简易式立体车库的设计大学论文.doc

黄河科技学院毕业设计说明书 第 25 页

1绪 论
1.1课题的背景及目的
立体车库又命名为“机械式立体停车设备”，其通过支撑机械设备和液压系统配合电气设备，不但可以节约空间，而且立体车库位置摆放灵活，一个单元体可以组合放置构成一个更大的整体，是当今汽车生活必不可少的一部分。要解决紧迫的停车矛盾现状，所以研究一款价格便宜，可以随意安置的立体车库是有必要的。最早的立体车库可以追溯到20世纪20年代，在美国盛顿一家宾馆的停车库。
伴随着世界汽车工业的发展，中国品牌的汽车也在近代取得了硕大的成就，并且在习近平总书记提出的“四个全面”，并在2020年人民进入比较幸福的生活之中，居民的生活水平的大幅提高，汽车不再是富人的专属品。在中国品牌的兴起，例如比亚迪汽车厂设计的理念就是造百姓买的起的汽车。汽车走进了百姓家庭中，在大城市中停车难变成了一个很难解决的课题，为此立体车库的诞生成为一种必要。在大学毕业之际的到来，我们面临就业的压力，现在的大学生还没有进入社会，毕业设计的初次小试牛刀将会为我们的后续设计奠定基础。四年的本科生活很快就要结束了，在2012年的夏天我带着青涩的面容来到了黄河科技学院，今天在毕业的时候要通过毕业设计来检验我4年学到的东西。使4年的所学东西得到应用。增强了解学科的最新动态前沿，增强文献的检索能力，更重要的是学会借鉴社会的现有成品，通过学习别人的设计使自己的产品成为社会上人民需要的优良产品。
这次的毕业设计学会自己独立设计简易式立体车库的同时，首先要去市场调研，市场上的产品都是经得起历史的考验的产品，所以借鉴现有的产品会降低很多的研发经费，我们可以逆向开发别人的产品，然后基于此产品开始研发自己高端产品。
本论文的简易式立体车库的设计，不仅学的是学科的系统知识，更重要的是学习设计的方法，设计的思维，学会触类旁通的思维。学习知识固然重要，知识是解决日常生活的工具，好的学习思维、方案是学好知识的基础所在。
1.2国外立体车库发展的状况

美国是简易式立体车库的开山鼻祖，相继之后日本、韩国也开始着手机械式立体车库的研究，德国人的小心谨慎的品格，在汽车的研发上有很高的造诣。意大利都灵尤其在巷道堆垛类产品上发展有考究的历史。到2001年底，都灵已有大约80座机械式停车库。21世纪初，类似书架的高达10多层楼的立体停车库在莫斯科投入使用。随着时代的变迁，立体车在原来的地面的停车开始衍生出不同类别的立体车库，该基本思想还是在原有的基础进行进化，其取车、存车的原理都是类似的。
1.3国内立体车库发展的状况
中国的横移升降式的简易式立体车库起源比较早，所以该类的设计在我国各大中型城市都将有效应，其动作过程为上层载车板的水平面的移动，平移到一层有空车位的上面，在提升电机的提升作用下开始取车，运动方案灵活，在原有的3个车位，若建造N层的时候，可以设计存储的有3N-1个车库，大大提高了国土面积的利用率。为目前的空间资源的紧缺提供了保障，同时中国技术的迅猛发展，中国的技术开始走向了国外，简易式立体车库的升降稳定性高，振动幅度小，速度快，每分钟可以达到90米以上，存取车辆只需要大约不到2分钟的时间。此类的立体车库最为常见，一般在大型的公共停车区都可以见到，但是在富士住宅液压控制的立体车库就有了用武之地。在新能源汽车的兴起之时，充电桩的问题也难能解决，据电视的报道，在深圳比亚迪汽车公司也有立体车库的建树，在立体车库的设计之中按有充电设备，解决新能源汽车充电的困难，车辆停在立体车库中，随车辆的上升就可以充电，充满电回到地面层，并且充电的速度相对较快。

图1.1 升降横移车库
1.4立体车库的分类
立体车库的设计成为生活中必不可少的一部分，如果没有人们对立体车库的一个研究，停车难问题还在持续的现状，我们依然不会摆脱停车难的矛盾。简易式立体车库的品质还是可以经得住时间的考研，经过几十年的发展，迄今为止立体车库的发展到达了新的高峰。立体车库的有原来的机械式到机电一体化控制的自动停车库，并配合IC卡可以实现自动的缴费停车。简易式立体车库的种类特别多，是因为设计师的侧重不同，同一种类型的设计理念也非常多，立体车库一般可以分为9大类：
表1.1车库的分类

立体车库的设计可简单可复杂，可大可小，适应性特别强，施工的位置也可以随机设定，通过对地形的考察从而选择适当的立体车库的种类，在国际机场，大酒店停车密集的地方都可以见到立体车库的成效。例如在宇通厂区的位置就应用了立体车库。立体车库的优点很多，但是在各个地区每种立体车库的应用情况是不一样的，也许可能是地域企业保护的原因。
1.5立体车库的结构
简易式立体车库由固定在地面的两个热轧槽钢支撑车辆的重量，载车板主框架、支撑杆都为不同型号的槽钢，液压杆和支撑轴的材料为45钢，最下面的一层有个横拉杆。载车板的中间为波浪形板，前方的引导板的坡度也可以调整，只要调节螺栓的位置就可以实现。在热轧槽钢的高度位置要加加强筋，在立柱上加90度的垂直钢板，防止立柱的变形，造成安全损失。

图1.2 家用立体车库
1.5.1 动作过程
本方案立体车库的地面层不需要载车板，只有二层有载车板，由主框架的两个立柱支撑车体和载车板以及其他元件的重量，提升装置为四连杆机构，本方案为四杆机构的衍生，上升的过程还有一个滑道。动作过程：操作人员按下开关，带动液压泵的电机高速旋转，产生高压的液压油，推动液压杆的伸长（缩短），载车板开始升高（下降），达到极限位置的时候停止运动，实现存车、取车的目的。
1.5.2立体停车设备特点
简易式立体车的种类繁多，基本的特点也类似，本方案主要介绍了液压式立体车库的特征。其具体特点如下：
（1）空间的停车比率高，增加绿化率；
（2）价格低廉，地基施工成本低；
（3）控制方案选择灵活，构造简单；
（4）液压运行平稳，噪声低，起升时间短；
（5）智能控制，有安全防护装置，多路安全保护；
（6）耐用性高，便于维护，家用停车场的使用。
（7）耐用性非常持久，维护方便，适用于不同的场地。
2总体方案设计的选取
1.1立体车库的方案
总体设计是简易式双层立体车库设计的基础，是控制程序的内容基础，是安全防坠落的指导思想。机械行业标准（GB/T8713-2010），简易式停车设备、型式和基本参数，借鉴国外标准的基础。分为如下几类：
（1）垂直升降类：车辆开入第一层的载车板上，在电机的驱动作用下，把车辆提升到有空车位的相应的层数，若取车的情况，电梯到达要取车库的层数，把车辆运输到一层，取车完毕。

图2.1 垂直升降车库
（2）衍生类：这种立体车库的设计基于传统的停车场，只是在原来的基础上把第一层平移到第一层上面，在这几层的中间用比较缓和的梯路让车辆可以开上去。缺点：停车的时候车主需要走到车辆停车的位置才可以把车辆取走，若建筑的层数比较高的话会更加浪费体力。

图2.2 衍生车库
（3）平面旋转类：此类立体车库的设计基于圆盘的旋转的理念，在圆盘上焊接好多圆环，在轴向拉长就是如图所示的立体车库。汽车在车辆的自身重量的情况下可以在圆盘的转动下始终不需要任何机械构件来平衡车辆。

图2.3 平面旋转车库
（4）巷道堆垛类：在立体的停车单元，每一个单元格为一个停车库，停车库上都有一个载车板可以被移动，在停车的时候,把车辆开上运输机上，运输机在轨道上运动，把车辆运输到相应的单元内，可以用电子控制，也可以用人工控制，控制的方案比较灵活。

图2.4 堆垛式车库
（5）辐射式：升降的立柱处于中间，在立柱的四周有呈辐射状的停车的单元体，升降机在竖直和旋转的动作下，完成立体车库车辆的存取。其简单的立体车库与巷道堆垛类类似，只是设计的形状不同，但是存取机构比较复杂。

图2.5 辐射式车库
（6）升降横移式：每层的停车位可大可小，根据停车的多少来建筑。一层比上层少一个车位，实现错车，车位有所增加，要求的电机的参数比较高。

图2.6 升降横移车库
（7）俯仰型：由主框架的两个立柱支撑车体和载车板以及其他元件的重量，提升装置为四连杆机构，本方案为四杆机构的衍生，上升的过程还有一个滑道。取车在按下操作箱上的按钮之后，自动完成存车、取车。

图2.7 俯仰式车库
2.2主要技术参数
表2.1 技术参数
序号
技术名称
参数
1
最大举高
2m
2
提升重量
3000㎏
3
举升速度
0.01m/s
4
匀速平稳，任意位置停留时应自锁
3机械部分的设计
分析：在中国的奥迪A6L车型的尺寸：5015mm×1874mm×1455mm（长×宽×高），为中大型车，所以按该车型的设计车库是可以基本满足所有的车辆的停车规格。采用的设计尺寸为：5000mm×1800mm×1400mm，地面层的设计尺寸为：5000mm×1800mm。依据中国品牌最小尺寸的紧凑型车尺寸为：4415mm×1710mm×1475mm,设计上层载车板的尺寸为：4700mm×1900mm,由于汽车的前悬和后悬的缘故，载车板的长度可以设计的短一点。在载车板的靠近立柱的地方还有阻车板，以提醒车主停车的位置，以及在载车板上升的过程中可以防止载车板的不是水平的导致车辆的左右滑动。

图3.1 立体车库的示意图
3.1重量及泊车数量的计算
汽车重量≤1.7T，载板及附件重量估计0.5T，总重初步取2.2T。设计要求的提升重量为3000㎏。此方案解决因为车库位置的昂贵，有的家庭有两辆车却只有一个停车位，这个方案就可以很好的解决，实现一个车位停两辆车不是梦。
3.2载车板的设计计算
载车板起支撑车辆的作用，载车板在主框架上焊接，要求载车板的刚度和强度都要满足技术要求，同时汽车作为奢侈品，汽车是昂贵的物品，任何一个设计环节都要考虑其安全，载车板设计防滑性能要求也比较高。载车板的设计尺寸为：4700mm×1900mm。
载车板在主框架上安装，主框架有一定的厚度，所以设计一个引导板是非常必要的，引导板的长度为700mm。载车板下落到底部是预留与地面的高度为200mm，引导坡的正弦sin=0.286,与地面的夹角为16.7度。

图3.2 载车板示意图
引导板的作用：
（1）可以引导车辆；
（2）降低载车板的上升高度；
（3）起到平衡的作用。
载车板纵向的跨度比较大，故采用较大截面积的槽钢，型号为12.6，h=12.6,b=53：横向的跨度较小，并且7根的承受力，横向可以采用小型号的槽钢，选择为8号钢，其余横向的均采用为5号槽钢。
根据普通工艺要求，本方案选取厚度为3mm的菱形花纹钢板，查表可知《花纹钢板（GB3277-2005）》，可知道规则的2mm菱形花纹钢板的理论重量为。
所以载车板铺设铁板的重量计算为：

3.3受力分析
载车板上升到最高位置的时候，载车板与地面有一个倾斜的角度，简化为与水平面平行的力学模型，用于刚化原理，在受力计算时，假设没有形变的发生。支撑杆的上端设计在载车板主框架的中点，下端固定在底座上。车辆的四个轮在钢板上的载荷为设计估算的简单将其简化到中点。

图3.3 受力分析示意
建立平衡方程组：F2x+F1sinα=0
F2y+G-F1cosα=0
G×2- F1sinα×1.9=0
解得 F2x=31579N；F2y=263N；F1=43860N
3.4立柱的设计计算
立柱是支撑车辆的总重量和钢架结构的质量，立柱的下端固定在地面上，上端通过轴承与液压杆连接，整个系统处于平面力平衡状态,将立柱的单侧进行设计：
41667N×m。

图3.4 立柱弯曲图
立柱承受力的同时会产生弯曲形变，除满足强度要求的同时外还要满足刚度要求，即不能产生过大的变形，变形过大将会影响立柱的寿命，h为立柱全高，h=2.3m,取L=1.9m。根据挠曲线的微分方程，查得悬臂梁的最大挠度为：

E——钢材的弹性模量，这里 E=210GPa；
I——立柱截面惯性矩为()。
取允许挠度[w]=0.0002l，，
由此可求得立柱的截面惯性矩

因此选用16a号槽钢满足截面要求，查热轧槽钢(GB/T707-88)可得16号钢的高为160mm，宽为63mm。
3.5支撑杆的设计计算
支撑杆起支撑载车板的主体框架的作用，支撑杆在液压杆的作用下提升载车板，在运动的同时，轴上安装有轴承，可以减少摩擦力，轴承在滑道上滚动。支撑板为刚性杆件，在受到比较大的力矩时会产生弯曲变形，所以要根据材料力学的知识解决弯曲的问题。利用查找表和叠加原理很容易得到优化设计。立柱的高度2300mm,载车板上升到极限高度的最低端1900mm，夹角为如图，借助三角函数问题，可以计算支撑杆的长度，如下：粉色杆为支撑杆。

图3.5 杆件的几何分析图
由余弦定理=+-2abcosα
支撑杆的长度=2^2+1.9^2-2×1.9×2× cos94 L=2850mm
3.6支撑轴的设计计算
载车板在上升的过程中，图3.5算的支撑杆的长度不变，所以必须采用滑动的轴承在载车板的主框架上移动来实现，所以根据材料力学对轴进行设计和校核。选材为45钢，对支撑轴适当的热处理。Mpa，载车板的宽度为1910mm,在两端的宽度上个各加100mm,轴的长度为2100mm。按全部的载荷放在支撑轴上，载荷的一半为危险截面。
承受的载荷：承受的弯矩M=15000N×100=1500N×m
根据
，<=100Mpa
求得46mm
该设计方案中，支撑轴本可以是采用空心轴的设计，但是在加工中会比较麻烦，故采用实心轴。该方案的轴承可以选择圆柱滚子轴承N210E型，考虑到轴承的使用单次的时间比较短，故不再对轴承的寿命周期进行计算。
4液压系统的设计
液压系统有众多的优点：噪音小，工作安静；可以根据装备的设计灵活选取；承载能力大，可以实现过载保；但是机械部分制造的精度要求比较高，出现故障的时候不易排除，检修相对空难。
4.1自锁装置的设计
由于技术的设计要求在任何时候都有自锁装置，采用机械式和液压式两种自锁装置。在中间位置时候，油口全封，液压缸锁紧，液压泵不卸荷，并联的液压缸运动不受影响，在中位机能的时候可以实现自锁装置。原理图如下：

图4.1 液压控制的示意图
机械式锁紧装置：在载车板的主框架上装有一个类似挂钩的构件，在液压杆的上升过程中，支撑杆快到达极限位置的时候，支撑杆上的支撑轴会碰到锁紧装置，将支撑轴的位置锁死，车辆不会在由于液压油泄露而导致的载车板自动下落，压坏下层车辆的危险。当取车的时候扳动机械的锁紧装置，按下控制液压的开关，就可以取下上层的车辆。
4.2同步运动回路
同步回路的作用就是实现执行件的同步运动，实现相同的位移或速度，调速阀的作用可以控制相应的节流面积，面积相同的时候速度相同；节流面积不相同的时候，速度不相同。当处于第二种情况的时候，改变节流面积达到相同的位移，方案机构简单。会受温度的影响，调速的效果也会受到影响。但是在5%~7%的上升速度的影响下不会导致载车板上汽车的侧翻，可以满足使用的技术要求。

图4.2 同步回路原理图
4.3液压缸的设计计算
液压杆在承受高压强的液压油的作用下顶起车辆和载车板，其载荷大，支撑杆的长度达到了2850mm，导致活塞杆的行程会长，根据材料力学对其压杆稳定性来校核设计。此方案中使用两个单活塞液压缸，单塞的活塞杆仅单向运动。

图4.3单活塞杆液压缸
考虑到轴承、螺栓、其他构件的重量，支撑杆的最大工作负载F=30000N。活塞杆使用45钢制成，规定的安全因数。
杆的临界压力：

式中L为活塞杆的长度，依据次设计的安装要求。
则L=1000mm，

解：d=72mm
查阅GB2348-2005《活塞杆直径系列》，将其圆整为标准系列，取d=70mm。
因为活塞杆在工作中受拉伸，故查表《液压缸工作压力与活塞杆直径》，得液压缸推荐内径D=2d,由此求得D=140mm。
根据下式求液压缸的工作压力

式中，p为液压缸的工作压力；
F为工作循环中最大的负载；=0.96。
本设计有两个相同的液压缸共同拉起载荷，所以F=15000N,
于是求得液压缸的工作压力：
。
缸筒壁厚δ用强度条件来计算。D/δ≥10。其壁厚计算：

py——试验压力，一般取最大工作压力的1.5倍（MPa）
[σ]——缸筒材料的许用应力：[σ]=100MPa
于是求得壁厚mm，取δ=8mm。
液压缸的导向长度应满足以下要求

式中,L—液压缸的最大行程，这里取1000mm；于是,取100mm。
活塞宽度取B=0.8D=0.8×140mm=112mm。为减少加工难度，一般缸筒长度不超过内径的20~30倍，这里取1200mm。
4.4液压泵的设计计算
本次设计的液压系统总的压力损失Δpl=1MPa，则液压泵的实际计算工作压力：MPa
根据实际情况，另停车板被提升的速度设为0.6m/min，载车板被提升时液压缸所需的最大流量为：
L/min
按照常规选取液压系统的泄漏系数kl=1.2,则液压泵的流量为
L/min
综上所述，查阅《机械设计手册》，选取方案为外啮合齿轮泵。其额定压力10Mpa，最大12 Mpa，容积效率0.91。
4.5电机的设计计算
液压泵电机的功率，取外啮合齿轮泵的总效率η=0.9，则工作时，液压泵的最大功率为：
kW
查阅机械设计手册（摘自JB/T 9616--2013）,选用电机Y112M-2型号的电机，额定功率取为4.0kW；满载时的转速为2880r/min，质量为40kg，噪音为70分贝。
4.6液压系统的设计
本设计方案的提升装置为液压式，液压马达的输出的高压油通过管道连接，高压油进入到液压缸中，液压缸推动液压杆伸长或缩短，液压杆连接载车板的主框架，通过四杆机构的节点传递动力，提升载车板。液压控制图如下：

图4.5 液压系统原理图
（1）液压缸 （2）液压控制单元（3）液压泵（外啮合齿轮泵）（4）滤油器（5）油箱
工作原理：齿轮泵在高速旋转的情况下，将液压油从油箱里吸入导管中，流过单向阀，然后高压油分为两路，进入两个相同的液压元件中，在锁紧装置，经三位四通“O”液压缸的中位机能有锁紧功能，推动活塞上升。系统中调速阀控制的同步回路，调速阀1和调速阀2分别调节3、4两个液压缸的运动速度，两个缸的有效工作面积相同时候，流量相同；两个缸的工作有效面积不相同的时候，改变调速阀的流量达到同步运动的效果。节流阀起节流作用，正常无压差时阀口为最大，使缸在起动和停止时实现加减速，塞杆起动和停止时运行平稳，可有效防止系统中出现的液压冲击。也可以使液压系统的压力损失降得比较低，而提高液压系统的传递效率。溢流阀起到溢流稳定的作用，实现过载保护。压力表检测液压系统的工作情况，如液压油过高将会停止工作。
4.7液压缸筒的长度计算
L：活塞的最大行程=800mm
A：活塞杆的导向长度 =1000mm
B：活塞的宽度=112mm
M：活塞的密封长度
C：其他长度
缸筒的长度：L=l+A+B+M+C=1100mm
5电气安全控制系统
5.1限位装置
液压系统的伸缩杆达到极限位置的时候，限位开关在随滚轮的上下时候，在碰到挡片的时候就会控制液压泵的工作。
5.2其它保护装置和措施
（1）压力表附近设有压力传感器，当压力达到设定的压力时候，将会控制液压泵停止工作；
（2）操作系统采用安全低压电路控制（DC24V），确保人员安全；
（3）采用电磁继电器，小电流控制大电流的理念；
（4）载车板采用全封闭的的设计，防止漏油污染下层的车辆；
（5）人车误入系统的监测，采用传感器控制；
（6）电源错相、断相保护、接地保护、漏电保护及过电流保护等。

结论
立体车库是解决日益剧增的车辆与停车矛盾的途径，立体车库的诞生让人们看到了停车的曙光，本文设计的立体车库是日益剧增的车辆与停车矛盾二者相结合的产物。
在设计的开始，因为对立体车库不太了解，不知道立体车库应是什么样的，总体设计也不知道应该从那里入手。后来，在宇通参观实习的时候见到了立体车库，并且实地考察了立体车库的外形，通过测量绘制了简易的图纸。设计过程中我遇到一些问题，如立体车库方案的选择，机械材料的选取，液压系统的设计，轴承的选用等等。在老师和同学们的帮下我解决了方案的选取、机械材料计算校核设计中所遇见的问题，以及轴承的选择。经过三个多月的忙碌，我已出色地完成简易式双层立体车库的设计。把大学以前学的科目进行综合的分析，本方案是自己设计实践的成果，由于本科的知识体系有限，只能从大的方面来设计立体车库，在细节的方面还有很多要学的内容。在查阅中国知网的硕士毕业设计的时候，看到有PLC的控制，以及人车安全系统的设计，取车的最优方案的选取，基于排队论的研究，有限元的分析。
知识的海洋是无边无际的，我们只能在知识的海洋遨游，在我们汲取了更多的养分的时候，我们就可以长大，长成一棵参天大树，在很远的地方人们可以看到我们，到那个时候我们就成为了专业上的巨人。我坚信奋斗的力量，慢慢的很多物体的设计都会完成。

致谢
随着时间的流逝，从考研时候的第一次见康红伟老师到现在，好几个月时间过去了，在老师的细心教导下，毕业设计也从不成形到现在呈现在读者面前的作品，老师认真的态度无论在学术研究还是生活上都是终生受益的。在开始的时候知道了毕业论文的设计题目，根本不知道怎么设计，方案的选取犹豫不定，材料的受力弯曲、变形、稳定性的多重因素困扰着自己，最后在老师的指下，开始了方案的选取，设计计算，材料的刚度、强度的校核。最后在装配图，零件图上也出现了好多问题，在老师的帮助下，终于完成了简易式双层立体车库的设计。导师的优秀品德是我学习的榜样。在毕业设计中我们互相学习，感谢母校对我4年的栽培，今天我为黄河科技学院为荣，明天黄河科技学院以我为荣。母校授予我们的不知是知识，提供给了我们一个去思维的方法，如何去对待人生。
丁志兵
2016年5月
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