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立体车库的设计研究学位论文

立体车库的设计研究

摘要

大型立体车库实现各类车辆的自动停放及合理停放的仓库型设施。

伴随着城市汽车保有量的不断增加，停车难问题己经成为发达国家以及大中型城市的普遍现象。

机械式立体车库起到充分利用土地资源，发挥空间优势，最大限度地停放车辆的作用，成为解决城市静态交通问题的重要途径。

本课题以比较典型的升降横移式立体车库为研究对象，综合分析立体车库的制造成本和运作效率这两方面。

本论文对国内外车库现状及发展趋势进行了调查和研究，决定选择三层两列式车库结构为研究对象。

对于本次设计的升降横移式立体车库，分为三大部分：

车库结构设计部分、传动机构设计部分和控制系统设计部分。

论文主要介绍了立体车库的主体结构和特点，对车库的控制系统进行简单的说明。

对车库进行受力分析时，由于车库的受力是一个复杂的力系，运用了有限元分析软件对车库钢结构强度以及传动结构钢强度进行综合的受力分析。

本文设计自动化立体车库的类型选用升降横移式立体车库，设计车位为24个，分为三层两列。

该车库优点是：

占地少、操作安全和便捷，低耗能。

关键词：

立体车库；自动化；钢结构强度；有限元软件

Abstract

Largescalethree-dimensionalgarageautomaticparkistorealizeallkindsofvehiclesandwarehousefacilitiesandreasonableinthepark.Withtheincreaseofcarownershipinthecity,parkingdifficultproblemhasbecomeacommonphenomenonindevelopedcountriesandlargeandmedium-sizedcity.Mechanicalstereogaragetomakefulluseoflandresources,useoftheadvantagesofspace,tomaximizetheroleofthevehiclepark,ithasbecomeanimportantwayforstatictrafficprobleminthecity.Inthispapertheup-downandtranslationstereogaragethetypicalastheobjectofstudy,Thesetwoaspectsofacomprehensiveanalysisofthemanufacturingcostandtheoperationefficiencyofstereogarage.

Currentsituationanddevelopmenttrendofthegarageathomeandabroadhascarriedontheinvestigationandstudy,decidedtochoosethethreelayertwoformulisticgaragestructureastheresearchobject.Fortheup-downandtranslationstereogaragethedesign,dividedintothreeparts:

thegaragestructuredesignpart,transmissionpartandthecontrolsystemdesign.Thispapermainlyintroducesthemainstructureandcharacteristicsofstereogarage,thegaragecontrolsystemforasimpledescription.Byanalyzingtheforceofthegarage,forthestressofthegarageisacomplicatedforcesystem,usingfiniteelementanalysissoftwareofsteelstructuregaragestrengthstructuralsteelstrengthanddrivingforcecomprehensiveanalysis.Theup-downandtranslationstereogaragethepaperdesigntheautomaticthree-dimensionalgarage,designofparkingspacesfor24,dividedintothreelayersoftwo,thegaragehastheadvantagesoflesslandoccupation,:

safeandconvenientoperation,lowenergyconsumption

Keywords：

stereogarage；automation,strength；steelstructure；finiteelementsoftware

第一章绪论

1.1选题的背景和意义

随着改革开放力度的增大，中国国民经济得到高速发展，各行各业的发展欣欣向荣。

不仅仅在技术方面得到国家政策的支持，在经济方面也是全球化。

伴随着中国GDP的快速发展，汽车行业得到迅猛的发展，汽车产业不仅促进了国民经济的增长，人民的生活质量也得到极大的丰富。

汽车对于我们来说，意义非凡，我们的生活能够得到提速，汽车的影响最为明显。

车辆的快速普及的同时也带来了众多问题，尤其是加大对城市交通和城市用地的压力，城市交通设施跟不上车辆的增加，导致大面积的动态交通堵塞。

城市交通拥挤及车辆停放问题早已成为各大城市急需解决的基本问题，尤其是在星级酒店、高级宾馆、大型娱乐场所或大型商场等车辆密集区，由于原有用地面积的限制无法扩大泊车空间。

据相关部门统计：

在上海地区，每天会有40多万辆汽车因没有专用车位而被迫停靠在马路两旁；而在北京地区每天也有90多万辆汽车“无家可归”，这些问题最终会阻碍到汽车产业的发展，甚至会影响到城市的发展速度和带来生活上的困惑，诸如塞车等。

目前，常见的停车位还是传统的平面式停车场和地下车库，这类停车位不仅占用大量土地面积，而且需要人工管理和行车通道，对于自动化立体车库而言，最突出的特点就是节省用地优势，传统的停车位不仅平均一辆车就占用了将近20多平方米的用地面积，而且还需要一定面积的行车通道，而立体车库则可以用一个车位的面积存放更多的车辆，立体车库的存放量取决与其层数和单层车位。

立体车库的控制系统可以采用全自动化控制，减少不必要的人员管理，降低成本同时提高运作效率。

立体车库可以实现人车分流，相对与传统停车场，立体车库更加有效的保护人身及车辆安全，使用计算机控制车辆停放位置，监控执行机构的安全运行，保证车库的安全运作。

立体车库的现实意义：

伴随着经济的飞速发展，加快了城市化的进程，然而随着城市化的发展，车辆增加是不可避免的，停车问题和交通问题也就随着而来。

为了更好的解决这问题，必须设计一种比传统停车场更加有效的解决停车难、占地多的问题，而立体车库可以很好的解决这些问题。

立体车库具备了节约用地、自动化控制，使用便捷、降低建设成本、安全可靠，降低环境污染等特点。

立体车库不仅解决城市化交通设施与车辆增长的不协调发展和城市用地的问题，而且解决停车难、违章停车、停车管理困难及交通拥挤等问题。

1.2立体车库国内外的发展前景和现状

立体车库的发展和出现，是在第二次汽车工业改革之后。

随着欧洲汽车工业的前所未有的繁荣和发展，欧洲出现了早期的立体车库。

立体车库在欧洲出现已经接近70年的历史。

对比于汽车工业的第三次变革，日本汽车工业发生了很大的改变，促进立体车库在日本的研究和发展。

发展至今天，立体车库在日本有40多年的发展历史。

和日本在不多同一时期发展立体车库的，韩国和台湾也出现了立体车库。

韩国和台湾立体车库发展晚于日本，但也有近40年历史。

仓储式立体车库技术最早出现在欧洲。

日本立体车库的技术模仿于欧洲，再加上日本是一个特别善于学习和借鉴其国家成功的民族，也因为日本地域狭小，所以塔式立体车库在日本取得了长足的发展。

自从改革开放以来，我国的汽车工业得到了很大的发展。

尤其是21世纪进入飞速发展时代。

我国在立体车库行业的研究和发展，相对于欧洲、日本、韩国等国家而言，起步比较晚，从第一台立体车库的诞生到现在，仅有近20多年历史。

在这20多年中，前期发展非常缓慢，直至1996年开始，我们国家的机械式立体车库等的停车设备，年销售、安装量都很低。

1.2.1立体车库在国内的发展：

图1-1国内立体车库

目前国内把机械式车库划分为八大类别：

升降横移式、垂直循环式、多层循环式、平面移动式、巷道堆垛式、水平循环式、垂直升降式、简易升降式。

上述各类机械式车库基于不同原理和技术，适用于各种不同场地，具备各自特点及优势。

1、升降横移式：

采用升降或横移载车板的方式存取停放车辆，车库模块化布置，车位可根据所要需求进行增加或减少，充分利用场地现有空间。

2、垂直循环式：

采用垂直方向做循环运动的方式存取停放车辆，该车库设备动力单一、控制简单、占地面积小，适用于小规模停车场。

3、多层循环式：

通过载车板上下循环运动，实现多层循环式存取停放车辆，适用于单个出入口且地形细长的场所。

4、平面移动式：

在同一层上用搬运车或起重机平面移动车辆，或者用载车板水平横移来存取停放车辆。

多用于较大型停车场。

5、巷道堆垛式：

采用以巷道堆垛机或桥式起重机将进到搬运器的车辆水平且垂直移动到存车位，并用存取机构存取车辆。

主要用于大型密集式停车场所。

6、水平循环式：

采用一个水平循环运动的方式存取停放车辆。

7、垂直升降式：

通过提升机的升降和装在提升机上的横移机构将车辆或载车板横移，从而存取停放车辆。

8、简易升降式：

主要分为上、下两层，借助升降机构存放上层车辆。

多用于家庭场所。

目前，我国的立体车库行业尚处在发展和推广中，由于城市发展比较早，没有规划好立体车库的发展，所以，在我国很难推行。

在生产制造上，存在的问题有：

没有统一的技术标准；很多产品都是仿照其他国家的，缺少专利和技术上的创新；国内的市场竞争比较恶劣，通过低价来抢占市场，这样就导致收入降低，企业无法投入更多的资金去研发，直接阻碍的立体车库的发展；国家的政策对立体车库产业很大，没有相关的政策引导，没有相关的技术的标准。

如果要解决上述的问题，国家需要出台相关的法律法规，引导市场的健康发展，通过引进人才和技术，促进产业革命性的改变。

1.2.2立体车库在国外的发展：

通过网上查询及市场调研了解到，机械式立体车库发源与20世纪20年代的美国，两层停车设备慢慢普及到普通家庭，在住宅空地上建起升降式立体车库；距离市中心较近的地区建造停车塔和停车楼；大型商务中心建造地下停车场；经过七十多年的不断发展，立体车库从外型、结构、控制、材料、驱动、保险等方面不断改善，日趋完善。

图1-2国外高容量的立体车库

目前世界停车产业朝着多元化的方向发展，立体车库所用到的技术几乎包含了当今机械、电气电子、电机驱动、液压气压驱动、光学、PLC等领域的先进技术和工艺。

在机械的方面上，由于结构材料的不断发展和研究，针对不同的使用功能，钢材料的生产也不一样，新型的钢材不但质优，而且能够让设备的刚度和强度得到提高，甚至让设备更轻巧美观。

1.2.3立体车库发展前景

无论是国内还是国外，立体车库都将成为成为智能化大厦、大型商场、住宅型小区等人群聚密集区域所不可缺少的一部分，这就对立体车库的要求很高了，车库设备的节能，设计，技术含量等，都将比现在更加优化和创新，这对立体车库的运行状态、车辆停放时间、车辆交费情况、车库库容量、车辆存放高、存取高低峰情况等信息数据进行统计和整理，通过数据库的控制中心对车库进行监控，由控制中心的对存取车的信息进行处理，未来的立体车库管理，将由控制室和维修师傅管理，全面实现智能化管理，提高生活质量。

在立体车库发展的带动下，未来对钢材的要求，将会要求材料具有比较好的韧性和强度，质量轻，耐腐蚀等的优点，将让相关的产业得到优化，促使立体车库在一个好的环境下得到发展。

1.3本章小结

通过本章可以了解到立体车库是一种朝阳型产业，它对加快城市化进程有着至关重要的作用。

相对于国外立体车库的研究，早在20世纪中后期就已经开始发展，我国的起步算是比较慢的，技术也相对落后。

而且车库建造费用总体上来说偏高，政策不够完善，这对于普通家庭来说，立体车库建造费用是昂贵且安全系数无法预计，导致国内立体车库的推广受到限制。

立体车库的类型很多，运用的场合也不一样。

有些用于大型停车场；有些用于商务中心地带；有些用于小区或者空地。

每种车库有各自的优缺点，针对于这些优缺点，有目的的选择适合需求的车库，这样才能更好的发挥立体车库的优点。

停车产业的良性发展，将会带动一系列行业的产生和发展，例如相关维护设备的生产，结构材料的优化等，除了能够高效的利用土地，还能够创造更多的工作岗位。

第二章立体车库结构材料的分析和简述

2.1立体车库结构材料的分析

这次的设计中，在结构上，有区别于传统的设计。

在现在的车库设计上，都是以钢结构和钢筋混凝土为主的，而我这次设计的，是以钢架结构为主，是因为钢架结构有以下的优点：

（1）可靠性高。

在进行设计时，一般是通过理论的计算和假设，而钢材的实际运用和理论计算的结果没有很大的误差，可靠性大；

（2）塑性和韧性好。

在实际的生产中，通过对生产工艺的控制，可以生产出满足需要的塑性和韧性较好的钢材；

（3）生产制造时间短，安装容易。

我国在生产钢铁这一方面，能力是居于世界第一的，所以，制造是很方便的，并且生产出来之后，可以直接运输至工地进行组装，提高生产效益，使设备能够快速的投入使用。

（4）具有很好的延性。

钢材的塑性变形能力相对比于其他材料的结构要好,故车库结构的安全性得到很大的提高。

（5）钢材是一种绿色可回收的材料,在建筑物拆除的时候,大部分材料可以进行回收利用。

一般的钢结构立体车库构件截面形式比较少。

2.2立体车库的简述

2.2.1立体车库的设计方案

本文主要设计符合小型住宅区的小型汽车的停放设备，通过前期的市场调查了解后，确定基本停车参数：

（1）轿车的车身长度：

3800mm~5000mm，车身宽度：

1600mm~1800mm，车身高度：

1400mm~1600mm。

（2）SUV的车身长度：

4600mm~5200mm，车身宽度：

1800~2000mm，车身高度：

1600mm~1800。

通过对数据的分析，以及跟据实际的使用情况，车库的车位设计尺寸为：

5200mm（长）×2200mm（宽）×2000mm（高），汽车的重量设定为1800KG，通过市场调研后，综合所调查的各类立体车库优缺点，结合课题的要求，选定以升降横移式立体车库为本文设计车库类型，该类型车库的特点是占地少，配置灵活，使用安全，存取车辆快捷。

2.2.2车库的运作介绍

本次设计的立体车库，尺寸按比例缩小10倍：

2200mm（长）×830mm（宽）×810mm（高）。

车库可以建在地上或者地下，车库整体结构骨架采用轻钢结构，对称布置受力均匀，既满足整体强度和稳定性要求，又降低整体重量。

这次设计的车库存取车只有一个点，车辆可以直接开进车库或者倒行入库。

对比许多的立体车库，其汽车运输机都是需要旋转之后才能定位好指定的车位，本次设计的汽车运输机不需要通过旋转，如下如图2-1所示，图2-2为旋转汽车运输机，可以比较出所占地面积的差异：

图2-1本次设计的汽车运输机图2-2现有的汽车运输机

图2-3两种汽车运输机所占的面积

从图2-3中可以比较得出，在两个汽车运输机的长度是一样的情况下，为5.5m.第一个矩形，图3左侧图形为本次设计汽车运输机的形状尺寸，其面积为：

S=2.5×5.5=13.75㎡，第二个圆形，图3右侧图形为现有立体车库汽车运输机的形状尺寸，其面积为S1=π×2.75

=23.76㎡，对比可以出，本次设计的优点是，没有换向设备，优化占地面积小，结构不复杂，同时降低建造经费，减少部分控制设备；缺点是，由于存取车只有一个点，在存取车辆高峰期时会增加等待存取车的时间。

以下展示的是立体车库的主要结构：

车库主体：

如图2-4所示，本次设计的车库共分为两列三层，每个车位都停放着一块空闲的载车板，现展示出来的车库只有一半的车位，并且每个车位的载车板没有呈现出来，目的是为了更好的进行演示车库如何运作的。

图2-4车库的三维模型图

载车板：

如图2-5所示，载车板用作停放汽车

图2-5载车板

汽车运输机：

如图2-6所示为汽车运输机，当用户把车开进汽车运输机后，待客人离开，在系统的控制下，运输机运行到指定的位置停稳。

其优点是，不需要通过旋转即可把汽车运输至指定的位置，占地面积相对小。

图2-6汽车运输机

汽车载板托架：

图2-7为汽车载板托架，图2-8为托架与汽车运输机导轨配合，由系统控制托架做垂直往返运动。

图2-7载车板托架图2-8与汽车运输机配合

汽车运输机上的导轨：

图2-9为汽车运输机上的导轨，图2-10是导轨与汽车运输机配合后的状态，导轨由系统控制，在汽车运输机上沿着导轨做往返运动。

图2-9汽车运输机上可运动导轨图2-10导轨与汽车运输机配合

套筒：

图2-11为套筒，图2-12为套筒与汽车运输机上的导轨配合后的状态，套筒在系统的控制下，沿着导轨能够垂直运动。

图2-11套筒图2-12套筒与导轨配合

可旋转托架：

图2-13为可旋转托架，图2-14为可旋转托架与套筒配合后的状态，跟据客户的IC卡信息，在系统的控制下，能够旋转至合适的方向，托起汽车载板。

每次调整方向之后，系统将可旋转托架锁死，防止可旋转托架在工作状态时旋转。

图2-13可旋转托架图2-14与套筒配合

本次设计的车库为两列三层24个车位的设计，如图2-15所示：

图2-15车库三维视图

注：

为了更好的展示出车库的演示，所有的图片将只出现一列车位！

客人在存取车的流程：

开车到车库门口，把汽车开入指定的位置，如图2-16所示：

图2-16汽车入库演示

把汽车开入指定的车位，停稳汽车后离开车库，通过刷IC卡，系统开始识别预定的车位。

系统识别IC卡的信息后，控制汽车运输机运行到制定的位置：

如图2-17所示：

图2-17汽车运输机在系统控制下运行到指定位置

通过系统的识别控制，汽车运输机准确的停在预定的位置，接下来，系统控制升降台的上升，把汽车提升到指定的车位，并准确的停稳，如图2-18所示：

图2-18将汽车提升到指定的车位

可旋转托架运行到指定的高度后，缓慢将汽车载板连同汽车一起升起一定的距离，如图2-19所示，可旋转托架沿着导轨垂直上升：

图2-19可旋转托架上升到指定的距离

如图2-20所示，托架与汽车载板接触后，将汽车载板和汽车一同被托起：

图2-20可旋转托架将汽车托起

如图2-21所示，在系统的控制下，导轨沿着汽车运输机上的轨道运行，运行一定的距离后，导轨停止运行，旋转托架沿着导轨垂直缓慢下降，当汽车载板和车库配合后，载板与旋转托架分离，通过预定设计好的配合误差，汽车载板与车库车位能够配合在一起，在完成汽车的存放后，汽车运输机以及旋转托架等机构在系统的控制下回到原来静止状态。

图2-21将汽车放进车库

在一次动作结束后，如图2-22所示，汽车运输机以及旋转托架等机构恢复零状态：

图2-22车库恢复零状态

以上所展示的流程是车库一侧车位存车的流程，当客人的车位是在另一侧时，车库的结构会出现变化，变化的位置主要发生在汽车运输机上的旋转托架，以及导轨会在系统的控制下运行到汽车运输机的另外一侧，由图2-23的状态转换成图2-24的状态：

图2-23转换状态图2-24调整位置方向

当运输机上的结构调整好之后，车库的运行流程是一样的。

综上所述是客人在存车时，车库的运作流程。

在客人取车的时，客人到达我们的车库取车点后，只需要刷一下IC卡，系统即会控制汽车运输机运行到指定的位置，再由导轨和旋转托架共同托起汽车载板和汽车后，运行进汽车运输机内，最后由汽车运输机把汽车运输到指定的位置，让客人把汽车开出，这样就可以完成汽车的存取。

2.3本章小结

本章涉及到的内容主要有：

立体车库的设计方案的确定，对车库主要的结构进行解析，对车库的运作流程进行演示。

综合调研到的相关资料，本次设计一款适合于小区家庭或者大型商场以及空地自建的升降横移式立体车库，这次设计的车库库存量为二十四辆车，可根据实际的使用面积进行扩建或者缩建，能很好的适应不同的土地面积。

由此可见，该车库的土地使用很高效的，存取汽车的出入口在同一位置，减少出入口的占地面积，由于只有一个出入口，遇到存取车辆高峰期时，可能会出现排队取车的情况，因此，如果投入使用，必须对每天存取车的时间段进行分析，给客人一些存取车的建议，避免浪费客户在存取车时的时间。

本次设计车库，主要是使用三维软件solidworks，包括建模，装配和出图。

通过对车库的机械结构设计，更了解车库的运行原理及所需要的结构的零部件，提高了使用软件的熟练度，针对特殊的机构使用非标零部件，来满足设计要求。

第三章立体车库结构的校核

本次设计的立体车库，结构材料设计为钢材，在经行结构校核时，主要是对车库钢结构强度的校核，包括车库在不同的状态下的受力情况。

车库的钢材料结构主要是起到承载车辆的作用，汽车运输机在进行汽车运输时，汽车以及载车板对汽车运输机的影响；在运输机到达预定的位置后，套筒和可旋转托架在导轨上的垂直运动，对导轨的影响。

所以，对钢材料结构进行合理的分析以及优化是很重要的。

由于车库的受力情况复杂，很难为其受力情况建立合适的基本方程公式。

需要对车库与其他建筑物隔离单独进行受力分析，忽略温差引起的热应力，假设钢材结构在焊接时，没有发生变形以及产生缺陷。

运用有限元分析软件ANSYS对钢材结构进行分析，有限元分析软件的特点是，能够把需要进行受力分析的结构分割成由有限个单元组成的集合体，每个单元之间仅在节点处连接，单元之间的载荷也是在点之间传递，受力分析的过程都在这个集合体上进行，本次设计的立体车库钢材结构骨架主要是由一些型钢焊接而成，在进行单元划分时比较容易，划分之后结构都是呈现网状的结构，以连接点为节点的三维立体图形。

3.1立体车库整体结构的校核

对车库的进行受力分析时，主要集中在支撑杆上，尤其是支撑杆的下端，另外还有载板的托架，简化车库的一些结构，方便对结构骨架进行网格化。

钢结构受到的力，主要是刚才自身的重力，架构之间配合的力，以及汽车停放在车位的时候，对车库结构施加的压力，这个压力是我们要着重分析的。

如图3-1所示，我们现在把车库切成四分之一进行受力分析：

图3-1车位简图

把四分之一的车库三维模型导入ANSYS软件，进行网格化分析，如图3-2所示，每个单元之间仅以点连接，所以，在进行分析的时候，载荷是在点与点之间传递的，

图3-2车库网格化

在进行网格化