三层三列式升降横移式立体车库设计

摘要
在对国内外车库现状及发展趋势做了充分调研的基础上,以较为典型的升降横移式立体车库为研究对象，选择三层三列式车库结构作为研究模型。

综合考虑立体车库制造成本和运行安全的双重因素。

简单介绍了车库的主体结构和特点，对车库的控制系统也作了简单的说明，依据升降横移式立体车库的运行原理，运用机械设计相关知识进行了一系列传动方案的设计，包括提升系统的传动设计，横移系统的传动设计，还运用力学理论对升降横移式立体车库的结构进行了力学分析，包括升降横移式立体车库的框架结构的强度、横移传动系统中轴的强度和升降传动系统中轴的强度等。

为了使停车设备满足使用要求，根据国家关于机械式停车设备通用安全要求的标准、升降横移式立体车库的实际，在升降横移式立体车库中使用了一些必要的安全技术，这样保证了车辆的绝对安全，使得整个车库可以安全平稳的运行。

关键词：立体停车库；升降横移式立体车库；钢结构；安全措施
Abstract
In the domestic and international current situation and trend of development for garage. Based on sufficient investigation, to choose a more typical of up-down and translation stereo garage as the research object, to choose the three layer three row type garage structure as research model. Considering the three-dimensional garage manufacturing cost and operation safety of the double factors.
Briefly introduces the main structure and characteristics of the garage, the garage control system are briefly described, based on the up-down and translation stereo garage operation principle, use of mechanical design knowledge are a series of transmission scheme design, including the upgrading of the transmission system design, shifting the transmission system design, also according to the theory of mechanics up-down and translation stereo garage structure mechanical analysis is carried out, including up-down and translation stereo garage frame structure strength, shifting transmission system axial strength and axial strength of lifting transmission system. In order to make parking equipment to meet the use requirements, according to the country about mechanical parking equipment General requirements for safety standards, up-down and translation stereo garage is actual, in the up-down and translation stereo garage to use some safety technique, so as to ensure the absolute safety of the vehicle, the garage can be safe and steady operation.
Keywords: stereo parking garage; up-down and translation stereo garage; steel structure; safety measures
目录
摘要 (I)
Abstract (II)
第1章绪论 (1)
1.1 课题来源与背景 (1)
1.2 机械式立体停车库发展概况 (1)
1.3 立体停车库分类及优点 (2)
1.4 研究升降横移式立体停车库的意义 (5)
1.5 升降横移式车库的工作原理 (5)
1.6 升降横移式库机械部分部件结构和功能 (6)
第2章方案总体设计 (8)
2.1 方案总体设计 (8)
2.2 传动方案的设计 (8)
2.3 传动方案的选择 (10)
第3章主框架部分 (11)
3.1 钢结构形式的选择 (11)
3.2 钢结构部分材料的选择 (11)
第4章升降传动系统设计 (12)
4.1 升降电动机的选择 (13)
4.2 升降链传动的设计 (14)
4.3 升降轴的设计 (16)
4.4 联轴器及键的选择 (18)
4.5 轴承的选择 (18)
4.6 钢丝绳和滑轮的选用 (19)
4.7 卷筒的设计 (19)
4.8 升降轴的强度校核 (20)
第5章横移传动系统设计 (22)
5.1 横移电动机的选择 (22)
5.2 横移链传动的设计 (23)
5.3 横移传动轴A的设计 (25)
5.4 联轴器及键的选择 (27)
5.5 轴承的选择与计算 (28)
5.6 横移车轮与导轨的选择 (28)
第6章安全防护措施 (30)
6.1 防坠落装置设计 (30)
6.2 其他防护措施 (30)
第7章车库的控制系统 (32)
结论 (34)
致谢 (35)
参考文献 (36)
CONTENTS
Abstract (I)
Chapter 1 Introduction (1)
1.1 Topic origin and background (1)
1.2 Mechanical parking development (1)
1.3 Parking classification and advantages (2)
1.4 Studies of up-down and translation stereo garage meaning (5)
1.5 Lifting cross-sliding type garage principle of work (5)
1.6 Lifting cross-sliding type garage mechanical parts structure and function . 6 Chapter 2 The whole scheme design (8)
2.1 The general design of the schemes (8)
2.2 Transmission scheme design (8)
2.3 The choice of transmission (10)
Chapter 3 Steel structure material selection (11)
3.1 Steel structure form selection (11)
3.2 Steel structure material selection (11)
Chapter 4 Lifting transmission system design (12)
4.1 Lifting motor selection (13)
4.2 Lifting chain transmission design (14)
4.3 Lift shaft design (16)
4.4 Coupling and key selection (18)
4.5 Bearing selection (18)
4.6 Wire rope and pulley selection (19)
4.7 Reel design (19)
4.8 Lift shaft strength analysis (20)
Chapter 5 Transverse transmission system design (22)
5.1 Traverse motor selection (22)
5.2 Traverse chain transmission design (23)
5.3 Transverse shaft A design (25)
5.4 Coupling and key selection (27)
5.5 Bearing selection and calculation (28)
5.6 Traverse wheel and track selection (28)
Chapter 6 Security protection measures (30)
6.1 Anti-dropping device design (30)
6.2 Other protective measures (30)
Chapter 7 Control system (32)
Conclusions (34)
Thanks (35)
Reference (36)
第1章绪论
1.1 课题来源与背景
近几年来，随着汽车工业和建筑业两大支柱产业的快速发展，在一些大、中城市相继出现了停车难和乱停车的现象。

在解决城市停车难的问题中，欧美国家和亚洲国家采取的措施有所不同。

但立体化停车是各个国家都积极采取的措施，尤其是全自动化的机械式立体停车库，在很多国家和地区都得到了快速的发展。

机械车库与传统的自然地下车库相比，在许多方面都显示出优越性。

首先，机械车库具有突出的节地优势。

机械式立体停车设备以其独特的优点，引起了各界的重视，得到了广泛的应用。

机械式立体停车库可充分利用空间，在有限场地上，最大限度停放车辆，是改善城市交通，缓解城市停车难的新途径。

就当前社会对于立体停车库的需求，本文介绍了各种型式立体停车库的特点，选出了一种能广泛满足社会需求的机械式立体停车库，升降横移式立体停车库作为研究对象，它也是比较典型的机电一体化产品。

一些大城市已运用其实现许多停车问题。

该车库依据升降横移类机械式停车设备运行原理，采用钢架结构搭建而成。

1.2 机械式立体停车库发展概况
机械式停车设备的应用已有30多年的历史了。

发展较早、较好的有日本、韩国、德国等。

在亚洲，机械式停车设备采用较早应用较普遍的是日本、韩国和我国台湾省。

日本从事机械式立体停车库及其设备开发、制造的共有200多家，其中生产机械式立体停车设备的约100多家，比较大的公司有新明和、日精、三菱重工、大福、日成、东急、内外及昭和起重机等，产品既有出口的，也有进口的]1[。

韩国机械式停车设备行业的发展历程比较平稳。

20世纪70年代中期为起步阶段，80年代为引进阶段，90年代为供应使用阶段。

由于这几个阶段受到了政府的高度重视，各种机械式停车设备得到了普遍的开发和利用，年递增速度达到30%；2000年以来为发展阶段，自动化停车设备将随供应量不断的扩大而迅速发展。

我国在20世纪80年代初开始研制和使用机械式停车设备。

80年代是起步阶段，90年代以来，随着汽车工业和建筑业的发展，尤其是轿车进入家庭后，停车设备的应用逐步推广，己经形成了新兴的停车设备行业，步入了引进、开发、制造、使用相结合的初步发展阶段。

现在从事停车设备制造的企业数约有100家，其中主机生产企业超过50家。

首批获得国家颁发的立体停车设备制造企业资质的企业有22家。

产品经引进技术和自我研制开发，生产技术水平有了很大的提高。

许多设备采用了当前机械、电子、液压、光学、磁控和计算机等领域的先进技术，控制型式有按钮式、IC卡式、触摸屏式、密码钥匙式、遥控式等，有些设备还采用了总线控制技术；传动装置采用内藏式，以增大停车空间并保护各传动元件不受污染和腐蚀，提高了设备的耐久性；机构中采用了模
块化设计，这样便于组合使用，又易于安装拆卸，且可缩短施工周期;还采用一些新材料、新工艺，如采用H型钢做钢梁，组合的镀锌板或一体成型的镀锌板坐载车板；安全保护方面采用了声光引导、定位装置及自动消防灭火系统等。

目前品种的满足率己达90%左右，有的品种填补了国内空白，产品国产化率达到50%以上。

由于很多新建小区内住户与车位的配比为1:1，为了解决停车位占地面积与住户商用面积的矛盾，立体机械停车设备以其平均单车占地面积小的独特特性，已被广大用户接受。

机械车库与传统的自然地下车库相比，在许多方面都显示出优越性。

首先，机械车库具有突出的节地优势。

以往的地下车库由于要留出足够的行车通道，平均一辆车就要占据40 平方米的面积，而如果采用双层机械车库，可使地面的使用率提高80％—90％，如果采用地上多层（21 层）立体式车库的话，50 平方米的土地面积上便可存放40 辆车，这可以大大地节省有限的土地资源，并节省土建开发成本。

机械车库与地下车库相比可更加有效地保证人身和车辆的安全，人在车库内或车不停准位置，由电子控制的整个设备便不会运转。

应该说，机械车库从管理上可以做到彻底的人车分流。

在机械车库中采用机械存车，还可以免除采暖通风设施，因此，运行中的耗电量比工人管理的地下车库低得多。

机械车库一般不做成套系统，而是以单台集装而成。

这样可以充分发挥其用地少、可化整为零的优势，在住宅区的每个组团中或每栋楼下都可以随机设立机械停车楼。

这对眼下车库短缺的小区解决停车难的问题提供了方便条件。

1.3 立体停车库分类及优点
1. 立体停车库的分类：
停车库就其结构特征来分类，可分为平面式及立体式，平面式又分为地下平面式停车库、地上平面式停车库；立体停车库又可分为自行式立体停车库、半自动立体停车库和全自动立体停车库，而全自动立体停车库还可分为两层或多层平面式全自动立体停车库、竖向密集型全自动立体停车库以及特殊造型结构全自动立体停车库。

目前，立体车库主要有以下几种形式：升降横移式、巷道堆垛式、垂直提升式、垂直循环式、箱型水平循环式、圆形水平循环式]3[。

(1). 升降横移式
升降横移式立体车库采用模块化设计，每单元可设计成两层、三层、四层、五层、半地下等多种形式，车位数从几个到上百个。

此立体车库适用于地面及地下停车场，配置灵活，造价较低。

图1-1 升降横移式立体停车库
产品特点：
1) 节省占地，配置灵活，建设周期短。

2) 价格低，消防、外装修、土建地基等投资少。

3) 可采用自动控制，构造简单，安全可靠。

4) 存取车迅速，等候时间短。

5) 运行平稳，工作噪声低。

6) 适用于商业、机关、住宅小区配套停车场的使用。

安全装置：防坠装置，光电传感器、限位保护器、急停开关等。

(2). 巷道堆垛式
巷道堆垛式立体车库采用堆垛机作为存取车辆的工具，所有车辆均由堆垛机进行存取，因此对堆垛机的技术要求较高，单台堆垛机成本较高，所以巷道堆垛式立体车库适用于车位数需要较多的客户使用。

图1-2巷道堆垛式立体停车库
(3). 垂直提升式立体车库
垂直提升式立体车库类似于电梯的工作原理，在提升机的两侧布置车位，一般地面
需一个汽车旋转台，可省去司机调头。

垂直提升式立体车库一般高度较高（几十米），对设备的安全性，加工安装精度等要求都很高，因此造价较高，但占地却最小。

图1-3垂直提升式立体停车库
(4). 垂直循环式
图1-4 垂直循环式立体停车库
产品特点：
1）占地少，两个泊位面积可停6~10 辆车。

2）外装修可只加顶棚，消防可利用消防栓。

3）价格低，地基、外装修、消防等投资少，建设周期短。

4）可采用自动控制，运行安全可靠。

2. 立体车库的优点：
立体停车系统，特别是自动立体停车设备在国际上发展迅猛，在国内倍受青睐是因为比原有的老式停车库有着较多的优点]2[：
1). 高倍率的技术经济指标
自动立体停车库停车容量大。

占地面积小，也可停放各种类型的车辆，特别是轿车。

而投资却比同等容量的地下停车库少，施工周期却短，耗电省，占地面积也远比地下车库少。

2). 外观同建筑协调，管理方便
自动立体停车库最适合用于商场、宾馆、办公楼前、旅游区。

在老式却独具风格的建筑物前，采用优质合金材料，用新型装饰材料，可以达到耳目一新的效果。

许多装置基本无须专门的操作人员，一个司机就可单独完成。

3). 完备的配套设施及“绿色”环保
自动立体车库具有完整的安全系统，如障碍物确认装置、紧急制动装置、防止突然落下装置、过载保护装置、漏电保护装置、车辆超长及超高检测装置等等，如果应用于公共场合，还可以配有计时装置，满足收费要求。

存取过程可由人工完成，也可以配备计算机设备全自动完成，这也给今后的开发设计留有大的空间。

由于车辆在存取过程中只在极短的时间内低速行驶，故而噪声、排气极其轻微。

1.4 研究升降横移式立体停车库的意义
升降横移式立体停车库是一种比较典型的机电一体化产品形式，它主要涉及机械、电子、建工等多个领域，它需要各方面的专业技术人员协同工作。

在现代化大都市中，升降横移式立体车库己经渗入到人们的各个生活领域，在机关、宾馆酒店、医院和居民区等许多地方，升降横移式立体停车库成了一道必不可少的基础设施。

但是我国的机械式停车库技术发展比较晚，大部分还沿用着日本80年代的技术。

随着我国经济的飞速发展，轿车拥有量的迅速膨胀，机械式车库的现有功能已落后于人们的要求。

现有车库技术的不足主要表现在取车得时间比较长，智能化程度比较低，安全程度不够，设计形式比较陈旧。

上海和北京等地现有的许多高质量的立体停车库，都是运用大量的外汇从国外进口的，并且售后服务也得不到令人满意的保障。

为了打破这种依赖进口的格局，打出具有自身特色的车库产品，就得要在原有技术上有重大突破，从而带动国内车库行业的发展，因此，对升降式立体停车库的系统研究显得尤为重要。

1.5升降横移式车库的工作原理
升降横移式立体车库是指利用载车板的升降或横向平移存取停放车辆的机械式停车设备。

升降横移式立体车库每个车位均有载车板，所需存取车辆的载车板通过升、降、横移运动到达地面层，驾驶员进入车库，存取车辆，完成存取过程。

停泊在这类车库地面的车只作横移，不必升降，上层车位或下层车位需通过中间层横移出空位，将载车板升或降到地面层，驾驶员才可进入车库内将汽车开进或开出车库。

图1-5七车位升降横移式立体车库工作原理图
图1-5 为一个地上7车位的升降横移式停车设备，其工作原理是：三层三个车位可以升降，二层两个车位可以升降和平移，一层的两个车位只能横向横移，空车位供三层和二层的车位下降时借用。

1 、2号车位可以直接存放车辆；7 号车位需下降后再存放车辆；3 号车位，则需先将1 号和2号载车板右移，再将3号载车板下降；4 号车位，则需先将2 号载车板右移，再将4号存车板下降；5号车位需要先将1、2、3、4号四个载车板右移，再将5号载车板下降；6号车位则需要先将2、4号载车板右移，再将6号载车板降下。

由于升降横移式停车设备对场地的适应性强，介绍系统各机械部分部件结构和功能可根据不同的地形和空间进行任意的组合、排列，规模可大可小，对土建的要求比较低，因此，应用非常广泛。

1.6 升降横移式库机械部分部件结构和功能
以三层三列式立体车库为模型建立研究对象。

升降横移式立体车库主要由结构框架部分、载车板部分、横移系统、提升系统、控制系统、安全防护系统六大部分组成。

下面我们重点对车库的主要组成(图1-6所示)进行分析。

图1-6升降横移式立体车库主要组成
(1) 结构框架
立体车库一般主要以钢结构和钢筋混凝土为主，在升降横移式车库中选用钢架结构(如图1-6所示)。

结构主体采用热制方钢、角钢和钢板等型材制造，具有较好的强度和刚度，轻巧、美观，并可二次拆卸安装，运输方便。

(2) 上载车板及其提升系统
每块上载车板都配有一套独立的电机减速机与链传动组合的传动系统。

其工作原理如图1-5 ，电机顺时针旋转时，载车板上升，电机逆时针旋转时，载车板下降。

根据载车板及车重确定链条所需的传动力。

根据传动力及载车板的移动速度确定电机功率。

根据车身高度确定上下载车板间的距离，根据这个距离确定链条的长度，最后根据传动力确定链轮大小，链节形状及大小。

(3) 下载车板及其横移系统
由于下载车板不需悬挂链条，所以为了节省材料，下载车板比上载车板要短。

每块下载车板后部都配有一套独立的电机减速机传动系统。

在下载车板底部装有四只钢轮，可以在导轨上行走，其中两只为主动轮，装于长传动轴两端，另两只为独立安装的从动轮。

电机减速机驱动长传动轴运转，长传动轴上的主动钢轮在导轨上滚动行走从而使下载车板作横向平移运动。

根据载车板及车辆的重量、行走速度、滚轮与导轨间的摩擦系数确定横移电机的驱动功率。

(4) 安全装置
上载车板上装有上下行程极限开关和防坠落安全装置。

防坠落安全装置装在纵梁与上载车板上停位之间，在纵梁两测各装两只挂钩，上载车板两侧相应位置处各装两只耳环，当上载车板上升到位后，纵梁下面的四只挂钩便自动套入四只耳环内，以防止升降电机常闭制动器慢释放后，上载车板在汽车和载车板本身的重力作用下慢慢下滑，压坏下层汽车。

另外也防止制动器一旦失灵，上载车板从上停车位坠落，砸坏下层汽车。

下载车板的安全装置主要是行程极限开关和防碰撞板。

行程极限开关的作用是使载车板横移到位后自动停止。

防碰撞板的作用是：下载车板横移时，如果碰撞到人、遗留行李或
车主宠物时，切断横移电机电源，横移停止。

(5) 控制系统
升降横移式立体停车设备的控制系统采用PLC可编程序控制器控制，主要有手动、自动、复位、急停四种控制方法。

自动控制应用于平时的正常工作状态，手动控制应用于调试、维修状态，复位应用于排除故障场合，急停应用于发现异常的紧急场合。

对于本文中所列的7车位升降横移式立体停车设备，PLC 主要要控制二、三层五个升降电机的正反转和一、二层四个横移电机的正反转。

此外要控制上层车位上安全钩的电磁铁和系统报警显示装置等。

第2章方案总体设计
2.1方案总体设计
升降横移式立体停车库的结构设计在整个车库中非常重要，主框架部分、载车板部分和传动系统是升降横移式立体停车库的主要组成部分，主框架部分承担着整个升降横移式立体停车库的总量，而且它的轻重、稳定性和可靠性以及载车板部分还影响着整个立体停车库的重量、材料和成本的多少以及安全性，传动系统决定着升降横移式立体停车库运行的好坏，所以如何设计主框架部分、载车板部分和传动系统成为影响整个立体停车库的关键因素。

1. 总体布局：
根据预期的设计要求，要达到7车位的中小型轿车的存取目标，本次设计的车库采用三层结构，一层和二层各两个停车位和一个空位，三层三个停车位。

需要场地大概为长8m，宽6m，高6m。

2. 驱动机构的设计与选择：
本次设计是针对的轿车的存取，可以满足驱动力要求的机构可以是液压马达或液压泵，柴油机，汽油机和电动机等。

在车辆存取的过程中，要求升降或者横移动作平稳，并且考虑到噪声的大小和启动的频率以及便于控制，本次设计采用电动机作为驱动机构。

3. 提升方式的设计与选择：
提升的方式有链提升和钢丝绳提升等，通过分析，本次设计采用钢丝绳提升，并采用双滚筒，可以实现平稳提升，并可以提升结构设计的简化。

2.2传动方案的设计
机械传动系统主要功用是传递原动机的功率，变换运动的形式以实现预定的要求。

传动装置的性能、质量及设计布局的合理与否，直接影响机器的工作性能、重量、成本及运转费用，合理拟定传动方案具有十分重要的意义。

一般常用以下几种传动方案：方案一：带传动，易于实现两轴中心距较大的传动；具有传动平稳，缓冲、吸振的
特性；结构简单，成本低；可起过载保护作用。

1-电动机2-滚筒3-传动轴4-传动带
图2-1 带传动
方案二：链传动，平均传动比准确，工作可靠，效率较高；传动功率大，过载能力强，相同工况下的传动尺寸小；可在恶劣环境中工作；易于实现较大中心距的传动；结构轻便，成本低。

1-电动机2-联轴器3-滚筒4-减速器5-传动链
图2-2 链传动
方案三：直齿轮传动，传动效率高，结构紧凑，工作可靠，寿命较长，传动准确平稳，承载能力高，功率和速度适应范围广。

其结构如图2-3：
1-电动机 2-减速器 3-滚筒 4-直齿大齿轮 5-直齿小齿轮
图2-3 直齿轮传动
2.3 传动方案的选择
好的传动方案除应满足工作机的性能和适应工作条件外，还应尺寸紧凑、成本低廉，传动效率高等。

故对更方案进行价值分析，由表3-1和表3-2选出较好的方案]5[。

表2-1 定性判定与价值对应
判定 不用 差 中等 满意 较好 好 很好 超目标 理想 价值P
0.1
0.2
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
表2-2 传动方案选择的使用价值表
设 计 指 标
加权因子
i W
方案一 方案二 方案三 价值1i P
i i W P 1
价值
2i P
i i W P 2
价值
3i P
i i W P 3
传动精度 1.01W 0.2 0.02 0.5 0.05 0.8 0.08 功 率 1.02W 0.2 0.02 0.4 0.04 0.5 0.05 效 率 15.03W 0.8 0.12 0.8 0.12 0.2 0.03 圆周速度
1.04W
0.2
0.02
0.2
0.02
0.2
0.02
（续表）
设 计 指 标
加权因子
i W 方案一 方案二 方案三 价值1i P
i i W P 1
价值
2i P
i i W P 2
价值
3i P
i i W P 3
制造安装 2.05W 0.8 0.16 0.8 0.16 0.2 0.04 价 格 15.06W 0.7 0.105 0.6 0.09 0.4 0.06 寿 命 1.07W 0.3 0.03 0.5 0.05 0.5 0.05 平稳噪声小 1.08W
0.6
0.06 0.3
0.03 0.6
0.06 总使用价值
i
ij
W P
0.535
0.56
0.39
升降横移式立体车库的传动要求传动力矩较大，传动速度较慢，经过比较和分析，带传动不能提供较大的传动力矩，容易发生打滑等现象，安全系数较低，所以本方案不予采用。

链传动和直齿轮轮传动方案都可以满足传动的要求，但链传动与齿轮传动相比，除满足工作机的性能和适应工作条件外，尺寸紧凑、成本低廉，安装和维护都比较方便。

综上所述，此次方案设计采用方案二。

第3章主框架部分
3.1钢结构形式的选择
停车设备的钢结构主要采用热轧H型钢、槽钢、角钢、钢板焊接成型，用高强度螺栓连接成框架结构，具有较好的强度和刚度。

根据不同的结构要求，有单注形式、跨梁形式、后悬臂形式等。

单注形式结构紧凑，安装、搬运方便，给驾驶员一种导向作用，也便于设置平衡装置，故本设计钢结构部分采用单注形式，其结构如图3-1。

图3-1 单柱钢结构形式
3.2 钢结构部分材料的选择
车库骨架全由钢材结构组成，主要由立柱、横梁、斜拉杆、加强肋等构成；本次设计主要采用热扎H型钢结构，材料均选牌号为Q235-A。

查参考文献[10]表7-9初选立柱型号为20 GB707-88，该车库全部重量由立柱承受，立柱外型截面为正方形，中间为空的，外型尺寸为：正方形边长为250mm,立柱厚度为40mm，高度为5100mm,立柱底部上焊有一块正方形铁板，边长为400mm，厚度为30mm，钢材上安装四个地脚螺栓，保证立柱的固定，另外焊接肋板，增加立柱的强度。

立柱截面形状如图3-2所示。

图3-2立柱
横粱采用工字形截面，如图3-3所示，型号为热扎工字钢18 GB706-88，侧面横梁。