自動化停車系統(tǒng)機械機構(gòu)設(shè)計研究

姚遠

摘 要 相對于傳統(tǒng)車庫而言，立體車庫在節(jié)地、安全性、環(huán)境效益甚至經(jīng)濟效益都有明顯的優(yōu)勢，本文對這些優(yōu)勢做出了詳細的闡述，并對目前世界各地常用的機械車庫設(shè)備的特點及其適用范圍做出了介紹，希望能讓更多的人了解機械立體停車，讓我國各地能多使用機械立體停車庫，有效的緩解當前我國當前遇到的停車難的問題。

關(guān)鍵詞 機械;車庫;停車難;立體;停車

1機械式立體停車庫的具體介紹

1.1 機械式立體停車庫的概念和形式

機械式立體停車庫，是指可大量存取、儲放車輛的機械或機械設(shè)備系統(tǒng)，是現(xiàn)代化的停車設(shè)備。機械式立體停車庫的形式及說明：

（1）按對地面的相對位置分，可分為地面上、半地下和全地下。

（2）按與其他主體建筑物的相對關(guān)系分，可分為內(nèi)置式、地下式、獨立式和室外式。

（3）按進車口和出車口的設(shè)置位置分，可分為下部出入、中部出入和上部出入。

（4）按進車口和出車口之間的相對關(guān)系分，可分為直通式、旁通式、折返式和雙排式。

（5） 按停車設(shè)備車位排列層數(shù)分，可分為單層式、多層式和高層式。

（6）按有無水平回轉(zhuǎn)臺分，可分為無水平回轉(zhuǎn)臺、有內(nèi)置水平回轉(zhuǎn)臺和有外置水平回轉(zhuǎn)臺。無水平回轉(zhuǎn)臺：沒有水平回轉(zhuǎn)臺。

有內(nèi)置水平回轉(zhuǎn)臺：有放置在停車設(shè)備范圍之內(nèi)的水平回轉(zhuǎn)臺。有外置水平回轉(zhuǎn)臺：有放置在停車設(shè)備范圍之外的水平回轉(zhuǎn)臺。按控制及管理系統(tǒng)技術(shù)水平分，可分為手動式、半自動式和全自動式。

1.2 機械式立體停車庫的分類及特點

機械式立體停車庫的類別及主要特點：

（1）升降橫移類（PSH）：利用存車板的升降和橫向平移存取停放車輛。該類型的主要特點是：存取車速度快，操作簡單。成本地，客戶容易接受。

（2）垂直循環(huán)類（PCX）：用一個垂直循環(huán)運動的車位系統(tǒng)存取停放車輛。該類型的主要特點是：可以靈活設(shè)置，但耗能高，存取車時需要循環(huán)移動所有車輛。此類型屬淘汰類型。

（3）水平循環(huán)類（PSX）：停放車輛采用水平循環(huán)方式。該類型的主要特點是：可以靈活設(shè)置，能耗大，存取車時需要循環(huán)移動所有車輛，不符合當前節(jié)能環(huán)保的社會主流。此類型屬淘汰類型。

（4）多層循環(huán)類（PDX）：多層做循環(huán)運動的車位系統(tǒng)存取停放車輛。該類型的主要特點是：可以靈活設(shè)置，但耗能高，存取車時需要循環(huán)移動所有車輛。此類型屬淘汰類型。

（5）平面移動類（PPY）：在同一層面或多層層面之間，用升降機上下垂直移動、用搬運臺車橫向移動、用搬運器搬運車輛實現(xiàn)存取停放車輛。該類型的主要特點是：停車形式設(shè)計靈活，可以設(shè)計在建筑的地下、中層，也可設(shè)計在建筑的頂層。

（6）巷道堆垛類（PXD）：通過搬運器將車輛搬到巷道堆垛起重機之上，巷道堆垛起重機同時水平且垂直移動到存車位，搬運器進入停車位存放車輛。該類型的主要特點是：堆垛機在巷道內(nèi)運行，載車板的升降和行走同時運行。

（7）垂直升降類（PCS）：用提升機將車輛升降到指定層，并用存取機構(gòu)存取停放車輛。該類型的主要特點是：土地利用率最高，三個車庫位的面積可以形成50-80 個立體車位。

簡易升降類（PJS）：用簡易設(shè)備的升降或俯仰機構(gòu)實現(xiàn)存取停放車。該類型的主要特點是：結(jié)構(gòu)簡單，存取方便，不需要特殊地面設(shè)備，因此應(yīng)用較廣泛[1]。

2垂直升降類立體停車設(shè)備的研究

2.1 垂直升降類立體停車設(shè)備的結(jié)構(gòu)組成

垂直升降類立體停車設(shè)備，主要由提供升降通道和停車位的鋼結(jié)構(gòu)框架、車送到指定停車位的運動系統(tǒng)、計算機控制室、電氣系統(tǒng)、安全保護系統(tǒng)、消防裝置等組成。其中運動系統(tǒng)由三部分組成，分別為升降系統(tǒng)、橫移系統(tǒng)、進給系統(tǒng)。

（1）鋼結(jié)構(gòu)框架是停車設(shè)備的一個重要組成部分，它是保證汽車靜態(tài)停車工作的重要支撐。鋼結(jié)構(gòu)框架主要由立柱和橫梁組成，除此之外還有配重塊相配合的導(dǎo)軌、載車板鋼輪導(dǎo)軌、升降臺通道、滑輪支座等。鋼結(jié)構(gòu)框架結(jié)構(gòu)設(shè)置有車輛的停車位，整體來講就是一個由鋼建立的建筑物。

（2）提升裝置

存取車的工作中基本都要將停車放汽車的載車板提升到一定的高度，而完成這一目標的系統(tǒng)由曳引電機、鋼絲繩、配重塊、導(dǎo)軌、滑輪等組成。驅(qū)動曳引電機，使鋼絲繩自由升縮，通過定位塊與配重塊來實現(xiàn)停車設(shè)備的升降。

2.2 垂直升降類立體停車設(shè)備的整體規(guī)劃

（1） 整體平面設(shè)計布局

機械式立體停車設(shè)備的整體平面布局不僅直接關(guān)系到廠商的經(jīng)濟利益與現(xiàn)場作業(yè)施工是否便捷進行，而且與周圍的建筑和交通環(huán)境息息相關(guān)。機械式立體停車設(shè)備要進行整體合理正確的平面安排布置，必須使得平面盡可能的對稱布置減少扭轉(zhuǎn)載荷及其應(yīng)變。除此之外，還必須考慮提高設(shè)備的鋼結(jié)構(gòu)框架的整體剛度，盡可能減小鋼結(jié)構(gòu)框架的側(cè)向位移。

該機械式立體停車設(shè)備采用兩出入口對稱布置，采用這種布置方式，使得前后兩個出入口都可以存車，而且可以避免采用轉(zhuǎn)盤給停車設(shè)備帶來的不便，其中對 H 型立柱鋼的主體方向和 H 型鋼的剛度弱的方向要求一致，使得鋼的結(jié)構(gòu)材料得到節(jié)省，并且增加了鋼結(jié)構(gòu)的性能。按照機械式立體停車設(shè)備和相關(guān)的建筑規(guī)范標準，在符合其整體尺寸的要求下，可以增加設(shè)備的整體高度方向尺寸，這樣就增加了儲存車輛的空間，使得土地盡可能充分發(fā)揮其作用。

（2）整體立體設(shè)計布局

通過PRO/E5.0 對停車設(shè)備的鋼結(jié)構(gòu)框架、升降臺、橫移裝置、載車板、鋼絲輪、鋼絲繩的進行三維建模，并在 PRO/E5.0

中對最后的整體設(shè)備進行裝配。整個停車設(shè)備主要由鋼結(jié)構(gòu)框架、升降臺、橫移裝置、載車板、鋼絲輪、鋼絲繩、配重塊等組成。本論文研究的停車設(shè)備參照電梯的升降原理，并根據(jù)設(shè)備的實際作業(yè)條件，提出利用電動機驅(qū)動，使得電機端的鋼絲輪轉(zhuǎn)動，帶動鋼絲繩運動，鋼絲繩通過曳引輪和滑輪組使整個提升裝置升降。與目前市場上的垂直升降類立體停車設(shè)備不同，通過對稱布置，利用一個升降通道，外加橫移裝置可使每層兩側(cè)各有三個停車位，橫移裝置根據(jù)其距離和傳動的特殊要求，采用絲杠螺母傳動方式傳動，車輛停到停車位是通過電磁直線電機的推拉來實現(xiàn)，速度快，可靠穩(wěn)定，本停車設(shè)備，共 24層，停車位共22層，每層6個停車位，可停車放132輛車，傳動效率高，工作環(huán)境安全可靠，充分利用了現(xiàn)有的土地面積，具有較好的市場前景。

本論文研究的停車設(shè)備具體工作過程：首先將小車開入車輛通道，然后駕駛員刷卡，停車設(shè)備門打開，駕駛員將車輛駛?cè)胼d車板上，車停穩(wěn)后，駕駛員從車上下來離開設(shè)備，停車設(shè)備門經(jīng)過司機刷卡而關(guān)閉。通過提升系統(tǒng)將車輛停放到指定停車位置。整個升降導(dǎo)軌由鋼結(jié)構(gòu)框架組成，保證提升的平穩(wěn)性，提升系統(tǒng)由升降臺、橫移裝置、載車板構(gòu)成，升降臺裝有動滑輪組，電機驅(qū)動，鋼絲繩通過鋼絲輪曳引使整個升降臺升降，通過絲杠螺母使得直線電機和載車板沿著絲杠方向進給，保證載車板停車到停車位前，直線電機通過推拉實現(xiàn)車輛在停車位的存取[2]。

2.3 垂直升降類立體停車設(shè)備升降系統(tǒng)研究

目前，機械式立體停車設(shè)備主要有三種提升方式：液壓提升、鏈條提升、鋼絲繩提升。液壓系統(tǒng)主要應(yīng)用在結(jié)構(gòu)不是很復(fù)雜的場合，復(fù)雜的結(jié)構(gòu)設(shè)備用液壓驅(qū)動，系統(tǒng)復(fù)雜，成本高，不宜檢修。鏈傳動一般用在速度不高的場合時性能穩(wěn)定，一般不用輸送較高設(shè)備的場合，容易發(fā)生咬鏈。鋼絲繩成本低，適合高空傳輸作業(yè)，有較強的承載能力。

根據(jù)本文的研究設(shè)備類型，所以多采用卷筒升降和曳引升降這兩種方式，又由于此設(shè)備其提升高度將近55m，卷筒式升降不能滿足其工作要求，故選用曳引式升降，曳引升降通過改變鋼絲繩的長度來實現(xiàn)提升裝置的升降，能滿足本停車設(shè)備的高度運行工作要求。

1-設(shè)備頂部導(dǎo)向滑輪;2-鋼絲繩調(diào)整螺母;3-配重塊; 4-設(shè)備提升底板;5-牽引鋼絲繩;6-電機底座;7-曳引鋼絲輪;8-驅(qū)動電機;9-聯(lián)軸器;10-支撐架升降裝置的具體運行過程，通過驅(qū)動電機 ;8 的轉(zhuǎn)動，使得它的兩端軸輸出動力，通過聯(lián)軸器;9 將驅(qū)動電機輸出的動力輸送到支撐架;10 支撐的短軸部件，通過短軸的轉(zhuǎn)動帶動曳引鋼絲輪7 轉(zhuǎn)動，曳引輪 7的轉(zhuǎn)動通過與鋼絲繩的摩擦帶動牽引鋼絲繩 5 移動，移動方向由各個位置的滑輪決定，通過動滑輪組使得升降裝置自由上下移動，配重塊 3 平衡升降裝置，使得載車板到達所要求的停車層，下降時驅(qū)動電機 8 反轉(zhuǎn)，使得升降裝置到達指定的下降層位置。

2.4 垂直升降類立體停車設(shè)備橫移系統(tǒng)的研究

本停車設(shè)備研究的橫移裝置是整個設(shè)備運動系統(tǒng)中的第二大模塊。它保證將停放在它上方的載車板和汽車運送到指定的停車位入口出，使其定位對準準確。這對整個車輛的存取工作至關(guān)重要，在選取相關(guān)標準件的時候要結(jié)合本論文研究設(shè)備的實際條件和要求。

橫移系統(tǒng)的運行主要由直線電機、導(dǎo)軌、鋼輪等配合完成。具體的運行機理為：橫移裝置下方設(shè)置有螺母，螺母與升降臺上安裝的絲杠連接，減速電機轉(zhuǎn)動，帶動鏈條轉(zhuǎn)動，鏈條帶動絲杠一端的鏈輪轉(zhuǎn)動，從而絲杠轉(zhuǎn)動帶動螺母沿著絲杠方向橫移，橫移裝置鋼輪在導(dǎo)軌上直線運動通過停車位前設(shè)置的定位塊準確定位在停車位門口。橫移裝置上方設(shè)有與載車板鋼輪相切連接的矩形凹槽，凹槽兩端設(shè)置有自動推桿矩形凹槽，用來與停車位上的矩形槽對接，從而能使車輛順利進入停車位，實現(xiàn)車輛的存取。

2.5 垂直升降類立體停車設(shè)備進給系統(tǒng)的研究

本論文研究的停車設(shè)備的進給系統(tǒng)是運動系統(tǒng)中的第三大模塊。它對于車輛能否安全準確可靠的駛?cè)胪＼囋O(shè)備非常重要，也是機械式立體設(shè)備評定技術(shù)指標之一，如何合理設(shè)計載車板和運行機理對整個存取車輛工作至關(guān)重要。

本論文研究的進給系統(tǒng)由直線電機裝置、鋼輪、矩形槽導(dǎo)軌、載車板、電磁升縮推拉桿、支撐板、安全裝置等組成。具體的運行機理：直線電機的橫移裝置通過絲杠螺母鋼輪將整個進給系統(tǒng)平移，平移到停車位前與定位塊相互感應(yīng)，橫移裝置根據(jù)計算機指令精準停車，提升的高度定位由驅(qū)動電機、鋼絲繩和定位塊實現(xiàn)，然后直線電機得到運行指令，五組電磁式直線電機同步作用，推動停車放汽車的載車板進入停車位，實現(xiàn)設(shè)備的存車工作。反之，取車時，電磁推拉桿和相應(yīng)的槽通過電磁作用吸住，拉動載車板到直線電機工作臺上，實現(xiàn)取車。

2.6 提升電機選型的計算分析

電機選型需要計算工作扭矩、啟動扭矩、負載轉(zhuǎn)動慣量，其中工作扭矩和啟動扭矩最為重要[3]。

工作扭矩T_b計算

首先核算負載重量W，對于一般線形導(dǎo)軌摩擦系數(shù)μ=0.01，計算得到工作力F_b。

水平行走：F_b=μW

垂直升降：F_b=W

（1）齒輪齒條機構(gòu)

一般齒輪齒條機構(gòu)整體構(gòu)造為電機+減速機+齒輪齒條，電機工作扭矩Tb的計算公式為：

其中D為齒輪直徑。

（2）絲杠螺母機構(gòu)

一般絲杠螺母機構(gòu)整體構(gòu)造為電機+絲杠螺母，電機工作扭矩Tb的計算公式為：

其中BP為絲杠導(dǎo)程;η為絲杠機械效率（一般取0.9～0.95）。

（3）啟動扭矩T計算：啟動扭矩T為慣性扭矩Ta和工作扭矩Tb之和。其中工作扭矩Tb通過上一部分求得，慣性扭矩Ta由慣性力Fa大小決定：?其中a為啟動加速度（一般取0.1g～g，依設(shè)備要求而定，參考下式計算）。a=v/t其中v為負載工作速度;t為啟動加速時間。Ta計算方法與Tb計算方法相同。

（4）負載轉(zhuǎn)動慣量J計算： 系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量J總等于電機轉(zhuǎn)動慣量JM、齒輪轉(zhuǎn)動慣量JG、絲杠 轉(zhuǎn)動慣量 JS和負載轉(zhuǎn)動慣量J之和。其中電機轉(zhuǎn)動慣量JM、齒輪轉(zhuǎn)動 慣量JG和絲杠轉(zhuǎn)動慣量JS數(shù)值較小，可根據(jù)具體情況忽略不計，如需 計算請參考 HIWIN絲杠選型樣本。下面詳述負載轉(zhuǎn)動慣量J的計算過 程。 將負載重量換算到電機輸出軸上轉(zhuǎn)動慣量，滾珠絲杠傳動機構(gòu)與公式如下：

J：電機輸出軸轉(zhuǎn)動慣量（kg·m2）; W：可動部分總重量（kg）;B P絲杠螺距;GL：減速比（≥1，無單位）。

參考文獻

[1] 丑洋.機械式立體設(shè)備應(yīng)用及發(fā)展前景[J].西安文理學(xué)院學(xué)報：自然科學(xué)版，2012，（3）：81-83.

[2] 趙賢敬，魏兆宏，王吉忠，等.垂直循環(huán)機械式停車設(shè)備傳動系統(tǒng)的形式[J].起重運輸機械，2003，（5）：29-30.

[3] 張鵬.俯仰升降式立體設(shè)備液壓系統(tǒng)設(shè)計[J].液壓與氣動，2007， （7）：10-11.