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小单元可移动立体车库设计,单元,移动,立体车库,设计
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大连大学2 20 01 17 7 届届毕毕业业论论文文（设计）（设计）题目名称：小单元可移动立体车库设计所 在 院所 在 院 ：机械工程学院专业专业（班级班级）：机械设计制造及其自动化机英 131学 生 姓 名学 生 姓 名 ：陆胜强指 导 教 师指 导 教 师 ：王建维评阅人评阅人：王艳颖院院长长 ：吴蒙华DALIAN UNIVERSITY毕业设计（论文）题目总计：毕业论文： 46页表格：4表插图： 42幅指导教师：王建维评 阅 人：王艳颖完成时间：2017.5.20I摘要小单元可移动立体车库设计主要是应用于地下停车场，停车方式由原来的平面向空间发展，充分的利用有限的空间存放最大量的汽车，解决现代都市土地资源紧张、停车位缺乏、改善交通堵塞、缓解社会矛盾等等的严峻问题。本设计主要针对立体车库的门框机械结构、垂直驱动系统、水平驱动系统、上下载车板机械结构、防护装置以及各个零部件之间的连接方式进行设计。首先对机械机构使用型钢的选择、计算校核以及连接方式的确定。其次对驱动系统的驱动方式的选择，针对已有的驱动方式进行了对比和比较再结合类似起重机械设备最终确定了比较合理的剪叉式电动推杆驱动方式的驱动系统。最后还对设计的重要组成部件进行了有限元分析，以判断出零部件的危险截面，使设计更加地接近现实，并以此分析结果提出改善方案。设计的立体车库分为上下两层，充分了利用空间，提高了车辆的存放数量，并且具有安全可靠、节能环保、方便管理的特点。关键词： 立体车库；有限元分析；地下停车场；剪叉式升降IIABSTRACTSmall unit mobile three-dimensional garage design is mainly used in undergroundparking, parking from the original plane to the development of space, the full use of limitedspace to store the largest number of cars to solve the modern urban land resources, lack ofparking spaces to improve traffic Blocking, alleviating social contradictions and so on seriousproblems.This design is mainly for the three-dimensional garage door frame mechanical structure,vertical drive system, horizontal drive system, the upper and lower deck mechanical structure,protective devices and the connection between the various parts of the design. First of all, thechoice of mechanical use of steel, calculate the check and determine the connection. Secondly,the choice of the driving mode of the drive system is compared with the existing drivingmethod. The driving system of the forklift electric push rod drive mode is finally determinedby the similar crane equipment. Finally, the finite element analysis of the importantcomponents of the design is carried out to determine the dangerous cross section of the parts,so that the design is more close to reality, and the results of this analysis to improve theprogram.Design of the three-dimensional garage is divided into two layers, the full use of space,improve the number of vehicles stored, and has a safe and reliable, energy saving, easy tomanage the characteristics.KeyKey words:words: T Three-dimensionalhree-dimensional garage;garage; F Finiteinite elementelement analysis;analysis; U Undergroundndergroundparkingparking areaareaI目录摘要.IABSTRACT.II1绪论.11.1 研究的目的和意义.11.2 研究概况和发展.11.2.1 国外发展趋势. 11.2.2 国内发展趋势. 11.3 课题研究思路.31.4 主要研究内容.31.5 主要设计参数.32小单元可移动立体车库方案设计.42.1 整体框架设计.42.1.1 门框方案设计.42.1.2 型钢的选择. 42.1.3 加强筋的设计方案. 52.2 垂直驱动系统方案设计.52.2.1 垂直驱动系统结构设计.52.2.2 剪叉式伸缩架杆件连接方案.72.2.3 垂直驱动系统与横梁的连接方案.72.3 水平驱动系统方案设计.82.3.1 水平驱动系统机构设计.82.3.2 水平驱动系统连接方案设计.82.4 上载车板设计方案.92.4.1 上载车板结构设计. 92.4.2 连接部分的设计. 102.4.3 上载车板过渡板方案设计.102.5 下载车板方案设计.112.5.1 连接部分设计. 112.5.2 运动部分设计. 122.5.3 下载车板过渡板设计方案.122.6 安全防护方案设计.132.7 垂直驱动系统减载方案设计.153.校核计算.173.1 立体车库框架结构计算.173.1.1 横梁的计算. 183.1.2 立柱的计算. 203.1.3 框架加强筋设计. 21II3.2 垂直驱动系统的计算.223.2.1 矩形方管受力计算. 243.2.2 矩形方管强度计算. 263.3 水平驱动系统的计算.273.4 上载车板计算.283.4.1 目字型槽钢的计算. 293.4.2 槽钢型号的选择. 313.4.3 连接槽钢的计算. 313.5 下载车板的计算.333.6 连接部分的计算.343.6.1 连接螺栓的计算. 343.6.2 销轴的计算. 343.6.3 垂直驱动系统法兰盘处螺栓计算.343.6.4 水平驱动系统法兰盘处螺栓计算.353.7 死点机构的计算.354 有限元分析.374.1 门框结构有限元分析.374.2 对伸缩架矩形方管的分析.395 经济环保性分析.426 结论.43参考文献.44附录 1：外文翻译.45附录 2：外文原文.56小单元可移动立体车库设计11绪论1.1 研究的目的和意义随着社会的快速发展，人们的生活质量不断提升，汽车成为人们除房子外的另一个消费物品，我国汽车市场规模越来越大，自 2006 年我国汽车消费额大增，成为世界第二大的新车消费国， 2012 年时，我国每五户家庭便可拥有一辆汽车，汽车社会已然来临。据统计，至 2016 年 11 月，我国已有 2.8 亿辆机动车，其驾驶人达 3.5 亿人，其中汽车占有 1.41 亿，全国 22 个城市的拥有的汽车也超过 100 万辆。然而，汽车在给我们的生活带来便利的同时，也产生了一系列负面问题：一方面高速增长的机动车保有量对城市动态交通造成了巨大的压力，每逢上下班高峰和节假日堵车现象严重，好多城市成为“堵城”。另一方面，在城市的可用土地资源上，静态车辆的存放难问题也越来越突出。 随着私人小汽车的拥有量迅猛增长， 车行驶时间越来越短，通常车辆行驶的时间约为其停放时间的 15。因此，车辆停放问题值得引起我们重视。但是，我国停车泊位的供给数量远远少于车辆的数量，停车供需失衡。因此车辆乱停乱放现象非常普遍，更加重了堵车的程度，停车困难且行驶堵塞，静态交通和动态交通相互影响，而造成恶性循环。1.2 研究概况和发展1.2.1 国外发展趋势立体车库是德国最早开发研究的，而目前德国的技术世界第一。且立体车库已经具有近百年的历史。在上世纪五六十年代，日本，美国和西欧国家也开始开发和研究各种机械式立体停车设备，从上世纪七十年代韩国也开始机械式立体停车设备的发展。经过了上百年，外国的立体车在二层以上的平面式立体车库中已经发展到了多种型，比如 H型、U 型和 V 型。其中日本发展比较迅速，日本非常重视竖式自动立体车库的发展，即发展密集型自动立体停车设备。2013 年，世界立体自动停车设备展览会在日本举办。1.2.2 国内发展趋势据分析， 目前国内国际多数城市均已寸土寸金， 交通压力正逐步从动态向静态转化，城市交通中停车越来越困难。根据估计，需增加 480 万个停车位，平均每年需求 96 万个停车位。而目前，全国已建成的立体停车位才 3 万多个。因此，增加立体车库的数量刻不容缓。实际上， 目前在一些发达国家和地区， 停车产业已成为年产值数十亿美元的大产业。在香港，一个停车位的价格很高昂，甚至比一辆高级轿车还贵，一个停车位售价高达 60万港元；美国的停车产业每年大约收益 260 亿美元，提供约 100 万个就业机会。即便是小单元可移动立体车库设计2在我国，一些大都市新建高档小区的停车泊位也价格不菲，一个车位相当于一辆普通轿车的价格。我国立体车库发展起步于二十世纪八十年代，相对于国际发展来说是相对较晚的，我国的第一台垂直循环类机械式立体车库于三十多年前诞生。如今，随着我国汽车经济的发展，我国的立体车库的市场也呈现出突飞猛进的趋势。目前，我国开发立体车库的单位已经达到百家，其中生产主机的厂家已有六十多家，第一批获得国家颁发的立体停车设备制造企业资质认证的有三十家。为适应立体停车设备行业的迅速发展，我国相继出台了：机械式停车设备分类、机械式停车设备通用安全要求、简易升降类机械式停车设备、机械停车设备类别、型式与基本参数等等九项标准，极大的规范和促进了我国立体车库行业的发展。如今，无论是在城市中心商业区，还是在新建繁华地段，建设足够的停车泊位已成为规划者的重要手笔。业内专家指出，机械式立体停车设备将是未来几年内停车设备发展的主要方向，是商家投资的重点。我国现有立体车库种类多种多样，每种都各具特色。在我国，立体车库市场是巨大的，未来发展趋势有两种：方向一是具有技术要求高、实用性能好和存取速度快的大型停车库；方向二为操作简单、结构简单、经济实惠的车库，并能够用较少投资就可实现车辆的存取，是价格的极端。在我国寸土寸金的城市中，如何充分利用现有的城市土地面积，比如城市的边角地、路边、住宅小区等一些分散的小面积，成为立体车库建设的重点问题。因此，“因地制宜的建设各类适用的小型立体车库是缓解我国停车位稀缺问题的有效途径。此处的小型立体车库指轻便的少车位立体车库。与大型立体车库相比较，小型立体车库主要有以下的优势：首先，小型立体车库存取车辆比较容易。相比于大型的结构复杂的立体车库，小型立体车库更为节省时间，加之人们观念的问题，高层的立体车库容易使司机有紧张感；其次，小型立体车库性价比更高，价格便宜，可以进行模块化，多组组合使用。一般的单个小型立体车库的造价 3 万元左右，而大型立体车库的加工成本很高。比如一个 50车位的立体车库，单个停车位的造价就需要六万。因此，从经济角度考虑，可移动立体车库更加受欢迎。另外，小型立体车库不仅操作简单、维护方便，而且更加安全。日常必须定期检查，一旦出现问题应该及时解决，而小型立体车库影响范围也很小，不会造成严重问题。与大型立体车库相比较，如果大出现问题整个车库的停车都需要移走来解决问题，因此大型立体车库出现问题可能会很严重且不容易维修。相比之下，小型的可移动立体车库显然更符合我国的实际情况和基本国情，可以相当程度地满足广大民众对停车的需求。小单元可移动立体车库设计31.3 课题研究思路（1）确定课题的研究目的，研究内容，以及目前的研究概况及其发展；（2）确定立体车库框架结构方案；（3）根据车辆大小和型号确定载车板设计方案；（4）确定立体车库的起吊方案；（5）设计安全防护装置，四连杆机构（死点）设计和计算；（6）绘制立体车库各个部分零件图和装配图；（7）运用 Pro/E 对立体车库进行建模和运动仿真分析；（8）对立体车库关键零部件进行有限元分析。1.4 主要研究内容（1）立体车库框架结构设计；（2）立体车库安全防护方案设计；（3）立体车库垂直驱动方案设计；（4）立体车库减载方案设计。1.5 主要设计参数表 1.1 立体车库主要设计参数项目内容可移动车库下位允许的车辆长宽高重量）5230mm2140mm1920mm 2500kg （ 通 常 此 级 别 车 辆 自 重 不 会 超 过2350kg）可移动车库上位允许的车辆长宽高重量）5100mm1860mm1550mm 2000kg （ 通 常 此 级 别 车 辆 自 重 不 会 超 过1600kg）上载车板的升降行程2000-2200mm上载车板的提升/下降速度4 米/分钟（即 30 秒可完成升/降位移）可移动车库（框架+车辆）水平移动行程3000mm可移动车库（框架+车辆）水平移动速度9 米/分钟（即 20 秒可完成水平位移）上位车库允许总重量自 重 2000Kg+ 载 车 板 自 重 约 500KG+ 其 载 荷500kg=3000kg小单元可移动立体车库设计42小单元可移动立体车库方案设计2.1 整体框架设计2.1.1 门框方案设计小单元可移动立体车库的门框为车库的主要结构部分，它的主要作用是承载和容纳设备的其他组件以及汽车本身，其主要构件为型钢，主要由四根支撑立柱和两根横梁和侧梁搭建拼接而成的长方体结构。四根支撑立柱下方安装有载重轮，从而可以达到移动的效果，其基本结构如图 2.1 所示。图 2.1门框结构图2.1.2 型钢的选择门框主要由型钢组成，常用型钢有工字钢、H 型钢、槽钢和角钢等等，立柱和横梁可采用工字钢或者 H 型钢。工字钢的特点：不论是普通型还是轻型的工字钢，其截面尺寸均比较高、比较窄，故对截面两个主轴的惯性矩相差较大，因此一般仅能够用于在其腹板平面内受弯的构件，对于轴心受压、在垂直于腹板平面弯曲的构件不宜采用。H 型钢属于高效经济截面型材，由于其截面形状较好，使钢材具有更突出的性能，承载能力显著提升。它与工字钢有差异的是 H 型钢的翼缘进行了加宽，而且其内外轮廓小单元可移动立体车库设计5通常是平行的，这样便于用高强度螺栓和其他构件的连接。总的来说，H 型钢对比于工字钢来说刚性更大，稳定性更好，抗扭、抗弯能力也优于工字钢，并且其外形尺寸较好，工艺性能好。因为其表里均为平面，使用 H 型钢也方便我们在其翼缘空腔能安装载重轮。如许可使构件之间更紧凑，而空间被充分地利用起来。框架侧面的支撑型钢选用槽钢，槽钢能够承受较大的弯矩和轴心压力，侧面型钢在框架中主要起到提高整体框架的稳定性的作用，而且槽钢在框架中的连接方式比较灵活，工艺性能好。2.1.3 加强筋的设计方案由于横梁和立柱的长度都比较长，因此在立柱和横梁的连接处需要增加一些加强的辅助构件，以保证立柱和横梁之间具有更良好的受力，从而提高设备的使用寿命。加强筋主要用于立柱和横梁连接形成的直角处，将加强筋防御此处的主要目的是让横梁上的压力不直接全部的作用于立柱上，部分压力可以通过这个加强筋传递到立柱的侧面，如 2.2 图所示。图 2.2加强筋结构示意图该加强筋采用 10mm 厚的钢板焊接制成，钢板材料为 Q235，而且加强筋的两条直角边采用的是一长一短，长边采纳螺栓与长横梁连接，短边则采纳螺栓与立柱连接，如许使得立柱和横梁能够更好的跟尾。2.2 垂直驱动系统方案设计2.2.1 垂直驱动系统结构设计市面上已经在使用的立体车库的起吊系统采用的方案主要有三大类：一是采用链条起吊：该种起吊的工作原理是电机通过发动链轮转动对链条进行收放，从而拖动载车板上下移动，水平运动主要是通过导轨导向将载车板送到制定位置。该方案存在传动精度小单元可移动立体车库设计6不高、运行不够准确、运作过程中产生噪音大、链条工作环境要求较高和后期运行维护费用较高。二是采用钢丝绳起吊：其起吊的方法与链条起吊大概相同，该种起吊方式相对于链条起吊载车板晃动幅度比较大， 而且它也有链条起吊的很多缺点。 三是液压起重：该种方式主要是由起重升降机演变而来，主要应用于小型的立体车库，而且多用于两层车库的使用。该种方式噪声小，运动平稳，而且精度高。但是其工作环境要求较高，而且通常会对环境造成污染，其辅助设备多，后期运行维护的成本最高。以上三种方式最大的一个缺点就是没有自锁功能不强，这对于起重设备存在很大的安全隐患。本设计使用的起吊方式与剪叉式起重升降机的结构相似，但是动力源输入和动力作用位置具有很大的差别，起重升降机的动力主要来自于液压，其作用的位置是液压缸的两端均作用与剪叉杆件上，对杆件的强度要求较高。其结构如图 2.3 所示。图 2.3垂直驱动系统结构示意图本设计方案如上图所示，剪叉式结构，其动力输入为电动推杆，电动推杆的螺杆上套有螺纹，本设计的工作原理是：电机通过电动推杆内部的涡轮蜗杆减速后将动力传入螺杆，螺杆转动，螺杆上套有螺母，螺母再与剪叉式的杆件形成销钉方式的连接，螺杆转动时螺母在螺杆上上下移动，剪叉杆件也进行收缩运动，从而实现了升降运动。本设计的最大特点是采用了螺纹传动的方式，具有能自锁、传动平稳、噪声小、结构紧凑、大传动比等等。小单元可移动立体车库设计72.2.2 剪叉式伸缩架杆件连接方案剪叉式杆件为矩形方管，矩形方管具有较高的抗弯能力，而且其形状特点在众多型钢中十分适用于剪叉结构的拼接。但由于矩形方管为空心方管，在做连接时应采用如下方法进行两杆件之间的连接，如图 2.4 所示。图 2.4矩形方管连接示意图大垫圈通过焊接的方式以刚性连接的方式固定在矩形方管大表面，矩形方管孔内焊接上管套， 两矩形方管中间放置两个小垫片以调整两矩形方管之间的间隙在合理的范围内（工作时矩形方管要求在各自的平面内转动），该方式比较打孔直接穿轴的受力情况要好很多，一部分的力可以通过大垫圈传递到矩形方管的大表面上，销轴不直接与矩形方管接触，在销轴和矩形方管相对转动时不会产生摩擦，因此没有损耗。2.2.3 垂直驱动系统与横梁的连接方案由上面已知，电动推杆的一端的拉力最终是由横梁施加的，在此中间需设计一个合理的连接方案， 该连接方案还需考虑伸缩架杆件的放置位置同时保证该连接方式以及横梁的强度，连接方案如图 2.5 所示.图 2.5垂直驱动系统与横梁连接方案示意图小单元可移动立体车库设计8该设计方案主要由多个钢板进行焊接制成的，两边为剪叉式杆件的连接处，中间部分为电动推杆的连接处， 上方两侧的加强筋的作用主要是将工作过程中由两侧的矩形方管给连接板向上的力产生弯矩通过加强筋传递到横梁 H 型钢腹板上进而相互抵消。2.3 水平驱动系统方案设计2.3.1 水平驱动系统机构设计水平驱动系统采用的驱动方式与垂直驱动系统的驱动方式是一样的，动力输入、矩形方管的连接方式都是一样的，在此不做详细的介绍。该驱动的驱动力要比垂直驱动小的多，但其驱动距离要比垂直驱动距离大。图 2.6水平驱动系统结构示意图2.3.2 水平驱动系统连接方案设计在对水平驱动方案的设计时需要注意的是伸缩架两端的连接方式，除了要考虑到如垂直驱动连接方式外，还必要考虑到当设备用在有微小斜坡的地下室或者道路旁边，特别注意的是马路两边，马路两边一般要比马路中间低些，这样的设计主要是便于排水，不会导致下雨天马路上有大量积水，而设备在使用过程中是要保证伸缩架水平才能更加有利于设备的运行。因此，在水平驱动系统的连接需要设计成可调节式的，在水平伸缩架的首端还是使用钢板焊接组合的形式，可以通过调整钢板的高度来适应使用环境。左右连接方案如图 2.7 所示。小单元可移动立体车库设计9图 2.7水平驱动系统连接结构示意图末端的工作原理为：左右两块板通过螺栓的夹紧力将连接板固定在 H 型钢上，水平伸缩架的末端与连接板做销钉方式连接，调节连接高度时先将螺栓松开，然后将连接板调节到合适的位置，再将螺栓拧紧即可。该方案可以在不降低 H 型钢强度的前提下达到上下调节，而且不影响其使用功能，操作简易方便。2.4 上载车板设计方案2.4.1 上载车板结构设计上载车板的主要功能是承载车辆，与垂直驱动系统连接。在设计上载车板时我们需要考虑到车辆的长宽，同时还要留出合理的余量，以确保车主能够将汽车正常驶入上载车板上。上层车库主要承载 C 级轿车和 B 级轿车，该类车辆的轴距大都在 2700mm，宽度为 1800mm， 因此设计的时候一定要满足这两个重要参数。 上载车板的设计主要有承载部分和连接部分。承载部分有两个目字型槽钢来承担，连接承载也采用槽钢。目字型承载部分如图 2.8 所示.图 2.8上载车板结构图小单元可移动立体车库设计10目字型结构的两端方框内焊接上载重板，两组目字型将汽车的四个轮子托起为主要目的，再将两组目字型结构用槽钢连接起来即为上载车板。2.4.2 连接部分的设计连接部分主要是设计上载车板与垂直驱动系统的连接，即与矩形方管的连接，在此采用轴作为连接方式， 在设计该连接方式时需要考虑的一个重要因素是该连接必须留有一定的余量，也就是连接周可以上下移动一小段距离，这样的设计主要是预防垂直驱动系统运动不同步，上载车板倾斜，某一个吊点先一步下落至地面，而其他三个吊点尚未到达，电机还在运转导致伸缩架运动超行程而损坏。在保证余量的同时还要能够使轴在竖直方向上有一定角度的转动。如表 2.1 有三种方案可供选择。表 2.1上载车板与垂直驱动系统连接方案方案一二三简图优缺点留有余量、 可以转动结构较为合理，工艺较为复杂没有余量、不能转动、受力不合理破坏槽钢强度、 结构复杂由表可知，应选择方案一，在槽钢上焊接两块钢板，钢板与 U 型吊环通过销轴连接起来，U 型吊环留有一定的余量，同时 U 型吊环可以围绕销轴转动，正好满足设计要求，因此选用方案一。2.4.3 上载车板过渡板方案设计在设计上载车板时， 承载部分为目字型槽钢， 这就意味着汽车需要开上目字型槽钢，然而槽钢具有一定的高度， 目字型选用的槽钢为 6.3# （后面计算得） ， 槽钢高度为 63mm，承重板的厚度为 10mm，总高为 83mm。普通汽车底盘距离底面最低高度为 120mm，汽车在没有过渡板的情况下驶入上载车板，会给载车板一个很大的冲击力，而且也有可能给汽车带来损坏，因此必须设置一个过渡板使的汽车缓缓使入载车板。该过渡板的坡度角取30，可采用 6mm 后的钢板进行折弯，在过渡板上钻三个孔，用螺栓将过渡板和目字型小单元可移动立体车库设计11槽钢固定，如图 2.9 所示。图 2.9上载车板过渡板示意图为防止过渡板过薄无法承受汽车的重量，将角钢焊接在过渡板下方，角钢起到支撑的作用。2.5 下载车板方案设计2.5.1 连接部分设计下载车板主要承载下层车辆，同样主要由承载部分、连接部分和运动部分组成。承载部分为钢板和角钢组成，连接部分主要为水平驱动系统与下载车板的连接，水平驱动系统的首端连接方式与水平驱动系统和门框的连接方式一样，这样设计的理由是为了减少零部件的数量以及加工和运输的方便，因此在设计过程当中能够达到相同功能的零件就会选择同一种零件。水平驱动系统与下载车板的连接方式如下图 2.10 所示。图 2.10下载车板水平方向连接示意图小单元可移动立体车库设计12此连接方式为连接板的下部分采用螺栓连接的形式固定在下载车板的长角钢上中间的四根与矩形方管连接的钢板做成与整个连接板高度一样的主要目的是为加强整个连接板的强度， 这样能够保证下载车板在具有一斜坡的环境下仍然能够推动载有车辆的下载车板正常前行。2.5.2 运动部分设计运动部分如图 2.11 所示。图 2.11下载车板运动部分示意图承载部分为一块钢板与两条角钢焊接形成一个 U 型，U 型的两侧再用螺栓将两条角钢固定住，最外面的角钢再焊接上两块钢板组成一个半封闭的空间，将轮子放置于该半封闭空间即可。焊接 U 型角钢为等边角钢 80mm80mm，厚度为 10mm，连接在 U 型两侧的角钢为 90mm90mm， 厚度为 10mm。 轮子直径为 80mm， 宽度为 75mm， 承载能力为 650kg。承重钢板底面距离底面为 10mm，地面到 U 型最高点为 100mm，而汽车底盘距离底面最小距离为 120mm，因此设计符合要求。2.5.3 下载车板过渡板设计方案下载车板与上载车板一样，汽车均须开上载车板才能够将车辆进行移动和存放，下载车板的承重板上表面距离地面高度为 20mm， 在没有任何过渡板的情况下， 车辆直接驶上载车板会给整个下载车板一个不可忽略的冲击力，如果下载车板在该冲击力长期作用下，下载车板的使用寿命会急剧下降。因此，设计一个过渡方案是必然的，该设计方案的设计要求为，能够承受汽车自身的重量、具有一定的定位作用（由于下载车板承载力是通过轮子传递到地面的，与地面的摩擦为滚动摩擦，过渡板设计希望具有更好的抓地力）、下载车板在运动时该过渡板不能与地面发生干涉（地面可能存在坑洼突起）等等。在该过渡方案中本设计采用的过渡板的材质为橡胶，橡胶材料具有较大的弹性，同时还能够起到一定的缓冲作用，在车辆压过橡胶上时橡胶向下变形，可以产生较大的抓地力，这样车辆对下载车板就不会产生过大的冲击力，下载车板也不会发生滑动。当车轮越过橡胶板时，橡胶板没有力的作用就会恢复原来形状，在载车板移动时不会与地面小单元可移动立体车库设计13发生干涉，就算会有干涉，由于材料本身的性质也不会对载车板的运动造成影响。下载车板过渡板设计方案如图 2.12 所示。图 2.12下载车板过渡板示意图2.6 安全防护方案设计立体车库是起重机械设备，在安全要求方面是比较高的，如果设备出现问题就可能会造成车辆的损毁，财产损失，严重的还有可能会对人的生命安全造成损害。因此安全防护是本机械设备必须的部分， 在本设备中最容易出现安全隐患的是垂直驱动系统的四个吊点， 该四个吊点主要承载了上载车板以及汽车本身的重量以及用户存放在车辆中物品的重量。 四个吊点中可分为两种情况， 一种是一个吊点失效； 另一种是两个吊点失效。三个吊点或者四个吊点失效的概率很低，在此不作讨论。一个吊点失效的情况为上载车板发生一侧滑移倾斜，这种情况在四个吊点中的四个点中任意其一是一样的。两个吊点失效的情况分为三种，一是前后同一方向的两个吊点同时失效；第二是左右同一方向两个吊点失效；该两种情况造成的后果是车辆往失效吊点一侧倾斜甚至滑落。第三是四个吊点中对角线上的两吊点失效，该情况下产生的后果没有前两种情况糟糕，此时车辆完全有可能由两个吊点吊起， 因此其受力是对称的， 这种情况下的受力方式是可以接受的，只是在这种受力方式下上载车板稳定性不高，应该避免出现。小单元可移动立体车库设计14表 2.2各种失效形式失效方式一个吊点失效两个吊点失效一两个吊点失效二两个对称吊点失效简图以上出现的安全隐患都有可能会造成汽车严重向一方倾斜，还有可能会导致汽车从上载车板上滑落下来。针对以上的各种突发状况，需要设计一个安全防护方案，该方案的主要目的是为了防止吊点失效后上载车板相应吊点方向没有拉力作用导致载车板和车辆发生倾斜和滑落，设计方案如图 2.13 所示。图 2.13安全防护结构示意图该方案的主要部分为三角架结构和滑块，其中三角架和花滑块是刚性连接，其中三夹角的两个点用螺栓连接与上载车板长连接槽钢上，另一个点连接与滑块上，当上载车板上下运动时， 滑块在立柱 H 型钢的空腔内部顺着 H 型钢的翼缘上下滑动， 如果四个吊点中有任何一个或者两个吊点失效必然会使上载车板发生倾斜，此时滑块就会紧贴着 H型钢的翼缘产生很大的摩擦力，从而将载车板托起，避免载车板发生大角度的倾斜。为避免滑块和立柱在无故障时产生的轻微摩擦相互损耗，需要在滑块上加一层橡胶，这样可以提高立柱和滑块的使用寿命。小单元可移动立体车库设计152.7 垂直驱动系统减载方案设计可移动立体车库在将上层车辆提升的动力来源是电动推杆，电动推广在将上载车板提升到某个指定位置后即停止上升，此时上载车板和车辆的重量完全由电动推杆来拉动和维持，电动推杆长期处于高负载的条件下会降低其使用寿命，同时也会对电动推杆的提升精度有影响。因此，需要设计一个减轻电动推杆负载的设计方案，该设计方案不要求全部取代电动推杆的负载，只需要减少总负载的一半或者一小部分即可。该方案不能与设备的其他运动部件有干涉现象，同时不能破坏其他主要零件的强度等等。在本设计中拟用死点机构来实现这一功能， 死点机构多用于载荷大、 冲击大等场合，如飞机起落架等。在此使用该机构的理由也是从安全隐患的方面考虑，假设电动推杆在工作中自锁能力失效了，此时该死点机构就会承载上载车板及车辆的所有重量，在如此大载荷和大冲击力的作用下使用死点机构是比较合理的，死点机构如图 2.14 所示。图 2.14死点机构示意图该设计方案的工作原理是：电动推杆在收缩的状态下，死点机构收缩，上载车板向上运动，不与死点机构发生干涉，上载车板上升到指定位置后停止。电动推杆外伸，死点机构随之向外伸出并向上推动，此时即可达到对垂直驱动系统的电动推杆减载的效果。死点机构放置方案设计：死点机构的放置最主要的是不能够增添小单元可移动立体车库的外形尺寸和不能与运动的零部件发生干涉同时保证不破坏其他零件的强度。观察设备的机构部分和零部件的分布情况，死点机构布置在立柱上是比较合理的，死点机构力的作用位置主要有两个地方，一个是立柱，在一个就是横梁。在考虑设备整体框架结构的稳定性问题，将死点机构的主要承载力作用放置于横梁和侧梁的支架上，立柱作为辅助承载。其设计方案如图 2.15 所示。小单元可移动立体车库设计16图 2.15死点机构放置位置示意图死点机构放置于图中红圈内， 这样的设计方案主要是将上载车板以及车辆的重量分别由横梁、侧梁、立柱三者共同承担，改变了原来横梁单独承担。原来横梁单独承担会给横梁与立柱的连接处带来很大的弯矩和扭矩，改善后的方案将部分的力间接传递到立柱和侧梁上，这样整个设备框架结构的受力情况变得合理了许多。小单元可移动立体车库设计173.校核计算3.1 立体车库框架结构计算框架结构如图 3.1 所示图 3.1门框示意图框架上四个支点所受载荷的确定：上位车库允许车辆： 自重 2000Kg+载车板自重约 500Kg+其它载荷 500Kg=3000Kg。 前后轮压一般按照 6:4 分配（3000*0.5*0.6=900Kg），最大载荷为 900Kg，考虑一定安全系数，取每个吊点的最大载荷为 P=1500kg，中心距=2700mm。框架受力如图 3.2 所示。图 3.2框架受力示意图小单元可移动立体车库设计183.1.1 横梁的计算横梁简化后受力情况如图 3.3 所示图 3.4横梁受力示意图查单跨直梁的剪力、弯矩、挠度和转角的计算公式表 1.4-25 有：232232323323233223313329017213913LLLLLLLLLLLLLPM其中：mmL16501mmL27002mmL16503mmLLLL6000321NP150005 .10112DAMMNm代入数据解得：M=10112.5 Nm求约束反力：求1yF对 D 点取矩有03211ADyDMMPLLLPLF解得:KNFy151求2yF对 A 点取矩有01212ADyAMMPLLLPLF解得：KNFy152求各段梁的弯矩和剪力：AB 段 01LKNFFyS1511011AyMFMBC 段1L1L+2L012PFFySAyMLPFM121CD 段1L+2LL013PPFFySDyAMLLPLPFMM21131各段的剪力图如图 3.5 所示。小单元可移动立体车库设计19图 3.5下横梁剪力图各段弯矩图如图 3.6 所示。图 3.6横梁弯矩图由上知梁的危险截面在 B、C 处，选用材料为 Q235，其屈服极限为 235MPa，抗拉强度为 375500MPa，安全系数为 1.5，钢结构许用位移 10mm，所以其许用应力为： MPaMPa1565 . 1235 MPa96由横梁的受力情况可知， 梁主要受弯曲应力， 可根据最大弯矩来选取 H 型钢的钢号：由弯曲应力条件有 3613.93830101565 .14637mmMPaNmMWZ查国标 H 型钢参数表（GB/T 112632005）有：HW150X1503216000mmWZ313.93830mm（满足要求）H=150mmB=150mmmmt71mmt82mmr8截面面积：356.39cmA小单元可移动立体车库设计20图 3.7工字钢结构示意图理论重量：mKgM/1 .31惯性矩：41260cmIx4563cmIy惯性半径：cmix39. 6cmiy77. 3截面模数：4216cmWx41 .75 cmWy由上可知应力满足要求。3304739mmS 412600000mmIZ PatISFZZs183.51822421071035.4115000231maxmax切应力满足要求。横梁挠度计算：查单跨直梁的剪力、弯矩、挠度和转角的计算公式表 1.4-25 有：mmmy10106 . 735. 461500035. 465 .101123101620102066143289梁挠度满足要求。3.1.2 立柱的计算立柱强度计算： AFmax其中NF1800053150002max代入数据解得： Pa556.4550050满足强度要求。立柱的稳定性计算：FFncr其中crF为极限载荷，F 为工作载荷，为许用安全载荷。查机械设计手册得杆的长度系数=1，稳定系数=9.87，小单元可移动立体车库设计21杆的柔度为：58.7977. 33001minil材料的柔度范围：100102001020622521pE6 .6111223500304002bas式中：mini为最小惯性矩半径，s为材料屈服极限，a,b 为常数可查机械设计手册，p为材料的比例极限。比较杆的柔度12可知杆为细长杆，不可用欧拉公式来计算临界载荷应该用经验公式计算临界载荷：临界应力为：MPabacr87.21458.7912. 1304其中 a、b 为常数可查材料力学第五版表 9.2 直线公式的系数 a 和 b 。临界压力为：NAFcrcr73.8500251056.391087.21446最大工作载荷为：NF1800053215000立柱的稳定系数：22.471800073.850025n（立柱稳定）3.1.3 框架加强筋设计框架加强筋主要为两个部分，一个部分为横梁与立柱之间的加强，另一部分为侧梁与立柱之间的加强。为方便加工制造将这两个部分的加强筋设计成同一个零部件，又由于横梁为主要受力梁，因此设计该加强部分的加强筋主要满足横梁与立柱的要求即可。加强筋用 10mm 钢板焊接而成，加强筋为一直角三角形，夹角为 30，长边紧贴横梁。加强筋如 3.8 图所示。图 3.8加强筋示意图为方便现场运输和现场安装工作的正常进行加强筋与横梁和立柱之间的连接采用螺栓连接方式进行连接。 螺栓设计在此处螺栓主要受剪切力和倾覆力矩作用但由于横梁直接作用于立柱上，即横梁上很大一部分的力作用于立柱，加强筋只起到辅助支撑的作用，所以此处螺栓的计算可取相对较小值。小单元可移动立体车库设计22螺栓材料选用 45 钢，许用应力 MPa300， MPa240每个螺栓的剪切力为：NFi2500615000螺栓最小直径为： mmFd643. 31024025004460倾覆力矩的计算：mNM16026 . 0356. 05 . 015000NlMlFii86.11442035. 04035. 01602242maxmax螺栓的最小直径为： mmFd4 . 91030014. 386.114424 . 13 . 144 . 13 . 146max0综上所述螺栓组螺栓直径大小可选择直径为 12mm 即可满足要求。框架侧面的三角支架的设计框架侧面的三角架主要对整个框架起到提高框架整体稳定性的作用，其受力不大，可选用槽钢来作为支撑，该支撑架主要由下支撑槽钢和倒八字形槽钢两个部分组成，具体如图 3.9 所示。图 3.9框架侧面支撑结构示意图下支撑槽钢为保证其与整个框架选用钢型尺寸不存在太差异，同时达到美观的效果可选用 12.6 号槽钢，而倒八字形则选用最小型号 5 号槽钢即可，由于该三角支架受力不大，因此不用对槽钢强度等进行计算了。3.2 垂直驱动系统的计算垂直驱动系统采用剪叉式伸缩架作为主体部分，其动力部分采用电动推杆的伸缩运小单元可移动立体车库设计23动来实现对上载车个板的提升和下降。按照目前市场上的车辆型号来对车库的上下两层进行分层，下层可停放较大型车辆，如 D 级高级车辆、大型 SUV 等等，因此下层需要的高度为 2000mm，上层停放普通家庭汽车，车辆高度一般在 1600mm 以下，因此我们的垂直驱动系统要求伸长最长为 3000mm，提升后整个伸缩架的高度不大于 1600mm。在这里，我们需要考虑到上载车板的高度以及伸缩架与横梁和上载车板的连接出会占用一部分高度， 因此我们将伸缩架收缩后的高度要求控制在 1000mm， 这样能够保证我们在连接时有足够的高度来设计连接方式。垂直驱动系统的设计主要由三个部分组成，一个是矩形方管（也就是伸缩架的主体部分），一个是销钉，另一个是动力源（电动推杆）。垂直驱动系统如图 3.10 所示。图 3.10垂直伸缩架结构示意图假设垂直驱动系统由四节（四个菱形）组成，当菱形的夹角90时整个伸缩架能够运动到最长高度 3000mm。矩形方管的长度的确定：长矩形方管mml7 .106045sin430001短矩形方管mml35.53045sin830002垂直驱动系统简化后如图 3.11 所示。小单元可移动立体车库设计24图 3.11下载车板水平方向连接示意图3.2.1 矩形方管受力计算垂直驱动系统各杆件的受力分析如图 3.14 所示。图 3.14下载车板水平方向连接示意图当伸缩架伸长为3000mm时 452对各伸缩架收缩到1000mm时65.132个杆件进行分析。对杆有：2sin221PFF小单元可移动立体车库设计25 452时NFF70712165.132时NFF2118721对杆有：杆02cos2cos31cxFFF杆02cos2cos42cxFFF02sin2sin31cyFFF02sin2sin42FFFcycxcxFF cycyFF2sin243PFF2cotPFFcycx0cycyFF 452时NFF707143，65.132时NFF2118743对杆有：杆02cos2cos54ExFFF杆02cos2cos63ExFFF02sin2sin54EyFFF02sin2sin63FFFcyExExFFEyEyFF2sin265PFF2cotPFFEyEx0EyEyFF 452时NFF707165，65.132时NFF2118765对杆有：杆02cos2cos76GxFFF杆02cos2cos85GxFFF022sin2sin76FFFFGy022sin2sin85FFFFGy对2H点取矩有：02HM253. 02cos2cos22sin53. 06GxGyFFFF解得2cos2sin2cos2sinsin687FFF0GyGyFF小单元可移动立体车库设计262cos2sin2cos2sinsin2cos2sin26FFFGyGxPFF22cossin26 452时NFF707187，65.132时NFF2118787F 恒等于 2P对杆件有：由上可知2sin22cos2sin2cos2sinsin687PFFF 452时NFF707187，65.132时NFF21187873.2.2 矩形方管强度计算当伸缩架收缩到 1000mm 时，即时65.132杆件受到的力最大，此时的力为：NF97173 .27sin21187sin21187图 3.15矩形方管受力示意、剪力、弯矩图小单元可移动立体车库设计27由图可知，危险截面为杆件中心处，杆件为矩形方，材料为 Q235，由公式 3366max2 . 8102 . 8101571288cmmWMW有查 GB/T 6728-2002 结构用冷弯空心型钢管规格表可选用型号为 80X40X2 的矩形方管，其理论重量为：mKgM/651. 3截面面积为：2536. 4cmA 截面模数：332 . 8339. 9cmcmW满足要求。由于矩形方管的中心需用直径为 32mm 的轴连接， 因此需要在 80mm 平面上钻直径为 40mm 的孔，此孔正好在矩形方管的危险截面上，因此选用的矩形方管强度需比80X40X2 高。从横截面积及截面模数方面考虑选用的矩形方管强度须是前者的两倍。查表可选用 80X40X5。该型号的矩形方管理论重量为：mKgM/129. 8截面面积为：2356.10cmA 截面模数：332 . 8770.18cmcmW3.3 水平驱动系统的计算水平驱动系统的驱动方式与垂直驱动系统一样，其结构与工作原理是一致的，计算方法相同，在此不做详细的计算，仅做简单叙述。水平驱动系统由六个菱形架组成，最大可伸长至 3500mm，收缩后的长度可以控制在 500mm 以上，能够驱动和承受 600kg 力以上。小单元可移动立体车库设计28图 3.16水平矩形方管受力示意、剪力、弯矩图由图 3.16 知NmM525，矩形方管材料为 Q235，安全系数 S=2， MPa5 .117 36max47. 4105 .117525cmMW查 GB/T 6728-2002 结构用冷弯空心型钢管规格表可选用型号为 60X30X3 的矩形方管，其理论重量为：mkgM/774. 3截面面积为：2808. 4cmA 截面模数为：3347. 4832. 6cmcmW满足要求。3.4 上载车板计算上载车板主要由目字型槽钢、载重板、连接槽钢等组成，总长为 4380mm，宽为2806mm 主要能够承载 2T 的重量，结构示意图如图 3.17 所示。小单元可移动立体车库设计29图 3.17上载车板结构示意图在对上载车板进行各个杆件的校核可以分为两大部分，一个是目字型槽钢的强度校核，另一个是中间连接槽钢的校核。3.4.1 目字型槽钢的计算由于汽车前后重量不是均匀分布的，市场上的汽车大都遵循前后比重为 6:4，因此在对目字型槽钢进行计算时须注意重量比例，汽车重量取 2T，按 6:4 取，则计算过程中应取 1200kg 进行计算。在计算过程中可以将目字型简化成简支梁来计算，受力范围如图 3.18 所示。图 3.18上载车板受力范围示意图小单元可移动立体车库设计30绿色区域为汽车进入上载车板向左偏的区域范围，蓝色为汽车进入上载车板向右偏的区域范围，因此，在梁上的受力范围为该两种情况的合集，计算过程中只需要校核在该区域内移动造成最大弯矩满足要求即可。当汽车的中心线正好与上载车板的中心线对齐时，此时汽车作用在载车板上面的载荷是左右对称的，该种情况下的受力情况是最理想的；其他情况为汽车左偏或者右偏，左右可偏移量为 200mm（已考虑车轮的宽度），最不理想的情况为极限左偏或者极限右偏， 该两种情况下对设备的影响最大， 通常情况下这两种情况产生的弯矩也是最大的。现以受力情况对称来作为计算例子，计算该情况下的最大弯矩。左右对称时，两铰点的支反力相等，KNFFBA6，梁上有两对称载荷均为 6KN，受力示意图如图 3.19 所示。图 3.19目字型槽钢受力示意图剪力图、弯矩图如图 3.20 所示。小单元可移动立体车库设计31图 3.20目字型槽钢受力示意、剪力、弯矩图其他位置的受力以及弯矩可以采取等距偏移计算来估算最大弯矩，再加上安全系数即可达到设计要求，偏移量取 50mm，计算结果如表 3.1 所示。表 3.1 目字型槽钢各个位置所受弯矩值偏移量 mm050100150200250弯矩 Nm270028893055320033223422由上表可以可知，当汽车偏移到左右极限时，槽钢受到的弯矩最大，危险截面正好在左极限或者右极限上。此时算出来的最大弯矩可以不用加上安全系数，因为计算结果正好是最大弯矩。3.4.2 槽钢型号的选择已知梁受到的最大弯矩为NmM3422max，作用在两根平行的槽钢上，由计算公式 maxMW 可选出槽钢型号，槽钢材料为 Q235，安全系数5 . 1S，则有 MPa157，代入数据计算有 36max89.101015723422cmMW查 GB/T707-1988 热轧槽钢尺寸、外形、重量及允许偏差有：槽钢 6.3#：截面模数：3389.101 .16cmcmW满足要求。截面面积：2451. 8cmA 理论重量：mkgM/634. 6综上所述目字型的槽钢选用槽钢 6.3#。3.4.3 连接槽钢的计算上载车板连接槽钢主要是承受两个目字型载荷作用，吊点通过连接槽钢传递拉力将目字型槽钢托起，进而达到承载汽车的效果。连接槽钢可以简化成简支梁和外伸梁的组合。普通私家车轴距一般为 2700mm，最小型车轴距为 2100mm，豪华型车轴距为3100mm，豪华型车一般为大型车，不放在上层，因此上层载车只需考虑 C 级轿车，即为普通私家车，轴距为 2700mm，重量为 1.5T。该连接槽钢的受力情况与目字型槽钢受力大致一样，也可以分为前后极限偏，此种前后极限偏为力的前后分布，不包含力的作用点偏移，因为目字型是固定在连接槽钢上的。受力形式可以分为三种： 如图 3.21 所示， 一是汽车的前后轮正好分别与两吊点在两个不同的平面内，另外两种情况为极限前后偏移，前后极限偏移对连接槽钢的影响是最小单元可移动立体车库设计32大的，因此只需要校核该情况下的强度即可。极限前偏：该情况下，和为主要受力点，而和受力不大，在此我们可以将它们忽略，再按照汽车前后比重 6:4 分则有（在此车总重按 2T 计算）：图 3.21连接槽钢受力示意图求支反力：对 A 点取矩有：07 . 22 . 240003 . 060000BAFM对 B 点取矩有：07 . 25 . 04000360000ABFM解得：NFA7407NFB2593剪力弯矩图如图 3.22 所示。图 3.22连接槽钢剪力、弯矩图小单元可移动立体车库设计33由上可知，连接槽钢的最大弯矩为 1800Nm，危险截面为 A 点处。极限后偏情况的计算方法与极限前偏的计算方法一致，在此不做详细介绍。连接槽钢型号的确定：由计算公式 maxMW 可选出槽钢型号，槽钢材料为 Q235，安全系数5 . 1S，则有 MPa157，代入数据计算有 36max46.11101571800cmMW查 GB/T707-1988 热轧槽钢尺寸、外形、重量及允许偏差有：槽钢 6.3#：截面模数：3389.101 .16cmcmW满足要求。截面面积：2451. 8cmA 理论重量：mkgM/634. 6由于上载车板的装配要求，在此我们需选用 12.6#槽钢。3.5 下载车板的计算下载车板脚轮支撑板计算：图 3.23支撑钢板受力简图脚轮支撑板选用 10mm 厚的钢板，钢板材料为 Q235，安全系数取5 . 1S，则有材料的许用应力为 MPa157，根据选用的脚轮，其滚动轴直径为 20mm，钢板的受力情况如图 3.23 所示。利用弹性梁公式求危险截面的最大应力值，hRhRkNhANxamx224212422hRhRkNhANyamx22142422hRhRk22ln式中 N：耳孔上所受的力；A：矩形截面面积；H：耳环截面高度；：耳环厚度；R：耳环截面厚度重心曲率半径。小单元可移动立体车库设计34代入数据计算得：MPax126.12maxMPay128.12max， yxmaxmax、满足要求。3.6 连接部分的计算3.6.1 连接螺栓的计算本设计为了在运输和现场安装方面的方便，许多地方均采用螺栓连接，由于整个设计用到螺栓连接的受力情况和受力大小差别不大，因此采取使用同一规格型号的螺栓，这也是为了在采购零部件提供便利。在此选择受力较大和比较复杂的螺栓进行校核计算：拉力取NFN10000，剪切力为NFS10000螺栓材料为 45 钢，许用正应力为 MPa300，许用切应力为 MPa240。下载车板脚轮连接处的螺栓主要受剪切力的作用： AFs，其中42dA，则有 mmFds29. 71024010000446下载车板承重板与角钢的连接螺栓主要受拉力作用：由材料力学 P29 页公式 2.12 有 AFN，其中42dA，则有 mmFdN5 . 61030010000446综上所述连接螺栓可选用 M12 型号。3.6.2 销轴的计算连接矩形方管的销轴主要受剪切力作用， 由上面的计算可知其剪切力NFS21187， mmFds6 .101024021187446结合销轴长度并对照 GB/T882-2008 可选用直径为 22mm 的销轴。3.6.3 垂直驱动系统法兰盘处螺栓计算在此处将螺栓当成销轴来使用，主要受弯作用，因此我们只需要对其进行抗弯校核即可。螺栓材料为 45 钢，许用应力 MPa360，将其看成是悬臂梁，梁的末端P=10000N，梁长度 L=140mm，梁受到的弯矩：NmmNPLM140014. 010000，其受力图、剪力图和弯矩 3.24 所示。小单元可移动立体车库设计35图 3.24销轴受力示意、剪力、弯矩图由弯曲强度计算公式有 mmMdWM1 .341036014003232363因此选用螺栓 M36。3.6.4 水平驱动系统法兰盘处螺栓计算水平驱动系统法兰盘处的螺栓作用和垂直驱动系统法兰盘处螺栓一样，受力方式也一样，因此计算方法也是一样的，在此不作详细的介绍。经过计算水平驱动系统法兰盘处螺栓可选用 M26。3.7 死点机构的计算死点机构主要计算杆件的抗压强度，因为从受力角度分析杆件主要受到的是压力，计算时只需满足抗压强度即可，受力情况如图 3.25 所示。小单元可移动立体车库设计36图 3.25死点机构受力示意图压力 P=10000N，杆件的规格初定为 35mmX10mm杆件材料为 45 钢，许用应力 MPa360由公式 AP将数据代入解得 MPa57.28， ，满足要求。小单元可移动立体车库设计374 有限元分析在本设计中选择设备中比较具有典型代表的部件来做有限元分析，其中选择了门框结构和伸缩架矩形方管两个部件作为有限元分析的例子，这两个部件为本机械设备中受力比较复杂同时也是整个机械设备中重要组成部件。在本分析中选择的是Pro/MECHANICA STRUCTURE：结构分析软件包，可以进行零件模型和装配模型的结构分析和优化分析。具有的分析类型有:静态分析、模态分析、屈曲分析、接触分析、预紧分析及振动分析等。4.1 门框结构有限元分析Pro/MECHANICA 有限元分析的基本步骤:（1）建立几何模型:在 Pro/ENGINEER 中创建几何模型；（2）识别模型类型:将几何模型由 Pro/ENGINEER 导入 Pro/MECHANICA 中，此步需要用户确定模型的类型，默认的模型类型是实体模型。我们为了减小模型规模、提高计算速度，一般用面的形式建模。（3）定义模型的材料物性,包括材料、质量密度、弹性模量、泊松比等 ；（4）定义模型的载荷；（5）定义模型的约束；（6）有限元网格的划分：由 Pro/MECHANICA 中的 Auto GEM(自动网格划分器)工具完成有限元网格的自动划分；（7）定义分析任务，运行分析；（8）根据设计变量计算需要的项目；（9）图形显示计算结果。对门框结构进行分析结果如图 4.1 所示。小单元可移动立体车库设计38图 4.1门框位移分析结果条纹显示图其分析结果以图表的形式显示如图 4.2 所示。图 4.2门框位移分析图表形式结果图由以上两图的结果可知， 门框的最大位移为 3mm， 最大位移发生在门框的中间位置。对门框进行应力分析的结果如图 4.3 所示。小单元可移动立体车库设计39图 4.3门框应力分析结果图表显示图由上图可以看出，在横梁上的最大应力为 20MPa（远小于横梁能承受的应力），最大应力发生在两个吊点处，由于两个吊点对于门框结构的中心轴是对称的，而且立柱和横梁两端的约束形式是一样的，因此在横梁上产生的应力和弯矩是对称的。4.2 对伸缩架矩形方管的分析伸缩架处矩形方管主要受到拉力和弯矩的作用，其中受力情况最发杂的为连接电动推杆的矩形方管。因此，只需对该矩形方管进行分析即可，该矩形方管满足，其他矩形方管也满足要求。应力分析结果如图 4.4 所示。小单元可移动立体车库设计40图 4.4矩形方管应力及变形结果显示图位移分析结果如图 4.5 所示。图 4.5矩形方管位移及变形结果显示图由以上两图可以看出，矩形方管受到的最大应力在矩形方管的中间位置，该位置受小单元可移动立体车库设计41到的最大应力为 119MPa （小于材料的许用应力 157MPa），最大位移为 4.75mm，但是伸缩架设计为双杆结构，因此所受的拉力和其结构的稳定性方面都有很大的改善。鉴于上图的结果和设备使用寿命上的考虑，该矩形方管有必要对其进行一些改善措施，改善措施如图 4.6 所示。图 4.6矩形方管改善措施示意图为加强矩形方管的强度和刚度，在矩形方管的上下两个平面（40mm 宽方向的平面）焊接上厚度为 5mm 的钢板作为加强。小单元可移动立体车库设计425 经济环保性分析为响应国家提倡的低碳生产，本设计在进行方案设计时也始终坚持这一提倡，在钢材的选型和使用上遵循着能够满足使用功能上尽可能少的使用钢材。在零件的选择上尽可能的使用国家标准件，不单独设计零件等等。下面从几个方面对经济环保性进行详细的分析：材料使用方面：本设计始终遵循着满足使用功能用料最少的原则，在立体车库的框架结构上四根立柱高度为 3000mm，但是设备本身的高度为 3580mm，H 型钢的总长为12000mm，因此宜将 H 型钢分割成四根 3000mm 长的立柱正好合适，由于设备的总高度为3580mm，还需要补充连接 400mm（已除去轮子和连接部分的高度），然而 12000mm 的 H型钢可以分成 30 根 400mm 长的 H 型钢。以这种方案分割 H 型钢正好不留有废料，如果将 H 型钢直接分割成 3580mm 的长度，则每根 12000mm 的型钢可以分成 3 根 3580mm 的 H型钢，余下的废料为 460mm，由此可见，前者用料要比后者合理得多。驱动方式：本设计采用的驱动方式为电动推杆驱动，以螺纹传动的方式传递动力，该种传动方式具有传动平稳、精度高、无污染、无噪声等。而其他的驱动方式如液压、链条、钢丝绳和齿轮齿条的驱动方式都会造成噪声、精度低、对环境不友好。特别是液压驱动有可能会发生液压油泄露，其对工作环境的要求也比较高。而且其辅助设备占用面积大，后期运行维护的费用高。零件设计及选用方面：设计中的连接方式多为螺栓连接和销轴连接，其主要目的是为了更好的选用国家标准件，减低成本，提高产品的经济性。其他零部件大都选用型钢直接切割加工便可使用，单独设计加工的零件很少，这样可以极大地降低由于加工生产零件对环境造成的污染。 零部件在设计时在满足使用功能上尽可能的使用同一类或者同一种零件，这样零件可以进行大批量生产，在降低生产成本的同时还能够减少对环境的污染。运输方面：为方便运输，在工厂加工完零件后不直接进行总装配，而是对零部件进行简单的装配，更多的是采用现场安装装配的方式，这主要是为了减少运输次数，提高运输效率，同时也达到了减少成本保护环境的效果。综上所述，本产品无论是在材料运用、方案设计、零件设计和选用、生产加工、产品运输、现场装配、后期运行维护上，环境友好和经济效益始终贯穿着整个设计、生产、运行维护。这样的设计生产思想符合我国的可持续发展要求，满足低碳生产的提倡，达到了节能减排的效果。小单元可移动立体车库设计436 结论小单元可移动立体车库设计与市场上的大型立体车库不一样，主要是针对地下车库设计的小型立体车库，它的主要特点是充分利用空间存放更多的车辆，同时具有灵活、安全、可靠、环保、后期运营维护费用低等优点。小单元可移动立体车库与其他的立体车库在结构上差别不太，钢结构框架、载车板、传动系统、安全防护系统、控制系统等。本设计在结构框架上与简易升降类立体车库相似， 都是两层车库， 停放车辆为两辆，但是它又区别于简易升降类型立体车库，简易升降类型立体车库是不可移动的，在灵活性上就有很大的缺陷，在车辆的存取上也有区别，简易式立体车库在存取上层车辆时通常是将下层车辆移开，将上载车板放下再将车辆上提，最后再将下层车辆归位，整个过程比较繁琐，在效率上无法达到要求，而可移动立体车库在车辆存取是不存在任何干涉的，整个过程均由机械设备来完成；在传动系统上小单元可移动立体车库与其他九类的立体车库存在着比较大的区别，许多大型的立体车库运用的都是钢丝绳传动、链条传动、液压传动三大类，而小单元可移动立体车库运用剪叉式升降，它的传动形式为螺纹传动，相对于其他三类传动更具有平稳性、精确性、和自锁性，而且该种传动方式不会造成噪声，也不会对环境造成污染，在后期的运营维护简易；在载车板上面上载车板主要采用了可拆卸式目字型组合，目字型可有效的对车辆进行限位，避免车辆驶上载车板超出载车板范围，可拆卸特点的设计主要是为了适应不同轴距的车辆而设计的，这样可以极大的提高了上载车板的实用性。在安全防护系统上小单元可移动立体车库采用了三重安全防护装置，一个是螺纹自锁保护装置，二是滑道防倾斜保护装置，三是死点机构减载保护装置。在这三种安全防护装置的结合下能够将立体车库中常见的安全事故降到最低。在整个设备的结构设计、型钢选择、零件设计以及连接方式中始终贯穿着产品的运输、现场安装、零部件的互换性、零件加工工艺、运行过程出现的故障以及故障处理的方案等等，这些前期的工作都是为了产品最后的投入使用做准备。在本设计中也存在着一些结构上的问题，比如由于设备本身的特性在运行过程中可能会产生一些晃动；整个设备大多连接方式为螺栓连接，在零部件的加工工艺上可能存在不经济性等。综上所述，小单元可移动立体车库具有灵活、安全可靠、自锁、传动精度高、无噪声、对环境不造成污染、对使用环境要求不高、存取效率高等优点，这些优点与市场上已有的立体车库的对比具有很大的优势，但本设计在结构方案和加工工艺上可能存在一定的不足，希望后者能够做出改善小单元可移动立体车库设计44参考文献1濮良贵等. 机械设计（第九版）M. 北京: 高等教育出版社, 2013.2孙桓等. 机械原理M. 北京: 高等教育出版社, 2013.3姜继海等. 液压与气压传动M. 北京: 高等教育出版社, 2006.4成大先主编. 机械设计手册（第六版第 3 卷）M. 北京: 化学工业出版社, 2016.5成大先主编. 机械设计手册（第六版第 5 卷）M. 北京: 化学工业出版社, 2016.6刘晓娟, 潘宏侠. 垂直升降式立体车库系统设计与研究J. 机械设计与制造,2011,5:48-50.7张桂香, 耿长清. 基于 PLC 的升降横移式立体车库自动控制J. 自动化仪表,2013,34(7):35-37.8梁睦,李春广,张洪. 升降横移式立体车库设计方案研讨J.起重运输机械，2013,1:25-28.9陆体文,沈小华,刘旭帅. 新型立体车库升降机械设计和强度分析J. 起重运输机械，2014,9:28-34.10蒋俊杰,沈星宇. 两层升降横移式立体车库钢结构有限元分析及优化设计. D. 南京：南京工业大学，2016 .11张丽,于长有. 升降横移式立体车库钢结构框架受力分析及优化 J . 起重运输机械,2014,(09):22-26.12张伟中,姜晓强,张伟社.基于排队论的立体车库设计方案参数优化J.起重运输机械,2011,36-39.14廖玲玲,肖素梅.升降横移式立体车库定向诱导管理系统J.起重运输机械,2013,(04):10-14.15陶磊,武建涛,朱敏哲,李军,梁飞.升降横移式立体车库控制系统的设计J.起重运输机械,2015,(01):14-18.16陈良睦,张春广,张洪.升降横移式立体车库设计方案讨论 J .起重运输机械,2013,(01):25-27.17 Na Chen, Lu Wang, Limin Jia, Honghui Dong, Haijian Li. Parking Survey Made Efficientin Intelligent Parking SystemsJ. Procedia Engineering,2016,137:487-495.18Jerzy Paslawski, Maria Rozdzynska. Flexible Approach in Infrastructure Design BufferParking Case StudyJ. Procedia Engineering, 2013,57:882-88819Wanli Shi, Xiuxia Zhang, Ziwei Zhao, Shuyi Wei, Guannan Du. Urban Roadside Stereo Garageand Management Method Based On GSM NetworkJ. Association for ComputingMachinery,2016:4851-4852.45附录 1：外文翻译对立体车库低频线形感应电动机的研究摘要：立体车库可采用直线感应电机（LIMs）作为驱动部分。由于它有简单的结构，且成本低，速度快。在升降平台上，一些 LIMs 和电磁铁分别安装在横梁上方和下方。随着横梁被 LIMs 和电磁铁的吸引力带动，汽车可快速入库和出库。在立体车库的顶部，LIMs可以用来驱动的纵向移动机构以实现升降平台在纵向的运动，因此汽车停车能力显著提高。用分析等效电路法，LIM 的应用被设计出来，等效结构的影响也被研究出来。基于有限元方法，动态性能可以被计算和分析设计的效果也可以被验证。最后，原型实现的测量结果可以预测结论。现在设计的 LIMs 成功地应用在有 8 层升降台的立体车库。1.介绍立体车库对大城市非常重要，由于人口和交通工具快速增长。近年来，世界上越来越多的立体车库被应用，他们的容量也越来越大。因此，车辆接入速度成为关键性能之一。然而，对传统的立体车库，由于中间转换装置而被限制，如链条和齿轮 1-2 。为了实现直接驱动而不用这些中间设备，强大的候选者是直线感应电动机（LIMs）。因此，由 LIMs 驱动的立体车库的研究已相当强的实践意义 3 。LIMs 广泛应用于交通、物流、工业，由于他们与其他线性发动机版式相比有简单的结构，较低的成本。它们有不同的结构类型，例如单边的，双边的，管状的，盘的和弧的。在实际应用中，单边二次复合的 LIMs 更受欢迎，同时吸引了大量的研究。在文献中，几篇论文研究在恒压激励或恒流作用下的推力和正常力 4 - 8 。有些论文采用分析电磁场解决方法。最大的缺点是为了解决复杂的高数问题，计算精度受许多简化的影响。 为了提高计算精度并考虑边缘效应， 通常采用有限元 （FE） 方法 9 - 10 。立体车库 LIM 设计对研究。由于在应用中所需的运行速度低，LIMs 被设计成具有较低额定频率的， 这与普通的 LIMs 不同。 虽然有对普通 LIMs 相应的研究， 它应该被研究，因为这 LIM 操作在低频率和全电压，应尽可能降低电流用来避免磁场饱和。本文主要研究立体车库的驱动系统， 然后得到 LIM 的具体设计值。 基于解析等效法，LIMs 被设计，结构参数的影响也被研究。在此基础上，基于有限元分析法分析了其动态性能。预测结果也被实型校正。2. 由 LIMs 驱动的升降台如图 1 所示，LIMs 在立体车库的升降台，它位于立体车库中间。它包括横梁、载车盘，几个电磁铁和 LIMs。在平行的所有相同的 LIMs 的活动的初级线圈被固定在横梁的下面，和固定的 LIMs 系统安装在升降平台。这个缝隙长度由两个线性轴承保持。在横46梁的上方， 安装有电磁铁， 这由直流供电。 相应的核心是连接到每个汽车运载板的一边。相比传统的立体车库，这个立体车库使所有电气设备安装在升降平台上，所以停车空间很简单，因为它只有车承载板。图 1被在立体车库中 LIMs 驱动的升降台如果从立体车库取车，LIMs 连接电源，然后驱动横梁走向汽车载板。当横梁接近载车盘， 电磁铁通有直流电流， 用来吸引汽车载板。 之后， 横梁运行在相反的方向驱动 LIMs，使汽车随车携带的板取出在升降平台上。最后，随着升降平台下移，把车送到一楼。存储车的过程正好相反。也就是说，倚赖于 LIMS 的往复运动，汽车可以快速移动。在这个应用程序中， LIM 的两个功能应注意，一个是速度，另一个是初始长度。显然地,LIMS 的行程几乎等于车的宽度，所以由于有限的行程和最大的重量运行速度不能高。 也就是说， LIMS 系统的额定速度低。 考虑传统的重叠杆的杆距绕组， 电源频率也低。因此，应设计在低频率和全电压的 LMI。初始长度不能长于横梁宽度。为了减少两边宽度和升降台的重量，横梁的宽度应尽可能小，初始长度也被限制。因此，LIM 的初始宽度与推力成正比。在这种情况下，如果只有一个 LIM 采用，它就变得太大。为减少每个 LIM 的宽度，偶数的 LIM 被采用，如2、4、8、10 等，它们成组的被对称安装在横梁下面。图 1 展示了四个 LIMs。根据应用要求， LIM的额定速度、 电压和起动推力被分别设计成0.8m/s， 380V和666N。3由 LIM 驱动的纵向移动机械机制立体车库的前方在一层的纵向只有两个车位。所以升降平台不需要移动。由于停车位有限，这是不适合巨大的立体车库。为了扩大停车场容量，升降平台应纵向移动方向，称为纵向移动机制。它也可以被 LIMs 驱动。为了简化工艺，相同的 LIMs 横梁可以采用。纵向移动机构由 LIMs 安装在升降平台的顶部。图 2 显示简单的图。这只说明四个车位在纵向方向的一层，可在实际应用中更多层，如 4、6、8、10 等。47图 2纵向移动机制的简化图在每边， 这里都有些许， 平行运行的 LIMs。 所有主要部分都固定在升降平台的顶部。次要部分固定在立体车库架上。当 LIMs 被提供电源时，升降平台被驱动在纵向移动。在储存或调取过程中，纵向移动机制和升降台能协调运动，这样可能尽可能快地找到停车位。在那之后，横梁被驱动以移动汽车。
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