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哈尔滨工程大学本科生毕业论文学 号 密 级 辐射状立体车库设计院 （系）名 称： 专 业 名 称： 学 生 姓 名： 指 导 教 师： 年 月2哈尔滨工程大学本科生毕业论文 辐射状立体车库设计 院 （系）： 专 业： 学 号： 学 生 姓 名： 指 导 教 师： 年 月10 摘 要随着我国汽车保有量的不断增加，大城市停车位不足的问题越来越突出，传统车库难以满足要求，机械式立体车库作为新型的城市内停车设备，其研究和应用越来越广泛。机械式立体车库空间利用率高，能节省土地资源，拆装方便，可以实现自动化操作，使用安全可靠，具有很大的发展空间和市场潜力。课题“辐射状立体车库设计”就是在这样一个情况下提出来的，力求开发出一种高效、安全而经济的机械式立体车库。本文在分析了各种立体车库的特点的基础上，选择辐射状立体车库作为研究对象。确定了一个10层的能容纳174个车位的辐射状立体车库的总体方案；设计了车库的整体布局及存取车流程；完成了搬运小车、载车台系统及升降系统的结构设计；完成了各个系统的驱动电机的选择与计算；对轴和轴承等主要零部件进行了校核计算；最后应用Pro/E和3ds max软件对该车库进行了三维实体建模和流程仿真。关键词：辐射状；立体车库；搬运小车；载车台；升降系统ABSTRACTWith the increasing number of vehicles people owned, the problem of the lack of parking spaces becomes more and more sharp in big cities and traditional garages are difficult to meet the requirements, so the mechanical stereoscopic garage as a new parking facility in cities is researched and applied more widely. The garage whose ratio of the utilization of space is high can save land resource, be easy to dismantle, realize to automate and be used safely and reliably. It has great room of development and market potential. It is in this situation that the topic The Design of the Radial Stereoscopic Garage is put forward and strives to develop an effective, safe and economical stereoscopic garage.After analyzing specific characteristics of all kinds of stereoscopic garages, radial stereoscopic garage is chosen to be the subject investigated. The overall program of the 10-layer radial stereoscopic garage that can hold 174 parking spaces is established; The overall layout of the garage and access to vehicle process are designed; The structural design on the transport vehicle, loading platform system and lifting system is completed; The selection and calculation on drive motors of systems are completed; The main parts such as shafts and bearings, etc are checked and calculated; Finally, the garage is carried out by 3D solid modeling and process simulation by using Pro/E and 3ds max software.Key words: radial; stereoscopic garage; transport vehicle; loading platform; lifting目 录第1章 绪论11.1 课题的研究目的和意义11.2 国内外研究状况21.2.1 国外研究状况21.2.2 国内研究状况21.3 论文研究的主要内容4第2章 辐射状立体车库的总体设计62.1 现有立体车库的结构类型分析62.1.1 循环式停车库62.1.2 电梯式停车库72.1.3 高架仓储式停车库82.2 辐射状立体车库的整体布局82.2.1 立体车库的总体方案确定82.2.2 立体车库的组成及存取车过程92.2.3 立体车库设计参数102.2.4 立体车库框架的设计112.3 本章小结13第3章 搬运小车的设计143.1 搬运小车的组成143.2 行进机构设计153.2.1 链传动的设计153.3 夹持机构设计183.3.1 支杆的受力分析183.3.2 支杆移动机构设计193.3.3 支杆夹持机构设计203.3.4 螺栓及支杆强度校核223.4 抬升机构设计243.5 本章小结26第4章 载车台系统的设计284.1 载车台系统的组成284.2 载车台系统传动系统的设计294.3 载车台系统的受力分析324.4 载车台系统支撑轴的校核334.5 本章小结35第5章 升降系统的设计365.1 升降系统的整体布置365.1.1 升降方式的选择365.1.2 升降系统的整体布置365.2 升降箱体的设计385.2.1 升降箱体的设计385.2.2 拽引绳锥套的选择385.3 升降系统的各部分计算395.3.1 对重的计算395.3.2 拽引电机的容量计算405.3.3 钢丝绳选择及拽引能力的计算415.4 本章小结42第6章 立体车库三维建模与运动仿真436.1 Pro/ENGINEER wildfire 4.0简介436.2 零件的三维实体建模446.3 零件的装配446.4 三维模型运动仿真466.5 本章小结46结论47参考文献48致谢50第1章 绪论1.1 课题的研究目的和意义随着社会生活水平的不断提高，大多数城市人已经解决了“衣食住行”中的前三项，开始着手考虑买车，汽车进入寻常百姓家已是指日可待的。然而在买车成为一种时尚之后，停车却愈来愈成为一大难题。一些大城市(如北京、上海等)的土地资源特别紧张，甚至要求买车者在购车后必须再购买到一个停车位才能办理汽车牌照。于是为了顺应社会发展的需要，立体停车库的研究与开发也就变的愈加紧迫1。近年来，我国汽车产量不断增加，汽车拥有量更是急剧上升。据统计，2004年汽车产量为200万辆，汽车拥有量为1600万辆，其中轿车约400万辆；2007年我国轿车拥有量接近900万辆，2008年我国轿车保有盘接近1100万辆，据估计2010年我国轿车保有量将达到2000万辆，平均每年增长200万辆。如此数量的汽车主要集中在城市，将给城市停车泊位带来巨大的压力。如果全部露天平面停放，假设普通轿车的尺寸为长4.5m、宽1.8m，则每辆轿车所需要的最小停车位面积为19.2平方米。500万辆车将会占用9600万平方米(即14.4万亩)的土地。相反，如果改为立体停放，特别是高层立体车库，每辆车的占用面积将会大为降低，例如，10层高的辐射状立体车库，每辆车的占用面积为3.0平方米左右，将会节省2800平方米的土地，即使只有10%的轿车停放在立体车库中，这在大城市的繁华地带也将产生巨大的经济效益。然而，目前只有少数城市建立了少量的立体停车库，而大多数汽车则停放在露天停车场，甚至是占道停放。这样，一方面，在寸土寸金的大城市，设立露天停车场，是对有限土地资源的严重浪费；另一方面，汽车占道停放又造成城市交通拥堵，汽车被盗、被撞现象经常发生，市容环境极差。因此，在大中城市建设立体停车库是不可回避的当务之急2。国家计委已将发展城市停车场作为支持基础设施建设的重点之一，国家计委第6号令中，已明确机械式立体车库(设备)及城市立体停车场为国家重点支持的产业。目前，汽车停放己经成为全世界大城市普遍关注的问题，许多国家都拿出资金资助这一课题的研究3。基于以上情况，我选择“辐射状立体车库设计”作为我的设计课题，符合现实需要，顺应当今科技发展的趋势。1.2 国内外研究状况1.2.1 国外研究状况近年来世界各国汽车拥有量都急剧增加，在给人们带来极大方便的同时也给社会带来了新的问题汽车的安全有序的存放问题。这一点引起了各国的重视，均拿出资金资助这一课题的研究。尤其是那些人口多、土地相对较少的国家和地区，如日本、韩国以及我国的香港等地区。立体停车设备在国外尤其是在欧洲、美国、日本等国发展己有30多年的历史，技术经验较为成熟，发展较快的有日本、德国、法国、意大利、荷兰、美国、韩国以及我国台湾等。尤其是日本，从1962年研制出第一台立体停车设备以来，至今已经开发、生产出九大类近百个品种的立体停车设备，拥有停车设备制造企业400多家，车库设备年增长率达30%；台湾拥有停车设备制造企业268家，产量几乎两年翻一翻；韩国现在拥有停车设备制造企业400多家，主要通过引进日本技术和自我开发，每年车库设备以30%的速度发展。经过多年的研究与发展，立体车库已拥有多种形式，这些形式主要有升降横移式、巷道堆垛式、垂直提升式、垂直循环式、平面移动式等4。日本垂直提升式立体车库和韩国垂直提升式立体车库外观如图1.1所示。1.2.2 国内研究状况我国机械式立体停车设备的早期开发工作开始于80年代中期，1992年以后得到较快发展。而真正有起色则是近几年的事情，因此还处在发展初期。我国机械式停车设备早期开发工作从八十年代中期就开始了，从1992 (a) 日本垂直提升式立体车库 (b) 韩国垂直提升式立体车库图1.1 国外立体车库年以后得到了较快的发展5。大多数企业是近几年发展起来的，应当说，还刚刚起步的阶段，时间虽短，但也取得了很大的进步，具体情况如下：生产能力：1996年以前一共才提供了近4000个泊位，现有能力己达年产2.5万个泊位。产品类型：已能提供垂直循环式、简易升降式、平面移动式、升降横移式、垂直升降式等多种型式，有些还申请了专利。另外还发展了停车场管理系统、收费系统等配套设备。产品覆盖面：已为北京、天津、上海、杭州、西安、广州、深圳、重庆、成都、武汉、长沙、太原、徐州、昆明等10多个城市提供了各式机械式停车设备及部分配套设备。企业数：1982年以前我们还没有生产企业，1998年我们统计国内有研究、开发或生产机械停车设备及配套产品的单位已有150多家，现在有2000多家。而且还有不少企业正在调整产品结构，转向这一行业。但是，机械式停车设备行业应当说是一个新兴的行业，我们的发展还处于刚刚起步阶段，从行业本身来分析，还存在很多问题：(1) 生产能力远远不能满足国内外市场发展的需要；(2) 没有具有一定规模的企业，现有能力最大的也就年产2000个泊位；(3) 自主开发能力弱，目前大多是仿效国外技术或引进国外技术生产的，缺乏自主开发能力，缺乏对品种、材料、工艺、功能、安全等方面适合国情的研究，产品虽在市场上销售了，但国内没有统一的技术标准，也缺乏安全认证，产品的质量和可靠性难以得到保证6。广州某巷道式立体车库和北京升降横移式立体车库如图1.2所示。 (a) 巷道式立体车库 (b) 升降横移式立体车库图1.2 国内立体车库因此，我们应该大力开发机械式立体停车设备，以适应蓬勃发展的国民经济和汽车工业的发展。1.3 论文研究的主要内容本文在查阅大量国内外文献的基础上设计了一套辐射状立体停车库系统。从理论上对立体停车库的结构进行了研究，并完成了对辐射状立体车库的整体结构、存取车的形式的设计，具体内容如下：(1) 立体车库总体方案的设计分析了目前国内外同类立体车库结构的优劣，在对可靠性、经济性以及技术可行性分析比较的基础上设计了一套性能相对优良的立体车库系统。 (2) 立体车库中搬运小车的设计借鉴现存同类立体车库的搬运器，设计出自己的搬运小车，其主要由行进机构、夹持机构、抬升机构等组成。 (3) 立体车库中载车台系统的设计设想出齿弧轨道式同心回转装置，在该系统的基础上，对传动系统进行了设计并选择了减速器和电机，对结构进行了受力分析与零件校核。 (4) 立体车库中升降系统的设计通过比较与分析，设计了一套拽引升降系统，选则了钢丝绳材料，计算了对重重量及拽引电机容量。并对拽引能力进行了计算与校核。(5) 立体车库的三维实体建模与运动仿真在对本设计内容完成之后，对车库进行了三维实体建模和运动仿真。 第2章 辐射状立体车库的总体设计2.1 现有立体车库的结构类型分析现有的机械式立体车库按照其机械设备运转方式的不同主要可分为：循环式、电梯升降式和高架仓储式三种。2.1.1 循环式停车库循环式停车库是水车原理、巨轮原理、连续链原理及传送带原理的结合，汽车放在托板上，以电机作为动力源，用链条传递动力，带动所有车位移动。主要特点是车位移动，存取一辆车时整个系统都要一起移动，把需要的车位移动到出入口，这样对能量的损耗比较大而且又易磨损机械部分，而且噪声比较大.循环式停车库包括垂直循环式和水平循环式两种，它们的原理简图分别见图2.1和图2.2所示。1-停车位 2-环形链条图2.1垂直循环立体车库原理简图垂直循环式停车库，指带动汽车托板运动的环形链条作垂直循环升降，停车托板悬挂在链条上，所有的重量都支承在上端的支承架上。整个系统在微机的控制下，取车时，把所要取的汽车停靠在出口的层面上，存车时，则把最近的空车位移到入口的层面上。这种方式优点是，占地较少，空间利用率高，出入口可以设在车库的上部、中部或下部7。 1-停车位 2-环形链条图2.2 水平循环立体车库原理简图多层水平循环式停车库，原理简图见图2.3所示，其运送器呈多层配置，并作循环移动，在任意两层运送器的两端之间，由运送器的升降形成层间循环运行8。这种停车方式用于楼房的地下室中最为合适，车位可以占满整个地下室的空间，停车位依靠机械运动作上下左右运动，经升降机进出车库，完全不必另设车道，比较节省时间和空间9。1-停车位 2-层间升降器图2.3 多层水平循环立体车库原理简图2.1.2 电梯式停车库电梯式停车库层数较高，一般都超过六层，完全是一幢放车的楼房，借用成熟的电梯技术，使汽车迅速升降到指定楼层。与循环式停车库相反，电梯式停车库停车位是固定的，汽车的存放通过电梯系统上下移动到停车位前，利用特有的横向移动装置来实现汽车的存取。整个车库是全电脑控制，自动操作及显示，库区内无人进入，能防止人为的汽车丢失和破坏。电梯式停车库具有极高的土地利用率。如果在车库内设置转盘，汽车可以自动调头，缩短出入库时间，实现迅速存取车。车库可以贴建筑物建造也可独立建造，而且其封闭的表面又可成为商业广告牌。电梯式停车库可在地面上设置、半地下设置或地下设置，如停车泊位需求较大时，此种车库又可横向或纵向拼接10。2.1.3 高架仓储式停车库高架仓储式停车库是由停车位与升降装置立体组合而成的停车设备，升降装置可整体横向移动或升降装置的搬运器可整体横向移动，停车位就在升降装置升降道的两侧11。它采用机械传送设备传送汽车，为电梯附加行走机械而成，最早出现在美国，在一个建筑层里叠置23层存放车辆的车位，可放车100辆以上。随着科技的发展，高架仓储式停车库出现了全智能的形式，采用一个机器人(可行走式电梯、来实现车辆的存取)。与前两种车库相比，土地利用率不高，而且高架仓储式车库如果采用全智能方式则造价比较高；如果不采用全智能方式则会降低效率。不过这种车库的可靠性和安全性较高，而且适合把己经建成的单层停车库改造成23层的机械停车库12。2.2 辐射状立体车库的整体布局2.2.1 立体车库总体方案的确定通过上面的比较可以看出，电梯式停车库是一种综合性能比较优良的车库，机械化程度最高，具有广阔的发展前景，因此选择提升方式为电梯升降式的停车库作为本课题的基本形式。电梯升降式停车库中车辆的泊车方式又有以下几种：左右两侧泊车方式、扇形泊车方式、圆周泊车方式等。左右两侧泊车方式就是在电梯井道在中间，停车位在井道的左右两侧，每一楼层的停车位只有两个，升降电梯升降到停车楼层后，搬运机构可以左右方向存取车，存取机构简单，但是存放的车辆相对来说少13。扇形泊车方式就是停车位以电梯井道为中心作扇形分布，升降电梯升降到停车楼层后可以在扇形停车位范围内存取车辆，这样就增加了每一楼层的停车位。圆周泊车方式就是停车位以电梯井道为中心作圆周分布，每一楼层的停车位最多20辆。经过上面的比较，最后决定选取圆周泊车方式的电梯式车库，因此总体框架就是一个圆柱形，结合本课题设计题目，停车泊位在车库中的分布呈辐射状。2.2.2 立体车库的组成及存取车过程辐射状立体车库机械系统包括整体框架、搬运小车、载车台系统、升降系统等几部分。整体框架构成车库的“筋骨”；搬运小车用来搬运车辆，载车台系统用来承载搬运小车和被搬运车辆并带其运转到相应的泊位；升降系统完成车辆的上下运输工作。车库由电脑系统进行控制管理，停车时，车主只需把车开到车库入口处便可离开，由电脑为其选择适当的停车泊位，电脑控制载车台拉着搬运小车降到一层的车库入口处，搬运小车从载车台上开出，进入汽车底部，将待搬运汽车抬起并运送到载车台上，由升降系统将其提升到目标泊位所在的楼层，同时，通过载车台水平转动机构转到相应的角度，从而到达目标泊位，由小车将汽车运送到目标泊位上，小车回到载车台上，完成存车过程。取车过程则与存车过程相反。该车库的具体存车过程如图2.4所示。图2.4 存车具体过程 该车库的具体取车过程如图2.5所示。图2.5 取车具体过程2.2.3 立体车库设计参数参考JB/T 8713-1998标准，辐射状立体车库设计的基本参数如下：(1) 适存车辆尺寸及重量存放T型以下的轿车，其尺寸，重量的车辆。(2) 存容量本方案共10层，每层18个泊车位，去掉第一层6个出入口，共有车位174个。(3) 单车最大进（出）时间机械立体车库的单车最大进（出）时间就是指从给出一个进车（或出车）的指令开始，将车停放到该机械式停车库的最不利位置（或将车辆从最不利位置取出），直到该停车库进行下一个进车（或出车）指令为止所需的时间。本方案中最大存（取）车时间是指：载车台在第10层接到存车指令后下降到第1层，小车将汽车接到载车台，然后上升到第10层，小车将汽车送到泊车位后回到载车台，之后等待下一次命令的整个过程，这一过程最大时间在140s之内完成。2.2.4 立体车库框架的设计立体车库主体建筑结构有全钢框架和钢筋混凝土框架之分。全钢框架结构施工速度快，占地面积小，适合在闹市区独立建造。混凝土框架结构不适合单独建造，只有在与建筑物同时规划、同时建造时方可考虑，或者依附建筑物建造时也可考虑14。本设计采用全钢框架。根据车库设计的技术要求，车库的总体框架为圆柱形，由内外立柱组成。相互两根内立柱间焊接横梁，相互两根外立柱间也焊接横梁，横梁水平，泊车架固定在两根横梁上。泊车架的总高度为470mm，横梁高度为200mm，相临上下两横梁高度为2500mm。另外，为增加框架稳定性，内外立柱焊接连接横梁，如图2.6所示。 1-立柱 2-横梁 3-泊车架 4-汽车图2.6 部分框架主视图本设计采用双提升系统，每个载车台旋转范围是160度。框架内圈直径设计为14m，外圈直径为25m。该车库占地面积为491。现假设174辆车停在地面上，将占地3340，最大节约土地85%。立体车库由多个模块组成，共同完成对车辆的存取。升降箱体通过钢丝绳的拽引上下移动；旋转架与升降箱体有相对转动，跟随升降箱体上下移动；搬运小车在旋转架上的槽内，当旋转架与泊车架对接好之后，搬运小车可以在泊车架与旋转架间来回移动。整体结构示意图如2.7及2.8所示。1-载车台系统 2-旋转架 3-搬运小车 4-汽车 5-泊车架 6-升降系统 7-顶棚图2.7 整体结构主视图图2.8 整体结构俯视图2.3 本章小结 在本章中，通过对几种立体车库进行比较分析，根据研究的目的将车库形式选定为框架为圆柱形的辐射状立体车库。确定了该立体车库的机械系统组成，机械系统包括整体框架、升降机构、载车台机构、搬运小车几个部分。确定了车库建材选用的型钢和框架的结构尺寸。明确了各个系统的功能和存取车过程。第3章 搬运小车的设计3.1 搬运小车的组成在该立体车库系统中，需要将车辆在载车台与泊车架间进行搬运，搬运方式有多种。一种是一辆车配备一个搬运托盘，搬运托盘移动到泊车架上后就完成了存车过程，但是170多个泊车位就需要170多个搬运托盘，显然不合理。如果设计一个搬运小车能够像机械手那样完成对车辆的搬运，就能大大提升效率。因此，根据机械手结构的思想，设计的搬运小车有支杆夹持车轮并将车辆举高然后进行搬运，到达位置后将车辆放落到泊车架上，完成存车过程。搬运小车的主要功能有：可以前后移动，可以将汽车举高和降低。而且搬运小车的上承重平板上有夹持车轮的支杆，支杆可以根据车轮的前后轮距离的不同自动调节位置。搬运小车主要由行进机构、夹持机构和抬升机构等组成，其结构示意如图3.1及图3.2所示。1-导向轮 2-导向筒及导向轴 3-车轮 4-大链轮 5-张紧装置 6-小链轮 7-螺母 8-滑块 9-抬升支杆 10-滑轨图3.1 行进机构与抬升机构示意图1-齿条 2-齿轮 3-减速电机 4-电机 5-十字换向器 6-锥齿轮 7-蜗杆轴 8-蜗轮 9-夹持支杆 10-滑槽图3.2 夹持机构示意图3.2 行进机构设计小车的行进可以采用多种方式，如齿轮传动、齿轮齿条、皮带传动、链传动等多种方式。齿轮传动方式需要在小车下承重板上固定多个齿轮才能将电机输出力矩传递到车轮轴上；齿轮齿条传动方式需要在旋转架及泊车架上安装齿条，增加了材料的使用；皮带传动方式效率及精度都很低15。所以在此决定采用链传动的方式控制小车的行进，通过电机的正反转将力矩经链条链轮传递到车轮轴上。3.2.1 链传动的设计为保证车辆在移动过程中的安全稳定性，设定装置移动速度为，装置车轮直径为250mm，则车轮轴的转速为，汽车重2350kg，装置重为1400kg，则，车轮与轨道材料均为低碳钢，无润滑，摩擦因数。(1) 传动动力为 (2) 从动链轮功率 (3) 选择链轮齿数 假设链轮速度在0.63m/s之间，选取小链轮齿数，减速比为，大链轮齿数，小链轮。(4) 定链节数由于电机轴与装置车轮轴不是水平，是倾斜传动，中心矩，初选中心距，由计算取节。 (5) 定链节距选取。额度功率的计算由设计公式： (3.1)式中工况系数；传递的功率；小链轮齿数系数；链长系数；修正系数。确定小链轮齿数系数确定链长系数 选单排链，得，则 选用滚子链12A，节距(6) 确定实际中心距中心距调整量 mm实际中心距 =395.4-38.1=357.3mm (7) 验算链速 与原假设相符，选取合适。(8) 确定润滑方式根据，选取人工定期润滑方式。(9) 求压轴力工作拉力 取 设计结果：滚子链型号12A ，单排链，100节，链轮齿数，中心距，压轴力。(10) 减速电机的选择根据小链轮转速和功率，选择永坤减速电机，CH卧式齿轮减速马达附刹车，型号为CH40-3700-11-S，输出功率3700W，转速131r/min。3.3 夹持机构设计需要抬升车辆然后进行搬运，就需要托住车轮。每两根支杆托住一个车轮，同时为满足不同车轮前后轮距的车辆，支杆需要进行水平移动，到达位置后对车轮进行夹持。由于车轮为圆形，所以支杆截面设计成圆形，直径为50mm。根据车轮直径，确定一对支杆的距离为400mm。3.3.1 支杆的受力分析(1) 支杆承载汽车的受力分析受力分析图如图3.3所示图3.3支杆承载汽车的受力分析示意图每个车轮承受的力通过计算得(2) 支杆的设计简图如图3.4所示，受力分析如图3.5所示图3.4 支杆的设计简图图3.5 支杆的受力分析 蜗轮受转矩 螺栓受拉力 3.3.2 支杆移动机构设计支杆需要进行水平移动，移动距离根据车辆前后轮距离的范围进行确定。汽车前后轮距离在2.4m到3m之间，所以支杆移动距离不远，故在此选用齿轮齿条的传动方式。选用模数，齿数的圆柱齿轮及模数的齿条。设计齿条移动距离为60cm，需在3s内到达指定位置，即齿条速度20cm/s，齿轮转速46r/min。此机构在空载下运行，所需功率不大，故根据转速选用减速电动机型号为CH20-200-30-S，输出功率200W，转速47r/min。3.3.3 支杆夹持机构设计对车轮进行夹持之后，支杆需要保持在该位置，因而机构需要对支杆进行自锁，在最近的传动处采用蜗轮蜗杆传动。因为夹持不需要太大力，所以用一个电机控制两对支杆。仿四驱车传动机构，用一个十字换向器接出电机输出轴，再将两端输出轴力矩通过锥齿轮传动输出到蜗杆上。蜗轮轴与支杆固定，蜗轮转动带动支杆的转动。(1) 蜗轮蜗杆的设计已知蜗轮转矩 支杆转动速度 根据传动中心距计算公式，按齿面接触疲劳强度确定模数和蜗杆分度圆直径： 确定载荷系数因工作载荷较稳定，故取载荷分布不均系数；选用使用系数；由于转速不高，冲击不大，可取动载系数，则 确定弹性影响系数因选用的是铸锡磷青铜蜗轮和钢蜗杆相配，故。 确定接触系数先假设蜗杆分度圆直径和传动中心距的比值，选择。 确定许用接触应力根据蜗轮材料，金属模铸造，蜗杆螺旋齿面硬度45HRC，基本许用应力。要求蜗轮蜗杆寿命为10000h，则应力循环次数寿命系数则 计算中心距 (3.2) 取中心距，蜗杆分度圆直径。这时，可查得，因为，因此计算结果可用。蜗杆分度圆导程角，所以具有自锁功能。蜗轮分度圆直径，齿数；变位系数。 校核齿根弯曲疲劳强度 (3.3)当量齿数： 根据，可查得齿形系数。螺旋角系数： 许用弯曲应力： (3.4)查得铸锡磷青铜蜗轮的基本许用弯曲应力 寿命系数： 因此，可得，齿根弯曲疲劳强度校核通过。所以传动比，齿数和模数选择合理。(2) 锥齿轮计算及电机选择蜗轮转速，则蜗杆转速选择锥齿轮模数，小锥齿轮转速十字换向器不进行减速，故选择电机型号A02-6314，功率120W，转速1400r/min。3.3.4 螺栓及支杆强度校核受力分析如图3.6所示图3.6 螺栓及支杆受力分析图(1) 螺栓联接强度校核该螺栓主要承受轴向工作载荷，螺栓规格为M24，小径20.5mm。其拉伸强度为 (3.5) 螺栓材料为Q235，许用应力，即。(2) 支杆强度校核支杆主要承受剪切应力。支杆材料选Q235碳素结构钢，许用应力，弹性模量，许用剪切应力。最大弯矩约为： 弯曲强度校核公式为 (3.6) 抗弯截面模量 最大弯曲强度 形心轴惯性矩 对于圆形截面梁的剪切强度校核公式为 (3.7)最大剪切强度 通过计算，支杆的设计通过校核并还可通过优化设计减小尺寸，在此就不再计算。3.4 抬升机构设计因上平板需要上升和下降，这里的设计参考千斤顶的结构形式，采用螺旋传动的方式抬升上平板。结构示意图如图3.1所示。连杆与水平面夹角大于该机构便是省力机构16。因此，连杆与水平面的最小夹角为。丝杠轴两端都有螺纹，旋向相反，两个螺母的旋向相反，通过丝杠的转动，两个滑块同时向内移动或向外移动。向内移动，上平板上升；向外移动则下降。(1) 螺旋传动的设计汽车和上平板总重2650kg，因装置总高度不要太大，太大则总体结构太大，设计要求上平板有80mm以上的移动范围和连杆与水平面夹角大于。根据要求，设连杆与水平面夹角为，连杆长为，可以列出方程 (3.8) 解得因此将连杆长设计为300mm。当载车辆时，连杆与水平面夹角为最小夹角时，此时螺旋传动丝杠受力最大，如图3.7所示。图3.7 丝杠受力分析通过计算，F=13250N。(2) 丝杠螺纹中径的选择，由校核公式 (3.9)式中 螺纹圈数不宜过多，选取=1.2； 螺母材料选用青铜，丝杠为45钢标准梯形螺纹，滑动速度为低速，查得许用应力，。选取螺杆中径为35mm ，大径d=40mm，小径，螺距p=10mm。(3) 螺纹升角 牙侧角 因为 ，螺旋副具有自锁能力。(4) 螺杆力矩 (5) 螺杆强度校核 (3.10) 螺杆材料选用40Cr，所以，螺杆强度符合设计要求。(6) 螺杆稳定性校核根据材料，。螺杆设计工作长度为440mm，两端固定，选取长度系数。选取螺杆稳定性安全系数，有公式 (3.11) =30.6所以，螺杆稳定性符合设计要求。(7) 确定螺杆转速要求装置上平板在3s内完成升降过程，也就是连杆从垂直到与水平面成45度转动的过程，螺母移动的距离为210mm，螺杆节距p=10mm，则螺杆转速(8) 螺杆功率计算 (9) 电机的选取根据功率与转速，选择减速电机，CH卧式齿轮减速马达，型号为CH40-2200-3.4-S，输出功率2200W，转速426。3.5 本章小结 在本章中，对车库的搬运小车进行了设计，确定了搬运小车主要由行进机构、夹持机构及抬升机构等组成。行进机构采用了链轮传动，利用电机的正反转控制小车的前后运动，进行了链轮设计与电机选取。夹持机构采用一系列的传动使支杆能够夹持车轮。抬升机构选用的是螺旋传动，进行了螺旋传动设计与电机的选取。 第4章 载车台系统的设计辐射状立体车库是一种形状为圆柱形，且泊车位成辐射状分布在车库圆周上，通过提升机构将车辆提升到指定层并用搬运小车存取车辆的机械式立体车库。载车台装置在升降的同时须要绕车库圆心进行水平转动才能到达泊车位。但是载车台装置绕车库圆心的水平转动存在难题，因为辐射状立体车库的升降立柱占据了车库中心的一片区域，所以载车台装置的转动轴不可能放置在车库圆心，而转动轴一旦偏离圆心，必然造成载车台装置转动角度的偏差，且由于不同心，载车台与预设的圆形泊车位之间的间隙不断的变化，使得载车台与泊车位的交接很困难，于是我经过认真思考设计了齿弧轨道式同心回转装置，解决了这个问题。4.1 载车台系统的组成先看结构示意图如图4.1所示。1-旋转架下承重板 2-下支撑轴 3-水平导向轴承 4-垂直导向轴承5-升降箱体 6-上支撑轴 7-旋转架上承重板 8-齿弧 9-齿轮 10-减速器图4.1 载车台系统的组成该系统原理是安装一个大齿弧，齿弧圆心在车库圆心处，使齿弧中心、车库圆心和载车台回转中心三个中心相同，从而实现载车台围绕车库圆心的旋转。该系统包括转动系统和导向系统。转动系统包括固定在下承重板上的电机、装配在上承重板上的电机输出转轴、固定在转轴上的驱动齿轮、固定在回转盘上的齿弧；导向系统包括：回转盘、作用在回转盘上的水平导向轴承和垂直导向轴承。该系统转盘上下各六根支撑轴，一组4根支撑轴，即有3组导向结构。使旋转架不仅紧扣住升降箱体，而且可以进行旋转。传动系统为电机通过减速器将力矩传递给齿轮，齿轮相对固定齿弧的转动带动旋转架转动。4.2 载车台系统传动系统的设计传动系统采用齿轮传动，要求旋转架转速0.08r/s，即4.8r/min。当载车的时候，车辆、搬运小车及旋转架对旋转中心的转动惯量非常大，对电动机的选择需要考虑旋转时旋转架的加速度，转动惯量传动系统采用电动机经蜗轮蜗杆减速器将力矩传递到直齿圆柱小齿轮，齿轮在齿弧上的转动驱动旋转架转动。需要对圆柱齿轮进行设计和计算：齿轮传动功率较大，故大、小齿轮都选用硬齿面。选大、小齿轮的材料均为40Cr钢渗碳淬火。齿轮按7级精度制造。经过查表，。故按齿轮弯曲疲劳强度设计，按下式计算齿轮的模数 (4.1)初步选定齿轮参数计算小齿轮转速及功率，由传动示意图4.2所示：图4.2 旋转架传动示意图则 旋转架动能 在此，考虑旋转架减速时齿轮所受力矩，要求旋转架在半个泊车位角度内停下，即。忽略摩擦所做功，根据动能守恒定律 (4.2) 得 则小齿轮转矩计算载荷系数，通过查表，选取，。查取复合齿形系数，查图得计算大、小齿轮的并进行比较 计算重合度系数设计计算为了避免尺寸太大，所以选择模数为20mm。几何尺寸计算齿面接触疲劳强度校核： (4.3) 由，接触疲劳强度足够。设计结果：齿轮模数20mm，小齿轮齿数，大齿轮齿数。小齿轮功率 由小齿轮的转矩及转速，可以选择蜗轮蜗杆减速器及减速电动机，在此不再计算，蜗轮蜗杆减速器型号为CWS200-30 GB9174-88；减速电动机型号为CH40-1500-1.2-S，输出转速1200r/min，功率1500W。4.3 载车台系统的受力分析简化受力分析，分析示意如图4.3所示。图4.3 载车台系统受力分析当搬运小车处在旋转架末端时，各轴承受力最大，车辆、搬运小车及旋转架总重，距离支撑点3900mm。下承重板上电机、减速器及齿轮等零件总重，距离支撑点650mm。通过力矩与受力平衡，可列公式：由受力平衡 由A点的力矩平衡 把受力情况简化成梁受力的情况如图4.4所示图4.4 载车台简化受力图由受力点处的端截面转角应为零17列出公式可解得 垂直导向轴承最大承受力 水平导向轴承最大承受力 垂直导向轴承选择型号NJ 408+HJ 408，基本额定载荷90.5KN；水平导向轴承选择型号NJ 410+HJ 410，基本额定载荷120KN。因此，受力均在额定载荷范围内。4.4 载车台系统支撑轴的校核(1) 选取受轴向力最大的轴，即受82031N轴向力的上支撑轴，轴的受力情况如图4.5所示。图4.5 上支撑轴受力分析工作面积选取轴的材料为45钢，许用压缩应力，即满足要求。(2) 选取受径向力最大的轴，即受77988N径向力的下支撑轴，如轴的结构图4.6所示，图4.6 下支撑轴受力分析计算支撑反力画轴的垂直面弯矩图，该轴的受力简单，最大弯矩轴的抗弯截面模量 弯曲应力幅 轴的材料选用40Cr，经热处理许用应力，由得该轴满足设计要求。 4.5 本章小结在本章中，对载车台系统进行了设计。根据车库外型选择齿弧轨道式同心回转装置作为载车台传动形式,选择了圆柱滚子轴承作为导向轮。对传动系统中的齿轮齿弧的模数和齿数进行了选择并对其进行了校核。之后，进行了受力分析，对轴承和支撑轴进行了校核。载车台系统是立体车库中非常重要的一部分，需要更优化的设计。第5章 升降系统的设计在立体车库中，升降系统的设计是一项非常重要而复杂的任务，它影响到立体车库运行精度、运行速度、可靠性以及骨架结构的受力情况等，而且升降系统的安全要求最高，关系到整个车库的安全。5.1 升降系统的整体布置5.1.1 升降方式的选择立体车库的提升系统的具体结构主要由驱动方式决定，驱动方式有拽引驱动、液压驱动、卷筒驱动以及齿轮齿条、螺杆驱动等方式18。对于高层车库，受上下行程的限制，主要采用的驱动方式包括拽引驱动和卷筒驱动两种。卷筒驱动是一种早期的电梯驱动方式，这种方式存在以下方面的问题：(1) 升高度低；(2) 定载重量低；(3) 行程不同时，必须配用不同的卷筒；(4) 导轨承受的侧向力大；(5) 钢丝绳有过绕或反绕的危险；(6) 能耗大。因此，本车库采用的驱动方式为拽引驱动。拽引驱动就是借牵引钢丝绳与拽引轮槽之间的摩擦来传输牵引升降箱体及对重垂直运行的传动力。这种驱动方式具有很大的适应性，可以只将拽引钢丝绳的长度改变就能适应不同的提升高度的要求，同时与卷筒式相比，还可以使拽引钢丝绳的根数增多，加大了传动的可靠性19。5.1.2 升降系统的整体布置本方案决定采用曳引机作为升降系统的设计基础，根据实际需要设计了升降箱体、提升方式及导轨。为了便于维修，采用拽引电机下置的拽引驱动方式，提升系统的整体详细布置图见图5.1及图5.2所示。1-地角螺栓 2-电机与拽引轮 3-立柱 4-钢丝绳 5-滑槽 6-升降箱体 7-拽引绳锥套 8-绳头夹 9-滑轮图5.1 升降系统结构主视图图1-立柱 2-升降箱体 3-导轨 4-导靴 5-对重图5.2 升降系统结构俯视图该系统中钢丝绳倍率，拽引电机上拽引轮的线速度等于升降箱体或对重的运动速度20。一个系统由四根相互独立的钢丝绳连接在一起，钢丝绳预紧力的调节通过拽引绳锥套上的调节弹簧来进行。5.2 升降箱体的设计5.2.1 升降箱体的设计升降箱体是连接立柱与旋转架的关键零件，其起着关键的作用。一方面它在钢丝绳的拽引下沿着立柱上下移动；另一方面，旋转架沿着升降箱体转动。上下移动的滑块安装在升降箱体上，在立柱上开滑槽，这样可以节约材料；根据载车台系统的结构，需要在升降箱体上安装圆弧轨道。其结构图如图5.3所示。1-滑块 2-升降箱体 3-齿弧 4-拽引绳锥套图5.3 升降箱体部件结构图5.2.2 拽引绳锥套的选择钢丝绳的端接装置应有利于钢丝绳张力的调节，至少有一端的端接装置是可调的。钢丝绳端接装置的形式主要有：铰接锥套、整体式锥套、螺纹连接式锥套、自锁楔式锥套等。整体式锥套因结构简单，易加工成型，零件数量少等优点而被广泛使用，所以选择整体式锥套作为端接装置，锥套用35号钢锻造加工。其结构图如图5.4所示。图5.4 拽引绳锥套结构简图 5.3 升降系统的各部分计算5.3.1 对重的计算对重主要是由长方形对重框架、对重铅块及导轮等组成。对重铅块放在框架内，框架两侧的导轮与对重导轨接触。对重设置目的是为了减少提升机构中驱动电机的功率。该系统的结构简图见图5.5所示。1-拽引轮 2-钢丝绳 3-对重 4-升降架 5-滑轮图5.5 升降系统结构方式对重质量的计算公式为： (5.1)式中：对重质量，载车台净重，4300kg额定载重，2350kg电梯平衡系数，一般的货梯=0.450.5，它的选取原则是尽量使拽引系统处于最佳工作状态。对于经常处于重载的电梯，可取0.5，但不超过0.55，这样有利于节省动力。车库属于经常处于重载场合，取0.5。本方案对重质量的计算如下：5.3.2 拽引电机的容量计算拽引机是提升系统的动力源，输入功率转矩通过拽引系统牵引提升机运行。根据提升速度和重量，可计算出车库运行对拽引机的功率需求，这个功率就是提升系统的额定计算功率，是选用合适功率的拽引机的依据。拽引比：拽引机上拽引轮的圆周速度与提升机速度之比称为拽引比，用表示。机械效率：令拽引机中拽引轮上钢丝绳承受的拉力为，提升机总重力为，则机械效率。本方案拽引机的容量式中：额定载重质量，2350kg提升速度，1.5m/s（提升速度要求对电机功率的影响较大）电梯平衡系数，取0.5 机械效率，一般取0.94，拽引比，取1。额定载重量为车库可停放的最大车辆的重量。取拽引电机功率,决定采用秦川有限公司的22kW曳引机。5.3.3 钢丝绳选择及拽引能力的计算立体车库的拽引力也就是拽引电机上拽引轮的拽引力，升降箱体、旋转架、搬运小车和车辆总重G=4850kg，则拽引轮上每根绳拉力F=1212.5N。钢丝绳材料选用14ZAB69W+FC1670ZS108.075.9GB/T89181996，75.9kg/100m。拽引轮上拽引绳的张力情况见图5.6所示，拽引条件成立的公式为 (5.2)式中拽引轮两边钢丝绳较大静张力与较小静张力之比，一般考虑下面两种工况：载车台载有1.25倍的额定载荷且位于最底层时为1.32；载车台空载位于最高层时为1.27；速度系数（取1.20）；绳索系数，半圆带切口槽，为1.0；自然对数的底，；在绳槽中的当量摩擦系数，对半圆形槽，知，为钢丝绳与绳槽之间的实际摩擦系数，当绳槽为钢或铸铁时，通常取为=0.1引绳在拽引轮上的包角，在本拽引系统中，。图5.6拽引绳的张力图通过计算得出成立，所以拽引条件成立。5.4 本章小结在本章节中，对升降系统的驱动方式进行了选择，决定采用拽引驱动方式，并对其进行了整体布置。设计了升降箱体，选择了钢丝绳材料、拽引绳锥套，对拽引电机容量及对重重量进行了计算，对钢丝绳的拉力进行了分析计算与校核。第6章 立体车库三维建模与运动仿真6.1 Pro/ENGINEER wildfire 4.0简介Pro/E（Pro/Engineer操作软件）是美国参数技术公司（Parametric Technology Corporation，简称PTC）的重要产品。在目前的三维造型软件领域中占有着重要地位，并作为当今世界机械CAD/CAE/CAM领域的新标准而得到业界的认可和推广，是现今最成功的CAD/CAM软件之一。该软件自面试以来，凭借其强大的功能、易学性和易用性广受设计师们的好评。Pro/ENGINEER机械设计软件实用性之强在于Pro/ENGINEER使设计人员在产品设计之中更加的直观，更容易检查设计中的错误以及不足之处。同时Pro/ENGINEER机械设计软件具有无以伦比的性能和价值，它是技术创新领域的先驱，并且还拥有最大的用户群。没有一个CAD系统像Pro/ENGINEER那样可以帮助我们快速准确地完成产品设计工作。在国内，零件制造业和模具制造业近些年来发展很快，据不完全统计，这类产业的生产商有几十万家，从业人员有上百万，全年产值约有上万亿元。虽然制造总量居世界前列，但是总体制造水平要比美国、德国、日本、意大利、法国、英国等发达国家落后很多，最明显的就是大家熟悉的高级汽车发动机、飞机用发动机、高级精密机床等都需要从国外引进。造成这一现象的主要原因是，从零见到产品的设计和制造过程中的自动化程度低，没有应用先进的设计和制造软件。近年来，Pro/ENGINEER机械设计软件被广泛应用于家电生产企业（包括家用电动自行车、空调、冰箱、电视、燃气灶等我们日常生产的各种家电）、汽车配件生产企业、汽车发动机生产企业、航空航天所需零部件的生产制造企业、医疗器械生产企业、工业产品生产企业，等等。主要用于产品外观设计、结构设计、零件装配设计、钣金设计、模具设计、仿真、NC加工等产品研发领域。6.2 零件的三维实体建模零件的建模是非常重要的，它直接影响到后续装配工作的进行。Pro/ENGINEER软件有强大的零件建模功能，总的来说，建模的过程主要有：建立基准、绘制草图、编辑草图、创建基本特征和创建构造特征等，最后对创建出来的特征进行编辑。本设计为双系统提升，框架为对称结构，因此可以只对一半的框架进行建模。建模完成之后，建立一个子装配，最后将两个子装配装一起成一个总装配。部分零件的建模模型如图6.1所示： (a) 旋转架 (b) 泊车架 (c) 升降箱体 (d) 立柱 (e) 框架 图6.1 部分零件图6.3 零件的装配组件装配是产品制造所必须的最后阶段，产品的质量最终通过装配得到保证和检验。因此，组件装配是决定产品质量的关键环节。在Pro/ENGINEER中，组件装配就是使用各种约束方法，定义组件中各零件间的相对自由度。在Pro/ENGINEER环境中模拟产品装配，装配的原理和先后顺序，以及在装配过程中进行的必要的检测和分析，都是与实际装配完全相同的。此外，在装配过程中，设置约束方式限制元件在组件中自由度，也与实际装配中定位零件在装配体中位置是完全一致的。在立体车库零件的装配环节中，可以先创建一些子装配，在总装配中调用这些子装配。零件的部分装配图如图6.2所示。 (a) 搬运小车 (b) 升降箱体与旋转架(c) 总体装配图图6.2 零件装配图6.4 三维模型运动仿真3ds max是Autodesk公司开发的基于PC系统的三维动画渲染和制作软件。广泛应用于广告、影视、工业设计、建筑设计、多媒体制作、游戏、辅助教学以及工程可视化等领域。动画仿真部分截图如图6.3所示。 (a) 小车进入车库 (b) 旋转架旋转图6.3
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