立体车库提升机构关键部件的分析

1、立体车库提升机构关键部件的研究摘要随着我国个人汽车保有量的不断增加，对停车位的需求同时也在不断增大， 在城市用地有限的情况下，开发立体车库可以有效地缓解停车难的问题。目前， 我国针对立体车库的研究主要集中在钢结构框架上，而对于立体车库提升机构 的研究则较少。本文以立体车库的提升机构为研究对彖，从强度和刚度两个方 面进行分析和研究。本文在充分调研国内外立体车库的研究现状的基础上，给出了立体车库提 升机构的设计方案，详细地阐述了提升机构的总体结构、工作原理、传动系统 和主要性能参数。以立体车库工作状态的受力情况，借助结构力学位移法，建 立立体车库提升机构的力学模型。根据提升机构主立柱的受力情况，利

2、用梁柱 结构的一般研究方法，建立主立柱的挠曲线方程，确定出判定主立柱的失效形 式。通过主立柱的应力条件，给出其弯曲强度数学模型。基于数值模拟的概念， 釆用极值法和代入法，并通过matlab编程，求解主立柱的弯曲强度模型，得 到提升机构主立柱极限外载变化规律。基于有限元理论，采用有限元方法，验 证主立柱极限外载的变化情况。最后，以主立柱的挠度条件为基础，建立挠度 条件方程，得到主立柱最大挠度值的变化规律，再利用有限元分析软件ansys 对其进行分析验证。本文通过对立体车库提升机构关键部件主立柱的研究，得到了承载点位 置与立柱承受极限载荷和最大挠曲变形量之间的关系，为今后设计和开发高层 立体车库提

3、供理论依据。关键词 立体车库；提升机构；力学分析；弯曲强度；极限载荷the research for the key part of the solid gargetslifting equipmentabstractwith the increasing car ownership in china, more and more parking space is also needed. because of the limited land in urban areas, it is an efficient solution to the parking difficulty that

4、we should develop the solid garage from now on , the researches on the solid garage focused on steel structure, but very few people took the lifting equipment as the research target. in this paper, we analyze lifting equipment from the perspective of the strength and stiffness.first of all, we fully

5、 understood solid garaged development situation at home and abroad. then we brought in the solid garage lifting equipments overall program including its total structure, the working principle of the whole machine, the constitution of driving system and the main performance parameters. and on the bas

6、is of solid garage's working situation, we used displacement method of structural mechanical theory to establish the mechanical model of the solid garaged lifting equipment. after that, in light of the main bearrfs working conditions and theory used in beanfs research, we established the main be

7、ants deflection equations and judged main bearrfs failure mode and according to the stress condition, we built main beam's bending mathematical model. and based on the numerical simulation technology, combining the extremum method with subsititutional method to make the model simple, using the m

8、atlab programming to solve this model, and we got main beanfs limited loads7 changing principle and based on the finite element theory and using ansys to judge the changing principle of the limited loads at last, on the basis of the deflection conditions, we established the deflection equation and g

9、ot the changing principle of the max deflection. and we used ansys to judge this principle.in this paper, we did a research on the main beam of the solid garage's lifting equipment. and the results showed the principle of the limited loads and max deflection. finally, we can provide theoretical

10、basis for designing and developing higher solid garage.keywords solid garage, lifting equipment, mechanical analysis, bending strength, limited loads摘要iabstractii第1章绪论11课题背景11.2梁柱结构国内外研究现状21.2.1梁柱结构国外研究现状21.2.2梁柱结构国内研究现状41.3主要研究内容5第2章立体车库提升机构方案设计62.1提升机构总体结构62.2提升机构工作原理72.3提升机构传动系统分析82.4主要性能参数112.5本

11、章小结12第3章 立体车库提升机构的力学分析133.1提升机构静力分析133.1.1超静定结构计算方法133.1.2提升机构的静力学模型153.2主立柱的静强度分析203.2.1主立柱物理模型203.2.2主立柱挠曲线方程213.2.3主立柱弯曲强度问题判定243.2.4主立柱弯曲强度数学模型253.3本章小结27第4章 立体车库主立柱弯曲强度数值模拟284数值模拟技术概述284.1.1数值模拟含义284.1.2数值模拟步骤284.2主立柱弯曲强度模拟方法294.2.1代入法294.2.2极值法324.3主立柱弯曲强度结果分析344.4本章小结37第5章 立体车库提升机构关键部件有限元分析38

12、5.1有限元理论简介385.2有限元建模38521位移函数395.2.2刚度矩阵405.2.3等效节点载荷425.3弯曲强度有限元验证425.4挠曲变形分析465.4.1理论分析465.4.2 有限元验证485.5本章小结50结论51参考文献52致谢55第1章绪论1.1课题背景随着人类文明的不断发展和进步，社会生产力水平也得到了极大的提升， 人类的聚居区开始变得越来越大，出现了很多超大规模的城市，我国的北上 广均人口超过1000万，其中北京市的常住人口超过了 2000万，与城市规模 相对应的是城市中人均的生存空间变得也越來越小。与此同时，人们的出行 变得也越来越不方便，因此，越来越多的家庭开始

13、考虑购买汽车。根据我国 汽 车工业协会公布的车辆产销数据，2013年产销量分别约达到2212万辆和 2199万辆，同比增幅均超过13%,汽车的产销量再次刷新记录，稳居世界第 一刀。大批量的汽车开始进入千家万户，并且，我国绝大部分的汽车都集 中在大中城市，随着我国汽车保有量的不断增加，而城市中相应的停车设施 却没有相 应地发展起来，停车难的问题愈演愈烈，如何解决这个问题也成了 当下热门的网络议题之一。近些年来，我国的房地产业发展势头比较迅猛，但是，与之相配套的现 代化停车方案却迟迟没有被推出。目前，我国城市商业建筑中的停车场都是 平面式的，采用的都是最原始的自走式停车库，这类停车库的缺点很多，

14、如占用场地较大，有效停车位置少，存取车不方便，并且，平面停车场屮真 正用于停车的面积只占其总面积的一部分，严重浪费了城市土地资源。自走 式停车库很难满足我国城市的停车需求。如今城市街区和住宅区缺少足够的 停车位，是导致马路停车拥堵公路的元凶z-4'5o从目前我国城市基础设施 的建设来说，交通基础设施的建设严重落后于汽车的增长量，全国停车位的 缺口超过了 500万个，每年的轿车销量增加约在300万左右，由于停车位的 缺口越來越大，这也会在一定程度上影响私人购买轿车，对汽车的制造生 产都会造成一定影响。如何在本来土地资源就很紧张的城市建设更多更经济的停车位，解决私 人汽车拥有量的不断增长带

15、来的城市“停车难”问题，国外发达国家有很多 值得我们借鉴的经验。发达国家的大城市大力发展立体停车库，机械立体停 车库是解决我国大城市交通拥堵停车困难的一个有效办法6刀。机械式立体停 车库较传统平面停车场有诸多优点，第一，占地面积利用率高，停车数量多， 占地面积通常不到平面停车场的一半，而且，不光可以安装在地面上，也可 以安装在地下，它最大的好处就是可以往高处发展，可以缓解城市h益紧张 的土地资源，同时，由于城市的土地都很昂贵，故也能节约建设经费；第二， 存取车很方便，安全性能很高，现代的立体车库自动化程度很高，要停车的 时候，只需要按一下按钮，停车位就会平稳地降落在地面上，待车在停车位 上停好

16、之后，再按一下按钮，停车位就会上升、旋转、复位，另外，防盗性 高，火灾隐患小；第三，投资费用低，传统的平面停车场的建设费用高昂， 一个传统的停车位的费用能达到7-8万元，而一些高档的写字楼的地下停车位 已经超过了 10万元，而在一个传统的停车位上安装立体停车库，同时尽可 能的增加停车位，可以将建设成本降至45万元尽9】。除此之外，立体车库 的使用环保，无污染，无需安装大型通风装备，可降低投资成本。在城市 中，立体车库将会逐渐替代传统停车场，占有更重要地位。目前，对立体车库的研究多数集中在停车库的钢架结构上，而对于立体 车库提升机构的研究就很少。提升机构在提升需停放车辆的时候，主立柱承 受着外载

17、的重力和弯矩的双重作用，承受载荷很大，在提升机构运行的过程 中，主立柱会产生挠曲变形，如果挠曲变形或者最大应力过大会严重影响提 升机构的工作性能，从而会影响整个立体车库的使用。同时，对提升机构的 理论分析可以有效地指导工程设计人员开发高层立体车库。所以，我们对立 体车库提升机构的理论分析与研究就具有非常重要的意义。1.2梁柱结构国内外研究现状1.2.1梁柱结构国外研究现状提升机构中有梁柱和钢架结构。其中，梁柱结构被广泛应用到各类机械 结构和建筑结构中。在机械结构中，被广泛应用于工程机械、农用机械、机 床和汽车等机构中；在建筑结构中，被广泛应用于桥梁、住宅、寺庙、水塔 和电视塔等结构中。在一般情

18、况下，我们将主要承受弯曲变形的构建称为梁或柱“】。在工程 应用屮，梁按照约束形式主要分为三类：简支梁、悬臂梁和外伸梁。简支梁 的约朿端中，一端是固定较支座，另一端是可动较支座；悬臂梁的两端中， 只有一端有约束为i古i定约束，另一端没有约束；外伸梁是由简支梁变化而来， 当简支梁的一端或两端伸出支座的外面，即为外伸梁。国外关于梁理论的研究开展的比较早，达芬奇是第一位研究梁柱结构的 科学家，不过由于其所处时代缺少弹性理论和微积分理论，导致没有取得突 破性的成果。在1750年，瑞士科学家欧拉和伯努利开始研究梁柱结构，创 建了 euler - bernoulli梁理论，也叫做细长梁理论，该理论认为：在梁

19、弯曲 情况下，在梁的横截面上存在止应力和切应力，对于细长梁而言，切应力 对止应 力和弯曲变形量的影响很小，可以忽略不记，同时，假设梁的截面 在变形前 后均为平面。20世纪早期美国科学家铁木辛柯进一步发展了 euler - bernoulli梁理论模型，考虑了转动惯量和剪切变形的影响，并创立 了 timoshenko 梁理 论。该理论适用于长度较短梁或者复合材料梁，此后，铁木辛柯利用 airy函数和傅立叶级数展开的应力函数，以狭长的简支梁和悬臂梁为研 究对象，当其在分别收到均匀载荷和集中载荷作用时，求出该梁的应力和 挠度表达式。随后，随着生产力的不断发展，梁柱理论的研究也没有停止，上世纪 80年

20、代末，徳国学者schardt提岀了广义梁理论，以无分支开口的截面杆件 作为研究对象，放弃了传统理论中的刚性周边条件，以截面中线结点上的 轴线位 移作为控制方程的基本未知量，建立了广义梁方程。上世纪末， 丹麦学者j.jonsson提出了薄壁梁的畸变理论，该理论采用的假设条件和 schardt的广义 梁理论采用的类似，以一个畸变的杆件为研究对象，截面类 型包括开口和闭口的，分析了杆件的整体变形情况和截面畸变的影响,5-171o reddy j n等人 对 高阶理论下的梁的弯曲解同经典理论下的梁弯曲解进行了分析和比较， 并得到了相应的结论阖。dongming wei等人使用利兹伽辽金有限单元法 对非

21、线 性的欧拉伯努利梁方程进行了求解分析，得到了其精确解，并分析 了使用有 限元法求出解的收敛率和对应的误差值r，91o j.bin和c.wanji共同 研究了基于 弹塑性理论下的纯弯曲梁微小变形下的耦合应力如何求解的问 题，考虑了弹 塑性变形对梁弯曲的影响，并且得到了梁的内力弯矩和曲率 之间的关系表达式绚。chan hc和cai cw等人以单跨连续梁为研究对象, 对该梁施加均布载荷，然后使用有限元法建立梁的方程，得到了梁的同有 频率和挠度的表达， 同时使用u变换法对梁的方程解耦，推导出平面梁单元的收敛率】。 j.k.liu和c.w.cai等人以矩形截面梁为研究对象，对其进行了静力学分析和 动力

22、学分析，使用u变换理论和有限差分法，得到了矩形截面梁的固有频 率、振幅、位移等的解析解国。1.2.2梁柱结构国内研究现状在我国关于梁柱结构的研究要比西方国家开展的晚一些，在建国之后， 钱伟长教授等人提出了弹性柱体的扭转理论，使用凑合法、级数法和保角映 像法等方法求解弹性柱体的扭转问题。随着我国国力的不断增强，梁柱结构 被广泛地应用到工程实际中，例如，船舶、汽车、工程机械和机床等领域， 因此，关于梁柱结构结合应用工程领域的理论研究也开始越來越多了。杨永谦和黄贻平研究了薄壁梁理论在船体结构屮的应用，使用多种方法 计算岀梁结构的变形和应力，并讨论和比较了各个方法的优缺点1。上海交通大学的刘志刚以gm

23、-lift半潜式平台为研究对象，针对不同的工 作情况，应用patran/nastran对其立柱进行强度分析，另外，针对立柱的应力 集中现象，建立应力集屮和结构直接的关系，对结构进行了优化设计和分析， 最后，达到了减轻船体重量和增加立柱强度的目的0。兰州理工大学的尹纪强对数控车床的立柱进行了静力学和动力学分析， 得到了立柱的应力云图、应变云图、前10阶固有频率和在切削力作用下的 位 移频率曲线，根据有限元分析的结果，找出立柱结构的薄弱环节并进行 结构的加强与改进旳。南京理工大学的王卫清以半挂车的主纵梁为研究对象，针对不同工况进 行了结构强度和刚度分析，然后探讨了几种主纵梁结构的改进方案，通过加

24、大主纵梁与銷座的接触面积，同时降低主纵梁中间腹板高度可以减少最大应 力和最大变形旳。刘毅、胡志强等人对单柱式风机进行了结构强度分析，提出了一种利用 空气-水动力耦合分析技术对风机动力性能的分析方法，得到了风机的总体结 构应力水平和分布情况，得到了 一种新的评估结构总体结构强度的方法巾。 南京理工大学的赵振东对汽车悬架前梁进行了有限元分析，通过结合多体动 力学和有限元方法，得到了前梁在不同工况下的应力分布情况。另外，对前 梁进行了模态分析，得到了前七阶模态，根据各阶模态对应的变形情况， 对前梁结构进行了改进和加强，改进方案在实际中得到了应用绚。大庆石油 大学的战红以旋挖钻机立柱为研究对象，针对机

25、构的工况进行了结构强度分析和可靠性分析，运用有限元方法和材料力学的方法分别计算 出了立柱不同工况下的应力和位移的变化分布，验证了有限元方法的可靠性。 另外，根据有限元分析的结果，确定了结构选型和结构参数，从而提高了结 构稳定性，降低了牛产制造成木2刃。1.3主要研究内容本文以立体车库的提升机构为研究对象，建立提升机构力学模型。同时 对提升机构主立柱的进行强度分析，并建立主立柱的强度数学模型。利用三 维软件建立提升机构的三维模型，使用有限元分析软件对提升机构的关键部 件进行有限元分析。通过对立体车库的学习和研究，确定了以下几个方面作 为课题研究的主要内容，具体研究内容如下：1充分调研国内外立体车

26、库和立柱结构的研究现状，学习梁柱结构的分 析方法，根据本文中研究的结构，选用合适的研究方法。提出了立体车库提 升机构的总体结构、提升机构的传动系统和整体机构的工作原理，并提出提 升机构的主要性能参数，为接下来的力学分析奠定基础。2. 根据立体车库工作时的受力情况，运用结构力学的知识，对提升机构 进行力学分析，建立提升机构的力学模型，确定各点处的受力情况。然后， 对主立柱进行强度分析，建立弯矩平衡方程，求解主立柱的挠曲线表达式， 判定主立柱的失效形式，建立主立柱弯曲强度数学模型。3. 根据已经建立的弯曲强度数学模型，使用代入法和极值法分析计算该 数学模型，建立外载荷作用位置与可承受最大载荷之间的

27、关系曲线以及弯曲 强度函数的变化曲线。4. 采用有限元方法，并使用有限元软件ansys分析验证理论计算得到 的主立柱极限载荷变化规律；根据主立柱挠曲变形条件，建立挠度条件方 程，确定主立柱最大挠曲变形量的变化规律，并进行相关验证。第2章立体车库提升机构方案设计提升机构是立体车库实现车辆停放的核心机构，提升机构可以实现直线 行走、垂直升降和回转运动，结构采用电梯升降式，具有完整的控制系统， 操作方便，整体机构占地面积小，可充分利用地上空间，非常适合交通拥堵 的城市广泛推广应用。2.1提升机构总体结构立体车库提升机构的总体结构主要包括行走车、上下行走轨道、主立柱、 停车板、提升动力机构和冋转动力箱

28、等，提升机构简图如图21所示。立体车 库提升机构的各部件之间的连接方式主要以螺钉的固定连接为主，下面介绍 几个主要部件的连接方式和各自发挥的作用。6回转动力箱；7上横梁；8上导轮；9次立柱:10-加强拉筋；11 行走后轮 图21立体车库提升机构简图fig.2-1 overall simple figure of solid garage lifting equipment(1) 行走小车 前驱动轮1和行走后轮11通过一根传动轴与行走小车 2的车体连接，前驱动轮1为整个提升机构提供向前行走的驱动力，行走后 轮11 一共有两对，主要为整个提升机构提供导向作用和平衡外载的作用。(2) 主立柱 主立柱

29、3的下端用螺钉与法兰盘|古i定连接连接，同时，法 兰盘和主立柱3做为一个整体是插接在行走小车1上，润滑装置安装在行走 小车2与主立柱3插接的前端面上，在连接处的下端安装端盖，防止在空 气中尘土进入，保持良好的密封性。(3) 提升动力机构 提升动力机构5是安装在主立柱3上，提升动力机 构5主要分为两部分，一部分是与停车板4插接，同时，与载车板做为一个整 体借助其上的滚动轮可以在主立柱3上自由地上下移动，另一部分是固定在 主立柱3上，为停车板4的上下移动提供动力。(4) 回转动力箱主立柱3的上端与回转动力箱6固定连接，这样，主 立柱3可以和回转动力箱6起转动；上横梁7的下端固定连接一个法兰盘, 回

30、转动力箱6的上端与该法兰盘的下端插接，可以确保回转动力箱6在转 动的同时不会让上横梁7跟着一起转动。(5) 上导轮 在上横梁7的上端安装着两对尺寸不相同的导轮8,上导 轮8的作用主要有两点：第一点，与行走小车2上的行走轮一起配合，对 整个提 升机构起到导向的作用；第二点，在载车板收到外载作用的时候， 由于车辆在载车板上是偏载的，故有防止提升机构整体侧翻的作用。最后，在行走 小车2和上横梁7之间固定连接着次立柱9和加强拉筋10,次 立柱9和加强拉筋10的作用就是分担主立柱3的载荷，增强了提升机构的 整体强度和刚度。2.2提升机构工作原理由图2-1可以看出，立体车库的提升机构一共有三个动力源，动力

31、源分 别在行走小车2、提升动力机构5和冋转动力箱6内，分别实现提升机构整 体的直线行走运动、停车板与提升动力机构的垂直升降运动和主立柱及其 上部件的回转运动。提升结构的工作顺序首先，停车板4和提升动力机构5在初始状态下 是 在主立柱3的最下端，停车板是停放在地面上的，当需要停放的车辆在停 车板4上挺好后，提升动力机构5在提升电机的驱动下，使停车板4和提升 动力机构5向上运动，当提升高度达到比钢结构框架中的停放高度稍高时，提升电机 动力停止输出；然后，在回转动力箱6内的回转电机的驱动下，主立柱3、停 车 板4和提升动力机构5匀速旋转90度，接着回转电机停止动力输出；接 着，在行走小车2内行走电机

32、的驱动下，整个提升机构朝着钢结构框架内进 行直线行走运动，当停车板4到达停车位的上方时，行走小车1停止运动； 然后，在提升电机的驱动下，将提升动力机构5、停车板4和所停车辆稳 稳地落在停车位上，然后，提升动力机构5和停车板4分离，主立柱3及其 上部件在回转电机驱动下逆向回转90度，最后，在行走电机驱动下，整个 提升机构沿着轨道行进回到初试位置，这样就完成了实现停放车辆的整个 过程。2.3提升机构传动系统分析传动系统就是把动力系统产生的动力传递给系统的执行部件，我们通常 也习惯把机械系统中的某一条传动链叫做某传动系统，例如，主传动系统、 进给传动系统等。传动系统是联系动力系统和执行部件的中间传递

33、环节，是 机械系统的重要构成部分，它把动力系统的运动和动力经过一定变换z后传 递给机械系统的执行部件，以此来满足机械系统的工作要求。传动系统的主要功能有以下几个方面：（1）实现各级运动装置的升降速功能；（2）实现执行件的变速功能；（3）实现变化执行件运动规律和形式的功能；（4）实现分配不同执行件运动的功能；（5）实现转换各级运动装置动力的功能】。如图22、图23和图24所示为立体车库提升机构的3个传动系统，均 为定比传动系统，各个传动系统的传动次数均不相同，次数越多，则效率越低。 传动系统的效率，主要包括：1）啮合屮的摩擦损失；2）润滑油被搅动的油 阻损失；3）轴承屮的摩擦损失。传动效率&qu

34、ot;的表达式(2-1)式屮，"1为考虑啮合损失时的效率；"2为考虑油阻损失时的效率；"3为轴承 效率。本文屮采用的齿轮传动形式为闭式传动，闭式传动的啮合效率通常在 96%以上；涡轮蜗杆传动与其他传动形式相比，其啮合效率较低，其啮合效 率与其导程角有关；对于链传动来说，其传动效率在通常情况下也很高。行走部分的传动系统原理图如图22所示，在行走部分的传动系统屮，一共有3个变速装置，包括2个齿轮减速装置和1个涡轮蜗杆减速装置。行走部分传动系统工作过程如下：驱动电机通过涡轮蜗杆减速器，电机转速为 n,完 成第一级减速，减速比zai=z2/zi,故有nf=nli把动力传给

35、齿轮1, 动力再 由齿轮z1到齿轮z2完成第二级减速，减速比za2=z4/z3 ,故有 n,f=n,/ia2；因为齿轮z2和齿轮z3同轴，故直接动力传给齿轮z3，再由齿 轮z3和齿轮z4的啮合传动完成第三级减速，减速比za3=z6/z5，故有 八'尸刃仏3；齿轮z4和前驱动轮是螺钉固定连接，最后将动力通过齿轮z4 传给前驱动轮，实现提升机构的向前行走，当驱动电机反转时，即可进行齿轮z3齿轮z4电机图22行走部分传动原理图fig.2-2 transmission principle figure of walking part图23冋转系统传动原理图fig.2-3 transmissio

36、n principle figure of rotating system回转动力箱的传动系统如图23所示，其传动形式较为简单，减速装置为一对涡轮蜗杆减速器，回转电机的动力经一级减速装置，动力就可直接到达 执行部件主立柱，减速电机转速为"2,减速比/bi=z2/zi,则有m=n 2/zbi, 当回转电机反转时，主立柱就朝反方向转动。提升动力机构的传动系统如图2-4所示，该传动系统主要是依靠链传动实 现动力传输的，动力传递过程中进行了一次减速之后，动力到达执行部件。 减速电机转速斤3，首先提升电机的动力传给链轮z1，经过一次链传动减速， 减速比zcl=z2/zi，3=阳/花1；动力到达

37、链轮z2,链轮2> 3同轴,其中，z2=z3； 故动力直接传递给链轮3,其屮z3=z4,故链轮z3和链轮z4z间的链传动实现 了停车板和提升动力机构进行升降运动。由于链传动中链轮和链条的磨损较 大，传动不够平稳，运行过程屮易产生冲击和振动，所以，在提升运动当中, 为了避免链条损坏后导致停车板和停放车辆的坠落，在链轮z4上端安装一 个动态防坠保险，当提升系统运行过程中发生打滑现象后，可以保证停车板 和停放车辆停在半空，不会坠落。2.4主要性能参数立体停车库提升机构的主要性能参数可以表征立体车库的实际工作能 力，是立体车库设计的重要设计依据，也是消费者购买选择立体车库的重要 依据。本文中的单

38、柱式立体车库的重要技术参数主耍包括：承载车型及重量、 提升速度、提升高度和冋转速度。1. 承载车型及重量承载车型及重量是指立体车库提升机构在正常工作 时可以承载车辆的尺寸大小和重量，尺寸一般包括汽车的车长/、车宽w和 车高力。表2-1为我国市面常见车型的车型参数，包括了 6种常见车型，车 型大小从小型轿车到微型面包车。传统的停车位的长度和宽度通常要比停 放车辆的长度和宽度要多0.6到0.8m,立体停车库的停车位则只需要多出 0.3到0.4m即可初。在木文中，进行分析和研究的立体车库适合停放车辆 尺寸为车长5000x车宽1850x车高1750mm提升速度提升速度是指在提升动力机构的带动下，载车板

39、和提升动力 机构连接部分沿着主立柱进行升降运动可以达到的速度。在木文中，分析和 研究的立体车库提升机构的提升速度约为5m/min,加速时间在0.5s,提升 动 力机构内的电机额定功率为2.2kw,输出转速约为25r/mino 提升高度提升高度是指在提升动力机构的带动下，载车板和提升动力 机构连接部分沿着主立柱进行升降运动可以达到的最大高度。对于立体停车 库而言，只有二层及以上的停车位才需要提升动力机构进行提升，第一层停 车位不需借助提升机构即可停车。具有2层钢结构框架的立体车库，提升高度 可达2.4m, 3层的提升高度最高可以达到4.4m, 4层的最大提升高度达到 6.4m,重量为1700kg

40、o表21汽车车型参数table2-1 parameters of automotive type项h小型中型中大型大型超大型微型面包车长/mm470050005100530057005100车宽w/mm170018001900205020501900车高a/mm155015501550155015502050重量/kg1600170019002100230025005层的最大提升高度达到8.4m, 6层的最大提升高度为10.4m。4. 回传速度 回转速度是指在回转动力箱的驱动下，主立柱及其上的提 升动力机构和停车板以主立柱为旋传中心轴进行旋转运动可以达到的速度。 一般情况下，回转速度不宜过快，

41、主立柱的回转速度大约在2r/min,回转 加 速度也不宜过大，为了减少提升机构的冲击惯性，不宜超过0.0317s2.5本章小结本章给出了立体车库提升机构的结构构成，各部分的连接方式，接着详 细阐述了立体车库提升机构的工作原理和主要传动系统的动力传输方式，最 后，对提升机构的主要性能参数进行详细叙述，主耍包括适停车辆的主耍尺 寸和重量、提升速度及加速度、提升高度和回转速度。第3章 立体车库提升机构的力学分析3.1提升机构静力分析提升机构是立体车库最关键的部件，也是实现停放车辆最重要的部件。 由于在停放车辆的整个过程中，要涉及到提升机构的直行、回转和升降等工 作状态，故提升机构的受力情况较为复杂，

42、同时，主立柱在各个工作状态下， 承受着很大的载荷。所以，很有必要对整个提升机构进行静力学分析，并建 立其静力学模型和弯曲强度模型。3.1.1超静定结构计算方法超静定结构是实际工程中最常用的一种结构，常用的超静定结构形式主 要有：超静定钢架、超静定梁、超静定拱、超静定桁架和较接排架等。超静 定结构中各处的力无法只依靠静力平衡条件求解。针对超静定结构最常用的计算方法有力法和位移法3334,此外，由这两 种方法派生岀来的方法还有很多，如矩阵位移法等。1.力法力法的分析步骤：首先，分析结构中多余约束的数目，即多余 力的数目，这个数目表示还需要补充多少个反映位移条件的方程才能求解多 余力，从而确定所给结

43、构的内力，通常将多余约束的数目我们称为超静定次 数；其次，解除结构中的多余约束，将结构转化为静定结构，把多余约朿用 多余未知力來代替；最后，分析基本结构在单位基本未知力和外界因素作用 下的位移，建立位移协调条件，即建立力法方程。求出未知约束力后，根据 系统的静力平衡条件，可以求解其他未知力。如图3-1所示为一个三次超静定结构，将固定端a点的三个方向约束用 三个约束力来代替，根据叠加原理可建立其力法位移方程组如下：61尤 4-812jv2 +&3x3= 0<+62x2 +弘兀 = 0(3i)6】不 +§32兀 +63x3 + = 0其中，內1、內2和內3为xl = l单独

44、作用时，超静定结构上的点力分别沿xl、x2 和石方向的位移；同理21、22、力23和力31、§32、力33分别为上=1和上=1单独作 用时/点的各个方向位移；©|p、2p和©3p表示分别在外载尺和尸2单独作用 时，力点沿x、上和上方向的位移。f2&图31超静定基本体系fig.3-1 statically indeterminate basic system以巾次超静定结构为例，一共有巾个多余的约束，每个多余约束与一个 多余力相对应，也就对应着一个已知的位移条件，故可以由已知的位移条 件建立力法位移方程ek +812x2 +813x3 +60? +匚“ =0

45、211 +822 jv2 +623x3 + +<2p = 0(3-2)5 x+5+5 x +5 x +匚 =0n i “22“33nn n np2.位移法位移法建立方程组是通过结构结点的独立线位移和角位移作 为基本未知量；在建立方程组之前，有如下几点假设，第一，忽略杆件的轴 向变形和剪切变形的影响；第二，以小变形理论为基础，认为杆件的弯曲变 形量很小；第三，认为杆件变形前后长度不变。位移法的计算步骤：首先，确定原结构的未知量数fi,绘制附加刚臂产 生的弯矩图和外力弯矩图，同时，在计算简图内标明独立的结点位移；其次, 建立位移法典型方程，令附加刚臂产生与原结构相同的结点位移；再次，求 解系

46、数和自由项，由建立的各单位位移单独作用下的弯矩图和外力弯矩图， 并通过平衡条件來求出；最后，求解方程，求出相应位移。图32所示为一个门字型钢架结构，建立其位移法典型方程(®z+尸詔2+rp =0(3lzl+，22z2+7?2p=0式中，门i是角位移乙=1时引起的附加刚臂的反力矩，单位为nmm；尸12表 示 线位移z2=l时引起的附加刚骨的反力矩，单位为血表示角位 移z尸1时引起的链杆的反力，单位为n；厂22表示线位移z2=l时引起的附 加链杆的反力，单位为n； 和/?2p表示只有外载p作用时，1点处和2 点处的位移，单位为mmofig.3-2 placement method use

47、d in steel frame具有个独立结点位移的结构，那么就有”个基本未知量，所以，为了 控制所有结点的位移就要引入个附加约束，根据每个附加约束的反力等于 零，可以建立刃个方程+ 打 2z2 +打” z” +7?” =0(3-4)4】乙 + 222 + 血”乙 +人2” = °r z + r z +厂 z +7?= 0n 1n2 2nn nnp3.1.2提升机构的静力学模型根据立体车库提升机构的连接方式和受力状态，本节对其进行简化，得 到其受力分析图，如图3-3所示，本节对原结构的连接方式做了一些简化， 本文研究的力学模型是整个提升机构处在静止状态下，故本文将认为行走 小车静止不

48、动，简化为立柱和次立柱的下端与大地的固定连接。由于加强拉筋 ce主要受到轴向力的作用，所以，就假定ce为二力杆，只受轴向力作用， 杆ce的上端与bc和cd钱接，杆ce的下端与地面钱接；主立柱ab和 次立柱cd分别与上横梁bc刚性连接，/点为提升动力机构和主立柱的连 接处，因此，在/点处有外载荷p和m,其中，p为停车板上所停车辆对停 车板的压力，弯矩m表示所停车俩重力对主立柱ab的弯矩。位移法与力法相比，计算过程简单，结果更加的精确，主要应用于有侧 移的钢架结构中，故在本文中使用位移法建立静力学模型。根据简化后的儿何受力模型，我们把刚结点b的角位移zi和刚结点c的 角位移z2作为基本未知量，建立

49、位移典型方程组。图33提升机构的受力简图fig.3-3 force diagram of lifting equipment主立柱ab下端连接的法兰盘的长度远小于ab的长度，故可以认为主 立 柱ab为等截面的柱体，假定ab, bc, cd和ce都为等截面的杆件，令 杆ab长为厶，ai长为厶1，bc长为/i，cd长为伍，ce长为厶；ab, bc, cd和ce的惯性矩分别为i, /i, h, 整个钢架的弹性模量均为e；令z, zi，ii，13分别为ab, bc, cd和ce的截面常系数，分别为匸eiil, i=eiil, ，2=e72，3=£73。绘制弯矩图，图34和图35分别表示当乙和

50、z2等于1时的单元弯矩图, 即刃7图和质图。在单元弯矩图中，取b点与c点为隔离体，根据这两个点处 的平衡条恥，可以分别建立两个平衡方程，从而就能求得位移法典型方程 组中的常系数项。图3-6屮所示为外荷载单独作用时的弯矩图，按照图34和3-5屮的方 法，在弯矩图中取b点和c点为隔离体，根据b点和c点已有的平衡条 件，可以建立两个平衡方程，从而就可以求得位移典型方程屮的自由项。2/1fig.3-4 bending moment diagram for zi=l4iifig.3-5 bending moment diagram for z2=l图36仅有外载作用时的弯矩图fig.3-6 bendin

51、g moment diagram for imposing load alone由图3-4,图35和图36屮的弯矩图，可以建立小，门2,尸21, 7?2p的表达式为：打=4z + 4右打2 = 2z72i = 2右(3-5)< 丫22 = 4右 + 4z2r =厶3(z 厶)一厶 ipjj.r2p =0由式(35),可以建立位移法典型方程组(4,+ 4,严 4-2zz + 厶3(厶)-厶“(3-6)<l2石 z + (4z| + 4,2 )z? 0求解方程组(36),可以求得乙，z2结果如下:乙=曲"倍nr叫1 1 2 1 21 1 2 1 2（3-7）m =a/z +a

52、/2 乙 +a/p（3-8）再根据叠加原理可以求得整个结构的弯矩表达式由上式(38)建立的结构弯矩表达式，可以直接求解各个结点处的弯矩表 达式，对式(38)的弯矩表达式求一次导数，就可以求得各个结点处受到的力 的表达式，在这里我们规定弯矩的正方向为顺时针方向，求得的各结点处的 力和弯矩的表达式如下：/点处的弯矩表达式，即式(3-9)+（厶-厶）（3 厶-qm ©j）1m 2i（ + z； ）（2 厶3 厶）ml、a z?（3厂 +4 +4打 +4zz ）1 1 2 1 2点处弯矩的表达式，即式(310)m. 4（/ 4- z.） r（a）（2厶-3厶）a/l|2“厂（3厂丄4 +4

53、+4方）+厂（3厂+4 +4打+4门）1 1 2 12 1 1 2 12 （3-10） ml（2l-3lj1c点处的弯矩的表达式，即式（311）mc =2右（"严2）（2厶一孑勺）吟级怦（匚+?2 ）（% %）、（311）厶2（3严 +4zz +4zz +4zz ） + a2（3z2 +4zz +4z7 +4z z ）1 1 2 1 2 1 1 2 1 2d点处的弯矩的表达式，即式（312）“d: klmpql 二孑厶、（3-12）m 一厂（3z ' +4z： +4zz 丄 4zz ）1 1 2 1 2由于ce杆为二立杆，故e点处受到的弯矩为0。/点受到的水平力 (方向水平向

54、右)的表达式，即式(313)(3-13)b点水平内力与/点所受的力大小相等，方向相反b点 轴向内力(方向沿y轴负方向)的表达式，即式(3-14)-61 (z + i )(2l - 3l )ml6i 厶mlql 一 3l )6i 2ml(2l-3l )d点受到的力(方向与cd杆垂直向下)的表达式，即式(3-15)(3-14)2 1 1 2 1 2(3-15)3.2主立柱的静强度分析静强度分析主要研究结构在常温条件下承受载荷的能力，通常我们也称 之为强度分析，除了承载能力外，还研究结构抵抗变形的能力和在载荷作用 下响应特性。提升机构的主立柱承受的载荷是所停车辆的重力和其对主立柱 的弯矩，主立柱的变

55、形主要由所停车辆对主立柱的弯矩造成的，变形以弯曲 为主，故对主立柱的弯曲强度分析是尤为重要的。3.2.1主立柱物理模型在3.1节屮我们对整个提升机构进行了静力学分析，对整个机构的受力 情 况有了较深的理解，根据主立柱的受力状态，建立如图37所示的物理模在本文屮将主立柱的动态强度问题离散化成静态下的强度问题，在静态 环境下，我们认为主立柱的底端无位移和转角，故令立柱下端/点处为固 定连接；立柱顶端在/向的位移很小，几乎可以忽略不急，故将立柱上端 点的约束设置为滚动较接，b点允许有沿立柱轴向的微小位移量；在力点 处建立关于挠度7与立柱长x的直角坐标系。令挠度7的正方向取左。brav图3-7主立柱物理模型fig.3-7 main pillart physical model3.2.2主立柱挠曲线方程由于主立柱的外载荷没有作用在立柱的端点处，故需要分段建立挠度曲 线。通过隔离法对bi段和ai段分别建立弯矩平衡方程，如下图38所示， 将b端的較接约束用水平约束力r来代替。建立bi段的平衡方程eivx x) = r(l-x)(3-16)解得1 r l 2 x3r(x) = 7?(_x -_) + cx + c (3-17)' el 26'2式中，旳(兀)为bi段挠度表达式，c/和q为方程常系数。建立ai段的平衡方