垂直升降立體車庫設(shè)計(jì)

卜燕軍 王玉娥

摘? 要：如今，工業(yè)生產(chǎn)作為各個(gè)國家的經(jīng)濟(jì)支柱，其發(fā)展對各個(gè)國家來說都尤為重要，隨著工業(yè)生產(chǎn)的高速發(fā)展，汽車工業(yè)發(fā)展迅速，越來越多的私家車進(jìn)入人們的生活，汽車保有量穩(wěn)步增加，但是隨之而來的便是擁堵的交通以及車位的緊缺。立體車庫由此也出現(xiàn)在人們的視野之中，立體車庫的出現(xiàn)使汽車停車行業(yè)發(fā)生巨大的變化，對停車難問題提供有效的幫助。該文研設(shè)一套垂直升降立體車庫，該次設(shè)計(jì)的三維建模整體機(jī)械結(jié)構(gòu)采用SolidWorks軟件進(jìn)行繪制，并對其控制系統(tǒng)進(jìn)行研究。垂直升降立體車庫使得城市土地的空間利用率得到有效提升，有著重要意義。

關(guān)鍵詞：立體車庫；垂直升降；機(jī)械結(jié)構(gòu)；控制系統(tǒng)；汽車工業(yè)

中圖分類號(hào)：U468.5? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號(hào)：2095-2945（2024）19-0107-05

Abstract： Nowadays， the development of industrial production， as the economic pillar of each country， is particularly important to each country. With the rapid development of industrial production， the automobile industry is developing rapidly. More and more private cars enter people's lives， and the number of cars increases steadily， but it is followed by traffic jams and the shortage of parking spaces. As a result， the three-dimensional garage also appeared in our field of vision， the emergence of the three-dimensional garage has made great changes in the car parking industry， and it has an effective help to the parking problem. In this paper， a set of vertical lifting three-dimensional garage is set up. The whole mechanical structure of the three-dimensional modeling is drawn by SolidWorks software， and its control system is studied. The vertical lifting three-dimensional garage makes the space utilization rate of urban land effectively improved， which is of great significance.

Keywords： three-dimensional garage; vertical lift; mechanical structure; control system; automobile industry

隨著城市化進(jìn)程的加快，經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，近幾年來，生活節(jié)奏的加快和人民生活質(zhì)量的提高，家庭轎車的數(shù)量節(jié)節(jié)攀升。根據(jù)中國汽車工業(yè)協(xié)會(huì)（以下簡稱“中汽協(xié)”）最新預(yù)測數(shù)據(jù)顯示， 2023年全年，我國汽車總銷量或可達(dá)到3 000萬輛，同比增長11.7%。展望2024年，中汽協(xié)預(yù)測，中國市場的汽車總銷量將達(dá)到3 100萬輛，同比增長3%[1]。在這樣華麗的數(shù)據(jù)背后，顯露出一些問題，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展帶來了停車難、違規(guī)停車、停車管理難等一系列綜合性問題。

為了應(yīng)對停車位緊缺和尋找停車位的難題，全球范圍內(nèi)的研究者和工程師們開始積極探索立體停車系統(tǒng)。立體車庫，因?yàn)橛兄咝У目臻g利用率，操作簡單的控制裝置系統(tǒng)，良好的使用性能，所以在市場中一直受到消費(fèi)者的青睞。垂直升降式立體停車庫采用的是垂直方式的放置機(jī)構(gòu)，汽車被升降機(jī)構(gòu)從進(jìn)口提升至車位，是立體車庫的關(guān)鍵所在。我國停車庫于20世紀(jì)80年代得以發(fā)展。80年代到90年代，建筑行業(yè)和汽車行業(yè)發(fā)展迅猛，特別是汽車進(jìn)入了普通家庭之后，致使停車設(shè)備的應(yīng)用逐漸普及，已經(jīng)步入了開發(fā)、引進(jìn)、制造、使用相結(jié)合的初級(jí)發(fā)展階段。目前，我國已有將近百家汽車停車裝置制造企業(yè)，其中大型汽車停車設(shè)備制造商50余家。多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域的前沿技術(shù)，包括光電技術(shù)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、電磁學(xué)、液壓技術(shù)、電子工程及機(jī)械工程等，已經(jīng)被綜合應(yīng)用于當(dāng)代的停車設(shè)施設(shè)計(jì)和制造中。停車設(shè)備的變頻交流調(diào)速技術(shù)就是一種先進(jìn)技術(shù)，使裝置省電、運(yùn)行速度平穩(wěn)、運(yùn)行速度快、降低震動(dòng)減小噪聲；停車系統(tǒng)的控制方法多樣，涵蓋了諸如使用IC卡、按鈕操作、觸摸屏界面、遙控器及鍵盤密碼等多種形式?？偩€控制技術(shù)還被用于一些裝置，傳動(dòng)裝置位于內(nèi)部結(jié)構(gòu)，因此來擴(kuò)大停車空間，保護(hù)各個(gè)驅(qū)動(dòng)部件免于污染和侵蝕，設(shè)備使用壽命大大提高。機(jī)械結(jié)構(gòu)采用模塊式結(jié)構(gòu)，容易組裝，容易拆裝，建造時(shí)間短，應(yīng)用新工藝、新材料。如H型鋼梁結(jié)合的鍍鋅鋼板或整體成形的鍍鋅鋼板作為載車板；在安全防護(hù)上，應(yīng)用了自動(dòng)滅火消防裝置和光聲定位，目前，該裝置的滿意程度達(dá)到了90%，國產(chǎn)化率超過了50%，填充了國內(nèi)的空白。

立體車庫符合我國城市道路實(shí)際情況的設(shè)計(jì)，此行業(yè)依然是一個(gè)朝陽行業(yè)，發(fā)展迅速且前景可觀。泊車設(shè)備產(chǎn)業(yè)的開展與停車相關(guān)法規(guī)立法、收費(fèi)規(guī)定政策、城市路線布局、交通運(yùn)輸管理等問題息息相關(guān)。如今，我國城市停車相關(guān)法規(guī)尚不健全，停車規(guī)劃、收費(fèi)等政策處于探索研究階段，所以綜合看來，在我國，泊車業(yè)的發(fā)展還面臨著許多困難。但是，因汽車數(shù)量的節(jié)節(jié)攀升，其發(fā)展前景被人們普遍看好。

1? 垂直升降立體車庫機(jī)械部分設(shè)計(jì)

機(jī)械式立體車庫的類型主要分為升降橫移式、巷道堆垛式、垂直提升式、垂直循環(huán)式。本文設(shè)計(jì)的垂直升降式立體車庫由升降機(jī)構(gòu)和2個(gè)停車位組成，節(jié)省土地資源，安全性高，安裝快捷，成本相對低廉。本文所述的垂直升降式立體車庫主要由車位框架、載車板、傳動(dòng)裝置、安全防護(hù)裝置、控制系統(tǒng)五部分組成。

在垂直升降停車庫整體結(jié)構(gòu)中，車位框架的結(jié)構(gòu)相當(dāng)于停車位，根據(jù)我國有關(guān)規(guī)范，將各類汽車停放的停車場地稱作停車場，停車場的規(guī)模、結(jié)構(gòu)布置與停車場的花費(fèi)造價(jià)有很大關(guān)系，所以停車場的空間結(jié)構(gòu)要合理地規(guī)劃，才能達(dá)到最大限度的利用土地，減少投資。

立體車庫的主要結(jié)構(gòu)是鋼和鋼筋混凝土，鋼結(jié)構(gòu)相比鋼筋混凝土來說具有強(qiáng)度高、韌性小、施工速度快、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，垂直升降式立體車庫的車位框架結(jié)構(gòu)選用鋼結(jié)構(gòu)[2]。根據(jù)GB 17907—1999《機(jī)械式停車設(shè)備 通用安全要求》的要求，其中對停車位的長寬高作了明確的規(guī)定[3]，長度應(yīng)該大于車輛總長加200 mm，寬度方面，將車放入車位時(shí)，車輛全寬增加150 mm，高度方面，不得小于1 600 mm并不得小于存車高度與裝卸車輛時(shí)所需升降高度加50 mm的高度，在設(shè)計(jì)車位框架時(shí)還應(yīng)考慮到存取汽車的方便。因此根據(jù)相關(guān)要求并綜合考慮，將車位的框架結(jié)構(gòu)定為長度6 100 mm，寬度2 700 mm，高度3 300 mm。其三維模型圖如圖1所示。

載車板有框架式和拼版式2種，其分類是按構(gòu)造的形式來分的。在簡易垂直升降式停車庫中載車板的功用是用來承載車輛的[4]。立體車庫中的載車板由4個(gè)裝配有寬度相同的鋼制花紋板構(gòu)成的長方形組成，這些花紋板的兩端均安裝在橫梁的凹槽中，覆蓋了載車板的整個(gè)表面。使載車板的強(qiáng)度和剛度大大提升，而且還能讓載車板的裝卸便捷，構(gòu)造簡單，成本低。利用波浪板能防止車輛在載車板上的滑動(dòng)和側(cè)翻，保護(hù)了用戶的生命和財(cái)產(chǎn)安全。進(jìn)車板安裝于載車板的前端，進(jìn)車板和地面之間有一定的角度，當(dāng)車輛進(jìn)到載車板時(shí)可以起到緩沖的作用。載車板后端有一個(gè)限制后車輪的限位桿，防止車輛進(jìn)入載車板過多超出車位對設(shè)施造成危害。其模型如圖2所示。

立體車庫的動(dòng)力傳輸系統(tǒng)主要包括3種類型分別為鋼絲繩驅(qū)動(dòng)、鏈條驅(qū)動(dòng)和液壓升降驅(qū)動(dòng)。各自的特點(diǎn)概述如下。

鋼絲繩驅(qū)動(dòng)：其優(yōu)勢在于車輛升降高度不受限制，噪音小，其不足之處在于采用鋼絲繩時(shí)，需要卷筒、剎車盤等，增加了安裝費(fèi)用及時(shí)間。

鏈條驅(qū)動(dòng)：優(yōu)點(diǎn)是傳動(dòng)簡單，具有高可靠性，維修相比之下比較簡單，成本低。缺點(diǎn)是沖擊力大，有提升高度的限制，運(yùn)行安裝不當(dāng)?shù)脑捰刑X和脫齒的情況出現(xiàn)。

液壓升降驅(qū)動(dòng)：其優(yōu)勢在于能夠?qū)崿F(xiàn)真正的無極化，具有結(jié)構(gòu)緊湊、高功率、高重量比、快速響應(yīng)、抗干擾能力、高精度提升誤及運(yùn)行平穩(wěn)等特點(diǎn)。缺點(diǎn)是元器件價(jià)格高昂、成本高、對油液的密封技術(shù)要求高，油液容易受到污染。

綜合考慮，由于設(shè)計(jì)的是垂直升降停車庫，因此，選用鏈條驅(qū)動(dòng)是最適宜的。停車時(shí)，利用電子控制面板上的按鍵控制鏈將汽車提升到預(yù)定位置，當(dāng)汽車升到某一特定位置時(shí)，防斷鉤伸出，取出時(shí)，由電子控制面板按鍵將鏈輪鏈帶動(dòng)載板降低到地面。鏈條驅(qū)動(dòng)裝置安裝在升降載車板上，升降載車板兩側(cè)安裝了2個(gè)托架板滾道，主鏈輪組和從動(dòng)鏈輪組上安裝驅(qū)動(dòng)鏈條，驅(qū)動(dòng)鏈條分為2條，他們之間通過一個(gè)法蘭鏈接裝置可以實(shí)現(xiàn)鏈條長度不夠可以補(bǔ)縮的功能。其傳動(dòng)裝置的示意圖如圖3所示。

鏈條由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，因此電動(dòng)機(jī)的選型和鏈條的校核顯得十為重要。

電動(dòng)機(jī)的工作功率為

式中：Pw為主動(dòng)軸需要的工作功率及工作機(jī)的輸出功率，ηa為工作機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)效率。

PW的計(jì)算方法為

式中：F為工作機(jī)構(gòu)的有效阻力，單位為N；V為主動(dòng)軸的線速度，單位為m/s。

工作機(jī)構(gòu)的有效阻力來源：鏈條帶與軌道之間的滑動(dòng)摩擦阻力F

F=Mgμ 。

每條輸送帶質(zhì)量為200 kg，載車板的材質(zhì)為Q235-A碳素鋼，密度為7.85×103 kg/m3，載車板的尺寸為長度4 810 mm，寬度2 350 mm，高度150 mm，載車板上停放的車輛最大重量為3 t，體積約為長5 m、寬2 m、高2.5 m。

總體積應(yīng)為V=4.81×2.35×0.15+5×2×2.5=26.70 m3

因此有：M=200+1.7×7.85×103+3 000=16 545 kg，鏈條的摩擦系數(shù)μ=0.2，可得F=Mgμ=16 545×9.8×0.2=32 428 N。

工作機(jī)的鏈條帶線速度為2.5 m/min，即0.042 m/s，因此可得

PW===1.36 kW。

ηa為傳動(dòng)裝置各部分運(yùn)動(dòng)副效率的乘積

ηa=η1×η2=0.96×0.96=0.921 6，所以PW==1.48 kW。

根據(jù)查詢資料可得國內(nèi)立體車庫使用的升降電機(jī)為萬鑫精工電機(jī)，根據(jù)查詢?nèi)f鑫精工電機(jī)參數(shù)表可知本次選用的電機(jī)型號(hào)為交流電機(jī)GH321500W10SG1L

DHO，額定功率為1.5 kW，查表可得電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為1 420 r/min，50 Hz。

對整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)的分析，由于立體車庫載車板需要承載車輛，所以載車板在鏈條提升過程中不可以出現(xiàn)擺動(dòng)的狀況，必須使整個(gè)運(yùn)轉(zhuǎn)過程十分可靠，所以對于提升鏈的設(shè)計(jì)就顯得尤為重要。對于簡易垂直升降式停車庫而言，由于載車板上升時(shí)鏈的速度V<0.6 m/s，所以不是按高速鏈的方法來選擇，而是由鏈條的靜強(qiáng)度來確定。

根據(jù)上式選擇所需要的鏈號(hào)。

選取鏈號(hào)為16A-1的短節(jié)距精密滾子輸送鏈，查機(jī)械手冊可得鏈的抗拉載荷為55.6 kN，節(jié)距P=25.4。

滾子鏈的強(qiáng)度計(jì)算如下。

在鏈條傳動(dòng)系統(tǒng)中，如果在鏈速較慢的情況下（速度小于0.6 m/s），鏈條未承受額外負(fù)載卻出現(xiàn)形變，這通常表明鏈條正遭受破損。在此情形下，使鏈條持續(xù)形變的最小負(fù)載將決定鏈條所能安全承載的最大重量。所以提升鏈條由于載荷較大，靜強(qiáng)度占主要地位，鏈條的主要失效形式是鏈條受靜力拉斷，故應(yīng)進(jìn)行靜強(qiáng)度校核。

式中：Qn為鏈條的極限拉伸載荷，Qn=nQ；n為鏈的排數(shù)，Q為單排鏈的極限拉伸載荷；KA為工作情況系數(shù)，取KA=1.1；Ft為有效圓周力。

2? 垂直升降立體車庫安全防護(hù)裝置的設(shè)計(jì)

常見的安全防護(hù)裝置有電磁鐵驅(qū)動(dòng)防墜安全掛鉤和機(jī)械式驅(qū)動(dòng)防墜安全掛鉤。如今市場上比較常見的一種安全裝置是電磁鐵的安全掛鉤，安全掛鉤的工作由磁性控制。防墜器掛鉤的開放由電磁鐵管控，載車板下降，然后電磁鐵停止工作，防墜器掛鉤在電磁鐵內(nèi)置的彈簧作用下復(fù)位，載車板下降到一定位置后回升，載車板越過防墜器掛鉤時(shí)電磁鐵不工作[5]。但電磁鐵在使用過程中的壽命受多種因素影響，耐久性不強(qiáng)。機(jī)械式的防墜落鉤，即不使用電磁體，而是采用純粹的機(jī)械設(shè)備，對車輛的防墜落進(jìn)行安全防護(hù)。該安全機(jī)構(gòu)的特征是，在橫梁上有一個(gè)防止墜落的鉤子，在車板上裝有一個(gè)可以用鋼絲繩或者鏈條連接打開安全鉤子的裝置，當(dāng)載車板要升到適當(dāng)?shù)奈恢脮r(shí)，為了保證載車板的正常升降，載車板上的撐開裝置和安全掛鉤接觸然后使安全掛鉤伸回。此裝置的缺點(diǎn)是在使用過程中這些機(jī)械零部件都會(huì)有輕微的變形，這種變形會(huì)使車板上的撐開裝置在一定時(shí)間內(nèi)無法正確地開啟安全掛鉤，使其有一個(gè)角被卡住，從而使其發(fā)生側(cè)傾，有很大的安全風(fēng)險(xiǎn)。

本設(shè)備當(dāng)汽車被運(yùn)輸?shù)蕉雍蟛捎秒妱?dòng)推桿帶動(dòng)防斷鉤的伸縮保證設(shè)備的安全，在停放車輛時(shí)，由電控系統(tǒng)控制電推缸將防斷鉤卡住載車板，防止載車板滑動(dòng)。在取車時(shí)，電控系統(tǒng)將電動(dòng)推桿縮回，防斷鉤縮回，使載車板平穩(wěn)放置地面。以免汽車在上方車位時(shí)發(fā)生墜落的危險(xiǎn)，電動(dòng)推桿和安全防斷鉤的結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

在立體車庫的操作過程中，若出現(xiàn)緊急情況需要迅速中斷設(shè)備的運(yùn)行，操作者可以通過按壓控制臺(tái)上的緊急停止按鈕來立即終止所有機(jī)械活動(dòng)，并觸發(fā)警報(bào)燈以發(fā)出警報(bào)。當(dāng)車主取車時(shí)，按下載車板下降按鈕時(shí)，車庫進(jìn)行下降警報(bào)提示車主防止誤傷到人。垂直升降式立體車庫的整體裝配三維模型如圖5所示。

3? 垂直升降立體車庫控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

目前，多數(shù)機(jī)械式停車設(shè)施的控制系統(tǒng)主要?dú)w為3種類型：繼電器邏輯控制電路、微控制單元（MCU）和可編程邏輯控制器（PLC）。在當(dāng)代的機(jī)械停車解決方案中，PLC因其可靠性和靈活性通常被優(yōu)先選用作為主要的控制系統(tǒng)。PLC有許多接口，可根據(jù)不同的端口要求使用。對立體車庫進(jìn)行智能控制管理，與傳統(tǒng)的繼電器邏輯電路比較，無需對硬件進(jìn)行再編程，僅需將程序重新寫入 PLC。如今PLC的主要編程方式還是梯形圖，梯形圖看起來清晰明了，技術(shù)人員可通過梯形圖快速學(xué)習(xí)掌握PLC，因此PLC應(yīng)用于很多方面，使用起來非常方便。存取車的流程圖如圖6所示。

簡易垂直升降停車庫的控制部分主要控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)來控制載車板的升降高度和運(yùn)行速度來保證裝置的可靠性、穩(wěn)定性，控制安全防斷鉤的伸出和收回，保證設(shè)備的安全性，當(dāng)載車板下降時(shí)發(fā)出提示聲音警示車主人員注意安全。本文選用PLC作為控制系統(tǒng)，使用PLC西門子S7-200對設(shè)備進(jìn)行控制。圖7為PLC外部接線圖。

4? 結(jié)束語

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速增長和城鎮(zhèn)化的迅猛發(fā)展，汽車逐漸成為日常生活中不可或缺的交通工具。由于我國是一個(gè)人口大國，人口基數(shù)非常大，城市中的土地必須得到精準(zhǔn)的利用，所以立體停車設(shè)施是必要的措施。本文論述的垂直升降式立體車庫與當(dāng)前社會(huì)發(fā)展趨勢相契合。文章闡述了垂直升降式立體車庫的整體設(shè)計(jì)方案，主要包括了傳動(dòng)系統(tǒng)、安全保護(hù)裝置以及控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。利用Solidworks軟件對該設(shè)備進(jìn)行了詳細(xì)的三維模擬構(gòu)建與組裝工作，并集成了PLC來實(shí)現(xiàn)對停車設(shè)施的精確控制。我國立體車庫經(jīng)過幾十年的發(fā)展，其設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化具有重要的市場價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

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