体车库钢结构框架图，包括前后支撑柱，纵梁和横梁。 自动立体车库结构设计 9 图 3.2 立体车库的框架原理图 3.2.1 支撑柱设计 1支撑柱受力分析 车库停放车辆最大质量为 1800kg， 其车辆前后轮载荷以 3: 2分布进行计算； 载车板质量为约为 600kg； 每个车位满载为 2400kg； 图 3.3 立体车库的支撑柱受力图 当车库空载时支撑柱的受力如图 3.3 所示： 13 6 0 0 0 N 9 0 0 0 N2PP 后前 （ 3.1） 式（ 3.1）为车库受力计算； 无锡太湖学院学士学位论文 其中 P前为前支撑柱所受的力； 其中 P后为前支撑柱所受的力。 当车库满载时支撑柱的受力： 1 1 33 6 0 0 0 + 3 1 8 0 0 0 N 2 5 2 0 0 N2 2 5P 前 （ 3.2）1 1 23 6 0 0 0 + 3 1 8 0 0 0 N 1 9 8 0 0 N2 2 5P 后 （ 3.3） 式（ 3.2）（ 3.3）为车库受力计算。 PP 后前 ，所以对前支撑柱进行校核。 由于支撑柱主要受压应力和剪切力作用，而支撑柱受剪切力影响较小，所以主要对支撑柱的压 应力进行校核和稳定性分析。 2 支撑柱的材料选择和校核 根据材料力学附录表 4，选用 20a热轧工字钢（ GB 706 88） 15，材料使用 Q235A； 图 3.4 20a热轧钢示意图 20a热轧工字钢参数： 屈服极限 235s M pa ； 弹性模量 52 0 6 1 0E M p a ； 比例极限 200p M pa ； 抗拉强度 375 M p a 500 ； 高度 h=200mm； 腿宽度 b=100mm； 腰厚度 d=7mm； 横截面积 W=35.578cm； 惯性矩 42370Ix cm ， 4y 158I cm ； 截面系数 3237Wx cm ， 331.5Wy cm ； 自动立体车库结构设计 11 惯性半径 8.15xi cm ， 2.12yi cm ； : 17.2Ix Sx ； 支撑柱屈服强度校核： 425200 7 . 0 8 M p a 2 3 53 5 . 5 7