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垂直升降式立體車庫(kù)設(shè)計(jì)
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摘 要
立體車庫(kù)對(duì)于解決我國(guó)日益嚴(yán)重的城市停車問(wèn)題有很大的幫助，在市場(chǎng)上存在迫切的需求，從而受到了廣泛的關(guān)注，成為了研究的熱點(diǎn)。
設(shè)計(jì)首先對(duì)立體車庫(kù)的特點(diǎn)和發(fā)展?fàn)顩r作了簡(jiǎn)要的介紹，然后針對(duì)設(shè)計(jì)要求確定了垂直升降式立體車庫(kù)的總體方案，并規(guī)劃了車庫(kù)的總體布局和工作流程。
車庫(kù)的具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括載車臺(tái)和曳引系統(tǒng)兩大部分。載車臺(tái)部分中進(jìn)行了叉梳、微量升降裝置、橫移裝置和回轉(zhuǎn)裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。而在曳引系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，結(jié)合現(xiàn)有成熟的電梯設(shè)計(jì)方法，完成了帶防墜落裝置的曳引機(jī)和其他部件的設(shè)計(jì)任務(wù)。對(duì)固定叉梳、回轉(zhuǎn)支承和曳引輪軸等關(guān)鍵零件進(jìn)行了校核。最后是運(yùn)用Pro/E和3DS MAX為車庫(kù)的運(yùn)行過(guò)程做出了演示動(dòng)畫。
本次設(shè)計(jì)完成的垂直升降式立體車庫(kù)在存取裝置上有所創(chuàng)新，對(duì)立體車庫(kù)的研究應(yīng)用有一定的參考意義。
關(guān)鍵詞：垂直升降；立體車庫(kù)；叉梳
ABSTRACT
Mechanical garage will be of great help to solve the parking problems which bring more and more troubles in our cities. The strong demand of market and widespread attention makes the mechanical parking system a focus to research.
The paper introduces the relevant developments both at home and abroad in this field firstly so as to give a general understanding of the mechanical parking system. After analyzing the requirements and functions of the system, an overall plan was proposed. In the meantime, it makes out the overall layout of the garage and working processes. The detailed design of the mechanical garage mainly includes two parts: vehicle platform and traction system. Then the vehicle platform was formed after completing the design of comb structure, adjusting devices, sliding devices and rotating devices. Combined with the matured elevator technology, the design of traction system that makes up of traction machine with anti-fall device, and other parts was completed. The key components was checked intensively. Finally, three-dimensional modeling software Pro/E and 3DS MAX was used to make out an animation for the running process of the garage.
This paper gives an innovative design on storage-retrieval system, which may be of a useful reference to the study of mechanical parking system.
Key words: vertical lifting; mechanical garage; comb structure
目 錄
第1章 緒論 1
1.1 課題的目的與意義 1
1.2 立體車庫(kù)發(fā)展現(xiàn)狀 2
1.2.1 國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀 2
1.2.2 國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀 3
1.3 主要研究?jī)?nèi)容 4
1.3.1 設(shè)計(jì)思路和方法 4
1.3.2 主要研究?jī)?nèi)容 4
第2章 立體車庫(kù)總體設(shè)計(jì) 5
2.1 垂直升降式立體車庫(kù)概述 5
2.1.1 垂直升降式立體車庫(kù)工作原理 5
2.1.2 垂直升降式立體車庫(kù)主要結(jié)構(gòu)組成 5
2.2 主要設(shè)計(jì)參數(shù) 6
2.3 垂直升降式立體車庫(kù)功能原理方案設(shè)計(jì) 7
2.3.1 車庫(kù)功能原理方案設(shè)計(jì)要求 7
2.3.2 功能分析 7
2.3.3 功能元求解 8
2.3.4 功能元的組合 9
2.3.5 評(píng)價(jià)與決策 9
2.4 車庫(kù)總體布局 9
2.5 車庫(kù)的存取車流程 10
2.6 本章小結(jié) 12
第3章 載車臺(tái)的設(shè)計(jì) 13
3.1 載車臺(tái)的構(gòu)成 13
3.2 叉梳的設(shè)計(jì) 13
3.3 微量升降裝置的設(shè)計(jì) 15
3.4 橫移裝置的設(shè)計(jì) 17
3.4.1 四桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 17
3.4.2 行走架部分的設(shè)計(jì) 18
3.4.3 搖臂及其動(dòng)力部分的設(shè)計(jì) 19
3.5 回轉(zhuǎn)裝置的設(shè)計(jì) 27
3.5.1 回轉(zhuǎn)盤的設(shè)計(jì) 27
3.5.2 傳動(dòng)裝置的設(shè)計(jì) 29
3.5.3 底架的設(shè)計(jì) 32
3.6 本章小結(jié) 32
第4章 曳引系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 33
4.1 曳引系統(tǒng)概述 33
4.2 曳引機(jī)的設(shè)計(jì) 33
4.2.1 鋼絲繩及其端接裝置 33
4.2.2 曳引能力的計(jì)算 35
4.2.3 曳引電機(jī)的選擇 37
4.2.4 曳引機(jī)的傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì) 39
4.2.5 防墜落安全裝置的設(shè)計(jì) 40
4.3 其他部件的設(shè)計(jì)與選用 44
4.3.1 導(dǎo)軌和導(dǎo)靴的選擇 44
4.3.2 轎廂和對(duì)重的設(shè)計(jì) 45
4.3.3 緩沖器的選型 47
4.4 本章小結(jié) 48
第5章 關(guān)鍵零件的校核 49
5.1 固定叉梳的校核 49
5.2 回轉(zhuǎn)支承的校核 50
5.3 曳引輪軸的校核 52
5.4 本章小結(jié) 54
結(jié)論 55
參考文獻(xiàn) 56
致謝 58
第1章 緒論
1.1 課題的目的與意義
隨著我國(guó)汽車工業(yè)的發(fā)展和鼓勵(lì)轎車進(jìn)入家庭及一系列相關(guān)政策的實(shí)施，特別是伴隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和城市化水平的不斷加快，車輛的擁有量在飛速的增長(zhǎng)。而與之不相匹配的是停車場(chǎng)地的嚴(yán)重缺乏，這加劇了交通擁擠的情況。近幾年新增轎車每年在200萬(wàn)輛左右，按停車位與轎車數(shù)之比為1.2：l計(jì)算，每年需新增停車位240萬(wàn)個(gè)，才能滿足停車位的需求[1]。但目前我國(guó)城市內(nèi)大多采用平面式停車場(chǎng)，該種停車場(chǎng)占地面積大，設(shè)備復(fù)雜，有效停車位置少，對(duì)人員車輛安全的保障性差。若僅僅依靠增設(shè)平面式停車場(chǎng)則難以滿足當(dāng)前龐大的停車需求，而且其占地使用率低、車位土地使用成本較高、人車安全差等缺陷也嚴(yán)重影響著運(yùn)營(yíng)的經(jīng)濟(jì)性和可靠性。
一種既能合理利用城市空間，又能有效緩解城市停車難的立體車庫(kù)便應(yīng)運(yùn)而生。立體車庫(kù)，也稱作機(jī)械停車庫(kù)，指使用車輛以外其它帶有動(dòng)力的搬運(yùn)器，完成車輛停放、存儲(chǔ)工作的整個(gè)設(shè)施[2]。
立體車庫(kù)以多層形式向空間發(fā)展，空間利用率非常高，比平面停車場(chǎng)可節(jié)約5/6的用地[3]；在計(jì)算機(jī)的控制下，人和車脫離開(kāi)，車輛入庫(kù)出庫(kù)由拖動(dòng)裝置自動(dòng)完成，車的存取時(shí)間大大縮短，而且了杜絕人為因素，對(duì)車輛的防盜性和防護(hù)性都很好；免除采取通風(fēng)設(shè)施，運(yùn)行中的耗電量比工人管理的地下車庫(kù)低得多；立體車庫(kù)一般采用鋼結(jié)構(gòu)組裝式，還具有無(wú)土石污染、低嗓音、建造周期短等優(yōu)點(diǎn)。
立體車庫(kù)在日本、歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家發(fā)展起來(lái)并得到了普遍應(yīng)用，日益成為緩解城市停車難的首選方案。我國(guó)近幾年也加大了對(duì)立體車庫(kù)發(fā)展的重視。1998年1月1日起執(zhí)行的《國(guó)家計(jì)委6號(hào)令》把機(jī)械式停車庫(kù)和立體停車場(chǎng)列入“國(guó)家重點(diǎn)鼓勵(lì)發(fā)展的產(chǎn)業(yè)、產(chǎn)品和技術(shù)目錄”；國(guó)家海關(guān)總署對(duì)機(jī)械式停車產(chǎn)品規(guī)定“國(guó)內(nèi)投資項(xiàng)目給予免征進(jìn)口稅”[4]。所以針對(duì)立體車庫(kù)的研究成為了符合國(guó)家和行業(yè)發(fā)展需求的熱點(diǎn)課題。
本設(shè)計(jì)以垂直升降式立體車庫(kù)作為研究對(duì)象。垂直升降式停車庫(kù)一般以二輛車為一個(gè)層面，整個(gè)存車庫(kù)可多達(dá)20~25層，即可停放40~50輛車，而且在所有存車庫(kù)類型中其平面和空間利用率是最高的[5]。借用成熟的電梯技術(shù)，使汽車迅速升降到指定的固定停車位前，利用橫移裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)汽車的存取。車庫(kù)可以貼建筑物建造也可獨(dú)立建造，而且其封閉的直面又可成為商業(yè)廣告牌。電梯式停車庫(kù)可在地面上設(shè)置、半地下設(shè)置或地下設(shè)置，如停車泊位需求較大時(shí)，此種車庫(kù)又可橫向或縱向拼接。具有高性能、省電節(jié)能、噪聲比較小、運(yùn)轉(zhuǎn)高速、出入車快、安全裝置齊全可靠、操作簡(jiǎn)單、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。因而垂直升降式立體車庫(kù)的設(shè)計(jì)就具有其研究?jī)r(jià)值與實(shí)際應(yīng)用意義。
圖1.1 垂直升降式立體車庫(kù)外觀
1.2 立體車庫(kù)發(fā)展現(xiàn)狀
1.2.1 國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀
立體車庫(kù)在歐美日韓等發(fā)達(dá)國(guó)家很早就發(fā)展起來(lái)了，特別是對(duì)于大都市集中的日韓，地少車多的問(wèn)題使之產(chǎn)生了對(duì)立體車庫(kù)應(yīng)用的迫切需求，因而這些國(guó)家是立體車庫(kù)發(fā)展較為成熟的地區(qū)。
日本從20世紀(jì)60年代開(kāi)始從事立體車庫(kù)的開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)、銷售和服務(wù)，至今已有四十多年的歷史。目前在日本從事立體車庫(kù)及其設(shè)備開(kāi)發(fā)、制造的公司約有200多家，其中生產(chǎn)立體車庫(kù)的公司約100多家，比較大的公司有新明和、石川島播磨、日精、三菱重工等。從90年代起日本每年投入運(yùn)行的機(jī)械停車泊位都在10萬(wàn)以上[6]。早在1999年時(shí)日本就有82%的停車位為機(jī)械式[7]。對(duì)于日本，優(yōu)勢(shì)在多層升降橫移類、垂直升降類、水平循環(huán)類、垂直循環(huán)類、簡(jiǎn)易升降類等產(chǎn)品上。
韓國(guó)立體車庫(kù)技術(shù)是日本技術(shù)的派生[8]。從20世紀(jì)70年代中期開(kāi)始起步，80年代開(kāi)始引進(jìn)日本技術(shù)，經(jīng)過(guò)消化生產(chǎn)和本土化，90年代開(kāi)始進(jìn)入使用階段。由于這幾個(gè)階段得到了政府的高度重視，各種立體車庫(kù)得到普遍開(kāi)發(fā)和利用。目前韓國(guó)停車設(shè)備行業(yè)進(jìn)入穩(wěn)步發(fā)展階段。
在歐洲，以德國(guó)和意大利等國(guó)家的立體車庫(kù)發(fā)展較好。由于歐洲國(guó)家土地資源比較富余，停車問(wèn)題表現(xiàn)不很突出，停車設(shè)備應(yīng)用量不是很大。多數(shù)為巷道堆垛式產(chǎn)品，多層升降橫移式產(chǎn)品的應(yīng)用也很好。德國(guó)和意大利等歐洲國(guó)家的優(yōu)勢(shì)主要在巷道堆垛類產(chǎn)品上[9]。
1.2.2 國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀
我國(guó)在20世紀(jì)80年代初開(kāi)始研制和使用機(jī)械式停車設(shè)備。80年代是起步階段，90年代以來(lái)，隨著汽車工業(yè)和建筑業(yè)的發(fā)展，尤其是轎車作為消費(fèi)品進(jìn)入尋常百姓家后，停車設(shè)施的需求加大，立體車庫(kù)開(kāi)始逐步推廣，已經(jīng)形成了新興的停車設(shè)備行業(yè)。通過(guò)技術(shù)引進(jìn)和自主開(kāi)發(fā)，目前已進(jìn)入消化創(chuàng)新階段。據(jù)2002年的數(shù)據(jù)，從事停車設(shè)備制造的企業(yè)數(shù)約有100家，其中主機(jī)生產(chǎn)企業(yè)超過(guò)50家[10]?，F(xiàn)有產(chǎn)品種類已經(jīng)覆蓋了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)所定的9大類別，可以說(shuō)已基本上能夠滿足國(guó)內(nèi)的需求，一些設(shè)備也開(kāi)始出口。而且產(chǎn)品的質(zhì)量也有很大的提高，尤其是變頻調(diào)速、激光測(cè)距、PLC、IC卡觸摸屏等新興智能控制技術(shù)、信息技術(shù)、傳感器技術(shù)在停車設(shè)備上的應(yīng)用，大大提高了產(chǎn)品的高技術(shù)含量和現(xiàn)代化水平。
1.3 設(shè)計(jì)內(nèi)容及結(jié)構(gòu)
1.3.1 設(shè)計(jì)思路和方法
本課題為垂直升降式立體車庫(kù)設(shè)計(jì)。要求首先對(duì)垂直升降式立體車庫(kù)運(yùn)行原理和結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)查了解，明確設(shè)計(jì)參數(shù)、用功能原理設(shè)計(jì)的方法完成車庫(kù)總體方案。然后以車庫(kù)所存取的車輛為中心展開(kāi)車庫(kù)各部分的設(shè)計(jì)。
1.3.2 主要研究?jī)?nèi)容
1.針對(duì)垂直升降式立體車庫(kù)相關(guān)的資料進(jìn)行查閱，了解國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀及其典型設(shè)計(jì)的運(yùn)行原理和結(jié)構(gòu)。然后進(jìn)行總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，選擇出最佳設(shè)計(jì)方案。主要包括車庫(kù)整體結(jié)構(gòu)、車輛存取、垂直升降方式的選型。敘述方案選擇的過(guò)程。
2.載車臺(tái)的設(shè)計(jì)，主要包括回轉(zhuǎn)裝置、橫移裝置、微量升降裝置、橫移叉梳及與之配套的固定叉梳的設(shè)計(jì)計(jì)算。闡述機(jī)構(gòu)工作原理，設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)部件的形狀尺寸，確定驅(qū)動(dòng)元件型號(hào)，對(duì)關(guān)鍵的部分校核驗(yàn)算。
3.曳引系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，主要包括曳引機(jī)、轎廂、對(duì)重、鋼絲繩、升降導(dǎo)軌、防墜落裝置、緩沖器等部分的計(jì)算、設(shè)計(jì)和選型。選擇電機(jī)、鋼絲繩、導(dǎo)軌等零件的規(guī)格。確定結(jié)構(gòu)形狀尺寸、材料，對(duì)齒輪，軸等重要部件進(jìn)行必要的校核。
4.按制圖規(guī)范要求繪制車庫(kù)整體圖、子系統(tǒng)的裝配圖和主要零件的零件圖，用計(jì)算機(jī)和手工出圖。
第2章 立體車庫(kù)總體設(shè)計(jì)
2.1 垂直升降式立體車庫(kù)概述
2.1.1 垂直升降式立體車庫(kù)工作原理
垂直升降式立體車庫(kù)的運(yùn)行原理與電梯載人至各樓層的原理相似，車庫(kù)中間是汽車的垂直運(yùn)輸井道，兩側(cè)是沿垂直方向設(shè)置的汽車停車泊位，存車時(shí)，車輛駛進(jìn)車庫(kù)入口，由升降系統(tǒng)將車輛升降到目的層，然后用升降系統(tǒng)上的存取裝置把車輛或載車板送進(jìn)存車室；取車時(shí)，由存取裝置把指定停車位上的車輛取出裝進(jìn)升降機(jī)構(gòu)，然后由升降系統(tǒng)把車輛升降至車庫(kù)出口處，司機(jī)再把車輛開(kāi)走，從而完成整個(gè)車輛的存取[11]。
2.1.2 垂直升降式立體車庫(kù)主要結(jié)構(gòu)組成
垂直升降式立體車庫(kù)習(xí)慣上稱為電梯式立體停車庫(kù)，亦稱為塔式立體車庫(kù)[12]。其機(jī)械部分一般主要由主框架結(jié)構(gòu)、曳引系統(tǒng)、載車臺(tái)組成。
主框架結(jié)構(gòu)，可以使用傳統(tǒng)的鋼筋混凝土建造，但一般多用鋼架結(jié)構(gòu)，相比土建結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)具有、無(wú)土石污染、低嗓音等優(yōu)勢(shì)。鋼架結(jié)構(gòu)主要有外結(jié)構(gòu)架、內(nèi)結(jié)構(gòu)架。外結(jié)構(gòu)架由立柱、橫梁、拉撐停車位的擱腳組成；內(nèi)結(jié)構(gòu)架由立柱、斜撐等組成，并與升降導(dǎo)軌、對(duì)重導(dǎo)軌及外結(jié)構(gòu)架聯(lián)成一體。主框架結(jié)構(gòu)起到支撐曳引系統(tǒng)、載車臺(tái)等功能結(jié)構(gòu)，以及為停車位提供空間的作用。
曳引系統(tǒng)，主要由曳引機(jī)、轎廂、對(duì)重、鋼絲繩、滑輪、升降導(dǎo)軌、安全裝置、緩沖器等部分組成。其工作原理是當(dāng)曳引機(jī)啟動(dòng)，帶動(dòng)鋼絲繩運(yùn)動(dòng)，提升或放下轎廂，而對(duì)重則朝向相反方向運(yùn)動(dòng)。轎廂和對(duì)重分別沿其導(dǎo)軌作運(yùn)動(dòng)。防墜落器和緩沖器為曳引提升的過(guò)程提供基本的安全保障。
載車臺(tái)，主要包括回轉(zhuǎn)裝置，橫移裝置，搬運(yùn)器。載車臺(tái)是安裝在曳引系統(tǒng)的轎廂的底層，主要功能是將車輛橫移送入或取出停車位。回轉(zhuǎn)臺(tái)可以在原地將車輛轉(zhuǎn)向或掉頭；橫移裝置能將車輛連同搬運(yùn)器橫移入出停車位。橫移存取系統(tǒng)的設(shè)計(jì)比較多樣。根據(jù)需要，可以搭配回轉(zhuǎn)臺(tái)與單向橫移裝置合用，或只用雙向橫移裝置而取消回轉(zhuǎn)臺(tái)；搬運(yùn)器的類型有載車板式、叉梳式，載車板式多采用滑叉進(jìn)行，而橫移叉梳則常常配合微量升降裝置使用。
2.2 主要設(shè)計(jì)參數(shù)
標(biāo)準(zhǔn)JB/T 8713-1998規(guī)定，立體車庫(kù)設(shè)計(jì)過(guò)程依靠以下三個(gè)主要參數(shù)[13]：
(1) 適停車輛尺寸及重量。對(duì)適合在該機(jī)械式停車設(shè)備中停放的車輛，按其尺寸（GB/T 3730.3 定義的汽車長(zhǎng)、車寬、車高)及重量（包括按GB/T 3730.2 定義的整車整備質(zhì)量加上50 kg物品的重量)，分為X（小)、Z（中)、D（大)、T（特大)、C（超大)五個(gè)轎車組和K（客車)一個(gè)客車組，共6個(gè)組。如表2.1。
表2.1 機(jī)械式停車設(shè)備中停放車輛分類
組別代號(hào)
汽車長(zhǎng)×車寬×車高 (mm×mm×mm)
重量 (kg)
X
≤4400×1750×1450
≤1300
Z
≤4700×1800×1450
≤1500
D
≤5000×1850×1550
≤1700
T
≤5300×1900×1550
≤2350
C
≤5600×2050×1500
≤2550
K
≤5000×1850×2050
≤1850
(2) 存容量。對(duì)于垂直升降式立體車庫(kù)，標(biāo)準(zhǔn)推薦值為7~56輛。
(3) 單車最大進(jìn)（出）時(shí)間。對(duì)于垂直升降式立體車庫(kù)，標(biāo)準(zhǔn)亦有參考數(shù)據(jù)，為45~210秒。
本車庫(kù)設(shè)定可以在繁華的商業(yè)網(wǎng)點(diǎn)、辦公大樓或居民小區(qū)附近使用，要求能停放一般的微型到中高級(jí)轎車，存取時(shí)間不大于1分鐘。結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)[14]定出設(shè)計(jì)參數(shù)表2.2：
表2.2 垂直升降立體車庫(kù)設(shè)計(jì)參數(shù)
項(xiàng)目
參數(shù)
車輛尺寸要求
T型及以下車輛（車輛尺寸≤5300mm×1900mm×1550mm）
車輛重量要求
重量≤2350 kg
升降速度
1.5 m/s
層數(shù)
停車泊位12層
每層泊位
2
存容量
24
出入口數(shù)量
1
單車最大進(jìn)（出）時(shí)間
時(shí)間≤60 s
2.3 垂直升降式立體車庫(kù)功能原理方案設(shè)計(jì)
2.3.1 車庫(kù)功能原理方案設(shè)計(jì)要求
參照文獻(xiàn)[15]的功能原理方案設(shè)計(jì)方法，根據(jù)本設(shè)計(jì)的基本設(shè)計(jì)參數(shù)要求和使用情況，明確本設(shè)計(jì)的功能要求如表2.3。
表2.3 垂直升降式立體車庫(kù)的功能要求
項(xiàng)目
要求
備注
功能
1.實(shí)現(xiàn)立體車庫(kù)中的機(jī)械自動(dòng)存取車輛
基本要求
2.存取車輛的尺寸≤5300×1900×1550mm，重量≤2350kg
必達(dá)要求
3.存取車時(shí)間≤60s
必達(dá)要求
加工
4.小批量生產(chǎn)，中小型廠加工
基本要求
成本
5.進(jìn)行一定的成本控制
附加要求
結(jié)構(gòu)
6.結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單
附加要求
使用
7.操作方便
附加要求
2.3.2 功能分析
總功能：車輛存?。ㄜ囕v的運(yùn)送）。用黑箱法尋找總功能的轉(zhuǎn)化關(guān)系，見(jiàn)圖2.1，黑箱示意圖。
車庫(kù)
待存車輛（車庫(kù)外）
待取車輛（車位上）
已存車輛（車位上）
已取車輛（車庫(kù)外）
圖2.1 垂直升降式立體車庫(kù)的“黑箱”示意圖
總功能的分解：將總功能逐層分解，使之分為相應(yīng)的原理解為止，得到圖2.2所示的總功能分解結(jié)構(gòu)圖。
橫移
總功能
（車輛存?。?
支承和聯(lián)接
垂直升降功能（轎廂的升降）
橫移存取功能
安全功能
交換
回轉(zhuǎn)
圖2.2 垂直升降式立體車庫(kù)的總功能分解結(jié)構(gòu)圖
2.3.3 功能元求解
采用形態(tài)學(xué)矩陣法對(duì)功能元的解進(jìn)行組合，可得到設(shè)計(jì)方案的多種解。見(jiàn)表2.4。
表2.4 垂直升降式立體車庫(kù)的功能求解目錄表
分功能
技術(shù)
物理解
1
2
3
4
5
A
支承
土建結(jié)構(gòu)
鋼架結(jié)構(gòu)
B
升降
曳引驅(qū)動(dòng)
液壓驅(qū)動(dòng)
卷筒驅(qū)動(dòng)
齒輪齒條驅(qū)動(dòng)
螺桿驅(qū)動(dòng)
C
回轉(zhuǎn)
無(wú)
四聯(lián)桿機(jī)構(gòu)
齒輪驅(qū)動(dòng)
液壓驅(qū)動(dòng)
D
橫移
單向（鋼絲滑輪牽引機(jī)構(gòu)）
單向（折臂機(jī)構(gòu)）
單向（齒輪齒條）
雙向（兩移動(dòng)副四桿機(jī)構(gòu)）
E
交換
載車板
叉梳（液壓裝置微調(diào)）
叉梳（螺旋升降器）
F
安全
安全鉗、限速器
摩擦防墜落裝置
2.3.4 功能元的組合
組合各功能元的解，可得N=2×5×4×4×3×2=960種系統(tǒng)解。從中提取出以下三個(gè)比較合理的解作為主要的備選方案。
方案1：A2+B1+C3+D4+E3+F2
方案2：A2+B1+C1+D4+E1+F1
方案3：A2+B1+C4+D1+E2+F1
2.3.5 評(píng)價(jià)與決策
采用簡(jiǎn)單評(píng)價(jià)法。用“++”表示“很好”，用“+”表示“好”，用“-”表示“不好”。評(píng)價(jià)結(jié)果如表2.5。結(jié)果表明方案1為較為理想的方案。
表2.5 垂直升降式立體車庫(kù)的功能方案評(píng)價(jià)表
評(píng)價(jià)準(zhǔn)則
方案
1
2
3
運(yùn)行速度高
++
+
-
運(yùn)行精度高
+
+
+
成本低
+
-
+
結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單
-
+
+
操作安全
++
+
+
總計(jì)
5+
4+
4+
2.4 車庫(kù)總體布局
垂直升降式立體車庫(kù)總體布局分為以下四個(gè)方面的問(wèn)題：
(1)停車位的布置。垂直升降立體車庫(kù)的車位布置方式分為縱向并列式、縱向串列式和橫向并列式。著三類形式如圖2.3所示。相比其他兩種布置方式，橫向并列式易于擴(kuò)展成為多個(gè)立體車庫(kù)組合的形式，而且兼有結(jié)構(gòu)緊湊、橫移行程短的特點(diǎn)。所以本設(shè)計(jì)選用橫向并列式的車位布置。
(2)車庫(kù)出入口相對(duì)于地面的位置。根據(jù)車庫(kù)出入口相對(duì)于地面的位置，垂直升降立體車庫(kù)分為下部出入式、中部出入式和上部出入式。下部出入式的車庫(kù)的車輛出入口設(shè)在整個(gè)停車位的最下一層，即所有的停車位都在出入口上方；中部出入式的車庫(kù)的車輛出入口設(shè)在整個(gè)停車位的中間的某一層，出入通道上下方各有部分停車位；上部出入式的車庫(kù)的車輛出入口設(shè)在整個(gè)停車位的最上一層，即所有的停車位都在出入口下方。本設(shè)計(jì)采用車庫(kù)出入口下部出入式的布置。這樣車庫(kù)的地坑較淺，建設(shè)和拆除方便，同時(shí)也避免了深坑的積水問(wèn)題，且不會(huì)對(duì)環(huán)境帶來(lái)嚴(yán)重的影響。
(1) 縱向并列車位 (2) 橫向并列車位 (3) 縱向串列車位
圖2.3 垂直升降式立體車庫(kù)的停車位布置形式[16]
(3)曳引系統(tǒng)曳引機(jī)的布置。垂直升降式立體車庫(kù)又可由曳引系統(tǒng)的曳引機(jī)布置分為上驅(qū)動(dòng)式、下驅(qū)動(dòng)式。分別是曳引系統(tǒng)的曳引機(jī)布置在立體車庫(kù)頂部或底部的形式。本設(shè)計(jì)將曳引機(jī)設(shè)在整個(gè)停車庫(kù)的下部，工作人員易于到達(dá)，方便了對(duì)立體車庫(kù)的日常的保養(yǎng)和故障時(shí)的維修。
(4)進(jìn)出車口的布置。垂直升降式立體車庫(kù)對(duì)進(jìn)出車口的布置有兩種方案：直通式、折返式。前者是立體車庫(kù)設(shè)有前后兩門，能使車輛方便的前門進(jìn)，后門出；后者是車輛能從一門出入庫(kù)的形式。由于本設(shè)計(jì)已采用回轉(zhuǎn)臺(tái)和雙向叉梳的組合，所以適用折返式，可使車輛順利的出入車庫(kù)，不用倒車。而在必要時(shí)多臺(tái)立體車庫(kù)并列組合的情況下也可增設(shè)彼此相通的門。
2.5 車庫(kù)的存取車流程
由已確定的功能原理方案與車庫(kù)總體布局規(guī)劃出垂直升降式立體車庫(kù)的存取車流程，如圖2.4和圖2.5所示。
車輛駛?cè)胲噹?kù)并開(kāi)上轎廂內(nèi)的叉梳
若有取車需求信號(hào)時(shí)，轎廂移動(dòng)到所取車輛所在層，進(jìn)行取車動(dòng)作；若無(wú)取車需求信號(hào)時(shí)，轎廂下降到車輛入口層，螺旋升降器升到初始位置
存車過(guò)程結(jié)束
符合限制，車輛駕駛員打卡，控制計(jì)算機(jī)分配停車位置及記錄各種數(shù)據(jù)
回轉(zhuǎn)裝置旋轉(zhuǎn)90度后下降一段高度
駕駛員下車離開(kāi)車庫(kù)，車庫(kù)門關(guān)閉
準(zhǔn)備入庫(kù)的車輛駕駛員判斷有無(wú)車位及車輛是否超過(guò)尺寸
轎廂提升至指定位置，微量升降裝置升起到高位置
橫移叉梳向車位方向作橫向移動(dòng)
橫移叉梳橫向移動(dòng)到位，微量升降裝置帶動(dòng)移動(dòng)叉梳下降
橫移叉梳下降到低位置，車輛放下后橫移叉梳作橫向返回至轎廂內(nèi)
圖2.4 立體車庫(kù)存車的基本流程圖
微量升降裝置降到初始位置，轎廂下降到最低層面
載車臺(tái)上升至平層后回轉(zhuǎn)裝置旋轉(zhuǎn)90度，使車頭朝外
取車過(guò)程結(jié)束
橫移叉梳橫向移動(dòng)到目的車位
駕駛員打卡，計(jì)算機(jī)判斷車輛位置并從卡中自動(dòng)收費(fèi)
橫移叉梳作橫向移動(dòng)回轎廂以內(nèi)
車輛開(kāi)出車庫(kù)
轎廂提升到所取車輛的層位，微量升降裝置降到低位置
微量升降裝置帶動(dòng)橫移叉梳抬起車輛
駕駛員進(jìn)入車庫(kù)，進(jìn)入車內(nèi)等候車輛掉轉(zhuǎn)車頭
圖2.5 立體車庫(kù)取車的基本流程圖
2.6 本章小結(jié)
本章首先闡述了垂直升降式立體車庫(kù)的原理與組成，確定了本次設(shè)計(jì)的主要參數(shù)要求。之后用功能原理設(shè)計(jì)的方法進(jìn)行了對(duì)垂直升降式立體車庫(kù)的功能分析和功能元求解、評(píng)價(jià)決策、并得到最優(yōu)的總體方案。最后補(bǔ)充總體的布局和基本存取車流程。為下一步進(jìn)行的詳細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)做好了充分的準(zhǔn)備。
第3章 載車臺(tái)的設(shè)計(jì)
3.1 載車臺(tái)的構(gòu)成
載車臺(tái)主要實(shí)現(xiàn)的為橫移存取功能，其完成的動(dòng)作是三個(gè)：回轉(zhuǎn)、橫移、交換?；剞D(zhuǎn)動(dòng)作使車輛原地轉(zhuǎn)向、掉頭，橫移動(dòng)作使車輛可在載車臺(tái)上方到停車位上方之間運(yùn)動(dòng)，交換動(dòng)作使車輛進(jìn)入或退出停車位。這三個(gè)動(dòng)作是由叉梳、微量升降裝置、橫移裝置和回轉(zhuǎn)裝置相互協(xié)調(diào)完成的。首先，設(shè)計(jì)就由載車臺(tái)叉梳的設(shè)計(jì)開(kāi)始，擴(kuò)展至載車臺(tái)的微量升降裝置、橫移裝置，最后是回轉(zhuǎn)裝置的設(shè)計(jì)。載車臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖3.1所示。
1-橫移叉梳 2-微量升降裝置 3-行走架 4-搖臂 5-橫移導(dǎo)軌 6-回轉(zhuǎn)盤 7-回轉(zhuǎn)傳動(dòng)裝置 8-橫移動(dòng)力裝置 9-回轉(zhuǎn)支承 10-底架
圖3.1 載車臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖
3.2 叉梳的設(shè)計(jì)
總體設(shè)計(jì)中已確定了使用雙向橫移叉梳的方案。在此方案中，固定叉梳懸臂布置，橫移叉梳由叉梳下部的橫梁支承，在行走架的帶動(dòng)下作雙向橫移，可與兩側(cè)的固定叉梳進(jìn)行交換動(dòng)作。
在GB 17907-1999機(jī)械式停車設(shè)備通用安全要求[17]中，對(duì)停車位的長(zhǎng)、寬、高做出了明確的規(guī)定。寬度方面，規(guī)定對(duì)用搬運(yùn)器將汽車送入車位的，為汽車全寬加150 mm。長(zhǎng)度方面，規(guī)定不小于存放汽車的全長(zhǎng)加200 mm。參考T型車輛的尺寸限制長(zhǎng)×寬×高≤5300mm×1900mm×1550mm。橫移叉梳總長(zhǎng)為5560 mm，寬度為2200 mm。尺寸略大于限制尺寸，以避免發(fā)生車輛與車庫(kù)設(shè)施的碰撞。
圖3.2 橫移叉梳
橫移叉梳的叉梳柵格有前后輪之分，前輪叉梳柵格空間為1000mm×2200mm，后輪叉梳柵格空間為1440mm×2200mm?？紤]到轎車車輪直徑約為500 mm左右，因而前輪叉梳柵格空間在縱向長(zhǎng)度1000 mm可允許一定的車輛停入的位置誤差。而后輪叉梳柵格空間在縱向長(zhǎng)度相比前輪叉梳柵格空間增大了440 mm，這是考慮到停放的車輛尺寸的多樣，參考查到的前后軸間距較大與較小的車輛，前者例如奧迪A8前后軸間距2880 mm，后者例如大眾Popo前后軸間距2407 mm，兩者相差480 mm。而前輪叉梳有一定的縱向停放余量，所以后輪叉梳柵格空間在縱向長(zhǎng)度定為1440 mm。
參考專利[18]，橫移叉梳無(wú)柵格部分用花紋鋼板鋪設(shè)。以方便車輛出入。結(jié)構(gòu)如圖3.2所示。
圖3.3 固定叉梳
如圖3.3所示，停車位的固定叉梳的結(jié)構(gòu)與橫移叉梳正好相反，橫移叉梳的梳叉部分固定叉梳就是空格，橫移叉梳的空格部分固定叉梳就是梳叉，而且橫移叉梳中間蓋花紋鋼板的部分固定叉梳是一個(gè)完全的大空格。這樣才能實(shí)現(xiàn)兩個(gè)叉梳的相錯(cuò)運(yùn)動(dòng)。由于固定叉梳與橫移叉梳式是相互配合作用的，其設(shè)計(jì)也是一體的。
3.3 微量升降裝置的設(shè)計(jì)
微量升降裝置安裝在橫移叉梳之下、行走架之上，采用電機(jī)帶動(dòng)螺旋升降器使得橫移叉梳相對(duì)于行走架產(chǎn)生較小行程的升降動(dòng)作，與叉梳一起共同作用完成車輛在載車臺(tái)和停車位之間交換的功能。
一共使用4臺(tái)螺旋升降器，分為兩組，分別布置在叉梳的前后兩端，每組由一個(gè)雙軸端輸出的電機(jī)提供動(dòng)力，4臺(tái)螺旋升降器同時(shí)作用完成升降動(dòng)作。結(jié)構(gòu)如圖3.4所示。
圖3.4 橫移裝置
微量升降裝置的升降高度是由固定叉梳與橫移叉梳的高度為基礎(chǔ)確定的。固定叉梳的高度是150 mm，橫移叉梳的高度是200 mm，兩者相差50 mm。
微量升降裝置在存車過(guò)程中是這樣工作的：在橫移叉梳橫移動(dòng)作之前，橫移叉梳在微量升降裝置的作用下其上平面上升到比固定叉梳的上平面高40 mm的高度，保證汽車輪胎和橫移叉梳縱梁在橫移時(shí)不與固定叉梳發(fā)生碰撞，然后橫移叉梳作橫向平移。橫移到位后，橫移叉梳在微量升降裝置的作用下下降80 mm的高度，把汽車停放在固定叉梳上，此時(shí)橫移叉梳的上平面比固定叉梳的上平面低40 mm，使橫移叉梳避開(kāi)汽車輪胎，然后橫移叉梳橫移回到載車臺(tái)上轎廂以內(nèi)。
而取車過(guò)程正好相反：在橫移叉梳橫移動(dòng)作之前，橫移叉梳在微量升降裝置的作用下其上平面下降到比固定叉梳的上平面低40 mm的高度，橫移叉梳作橫向平移到停車位。橫移到位后，橫移叉梳在微量升降裝置的作用下上升80 mm的高度，使汽車停在橫移叉梳上，此時(shí)橫移叉梳的上平面比固定叉梳的上平面高出40 mm，使固定叉梳避開(kāi)汽車輪胎，然后汽車和橫移叉梳一起橫移回到載車臺(tái)上轎廂以內(nèi)。
電機(jī)選擇方面主要考慮到微量升降裝置要求體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、且需要頻繁啟動(dòng)的特點(diǎn)，選擇了ZY系列直流永磁電動(dòng)機(jī)。而且此型還有可以雙軸端輸出的形式可選，非常符合使用要求。根據(jù)功率計(jì)算來(lái)選擇具體的電機(jī)型號(hào)。
最大停車重量為m1=2350 kg，橫移叉梳重m2=500 kg，升降速度設(shè)為v=0.01 m/s，螺旋升降器傳動(dòng)效率為。
則微量升降裝置所需總功率為
由于使用兩臺(tái)電機(jī)共同工作，電機(jī)額定功率。
因而選擇型號(hào)為130ZY54的電機(jī)。電壓220V，轉(zhuǎn)速3000 r/min，電流5.5 A，功率1.0 kW。
螺旋升降器選擇使用SWL蝸輪螺桿升降器(JB/T 8809-1998)，型號(hào)為SWL2.5。螺桿桿端形式為頂板式，以便安裝橫移叉梳。動(dòng)力輸入選擇為單端輸入。最大起升力25 kN，蝸輪蝸桿傳動(dòng)比24:1，最大許用功率0.55 kW，總效率14%。螺旋升降器外形如圖3.5所示。
圖3.5 桿端形式為頂板式的螺旋升降器
聯(lián)軸器選擇彈性套柱銷聯(lián)軸器(GB/T 4323-1984)，這樣可以補(bǔ)償一定的徑向誤差，彈性套柱銷聯(lián)軸器型號(hào)為L(zhǎng)T2。
3.4 橫移裝置的設(shè)計(jì)
橫移裝置的作用是實(shí)現(xiàn)叉梳在載車臺(tái)上方與停車位的橫移動(dòng)作。主要是通過(guò)兩移動(dòng)副四桿機(jī)構(gòu)將動(dòng)力形式由旋轉(zhuǎn)運(yùn)功變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)，來(lái)推拉行走架。而且由于兩移動(dòng)副四桿機(jī)構(gòu)自身的特點(diǎn)，還可實(shí)現(xiàn)到鋼絲滑輪牽引機(jī)構(gòu)、折臂機(jī)構(gòu)、齒輪齒條機(jī)構(gòu)無(wú)法完成的雙向橫移功能。雙向橫移功能的優(yōu)點(diǎn)在于存取車的過(guò)程中，無(wú)需回到底層轉(zhuǎn)向就可以在存放完成一輛汽車后，從井道另一側(cè)車位取出車輛，減少了因?yàn)榈纛^所消耗的升降及回轉(zhuǎn)的時(shí)間，提高了車庫(kù)的運(yùn)行效率。
3.4.1 四桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)
兩移動(dòng)副四桿機(jī)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)方案有兩種：1.正弦機(jī)構(gòu)；2.正切機(jī)構(gòu)。如圖3.6所示。
(a) 正弦機(jī)構(gòu) (b) 正切機(jī)構(gòu)
圖3.6 兩移動(dòng)副四桿機(jī)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)方案
兩者均可實(shí)現(xiàn)雙向橫移功能，但比較來(lái)看后者更有優(yōu)勢(shì)：
(1)受力方面：在搖臂將行走架向左右推出時(shí)，若搖臂力矩相等，則由于正切機(jī)構(gòu)的力臂較短使得行走架受推出力較正弦機(jī)構(gòu)大，橫移初始加速度可以更大一些。
(2)運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性方面：正弦機(jī)構(gòu)對(duì)行走架推出力的作用點(diǎn)是在行走架的中軸線的一半上變化的；而正切機(jī)構(gòu)對(duì)行走架推出力的作用點(diǎn)始終在行走架的中點(diǎn)處，這樣就與行走架的重心重合，避免產(chǎn)生行走架自身的轉(zhuǎn)動(dòng)趨向所引發(fā)的橫移時(shí)的不平穩(wěn)和震顫。
(3)結(jié)構(gòu)布置方面：正弦機(jī)構(gòu)搖臂回轉(zhuǎn)中心與載車臺(tái)中心的距離需要比較大才能使對(duì)行走架推出力的作用點(diǎn)靠近行走架的中點(diǎn)處，而正弦機(jī)構(gòu)搖臂回轉(zhuǎn)中心正是橫移裝置的動(dòng)力裝置所在，這樣布置的結(jié)果會(huì)使載車臺(tái)體積龐大、結(jié)構(gòu)繁雜。相反，正切機(jī)構(gòu)搖臂回轉(zhuǎn)中心與載車臺(tái)中心的距離可以較小，易于進(jìn)行緊湊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
(4)正切機(jī)構(gòu)方案中行走架可以單獨(dú)回轉(zhuǎn)，即行走架繞其中心回轉(zhuǎn)時(shí)，搖臂可以靜止不動(dòng)而不發(fā)生干涉。因此搖臂及其動(dòng)力部分就不必安裝在回轉(zhuǎn)盤上一起回轉(zhuǎn)，而可直接安裝在載車臺(tái)的底架上。
綜上所述，選擇正切機(jī)構(gòu)來(lái)設(shè)計(jì)完成橫移動(dòng)作。
橫移裝置主要是由行走架部分和搖臂及其動(dòng)力部分組成的。下面是對(duì)兩部分進(jìn)行的單獨(dú)的設(shè)計(jì)。
3.4.2 行走架部分的設(shè)計(jì)
行走架部分之上安裝著微量升降裝置，需要給微量升降裝置留出安裝的位置；另一方面，而行走架部分是在回轉(zhuǎn)盤預(yù)置的導(dǎo)軌上橫移行走的，因此需要加設(shè)可與導(dǎo)軌相配的導(dǎo)輪；而且行走架還必須給搖臂擺動(dòng)留出空間，保證不與搖臂發(fā)生干涉碰撞。其結(jié)構(gòu)如圖3.7所示。
圖3.7 行走架
每組微量升降裝置都安裝在由槽鋼、H形鋼和方形空心鋼從兩端用鋼板焊在一起的小框架上。小框架的方形空心鋼一側(cè)向外，安裝著用于橫移行走的滾輪。兩個(gè)小框架又通過(guò)兩根方形空心鋼作的縱梁焊接成一體?？v梁的間距恰小于叉梳縱梁的間距，兩者可以在同一平面內(nèi)錯(cuò)開(kāi)來(lái)避免干涉。而縱梁布置在小框架上一平面內(nèi)剛好可空出搖臂擺動(dòng)的空間。行走架中央處焊接的橫梁作用是安裝在搖臂導(dǎo)槽內(nèi)滑動(dòng)的銷軸。為了減小銷軸與搖臂導(dǎo)槽的摩擦，也將滾輪應(yīng)用到此處。
圖3.8 滾輪
滾輪主要是由輪軸、軸承、輪圈三部分組成。選用兩個(gè)角接觸球軸承7007C對(duì)頂布置，內(nèi)圈由墊圈螺釘固定，外圈由輪圈孔端和彈性擋圈固定，避免軸承或輪圈因松動(dòng)而滑脫。滾輪結(jié)構(gòu)如圖3.8所示。
3.4.3 搖臂及其動(dòng)力部分的設(shè)計(jì)
搖臂直接采用熱軋槽鋼加工而成，槽鋼牌號(hào)為12.6，總長(zhǎng)2750 mm。用法蘭盤安裝在傳動(dòng)裝置的輸出軸上。安裝結(jié)構(gòu)如圖3.9所示。
圖3.9 搖臂安裝結(jié)構(gòu)
橫移叉梳寬2200 mm，載車臺(tái)與固定叉梳間隔30 mm，則需將叉梳推出距離為。而搖臂回轉(zhuǎn)中心與叉梳中心間距，當(dāng)搖臂將橫移叉梳推出至最大位移時(shí)，其轉(zhuǎn)過(guò)角度，有效搖臂長(zhǎng)度。
圖3.10 橫移裝置工作示意圖
搖臂所需最大力矩出現(xiàn)在將靜止的車輛從停車位上方開(kāi)始橫移回到載車臺(tái)的時(shí)刻。此時(shí)受力情況如圖3.11所示。車輛及橫移叉梳橫移所需的力為F，銷軸所承受的力為F0，搖臂所傳遞的轉(zhuǎn)矩為M。
圖3.11 搖臂受力示意圖
車輛及橫移叉梳橫移時(shí)克服的主要是滾輪的滾動(dòng)摩擦力，則車輛及橫移叉梳橫移所需的力為
(3.1)
車和橫移叉梳的重力
球軸承承受徑向載荷時(shí)的滾動(dòng)摩擦因數(shù)
輪與導(dǎo)軌滾動(dòng)時(shí)的滾動(dòng)摩擦因數(shù)（鋼與鋼）
則
銷軸所承受的力為
搖臂所傳遞的轉(zhuǎn)矩為
設(shè)需要4 s以內(nèi)轉(zhuǎn)到位，則等效的轉(zhuǎn)速
則橫移裝置所需總功率為
電機(jī)選用YR系列三相異步電機(jī)，型號(hào)為YR160M-8，額定功率為4.0 kW，同步轉(zhuǎn)速為750 r/min，額定轉(zhuǎn)速715 r/min
橫移裝置動(dòng)力部分采用齒輪蝸桿傳動(dòng)裝置，這樣可以達(dá)到較高的減速比，以輸出較大的力矩，而且整個(gè)傳動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)也十分緊湊，適用于此處。
總傳動(dòng)比
而電機(jī)額定轉(zhuǎn)速
則總傳動(dòng)比
又，i1為蝸輪蝸桿傳動(dòng)比，i2為圓柱齒輪傳動(dòng)比。
先設(shè)計(jì)蝸輪蝸桿傳動(dòng)部分，確定傳動(dòng)比后再設(shè)計(jì)圓柱齒輪傳動(dòng)部分。
1、蝸輪蝸桿傳動(dòng)部分的設(shè)計(jì)
選擇普通圓柱蝸桿傳動(dòng)，具體形式為GB/T 10085-1988推薦采用的ZI漸開(kāi)線蝸桿。具體設(shè)計(jì)參照文獻(xiàn)[19]。
蝸桿材料采用45號(hào)鋼淬火處理，硬度為40~55 HRC，這樣可以提高表面硬度，增加耐磨性。而蝸輪材料選用減摩性好的ZCuAl10Fe3鑄造鋁青銅，金屬模鑄造，為了防止變形，對(duì)蝸輪進(jìn)行時(shí)效處理。
初選蝸輪蝸桿的基本參數(shù)如下：中心距a=315 mm，模數(shù)m=10 mm，蝸桿分度圓直徑d1=90 mm，傳動(dòng)比i1=53，蝸輪齒數(shù)z2=53，蝸桿頭數(shù)z1=1，變位系數(shù)x2=+0.500 mm，蝸輪分度圓直徑d2=530 mm。
分度圓導(dǎo)程角，直徑系數(shù)，由于是ZI漸開(kāi)線蝸桿，法向壓力角。
(1) 校核蝸輪的接觸疲勞強(qiáng)度
蝸輪圓周處的滑動(dòng)速度：
(3.2)
蝸桿圓周速度v1，蝸輪圓周速度v2，而，則滑動(dòng)速度，查得蝸輪的許用接觸應(yīng)力。
確定彈性影響系數(shù)ZE，因選用鑄造鋁青銅與鋼制蝸桿相配，故；確定接觸系數(shù)Zρ，蝸桿分度圓直徑d1和傳動(dòng)中心距a的比值，查得。
確定載荷系數(shù)K，由于載荷性質(zhì)為不均勻、小沖擊且啟動(dòng)載荷較大，使用系數(shù)；載荷有中等沖擊、變化較大，齒向載荷分布系數(shù)；蝸輪圓周速度，動(dòng)載系數(shù)，則
蝸輪齒面的接觸應(yīng)力
接觸疲勞強(qiáng)度滿足。
(2) 校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度
由于z2<90，則不易出現(xiàn)因彎曲強(qiáng)度不足而失效的情況，但仍需進(jìn)行齒根彎曲疲勞強(qiáng)度的校核計(jì)算，以避免因重載而使運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性不足。
應(yīng)有蝸輪的齒根彎曲應(yīng)力
(3.3)
當(dāng)量齒數(shù)
根據(jù)變位系數(shù)x2=+0.500 mm，當(dāng)量齒數(shù)查得齒形系數(shù)
螺旋角系數(shù)
ZCuAl10Fe3制造的鑄造鋁青銅基本許用彎曲應(yīng)力
應(yīng)力循環(huán)次數(shù)
壽命系數(shù)
則許用彎曲應(yīng)力
而蝸輪的齒根彎曲應(yīng)力
滿足彎曲強(qiáng)度要求。
蝸輪結(jié)構(gòu)采用齒圈式，由青銅齒圈及鑄鐵輪芯所組成，如圖3.12所示。齒圈與輪芯采用H7/r6配合，加裝4個(gè)螺釘擰緊后將頭部鋸掉，以增強(qiáng)聯(lián)接的可靠性。
圖3.12 蝸輪結(jié)構(gòu)
2、高速級(jí)斜齒圓柱齒輪傳動(dòng)
選擇小齒輪材料40Cr，調(diào)質(zhì)處理，硬度241~286 HBS；大齒輪材料ZG35CrMo，調(diào)質(zhì)處理，硬度190~240 HBS，精度8級(jí)。
圓柱齒輪傳動(dòng)比。
取z1=30，則，。
(1) 按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì)
(3.4)
確定各參數(shù)數(shù)值
初選載荷系數(shù)Kt=1.5，齒寬系數(shù)φd=1.0；
彈性系數(shù)，節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù)；
查得，，則；
接觸疲勞強(qiáng)度，；
大齒輪轉(zhuǎn)速；
小齒輪轉(zhuǎn)速；
大齒輪的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)：
小齒輪的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)：
查得接觸疲勞壽命系數(shù)，，取安全系數(shù)SH=1，得到許用接觸應(yīng)力：
確定傳動(dòng)尺寸
得動(dòng)載荷系數(shù) Kv=1.14；
使用系數(shù)KA=1.25（原動(dòng)機(jī)均勻平穩(wěn)，工作機(jī)輕微沖擊）；
齒間載荷分布系數(shù)Kα=1.2（假設(shè)）；
齒向載荷分布系數(shù)Kβ=1.07；
故載荷系數(shù)；
修正d1，即；
確定模數(shù)
取。
確定中心距
中心距圓整為165 mm。
修正，β與初選值相差不大，不需修正。
由，取，。
(2) 校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度
由，查得，；
由，查得，。
縱向重合度：
螺旋角系數(shù) ；
查得，；
彎曲疲勞強(qiáng)度極限為，；
取SF=1.25，得到
彎曲強(qiáng)度足夠。
驗(yàn)算，合適。
3、齒輪蝸桿傳動(dòng)裝置的支承
蝸輪軸兩端用一對(duì)圓錐滾子軸承33118對(duì)頂支承。
蝸桿采用一端固定支承，一端游動(dòng)支承的方式，以適應(yīng)由于溫度變化而使蝸桿發(fā)生伸縮的要求。即固定支承端用套杯固定安裝一對(duì)圓錐滾子軸承30312的外圈，并用圓螺母將軸承內(nèi)圈與軸鎖緊，這一端就不可在軸向移動(dòng)。而蝸桿的另一端僅僅在軸上固定深溝球軸承的內(nèi)圈，外圈不固定，則蝸桿的這一端就可以與此軸承一起在孔內(nèi)軸向游動(dòng)。
大齒輪直接安裝在蝸桿一端伸出的軸頸上，也用圓螺母鎖緊。齒輪軸兩端用一對(duì)圓錐滾子軸承32209對(duì)頂支承。
橫移動(dòng)力裝置結(jié)構(gòu)如3.13所示。
圖3.13 橫移動(dòng)力裝置
3.5 回轉(zhuǎn)裝置的設(shè)計(jì)
回轉(zhuǎn)裝置的作用是實(shí)現(xiàn)車輛入出車庫(kù)的原地掉頭。主要是由回轉(zhuǎn)盤，傳動(dòng)裝置和底架組成。傳動(dòng)裝置通過(guò)帶外齒圈的回轉(zhuǎn)支承將動(dòng)力傳遞到回轉(zhuǎn)盤上，帶動(dòng)回轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)，而底架則主要起到支撐和連接的作用。設(shè)計(jì)也分這三部分展開(kāi)
3.5.1 回轉(zhuǎn)盤的設(shè)計(jì)
回轉(zhuǎn)盤是回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的執(zhí)行部件，結(jié)構(gòu)如圖3.14所示。其上部承載著行走架、叉梳以及所搬運(yùn)的汽車，而下部安裝在回轉(zhuǎn)支承的外圈上，可以相對(duì)于回轉(zhuǎn)支承的內(nèi)圈作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，所以回轉(zhuǎn)盤的設(shè)計(jì)同時(shí)要考慮上下相關(guān)部件的安裝。
圖3.14 回轉(zhuǎn)盤
回轉(zhuǎn)盤的兩端伸出部分與普通狀態(tài)下的橫移叉梳等高，而且外輪廓做成弧形，上表面鋪設(shè)鋼板，可以使汽車順利進(jìn)入橫移叉梳上。為了保證強(qiáng)度還加焊了傾斜的加強(qiáng)支撐。
回轉(zhuǎn)盤上還安裝有與行走架滾輪相配的導(dǎo)軌，結(jié)構(gòu)如圖3.15所示。導(dǎo)軌是用熱軋T型鋼TW50×100加工而成的。導(dǎo)軌是用螺栓從不行走滾輪一側(cè)連接在下面用熱軋H型鋼HW100×100做成的橫梁上的，這樣導(dǎo)軌受到良好的支承，受力變形也相應(yīng)減少。
圖3.15 回轉(zhuǎn)盤的導(dǎo)軌安裝
回轉(zhuǎn)盤中心焊接了一整塊中部挖出大圓孔的鋼板，其作用是便于安裝回轉(zhuǎn)支承的外圈，所以大圓孔的周圍還開(kāi)有小的螺栓孔。挖出大圓孔的目的是為了給橫移裝置從其中間穿過(guò)留出足夠的空間。
回轉(zhuǎn)支承選用單排四點(diǎn)接觸球式回轉(zhuǎn)支承（JB/T 2300-1999），由內(nèi)外兩個(gè)座圈組成，結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、鋼球與圓弧軌道四點(diǎn)接觸，能同時(shí)承受軸向力、徑向力和傾覆力矩，結(jié)構(gòu)如圖3.16所示。選擇具體型號(hào)為011.35.1800.11，傳動(dòng)形式為漸開(kāi)線圓柱齒輪外嚙合小模數(shù)，安裝形式為標(biāo)準(zhǔn)型有止口、內(nèi)外圈均為螺紋孔。
圖3.16 回轉(zhuǎn)支承
3.5.2 傳動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)
回轉(zhuǎn)盤及其上面所承載的汽車及叉梳回轉(zhuǎn)時(shí)可簡(jiǎn)化為矩形塊繞其中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖3.17所示。所以其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。
取矩形塊長(zhǎng)b=5.0 m，寬a=2.0 m，總重m=4000 kg。
則。
圖3.17 回轉(zhuǎn)體簡(jiǎn)化模型
確定回轉(zhuǎn)裝置回轉(zhuǎn)90o用時(shí)3s，則回轉(zhuǎn)所用平均角速度
假設(shè)回轉(zhuǎn)角速度按圖3.18中所示變化，則角加速度。
則傳動(dòng)裝置應(yīng)提供給回轉(zhuǎn)盤的力矩為
圖3.18 角速度變化曲線圖
所需功率
(3.5)
其中，開(kāi)式的齒輪齒圈傳動(dòng)效率；蝸輪蝸桿的傳動(dòng)效率；聯(lián)軸器的傳動(dòng)效率；
則功率為。
電機(jī)選用YR系列三相異步電機(jī)，型號(hào)為YR160M-8，同橫移裝置部分，額定功率為4.0 kW，同步轉(zhuǎn)速為750 r/min，額定轉(zhuǎn)速715 r/min。
而電機(jī)額定轉(zhuǎn)速，則總傳動(dòng)比。又，i1為齒輪齒圈傳動(dòng)比，i2為蝸輪蝸桿傳動(dòng)比。
1、齒輪齒圈傳動(dòng)部分設(shè)計(jì)
已選單排四點(diǎn)接觸球式回轉(zhuǎn)支承，具體型號(hào)為011.35.1800.11，其外齒參數(shù)為齒數(shù)，模數(shù)，變位系數(shù)x= +0.5，齒寬b= 90mm。
將齒輪齒圈傳動(dòng)比i1定為3.5，則小齒輪齒數(shù)，取整之后，則分度圓直徑，齒寬b=96 mm，齒頂圓的直徑，而相應(yīng)的齒根圓直徑。
小齒輪采用輻板式結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)如圖3.19所示
圖3.19 小齒輪
2、蝸輪蝸桿傳動(dòng)部分
蝸輪蝸桿傳動(dòng)比。
與橫移部分的蝸輪蝸桿相同選擇普通圓柱蝸桿傳動(dòng)，具體形式為GB/T 10085-1988推薦采用的ZI漸開(kāi)線蝸桿。蝸桿材料采用45號(hào)鋼淬火處理，硬度為40~55HRC，以提高表面硬度，增加耐磨性。而蝸輪材料選用減摩性好的ZCuAl10Fe3鑄造鋁青銅，金屬鑄造，為了防止變形，須對(duì)蝸輪進(jìn)行時(shí)效處理。
選蝸輪蝸桿的基本參數(shù)如下：中心距a =315 mm，模數(shù)m=12.5 mm，蝸桿分度圓直徑d1 =112 mm，傳動(dòng)比i1 =41，蝸輪齒數(shù)z2 =41，蝸桿頭數(shù)z1 =1，變位系數(shù)x2 =+0.22 mm，蝸輪分度圓直徑d2 =512.5 mm。
分度圓導(dǎo)程角，直徑系數(shù)。
圖3.20 回轉(zhuǎn)部分蝸輪蝸桿傳動(dòng)裝置
由于是ZI漸開(kāi)線蝸桿，法向壓力角，校核的過(guò)程與橫移裝置處類似，校核發(fā)現(xiàn)其強(qiáng)度足夠，此處不再贅述。蝸輪蝸桿傳動(dòng)裝置部分結(jié)構(gòu)如圖3.20所示。
3.5.3 底架的設(shè)計(jì)
底架承載著全部載車臺(tái)的重量，內(nèi)部安裝著橫移部分和回轉(zhuǎn)部分的傳動(dòng)裝置，還作為轎底與轎廂立柱相連，所以將其做成框架結(jié)構(gòu)以增加其受力的能力，結(jié)構(gòu)如圖3.21所示。
圖3.21 底架主視圖
底架上部焊接了一塊與回轉(zhuǎn)盤類似的帶圓孔鋼板，也是用作與回轉(zhuǎn)支承相連，通過(guò)它將回轉(zhuǎn)支承的內(nèi)圈固定在底架上。底架下部的槽鋼是用于安裝橫移部分和回轉(zhuǎn)部分的傳動(dòng)裝置的，其尺寸來(lái)源于傳動(dòng)裝置的布局。
底架的最底層的槽鋼是用于與曳引系統(tǒng)中的緩沖器相接觸的，其兩端通過(guò)鋼板焊接在底架下部。
圖3.22 底架側(cè)視圖
如圖3.22所示，底架側(cè)視圖所示底架的兩端立柱處還留有與轎廂立柱連接所用的螺栓孔，以便組裝連接。
3.6 本章小結(jié)
本章主要闡述了載車臺(tái)的設(shè)計(jì)過(guò)程，包括有叉梳、微量升降裝置、橫移裝置和回轉(zhuǎn)裝置四部分的分解設(shè)計(jì)，其中有四桿機(jī)構(gòu)、蝸輪蝸桿傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)的計(jì)算，型鋼焊接結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。由于各層之間上下相連，連接的設(shè)計(jì)比較多?？傮w上來(lái)看很好的達(dá)到了在滿足使用要求的前提下，盡量使載車臺(tái)結(jié)構(gòu)緊湊、傳動(dòng)合理的目的。
第4章 曳引系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
4.1 曳引系統(tǒng)概述
曳引系統(tǒng)在垂直升降式立體車庫(kù)中負(fù)責(zé)將載車臺(tái)及存入的車輛提升到指定的層位，或者將出庫(kù)的車輛及載車臺(tái)帶到地面。它對(duì)安全要求有很高的要求，以免出現(xiàn)事故而造成車輛或者人員損失。同時(shí)，曳引系統(tǒng)的設(shè)計(jì)還決定垂直升降式立體停車設(shè)備的整個(gè)運(yùn)行速度，并對(duì)車庫(kù)的鋼結(jié)構(gòu)的受力情況也構(gòu)成影響。所以曳引系統(tǒng)的設(shè)計(jì)對(duì)立體車庫(kù)而言顯得至關(guān)重要
總體方案設(shè)計(jì)中已確定采用曳引機(jī)下置驅(qū)動(dòng)與摩擦防墜落裝置結(jié)合的方案。所以鋼絲繩和防墜落安全裝置整合在曳引機(jī)部分中一起設(shè)計(jì)；而由于關(guān)聯(lián)緊密，轎廂、對(duì)重、升降導(dǎo)軌、導(dǎo)靴、緩沖器放在一起進(jìn)行設(shè)計(jì)。
4.2 曳引機(jī)的設(shè)計(jì)
確定曳引系統(tǒng)的初始參數(shù)：
額定載重（最大載重m=2350 kg在允許的125%過(guò)載范圍內(nèi)）；
額定速度 ；
轎廂自重 ；
提升高度 ；
曳引比(鋼絲繩倍率) ；
平衡系數(shù) （經(jīng)常工作于重載情況）；
對(duì)重重量 。
4.2.1 鋼絲繩及其端接裝置
選用鋼絲繩數(shù)n=6。由于鋼絲繩會(huì)受到多種附加力的影響，如鋼絲繩經(jīng)過(guò)曳引輪及導(dǎo)向輪產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力、制造時(shí)產(chǎn)生的初始內(nèi)應(yīng)力、電梯加減速過(guò)程中的慣性力以及由于鋼絲繩載荷分配不均勻的影響等，故應(yīng)取較大的安全系數(shù)，我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)GB7588-2003中規(guī)定：對(duì)三繩或三繩以上的曳引驅(qū)動(dòng)應(yīng)有[20]。取安全系數(shù)。
按照單根鋼絲繩的最小破斷載荷要求來(lái)計(jì)算選擇鋼絲繩型號(hào)[21]。
單根鋼絲繩的最小破斷載荷：
選擇鋼絲繩GB/T 8918-1996，型號(hào)為，其公稱直徑為16 mm，公稱抗拉強(qiáng)度1770 MPa，最小破斷載荷為150 kN。截面形狀如圖4.1。
圖4.1 鋼絲繩截面形狀
在設(shè)計(jì)方案中確定了曳引比，鋼絲繩的兩端均固定在鋼架結(jié)構(gòu)的上梁上。鋼絲繩端接裝置的形式主要有：鉸接錐套、整體式錐套、螺紋連接式錐套、自鎖楔型和繩夾型[22]。
圖4.2 整體式錐套式端接裝置
整體式錐套結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，鍛造后加工成型，零件數(shù)量少而被廣泛使用，所以選擇整體式錐套做為端接裝置，外形如圖4.2。錐套用35號(hào)鋼鍛造加工。而鋼絲繩與錐套的連接用巴氏合金澆灌法在電梯安裝現(xiàn)場(chǎng)完成。
鋼絲繩的端接裝置應(yīng)有利于鋼絲繩張力的調(diào)節(jié)，至少有一端的端接裝置是可調(diào)的。端接裝置的均衡調(diào)節(jié)，通常采用壓縮彈簧的形式。均衡調(diào)節(jié)裝置除可調(diào)節(jié)各鋼絲繩的張力外，還有一定的緩沖和減震作用。
4.2.2 曳引能力的計(jì)算
對(duì)系統(tǒng)的曳引能力必須進(jìn)行計(jì)算，以保證曳引系統(tǒng)在任何條件下都能夠有足夠的曳引力。曳引輪受力如圖4.3所示。曳引力的計(jì)算公式一般采用柔性體對(duì)剛性體的摩擦關(guān)系式，即著名的歐拉公式。
圖4.3曳引輪受力圖
繩槽的形式常見(jiàn)的有三種：半圓槽、V形槽與帶切口的半圓槽，其形狀如圖4.4所示。其他條件相同的情況下，鋼絲繩在不同的繩槽內(nèi)會(huì)受到不同的比壓，獲得不同的摩擦力。比壓將影響鋼絲繩的磨損，而摩擦力則直接產(chǎn)生曳引力。繩槽的選擇極大的影響著曳引系統(tǒng)的曳引能力。
(a)半圓形繩槽 (b)V形繩槽 (c)帶切口的半圓形繩槽
圖4.4 繩槽形狀
當(dāng)曳引輪繩槽為半圓形時(shí)，鋼絲繩幾乎有半個(gè)圓周接觸在槽面上，其接觸面大，使用壽命較長(zhǎng)，但摩擦力小，使得曳引力也?。划?dāng)曳引輪繩槽為V形時(shí)，有較大的摩擦力(減小V形槽的角度，就會(huì)增加摩擦力)而得到較大的曳引力。但在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)磨損較大，同時(shí)也使得槽形因磨損而變形；帶切口的半圓槽將槽做成圓弧狀，同時(shí)底部開(kāi)有一個(gè)切口。這樣不僅摩擦力大，而且可使得鋼絲繩在槽內(nèi)運(yùn)行自如，有接觸面大、使用壽命長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)，能獲得較大的曳引力。
選用帶切口的半圓槽，切口角，定曳引輪的節(jié)圓直徑。
圖4.5 帶切口的半圓繩槽槽形
鋼絲繩線速度 ；
最大許用比壓 ；
假設(shè)鋼絲繩在曳引輪上的包角 ；
算出最不利的兩種工作狀況下的靜張力比：
(1)轎廂位于最底層且載有125%的額定載荷時(shí)
(2)空載轎廂位于最高層時(shí)
為使曳引系統(tǒng)在工作狀況下不打滑，就必須滿足條件
(4.1)
設(shè)轎廂轉(zhuǎn)動(dòng)減速度 ，與轎廂加減速度及電梯特殊情況有關(guān)的系數(shù)，與繩槽形狀因磨損而發(fā)生改變有關(guān)的系數(shù)C2=1.0（切口槽）
得到滿足曳引條件時(shí)的最小摩擦系數(shù)：
摩擦系數(shù)，接觸角。
帶切口半圓槽的摩擦系數(shù)：
曳引條件滿足。
驗(yàn)算切口槽邊緣的最大比壓：
比壓也滿足許用條件。
4.2.3 曳引電機(jī)的選擇
在車庫(kù)運(yùn)行過(guò)程中，曳引電機(jī)需頻繁的起動(dòng)、制動(dòng)、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)，而且負(fù)荷變化大，經(jīng)常工作在重點(diǎn)短時(shí)狀態(tài)、電動(dòng)狀態(tài)、制動(dòng)狀態(tài)下，對(duì)電機(jī)要求較高。
曳引電機(jī)是先通過(guò)在靜功率條