立体车库提升机构关键部件的研究

1、工学硕士学位论文立体车库提升机构关键部件的研究包呼日查哈尔滨理工大学2015 年 3 月工学硕士学位论文立体车库提升机构关键部件的研究硕 士 研究生：包呼日查 导师：段铁群 申请学位级别：工学硕士学 科、专 业：机械设计及理论所在 单 位：机械动力工程学院 答 辩 日 期：2015 年 3 月 授予学位单位：哈尔滨理工大学Dissertation for the Master Degree in EngineeringThe Research for the Key Part of the Solid Garges Lifting EquipmentCandidate：Bao HurichaS

2、upervisor：Duan TiequnAcademic Degree Applied for：Master of Engineering Speciality：Mechanical Design and Theory Date of Oral Examination：March, 2015University：Harbin University of Science and Technology哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文立体车库提升机构关键部 件的研究，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间独 立进行研究工作所取得的成果。据本人

3、所知，论文中除已注明部分外不包含 他人已发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。作者签名：日期：年月日哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书立体车库提升机构关键部件的研究系本人在哈尔滨理工大学攻读硕 士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归哈尔滨 理工大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了 解哈尔滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关 部门提交论文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理工大 学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以

4、公布论文的全部或部 分内容。本学位论文属于，保密在 3 年解密后适用授权书。 不保密 （请在以上相应方框内打）作者签名：日期：年月日导师签名：日期：年月日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象，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

5、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， 采用极值法和代入法，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

6、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 Garges Lifting EquipmentAbstractWith the increasing car ownership in China, more and more parking space is also needed. Because of the limited la

7、nd in urban areas, it is an efficient solution to the parking difficulty that 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 equi

8、pment from the perspective of the strength and stiffness.First of all, we fully understood solid garages 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 con

9、stitution of driving system and the main performance parameters. And on the basis of solid garages working situation, we used displacement method of structural mechanical theory to establish the mechanical model of the solid garages lifting equipment. After that, in light of the main beams working c

10、onditions and theory used in beams research, we established the main beams deflection equations and judged main beams failure mode. And according to the stress condition, we built main beams bending mathematical model. And based on the numerical simulation technology, combining the extremum method w

11、ith subsititutional method to make the model simple, using the MATLAB programming to solve this model, and we got main beams limited loads 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 def

12、lection conditions, we established the deflection equation and got 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 garages liftingequipment. And the results showed the principle of the limited load

13、s and max deflection. Finally, we can provide theoretical basis for designing and developing higher solid garage.Keywords solid garage, lifting equipment, mechanical analysis, bending strength, limited loads目录 HYPERLINK l _bookmark0 摘要I HYPERLINK l _bookmark1 AbstractII HYPERLINK l _bookmark2 第 1 章

14、绪论1 HYPERLINK l _bookmark3 1.1 课题背景1 HYPERLINK l _bookmark4 1.2 梁柱结构国内外研究现状2 HYPERLINK l _bookmark5 1.2.1 梁柱结构国外研究现状2 HYPERLINK l _bookmark6 1.2.2 梁柱结构国内研究现状4 HYPERLINK l _bookmark7 1.3 主要研究内容5 HYPERLINK l _bookmark8 第 2 章 立体车库提升机构方案设计6 HYPERLINK l _bookmark9 2.1 提升机构总体结构6 HYPERLINK l _bookmark10 2.

15、2 提升机构工作原理7 HYPERLINK l _bookmark11 2.3 提升机构传动系统分析8 HYPERLINK l _bookmark12 2.4 主要性能参数11 HYPERLINK l _bookmark13 2.5 本章小结12 HYPERLINK l _bookmark14 第 3 章 立体车库提升机构的力学分析13 HYPERLINK l _bookmark15 3.1 提升机构静力分析13 HYPERLINK l _bookmark16 3.1.1 超静定结构计算方法13 HYPERLINK l _bookmark17 3.1.2 提升机构的静力学模型15 HYPERL

16、INK l _bookmark18 3.2 主立柱的静强度分析20 HYPERLINK l _bookmark19 3.2.1 主立柱物理模型20 HYPERLINK l _bookmark20 3.2.2 主立柱挠曲线方程21 HYPERLINK l _bookmark21 3.2.3 主立柱弯曲强度问题判定24 HYPERLINK l _bookmark22 3.2.4 主立柱弯曲强度数学模型25 HYPERLINK l _bookmark23 3.3 本章小结27 HYPERLINK l _bookmark24 第 4 章 立体车库主立柱弯曲强度数值模拟28 HYPERLINK l _b

17、ookmark25 4.1 数值模拟技术概述28 HYPERLINK l _bookmark26 4.1.1 数值模拟含义28 HYPERLINK l _bookmark27 4.1.2 数值模拟步骤28 HYPERLINK l _bookmark28 4.2 主立柱弯曲强度模拟方法29 HYPERLINK l _bookmark29 4.2.1 代入法29 HYPERLINK l _bookmark30 4.2.2 极值法32 HYPERLINK l _bookmark31 4.3 主立柱弯曲强度结果分析34 HYPERLINK l _bookmark32 4.4 本章小结37 HYPERL

18、INK l _bookmark33 第 5 章 立体车库提升机构关键部件有限元分析38 HYPERLINK l _bookmark34 5.1 有限元理论简介38 HYPERLINK l _bookmark35 5.2 有限元建模38 HYPERLINK l _bookmark36 5.2.1 位移函数39 HYPERLINK l _bookmark37 5.2.2 刚度矩阵40 HYPERLINK l _bookmark38 5.2.3 等效节点载荷42 HYPERLINK l _bookmark39 5.3 弯曲强度有限元验证42 HYPERLINK l _bookmark40 5.4 挠

19、曲变形分析46 HYPERLINK l _bookmark41 5.4.1 理论分析46 HYPERLINK l _bookmark42 5.4.2 有限元验证48 HYPERLINK l _bookmark43 5.5 本章小结50 HYPERLINK l _bookmark44 结论51 HYPERLINK l _bookmark45 参考文献52 HYPERLINK l _bookmark46 致谢55第1章 绪论 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

20、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来越小。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，稳居世界第一1,2。 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

21、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3，这类停车库的缺点很多， 如占用场地较大，有效停车位置少，存取车不方便，并且，平面停车场中真 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之一4,5。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 口越来越大，这也会在一定程

22、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6,7。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，可以缓解城市日益紧张 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

23、， 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4-5万元8,9。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

24、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。 梁柱结构国内外研究现状 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

25、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。在一般情况下，我们将主要承受弯曲变形的构建称为梁或柱10。在工程 应用中，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 的约束端中，一端是固定铰支座，另一端是可动铰支座；悬臂梁的两端中， 只有一端有约束为固定约束，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11。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17

26、50年，瑞士科学家欧拉和伯努利开始研究梁柱结构，创建 了EulerBernoulli梁理论，也叫做细长梁理论，该理论认为：在梁弯曲情况 下，在梁的横截面上存在正应力和切应力，对于细长梁而言，切应力对正应 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EulerBernoulli 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12。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13，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

27、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 年代末，德国学者Schardt提出了广义梁理论，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14。上世纪末，丹麦学者 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15-17。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

28、分析和比较，并得 到了相应的结论18。Dongming Wei等人使用利兹-伽辽金有限单元法对非线 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19。和共同研究了基于 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20。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，得到了梁的固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21。 和等人以矩形截面梁为研

29、究对象，对其进行了静力学分析和动力学分 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22。 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来越多了。杨永谦和黄贻平研究了薄壁梁理论在船体结构中的应用，使用多种方法 计算出梁结构的变形和应力，并讨论和比较了各个方法的优缺点

30、23。上海交通大学的刘志刚以GM-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，建立应力集中和结构直接的关系，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24。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25。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

31、几种主纵梁结构的改进方案，通过加 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26。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27。 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28。大庆石油大学的战

32、红以旋挖钻机立柱为研究对象，针对机构的工况进行 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，降低了生产制造成本29。 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

33、内容如下：1.充分调研国内外立体车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

34、作用位置与可承受最大载荷之间的关系曲线以及弯曲 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。 提升机构总体结构6785941032111立体车库提升机构的总体结构主要包括行走车、上下

35、行走轨道、主立柱、 停车板、提升动力机构和回转动力箱等，提升机构简图如图2-1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。1-前驱动轮；2-行走小车；3-主立柱；4-停车板；5-提升动力机构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 2-1 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

36、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3的下端用螺钉与法兰盘固定连接连接，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

37、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6一起转动；上横梁7的下端固定连接一个法兰盘，回转 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

38、荷，增强了提升机构的整体 强度和刚度。 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，动力源分别 在行走小车2、提升动力机构5和回转动力箱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

39、，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。 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

40、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之后传 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30。如图2-2、图2-3和图2-4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

41、动系统的效率，主要包括：1）啮合中的摩擦损失；2）润滑油被搅动的油 阻损失；3）轴承中的摩擦损失。传动效率的表达式=1*2*3(2-1)式中，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。本文中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31。 行走部分的传动系统原理图如图2-2所示，在行走部分的传动系统中，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

42、速器，电机转速为n1，完 成第一级减速，减速比ia1=z2/z1，故有n1=n1/ia1；把动力传给齿轮1，动力再 由齿轮z1到齿轮z2完成第二级减速，减速比ia2=z4/z3，故有n1=n1/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ia3=z6/z5，故有n 1=n1/ia3；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，即可进行提升机构的返程。齿轮 Z6齿轮 Z5蜗杆 Z1电机前驱动轮蜗轮 Z2齿轮 Z4齿轮 Z3图 2-2 行走部分传动原理图

43、Fig.2-2 Transmission principle figure of walking part蜗杆 Z1蜗轮 Z2减速电机主立柱图 2-3 回转系统传动原理图Fig.2-3 Transmission principle figure of rotating system回转动力箱的传动系统如图2-3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n2，减速比ib1=z2/z1，则有n2=n2/ib1，当 回转电机反转时，主立柱就朝反方向转动。减速电机链轮 Z1链轮 Z3链轮 Z2提升动力机 构和

44、停车板链轮 Z4图 2-4 提升系统传动原理图Fig.2-4 Transmission principle figure of lifting system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n3，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ic1=z2/z1，n3= n3/ic1；动力到达链轮z2，链轮2、3同轴，其中，z2=z3； 故动力直接传递给链轮3，其中z3=z4，故链轮z3和链轮z4之间的链传动实现了 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

45、条的磨损较大， 传动不够平稳，运行过程中易产生冲击和振动，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。 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。本文中的单柱式立体车库的重要技术参数主要包括：承载车型及重量、 提升速度、提升高度和回转速度。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

46、汽车的车长l、车宽w和车 高h。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 长度和宽度要多到，立体停车库的停车位则只需要多出到即 可32。在本文中，进行分析和研究的立体车库适合停放车辆尺寸为车长5000车宽1850车高1750mm3，重量为1700Kg。表 2-1 汽车车型参数Table2-1 Parameters of automotive type项目小型中型中大型大型超大型微型面包车长 l/mm470050005100530057005100车宽 w/mm170018001900205020501

47、900车高 h/mm155015501550155015502050重量/Kg1600170019002100230025002.提升速度 提升速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速度。在本文中，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，提升动 力机构内的电机额定功率为，输出转速约为25r/min。3.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

48、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，3层的提升高度最高可以达到，4层的最大提升高度达到，5层的最大提升高度达到，6层的最大提升高度为。4.回转速度 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转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，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2。 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

49、行详细叙述，主要包括适停车辆的主要尺 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 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，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。 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、超静定桁架和铰接排架等。超静 定结构中各

50、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33,34，此外，由这两 种方法派生出来的方法还有很多，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，把多余约束用 多余未知力来代替；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

51、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：11 X1 12 X 2 13 X 3 1 p 0 X X 21 X1 22 X 2 23 X 3 2 p 031 X13223333 p 0(3-1)其中，11、12和13为X1=1单独作用时，超静定结构上的点A分别沿X1、X2和X3方向的位移；同理21、22、23和31、32、33分别为X2=1和X3=1单独作用时A点的各个方向位移；1p、2p和3p表示分别在外载F1和F2单独作用时，A点沿X1、X2和X3方向的位移。F2F2F1F1X1X2图 3-1 超静定基本体系X3

52、Fig.3-1 Statically indeterminate basic system以n次超静定结构为例，一共有n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11 X1 12 X 2 13 X 3 1n Xn 1 p 0 X X X 021 X12222332nn2 p n11n 22n33nnnnpX X X X 0(3-2)2.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

53、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目，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， 并通过平衡条件来求出；最后，求解方程，求出相应位移。图3-2所示为一个门字型钢架结构，建立其位移法典型方程r11Z1 r12 Z2 R1 p 0r Z R 0r21Z122 22 p(3-3)Z2Z232Z1P41式中，r11是角位移Z1=1时引起的附加刚臂的反力矩，单位为N

54、 mm；r12表示 线位移Z2=1时引起的附加刚臂的反力矩，单位为N mm；r21表示角位移Z1=1 时引起的链杆的反力，单位为N；r22表示线位移Z2=1时引起的附加链杆的反 力，单位为N；R1p和R2p表示只有外载P作用时，1点处和2点处的位移，单位 为mm。图 3-2 位移法求解的钢架Fig.3-2 Placement method used in steel frame具有n个独立结点位移的结构，那么就有n个基本未知量，所以，为了控 制所有结点的位移就要引入n个附加约束，根据每个附加约束的反力等于零， 可以建立n个方程r11Z1 r12 Z2 r1n Zn R1 p 0r Z r Z

55、Rr21Z12222 nn2 p 0r Z r Z r Z R 0n1 1n 22nnnnp(3-4) 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铰接，杆CE的下端与地面铰接；主立柱AB和次立柱CD分 别与上横梁BC刚性连接，I点为提升动力机构和主立柱的连接处

56、，因此，在I 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 表示所停车辆重力对主立柱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。根据简化后的几何受力模型，我们把刚结点B的角位移Z1和刚结点C的角 位移Z2作为基本未知量，建立位移典型方程组。BCMIPyADEz图 3-3 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

57、等截面的杆件，令杆AB 长为L，AI长为L1，BC长为l1，CD长为l2，CE长为l3；AB，BC，CD和CE的 惯性矩分别为I，I1，I2，I3；整个钢架的弹性模量均为E；令i，i1，i2，i3分别 为AB，BC，CD和CE的截面常系数，分别为i=EI/L，i1=EI/l1，i2=EI/l2，i3=EI/l3。绘制弯矩图，图3-4和图3-5分别表示当Z1和Z2等于1时的单元弯矩图，即M1 图和 M 2 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件，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中所示为外荷载单独作用时的弯矩图，按照图3-4

58、和3-5中的方法， 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中的自由项。2i14iBr11CB4i14i1I4ir12C2iDE2i1A图 3-4 Z1=1 时的弯矩图Fig.3-4 Bending moment diagram for Z1=1B4i1Cr212i1B4i2I2i1r224i1CA2i2E4i2D图 3-5 Z2=1 时的弯矩图Fig.3-5 Bending moment diagram for Z2=1BR1pCBIMR2pADEC图 3-6 仅有外载作用时的弯矩图Fig.3-6 Bending mom

59、ent diagram for imposing load alone由图3-4，图3-5和图3-6中的弯矩图，可以建立r11，r12，r21，r22，R1P，R2P的表达式为：r11 4i 4i1r122i1r21 2i1r224i1 4i2(3-5)RL13(L L1 ) L M1PL2R 02 P由式(3-5)，可以建立位移法典型方程组(4i 4i )Z2i ZL13(L L1 ) L M 0111 22L(3-6)2i1Z1 (4i1 4i2 )Z2 0求解方程组(3-6)，可以求得Z1，Z2结果如下：Z(i1 i2 )(2L 3L1 )ML11L2 (3i 2 4ii4ii4i i

60、)Z1121 2i1ML(2L 3L1 )(3-7)22L2 (3i 2 4ii4ii4i i )1121 2再根据叠加原理可以求得整个结构的弯矩表达式M M1Z1 M2 Z2 MP(3-8)由上式(3-8)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(3-8)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：A点处的弯矩表达式，即式(3-9)M2i(i1 i2 )(2L 3L1 )ML1(L1 L)(3L1 L)MAL2 (3i 2 4ii4ii4i i )(3-9)L21121