本科毕业设计立体车库的机械系统设计.docx
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本科毕业设计立体车库的机械系统设计
本科毕业设计
题目立体车库的机械系统设计
专业机械设计制造及其自动化
作者姓名
学号
单位机械与工程学院
指导教师
2015年5月
教务处编
原创性声明
本人郑重声明：
所提交的学位论文是本人在导师指导下，独立进行研究取得的成果。
除文中已经注明引用的内容外，论文中不含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得聊城大学或其他教育机构的学位证书而使用过的材料。
对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。
本人承担本声明的相应责任。
学位论文作者签名：
日期
指导教师签名：
日期
摘要
随着我国国民经济的快速发展，汽车越来越多地进入普通家庭，使得我国城市停车难问题日益加剧。
机械式立体车库占地少、布局灵活、高效节能，成为目前解决停车难问题的重要方式之一，其中以升降横移式立体车库应用最为广泛。
本文结合实际情况，对两层升降横移式立体车库进行结构设计，给出工程项目施工的全部技术资料。
立体车库的结构设计包括车库主体框架、传动系统、载车板以及安全防坠落装置。
首先，根据车库施工现场场地限制与车库设计要求确定车库主体框架和载车板的结构形式与总体尺寸；设计主传动系统、横移传动机构和安全防坠落装置的结构，并对主传动轴进行设计和强度校核。
其次，采用有限元技术对车库主体框架钢结构进行不同工况条件下的稳定性分析。
关键词：
立体车库升降横移式结构设计有限元分析
I
Abstract
Withthedevelopmentofthenationaleconomyinourcountry,moreandmorehouseholdpassengervehiclesareenteringthecommonfamilies，whichaggravatetheparkingproblems.Mechanicalstereogaragehasmanyadvantages，forexample，highspaceutilizationandenergyconservation．Itbecomesthefirstchoiceforsolvingtheproblemsofhardparking．Especially,lift—slidingtypestereogarageisthemostwidelyused．
Combinedwithspecificengineering，themaincontentsinthispaperareasfollows：
Firstly,structuredesignofthetwo·-layerlift·-slidingtypestereogaragewasfinished.SOassemblingtypeloadingPalletisfiniteelementanalysiswascompletedanditsstressanddeformationwereobtainedinthispaper,whichprovidedreferenceandbasisforassemblingtypeloadingpalletisstructuredesignandimprovement．
KEYWORDS；lift—slidingtype；structuredesign；finiteelementanalysis（FEA）
II
立体车库的机械系统设计
1绪论
1．1课题研究的背景和意义
1．1．1论文研究的背景
随着汽车数量的激增，我国城市交通压力大大增加，迫切需要新建、扩建和改建相应的城市道路、交通管理设施以及各类停车设施。
据有关方面统计，截止2008年统计，我国生产汽车934．5万辆，同比增长5．2％，我国国内汽车销量为938．05万辆，同比增长6.7％。
由于汽车数的增长远远高于停车位的增长，我国每年停车位的缺口高达300多万个，城市停车位远远不能满足需要。
当前我国的汽车与车位数量之比约为5：
1，而正常的平衡比例应当是1：
1．2，差距很大，需要大量增加停车位，在城市土地资源紧缺的情况下通过地面增加车位己难以满足要求【1】
通常国内外解决停车难的问题有以下办法：
广场型停车场、路边停车区、地下停车场、机械式立体车库。
在寸土寸金的城市中心不可能浪费大面积土地来用于泊车辆的广场型停车场或者路边停车区；地下停车场存在着施工周期长及造价较高的局限性。
机械式立体车库具有空间利用率高，节省城市土地资源；造价低、施工期短；出入库时间短、管理、使用简便快捷、安全可靠：
节能和保护环境等优点。
同时机械式立体车库还可以充分发挥占地少，化整为零，模块组合等的优势，在住宅区的每个组、单元或每栋楼下都可以随机建立立体车库，实现停车数量大幅增多的目的，这对眼下车库短缺的小区或者商用写字楼等解决停车难问题提供了解决办法。
因此，机械式立体车库具有广阔的应用前景。
【2】
1．1．2本文研究意义
立体车库在我国还是新兴产业，具有广阔的发展前景，国家经贸委将“城市立体车库”列为“近期行业技术发展重点”。
然而目前我国立体车库行业的行业标准未能完善统一：
许多立体车库生产厂家以仿制为主，自主开发能力弱，缺乏自
主知识产权；对立体车库的系统理论研究较少，特别是对立体车库的主体框架钢结构精确理论计算和结构的优化设计较少，不能深化产业。
通过有限元技术可以节约设计成本和制造费用，快速响应市场需求，增强企业的市场的竞争力，深化我国的立体车库行业的产业结构。
从机械式立体车库的类型看，应用较多的是升降横移类，占总量的83％，其所占比升降横移式立体车库结音白设计与有限元分析。
【3】
随着机械式立体车库的发展还会继续上升。
所以本文在升降横移式立体车库结构设计的基础上，深入地对升降横移式立体车库的主体框架与载车板进行有限元分析是十分必要、迫切且有意义的。
1．2机械式立体车库国内外发展与现状
机械式立体车库经过几十年的发展，已由初期的半自动化控制方式发展到全自动化的控制方式；机械结构也发展到了模块化设计，便于组合、拆卸；使用材料和工艺也都有了突飞猛进的发展。
如今，立体车库在西欧、东南亚、韩国、日本都得到了广泛的应用，形成了一个包括制造、安装、使用和维修的行业体烈。
1．2．1国外研究现状
机械式立体车库在国外经济发达国家和地区如日本、德国、韩国都已有数十年的发展历史。
尤其是日本，由于土地资源缺乏，人口密度高，其机械式立体车库发展起步早、种类齐全、技术水平及开发经验丰富，现已经发展成有数十个品种的大家族，它可以据现场条件和使用者的要求选用机型，己经是比较成熟的产品。
日本在立体车库的技术研究与开发、制造、管理等方面的水平都处于领先地位，所建成的立体停车场的数量和其容车量也居于世界前列。
【4】日本的优势主要在多层升降横移类、垂直升降类、水平循环类、垂直循环类、简易升降类等产品
上。
图1国外高容量的立体车库
1．2．2国内研究现状
我国机械停车设备技术发展经过了三个阶段，第一个阶段为20世纪80年代的自主开发阶段，此阶段生产企业根据客户要求，自行开发设计，因此种类较少，技术单一；第二阶段为90年代的技术引进阶段，国内外许多企业都开始看好中国的停车行业，出现了许多合资企业，或是引进国外的技术，利用廉价的生产成本与国外的成熟技术结合参与停车行业的竞争；第三阶段就是2003年以后的消化与创新阶段，各企业为增强自身的竞争力，开始对引进的技术，进行充分的消化分
析，并根据国内的实际使用情况进行改造与创新，走上自主开发的道路。
经过几个阶段的发展，我国已经形成了新兴的停车设备行业。
【4】
图2在我国广泛使用的升降横移式立体车库
2升降横移式立体车库结构设计
2．1升降横移式立体车库结构
升降横移式立体车库采用模块化设计，车位数从几个到上百个均可采用，能利用多种场地条件，运用多种组合方式，有效利用场地现有空间，也能广泛使用于地下停车场及地面停车场的改造。
升降横移式立体车库主要应用在住宅社区的公用停车场、机关单位、商用写字楼、宾馆饭店的地上、地下停车场。
所以本文结合实际工程项目需要，选择升降横移式立体车库为研究对象。
2．1．1升降横移式立体车库结构形式
升降横移式立体车库主框架由根据同的结构形式可以分为三种形式：
单柱形式（图3）；跨梁形式（图4）；后悬臂形式（图5）。
下图为升降横移式立体车库主框架的三种典型形式。
图3单柱形式
图4跨梁形式
图5后悬形式
单柱型式结构紧凑，安装、搬运方便，给驾驶员一种导正的作用，若装有平衡装置在升降过程中有全程平衡保护，但对于车辆入库不方便。
跨梁形式对进出车辆较方便，结构较简单，便于驾驶员驾车进入车库。
后悬臂形式无前柱，对汽车进出载车板较方便，但因主框架在后侧，稳定性较差，且一般不能做重列式。
根据前述对升降横移式立体车库的典型形式分析，本文研究的立体车库选用跨梁形式升降横移式立体车库。
【5】
2.1.2车库主体钢结构设计
机械式立体车库的主体框架主要采用各种型材焊接加工成型作为承重结构。
钢结构构件大多为轧制型材，可直接用来加工成结构物，且安装方便，可将工厂加工好的构件运到施工场地，在工地拼装。
本文研究的两层升降横移类机械式立体车库主体框架结构全部为铜结构组件。
立柱与横梁都采用H型钢，传动系统采用无缝钢管与圆钢，钢板主要用于载车板及横梁、立柱的加强肋板。
立柱通过膨胀螺栓与地面基础相连．立柱与横梁之问通过高强度螺栓连接成整体结构。
车库主体框架承担着整个车库的自重和全部车辆载荷重量，其自身的重量、稳定性和可靠性对整个车库成本和安全性有着重要的影响。
车库主体框架在加载条件下的变形直接影响到链传动系统能否正常运行。
本立体车库所适用的车型的外形尺寸：
汽车长×车宽×车高为5000×1850×1550mm，另外还要考虑到安装安全检测设备（即检删汽车长度是否超出停车库设计要求的检测器）和横移栽车板的电机安装位置，因此，本立体车库前后立柱中心的距离定为5450mm，纵粱长度也为5450mm；为方便人进出和安全必须保证第层停车的空问不低于1800mm．所以前立柱的高度为2100mm，后立柱在前立柱的高度E增加前横粱、纵粱以及后横梁等的高度，所以选取后立柱的高度尺寸为2840mm：
一个车位的宽为2400mm，后横粱的长度为考虑安装方便取2380mm，前横梁的长度为：
2400×3+150=7350mm。
经过胡步计算，钢架立柱采用宽翼缘型150×150的热轧H型钢。
安装承载链条传
动系统的纵梁受力较复杂，采用宽翼缘型200X150的热轧H型钢；前横梁跨越三个车位，长度较长且承载三辆车的载荷，所以选用宽翼缘型300×150的热轧H型钢：
至于后横梁则选用宽巽缘型125×125的热轧H型钢。
立柱与横粱之间通过高强度螺栓连接成框架。
纵梁与后立柱的螺栓联结为整个车库中最危险且最关键的联结部位。
对载荷进行
简化，而根据文献关于螺栓组的计算如下：
式中：
F
--------螺栓预紧力；
--------防滑系数；取1.2；
F--------实际总载荷车库极限载荷取14．4KN；
f--------接合面摩擦系数，取0．4；
i--------接合面数，取l；
Z--------螺栓数目，取4；
将数据代入下式得：
=
故取最小预紧力尼为10．8KN。
螺栓强度校核公式见式：
其中：
----------计算应力；
----------螺栓预紧力；
----------螺栓直径，取16mm；
----------许用应力，采用高强度螺栓，去125MPa；
代入上式的：
=
所以螺栓连接满足要求。
2．2传动系统设计
机械式立体车库常采用的传动牵引系统有钢丝传动系统，链条传动系统，液压传动系统等。
钢丝绳牵引的整体稳定性不好，传动速度越大，稳定性就愈差。
而液压传动的液压油受温度的影响较大，冬夏的压力和流量相差甚远，提升速度和重量的过大变化会使得液压传动的立体车库性能不稳定。
所以，机械式立体车库目前大多数采用链传动为提升和横移系统，其优点是可以保证准确的传动比，传动结构紧凑，运行平稳，本文选用链条传动作为车库的传动系统。
2．2．1提升电机的选择
根据车库使用者要求，本文设计的升降横移式立体车库提升时间不超过26秒，设计取提升时间为22秒，提升载车板与横移载车板之间的净空垂直距离不得少于1.8m，即提升的位移为1.8m，所以可以计算出提升速度v约为0.08m／s。
预估载车板重量约为0.5吨重，停车重量取1.7吨重，合计提升电机需提升的总重约为2.2吨，即2.2×104N。
故电机提升功率P按下式计算。
根据各立体车库专用电机的型号，选用台湾的东力电机股份有限公司的立体车库专用电机PL40—2200-40型号电机为主传动系统的提升电机。
该电机的输出功率为2．2kw，输出扭矩为53Kg／m，输出转速为37．5rpm。
在润滑良好状况下，各传动构件之间的摩擦小，车库传动系统为低速传动，电机每天运行的时间很短，仅在车辆入库或者出库时启动，所选用电机具有一定过载能力，故所选电机能够满足要求。
2．2．2提升链条链轮的选择及计算
图6为升降横移式立体车库的升降传动（主传动系统）工作原理图。
图中1为安装在提升电机轴上的传动链轮，链轮2、3焊接在同一传动轴上，链轮4、7分安装在车库的后立柱与纵梁上，用作载车板提升链条的支撑链轮。
提升电机运转时，通过链轮l、链条和链轮2带动主传动轴转动，主传动轴带动焊接在轴上的链轮3转动，链轮3带动链条运动，从而实现载车板升降。
链轮4、7仅在升降过程中起支撑点的作用。
图6
1．电机链轮2．主传动轴大链轮3．主传动轴小链轮4．后起吊链轮5．载车板
6．链条7．前起吊链轮
链传动根据链速可分为：
中高速链传动，链速v≥0．6m／s；低速链传动，链速v<0．6m／s。
根据2．2．1节中可知升降横移式立体车库链条运行速度远远低于0．6m／s，属于低速链传动。
由资料可知低速链传动与中高速链传动设计有着很大的区别。
对于低速链传动，因抗拉静力强度不够而破坏的几率很大，设计时在结构允许的条件下，应尽量取较大的链轮直径以减小链条拉力。
必须保证小链轮与链条同时啮合的齿数大于3～5。
故常按下式进行抗拉静力强度计算：
式中[6]：
————链的抗拉静力强度的计算安全系数：
————单排链的极限拉伸载荷（KN）；
————工作情况系数；
————链条排数；
————链的有效拉力；
————离心力引起的拉力，忽略不计；
————链条单位长度的重量（
）；
————链速
；
————垂度系数；
————悬垂拉力（N）；
————许用安全系数，一般4—8，取最小值。
由电机轴上小链轮转速17，与电机功率尼，根据文献[6]可选择传动链条为16A，其节距P为25。
4mm，单排极限承载为55．6KN。
按式进行抗拉静力强度计算，根据文献[6]相关图、表可得到链条抗拉静力强度计算所需参数，计算结果如下：
由于升降横移式立体车库的结构特殊，考虑电机的安装位置及受力情况，采用两级链条传动，图6中链轮1、2是第一级传动，链轮3、4和3、7是第二级传动。
立体车库传动为低速链传动，小链轮齿数可少于17，但不能小于9。
设计时在结构允许的条件下，应尽量取较大的链轮直径以减小链条拉力。
根据表1选择链轮齿数：
链速与齿数关系表1
链速v
<0.6
0.6—3
3—8
>8
Z1
13
15—17
19—21
>23—25
参考表1及兼顾提升链轮传动的空间尺寸，链轮4、7的齿数取13齿。
链轮3从成本及安装方便出发可取13齿，在分析链轮3的受力条件后，必需保证链条同时与链轮啮合的齿数大于3—5，所以链轮3齿数取15齿，这样保证链轮3有5个齿与链条啮合。
由提升链速可得出链轮4、7的转速为14．42rpm，整个立体车库的传动比
，推荐的链传动比为2—3．5。
所以本文中的机械式
立体车库的传动比i为2．6符合要求。
为保证链轮2同样有5个齿与链条啮合，电机轴上的小链轮齿数取14齿，根据传动比为2．6确定链轮2的齿数为42齿，至此提升传动系统确定。
2.3立体车库升降横移机构设计
2.3.1横移机构设计
横移机构是机械式三维立体车库中升降台沿巷道的方向运动从而到达指定车库的列的一种机构。
一般为采用双轨道进行导向，对于较高的横移机构也有采用单导轨，顶部导正的运动导向方法。
本文横移机构采用如下图示的结构形式，底部采用双导轨，项部两侧再加导正轮。
可保证横移机构在负重的时候能顺利的实现横向快速移动，如下图7、图8所示。
图7图8
2.3.2载车板设计
立体车库的载车板按结构形式有整体式和拼装式两种。
整体式载车板采用具有防滑作用的花纹钢板整体冲压焊接而成，另外用不同厚度普通钢板做加强筋，然后整体镀锌防锈。
拼装式载车板使用普通铜板折弯成边梁，停车面使用的是立体车库专用的波浪板，泼波浪板采用镀锌钢板冲压或滚压成型，采用相互咬合拼装成载车板，用螺栓紧固连接，拼装前先对组件进行各类表面处理，使载车板轻巧、美观，拼装式载车板运输方便、通用性互换性好，还有理想的刚度，这种结构形式非常适合批量生产。
【7】【8】
本文所设计的立体车库采用拼装式载车板，升降载车板和横移载车板的主体结构由边粱、波浪板、及连接横梁组成。
横移载车板同框架、主传动系统没有直接关联，其横移运动通过安装在横移载车板边梁上的横移电机实现。
如图9所示，横移电机的转动通过链轮链条传递到横移传动轴，从而带动横移主轴上的两个滚轮滚动，实现横移载车板的横移运动。
图9横移载车板示意图
1.后滚轮2.链轮链条3.横移传动条4.横移电机5.边梁6.前滚轮
2.3.3安全防护机构
由于汽车具有较高价值性，所以立体车库的安全性非常重要，车库设计多道安全和防护措施以加强车库的安全性。
虽然车库链条的安全性很大，但车库还设计了安全防坠落装置来预防链条断裂和载车板倾斜致使车辆坠落的后果。
【9】
安全防坠落装置采用挂钩形式，驱动方式电磁驱动。
下图10是装置图；
图10
1.载车板边梁2.防坠落吊环3.电磁驱动安全吊环4.连接吊杆5.自制安全吊杆
3立体车库钢结构框架分析
3．1有限元分析方法概述
有限元法基本思想是将连续的几何结构离散成有限个单元，并在每个单元中设定有限个节点，从而将连续体看作仅在节点处相连接的一组单元的集合体，同时选定场函数的节点值做为基本未知量，并在每一个单元中假设一近似插值函数以表示单元中场函数的分布规律，建立用于求解节点未知量的有限元方程组，从而将一个连续域中无限自由度问题化为离散域中的有限自由度问题，求解得到节点值后就可以通过设定的插值函数值确定单元上以致整个集合体上的场函数。
采用进行有限元软件分析时，有限元模型的建立方法可分为直接法和间接法（也称实体建模）。
直接法为直接根据结构的几何外形建立节点和元素；间接法通过点、线、面、体积，建立有限元模型，再进行实体网格划分。
实体建模有两种方式。
一种方式是自底向上建模，由点到线、由线定义面或体，以及由面定义体，从低级别到高级别元素逐步创建任意不规则实体模型。
另一种方式是自顶向下的方式进行实体建模，直接定义高级别的规则实体元素，程序自动创建属于这些实体元素的特征面、线和关键点。
【10】【11】
3．1．1有限单元法分析基本步骤
有限元方法按照节点基本未知数可分为位移法、应力法和混合法。
当前工程析中应用较广的是位移法。
在位移法中，假定节点位移作为问题的未知量，通常选取多项式函数近似地表达单元体内位移分量的分布，这一通过节点位移表达单元内部位移规律的函数称为插值函数，不同单元形式可以有不同类型插值函数有了插值函数，即可利用变分原理建立元刚度矩阵，描述单元节点力向量和节点位移向量之问的关系。
有限元分析计算的思路与做法可归纳如下步骤。
（1）结构离散化
将工程结构离散为由各种单元组成的计算模型，离散后单元与单元之间通过单元间的节点相互连接起来。
（2）单元特性分析
单元特性分析包括有选择位移模式、分析单元的力学性质以及计算等效节点力。
在有限元法中选择单元的节点位移作为基本未知量称为位移法，位移法把单元中的一些物理量如应变和应力用节点的位移函数来表示。
（3）整体分析
（1）、根据节点平衡方程，建立以整体刚度矩阵
为系数的，整体节点位移
和外载
的关系式：
总体平衡方程
（2）、考虑外载及几何边界条件，求解总体平衡方程，得到基本未知量（节点位移）的值。
最后计算并整理所要求的结果。
【12】
3．2立体车库主体框架结构建模及受力分析
3．2．1车库主体框架几何模型的建立
由于车库的实际受力情况复杂，直接对车库实际结构使用传统的结构分析方法进行分析比较困难。
在对车库进行结构分析时为便于建模计算和保证计算精度符合要求，必须对车库结构系统进行合理的简化和必要假设，使受力情况及有限元模型尽量符合车库的实际情况，以保证对车库进行较精确的计算。
3．2．2车库主体结构力学分析及简化
立体车库主体框架受力主要包括：
主体框架自重，停车位上的车辆与载车板总重；驱动装置的重力；整体结构所受的风力、地震载荷以及结构由于外界环境温度变化而引起的温度应力等，它们均以集中载荷或分布载荷的方式作用在车库主体框架上。
在对立体车库进行分析时必须进行适当的简化和假设，因此对车库模型进行受力分析时作如下简化和假设：
（1）忽略车库不同面温差引起的热应力；
（2）本车库为两层低层车库，在静态环境里，地震载荷与风载荷作用忽略不计。
【13】
立体车库纵向、横向的梁与立柱组成空间框架，框架结构中的梁、柱符合压弯构件的设计，应满足强度和刚度要求。
空间框架结构的横梁和立柱之间连接相互影响，分析时应根据空间立体框架来计算强度、刚度和整体稳定。
图11框架模型简化及受力示意图
如图11所示，对立体车库各立柱与基础连接处进行全约束处理，即立柱与基础自由度一致，限制所有方向的位移与转动，立体车库停车后的载荷施加在模型简化图中的起吊点处。
分析计算时，将汽车的重量按6：
4分配到前轴和后轴以同样的比例分配到车库主体框架的前后起吊点处，即主体框架纵梁上靠近前横梁处的前起吊点作用力为载荷的0．3倍，而位于后立柱上的后起吊点的作用力为载荷的O．2倍。
图中所标示的F仅表示该点有竖直向下的载荷，并不表示主框架上的受力点的载荷是一样大小。
3.2.4立体车库的载荷工况
在分析车库主体钢结构框架的受力条件及对车库受力进行简化后，确定载荷工况条件。
下图10与表2用于说明各种工况的情况。
图中的4、5车辆的载荷由地面导轨承载，与钢结构框架承重无关；1、2、3车辆的重量载荷则完全由车库主体框架承担。
图10计算工况示意图
工况
说明
计算载荷
工况l空载l、2、3车位均无停车框架、1、2、3车位载车板重量之和
工况2偏载l车位停车框架、
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