自动化停车系统机械机构设计研究

姚远

摘 要 相对于传统车库而言，立体车库在节地、安全性、环境效益甚至经济效益都有明显的优势，本文对这些优势做出了详细的阐述，并对目前世界各地常用的机械车库设备的特点及其适用范围做出了介绍，希望能让更多的人了解机械立体停车，让我国各地能多使用机械立体停车库，有效的缓解当前我国当前遇到的停车难的问题。

关键词 机械;车库;停车难;立体;停车

1机械式立体停车库的具体介绍

1.1 机械式立体停车库的概念和形式

机械式立体停车库，是指可大量存取、储放车辆的机械或机械设备系统，是现代化的停车设备。机械式立体停车库的形式及说明：

（1）按对地面的相对位置分，可分为地面上、半地下和全地下。

（2）按与其他主体建筑物的相对关系分，可分为内置式、地下式、独立式和室外式。

（3）按进车口和出车口的设置位置分，可分为下部出入、中部出入和上部出入。

（4）按進车口和出车口之间的相对关系分，可分为直通式、旁通式、折返式和双排式。

（5） 按停车设备车位排列层数分，可分为单层式、多层式和高层式。

（6）按有无水平回转台分，可分为无水平回转台、有内置水平回转台和有外置水平回转台。无水平回转台：没有水平回转台。

有内置水平回转台：有放置在停车设备范围之内的水平回转台。有外置水平回转台：有放置在停车设备范围之外的水平回转台。按控制及管理系统技术水平分，可分为手动式、半自动式和全自动式。

1.2 机械式立体停车库的分类及特点

机械式立体停车库的类别及主要特点：

（1）升降横移类（PSH）：利用存车板的升降和横向平移存取停放车辆。该类型的主要特点是：存取车速度快，操作简单。成本地，客户容易接受。

（2）垂直循环类（PCX）：用一个垂直循环运动的车位系统存取停放车辆。该类型的主要特点是：可以灵活设置，但耗能高，存取车时需要循环移动所有车辆。此类型属淘汰类型。

（3）水平循环类（PSX）：停放车辆采用水平循环方式。该类型的主要特点是：可以灵活设置，能耗大，存取车时需要循环移动所有车辆，不符合当前节能环保的社会主流。此类型属淘汰类型。

（4）多层循环类（PDX）：多层做循环运动的车位系统存取停放车辆。该类型的主要特点是：可以灵活设置，但耗能高，存取车时需要循环移动所有车辆。此类型属淘汰类型。

（5）平面移动类（PPY）：在同一层面或多层层面之间，用升降机上下垂直移动、用搬运台车横向移动、用搬运器搬运车辆实现存取停放车辆。该类型的主要特点是：停车形式设计灵活，可以设计在建筑的地下、中层，也可设计在建筑的顶层。

（6）巷道堆垛类（PXD）：通过搬运器将车辆搬到巷道堆垛起重机之上，巷道堆垛起重机同时水平且垂直移动到存车位，搬运器进入停车位存放车辆。该类型的主要特点是：堆垛机在巷道内运行，载车板的升降和行走同时运行。

（7）垂直升降类（PCS）：用提升机将车辆升降到指定层，并用存取机构存取停放车辆。该类型的主要特点是：土地利用率最高，三个车库位的面积可以形成50-80 个立体车位。

简易升降类（PJS）：用简易设备的升降或俯仰机构实现存取停放车。该类型的主要特点是：结构简单，存取方便，不需要特殊地面设备，因此应用较广泛[1]。

2垂直升降类立体停车设备的研究

2.1 垂直升降类立体停车设备的结构组成

垂直升降类立体停车设备，主要由提供升降通道和停车位的钢结构框架、车送到指定停车位的运动系统、计算机控制室、电气系统、安全保护系统、消防装置等组成。其中运动系统由三部分组成，分别为升降系统、横移系统、进给系统。

（1）钢结构框架是停车设备的一个重要组成部分，它是保证汽车静态停车工作的重要支撑。钢结构框架主要由立柱和横梁组成，除此之外还有配重块相配合的导轨、载车板钢轮导轨、升降台通道、滑轮支座等。钢结构框架结构设置有车辆的停车位，整体来讲就是一个由钢建立的建筑物。

（2）提升装置

存取车的工作中基本都要将停车放汽车的载车板提升到一定的高度，而完成这一目标的系统由曳引电机、钢丝绳、配重块、导轨、滑轮等组成。驱动曳引电机，使钢丝绳自由升缩，通过定位块与配重块来实现停车设备的升降。

2.2 垂直升降类立体停车设备的整体规划

（1） 整体平面设计布局

机械式立体停车设备的整体平面布局不仅直接关系到厂商的经济利益与现场作业施工是否便捷进行，而且与周围的建筑和交通环境息息相关。机械式立体停车设备要进行整体合理正确的平面安排布置，必须使得平面尽可能的对称布置减少扭转载荷及其应变。除此之外，还必须考虑提高设备的钢结构框架的整体刚度，尽可能减小钢结构框架的侧向位移。

该机械式立体停车设备采用两出入口对称布置，采用这种布置方式，使得前后两个出入口都可以存车，而且可以避免采用转盘给停车设备带来的不便，其中对 H 型立柱钢的主体方向和 H 型钢的刚度弱的方向要求一致，使得钢的结构材料得到节省，并且增加了钢结构的性能。按照机械式立体停车设备和相关的建筑规范标准，在符合其整体尺寸的要求下，可以增加设备的整体高度方向尺寸，这样就增加了储存车辆的空间，使得土地尽可能充分发挥其作用。

（2）整体立体设计布局

通过PRO/E5.0 对停车设备的钢结构框架、升降台、横移装置、载车板、钢丝轮、钢丝绳的进行三维建模，并在 PRO/E5.0

中对最后的整体设备进行装配。整个停车设备主要由钢结构框架、升降台、横移装置、载车板、钢丝轮、钢丝绳、配重块等组成。本论文研究的停车设备参照电梯的升降原理，并根据设备的实际作业条件，提出利用电动机驱动，使得电机端的钢丝轮转动，带动钢丝绳运动，钢丝绳通过曳引轮和滑轮组使整个提升装置升降。与目前市场上的垂直升降类立体停车设备不同，通过对称布置，利用一个升降通道，外加横移装置可使每层两侧各有三个停车位，横移装置根据其距离和传动的特殊要求，采用丝杠螺母传动方式传动，车辆停到停车位是通过电磁直线电机的推拉来实现，速度快，可靠稳定，本停车设备，共 24层，停车位共22层，每层6个停车位，可停车放132辆车，传动效率高，工作环境安全可靠，充分利用了现有的土地面积，具有较好的市场前景。

本论文研究的停车设备具体工作过程：首先将小车开入车辆通道，然后驾驶员刷卡，停车设备门打开，驾驶员将车辆驶入载车板上，车停稳后，驾驶员从车上下来离开设备，停车设备门经过司机刷卡而关闭。通过提升系统将车辆停放到指定停车位置。整个升降导轨由钢结构框架组成，保证提升的平稳性，提升系统由升降台、横移装置、载车板构成，升降台装有动滑轮组，电机驱动，钢丝绳通过钢丝轮曳引使整个升降台升降，通过丝杠螺母使得直线电机和载车板沿着丝杠方向进给，保证载车板停车到停车位前，直线电机通过推拉实现车辆在停车位的存取[2]。

2.3 垂直升降类立体停车设备升降系统研究

目前，机械式立体停车设备主要有三种提升方式：液压提升、链条提升、钢丝绳提升。液压系统主要应用在结构不是很复杂的场合，复杂的结构设备用液压驱动，系统复杂，成本高，不宜检修。链传动一般用在速度不高的场合时性能稳定，一般不用输送较高设备的场合，容易发生咬链。钢丝绳成本低，适合高空传输作业，有较强的承载能力。

根据本文的研究设备类型，所以多采用卷筒升降和曳引升降这两种方式，又由于此设备其提升高度将近55m，卷筒式升降不能满足其工作要求，故选用曳引式升降，曳引升降通过改变钢丝绳的长度来实现提升装置的升降，能满足本停车设备的高度运行工作要求。

1-设备顶部导向滑轮;2-钢丝绳调整螺母;3-配重块; 4-设备提升底板;5-牵引钢丝绳;6-电机底座;7-曳引钢丝轮;8-驱动电机;9-联轴器;10-支撑架升降装置的具体运行过程，通过驱动电机 ;8 的转动，使得它的两端轴输出动力，通过联轴器;9 将驱动电机输出的动力输送到支撑架;10 支撑的短轴部件，通过短轴的转动带动曳引钢丝轮7 转动，曳引轮 7的转动通过与钢丝绳的摩擦带动牵引钢丝绳 5 移动，移动方向由各个位置的滑轮决定，通过动滑轮组使得升降装置自由上下移动，配重块 3 平衡升降装置，使得载车板到达所要求的停车层，下降时驱动电機 8 反转，使得升降装置到达指定的下降层位置。

2.4 垂直升降类立体停车设备横移系统的研究

本停车设备研究的横移装置是整个设备运动系统中的第二大模块。它保证将停放在它上方的载车板和汽车运送到指定的停车位入口出，使其定位对准准确。这对整个车辆的存取工作至关重要，在选取相关标准件的时候要结合本论文研究设备的实际条件和要求。

横移系统的运行主要由直线电机、导轨、钢轮等配合完成。具体的运行机理为：横移装置下方设置有螺母，螺母与升降台上安装的丝杠连接，减速电机转动，带动链条转动，链条带动丝杠一端的链轮转动，从而丝杠转动带动螺母沿着丝杠方向横移，横移装置钢轮在导轨上直线运动通过停车位前设置的定位块准确定位在停车位门口。横移装置上方设有与载车板钢轮相切连接的矩形凹槽，凹槽两端设置有自动推杆矩形凹槽，用来与停车位上的矩形槽对接，从而能使车辆顺利进入停车位，实现车辆的存取。

2.5 垂直升降类立体停车设备进给系统的研究

本论文研究的停车设备的进给系统是运动系统中的第三大模块。它对于车辆能否安全准确可靠的驶入停车设备非常重要，也是机械式立体设备评定技术指标之一，如何合理设计载车板和运行机理对整个存取车辆工作至关重要。

本论文研究的进给系统由直线电机装置、钢轮、矩形槽导轨、载车板、电磁升缩推拉杆、支撑板、安全装置等组成。具体的运行机理：直线电机的横移装置通过丝杠螺母钢轮将整个进给系统平移，平移到停车位前与定位块相互感应，横移装置根据计算机指令精准停车，提升的高度定位由驱动电机、钢丝绳和定位块实现，然后直线电机得到运行指令，五组电磁式直线电机同步作用，推动停车放汽车的载车板进入停车位，实现设备的存车工作。反之，取车时，电磁推拉杆和相应的槽通过电磁作用吸住，拉动载车板到直线电机工作台上，实现取车。

2.6 提升电机选型的计算分析

电机选型需要计算工作扭矩、启动扭矩、负载转动惯量，其中工作扭矩和启动扭矩最为重要[3]。

工作扭矩T_b计算

首先核算负载重量W，对于一般线形导轨摩擦系数μ=0.01，计算得到工作力F_b。

水平行走：F_b=μW

垂直升降：F_b=W

（1）齿轮齿条机构

一般齿轮齿条机构整体构造为电机+减速机+齿轮齿条，电机工作扭矩Tb的计算公式为：

其中D为齿轮直径。

（2）丝杠螺母机构

一般丝杠螺母机构整体构造为电机+丝杠螺母，电机工作扭矩Tb的计算公式为：

其中BP为丝杠导程;η为丝杠机械效率（一般取0.9～0.95）。

（3）启动扭矩T计算：启动扭矩T为惯性扭矩Ta和工作扭矩Tb之和。其中工作扭矩Tb通过上一部分求得，惯性扭矩Ta由惯性力Fa大小决定：?其中a为启动加速度（一般取0.1g～g，依设备要求而定，参考下式计算）。a=v/t其中v为负载工作速度;t为启动加速时间。Ta计算方法与Tb计算方法相同。

（4）负载转动惯量J计算： 系统转动惯量J总等于电机转动惯量JM、齿轮转动惯量JG、丝杠 转动惯量 JS和负载转动惯量J之和。其中电机转动惯量JM、齿轮转动 惯量JG和丝杠转动惯量JS数值较小，可根据具体情况忽略不计，如需 计算请参考 HIWIN丝杠选型样本。下面详述负载转动惯量J的计算过 程。 将负载重量换算到电机输出轴上转动惯量，滚珠丝杠传动机构与公式如下：

J：电机输出轴转动惯量（kg·m2）; W：可动部分总重量（kg）;B P丝杠螺距;GL：减速比（≥1，无单位）。

参考文献

[1] 丑洋.机械式立体设备应用及发展前景[J].西安文理学院学报：自然科学版，2012，（3）：81-83.

[2] 赵贤敬，魏兆宏，王吉忠，等.垂直循环机械式停车设备传动系统的形式[J].起重运输机械，2003，（5）：29-30.

[3] 张鹏.俯仰升降式立体设备液压系统设计[J].液压与气动，2007， （7）：10-11.