垂直升降立体车库设计

卜燕军 王玉娥

摘  要：如今，工业生产作为各个国家的经济支柱，其发展对各个国家来说都尤为重要，随着工业生产的高速发展，汽车工业发展迅速，越来越多的私家车进入人们的生活，汽车保有量稳步增加，但是随之而来的便是拥堵的交通以及车位的紧缺。立体车库由此也出现在人们的视野之中，立体车库的出现使汽车停车行业发生巨大的变化，对停车难问题提供有效的帮助。该文研设一套垂直升降立体车库，该次设计的三维建模整体机械结构采用SolidWorks软件进行绘制，并对其控制系统进行研究。垂直升降立体车库使得城市土地的空间利用率得到有效提升，有着重要意义。

关键词：立体车库；垂直升降；机械结构；控制系统；汽车工业

中图分类号：U468.5      文献标志码：A          文章编号：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

随着城市化进程的加快，经济迅速发展，近几年来，生活节奏的加快和人民生活质量的提高，家庭轿车的数量节节攀升。根据中国汽车工业协会（以下简称“中汽协”）最新预测数据显示， 2023年全年，我国汽车总销量或可达到3 000万辆，同比增长11.7%。展望2024年，中汽协预测，中国市场的汽车总销量将达到3 100万辆，同比增长3%[1]。在这样华丽的数据背后，显露出一些问题，随着经济的发展带来了停车难、违规停车、停车管理难等一系列综合性问题。

为了应对停车位紧缺和寻找停车位的难题，全球范围内的研究者和工程师们开始积极探索立体停车系统。立体车库，因为有着高效的空间利用率，操作简单的控制装置系统，良好的使用性能，所以在市场中一直受到消费者的青睐。垂直升降式立体停车库采用的是垂直方式的放置机构，汽车被升降机构从进口提升至车位，是立体车库的关键所在。我国停车库于20世纪80年代得以发展。80年代到90年代，建筑行业和汽车行业发展迅猛，特别是汽车进入了普通家庭之后，致使停车设备的应用逐渐普及，已经步入了开发、引进、制造、使用相结合的初级发展阶段。目前，我国已有将近百家汽车停车装置制造企业，其中大型汽车停车设备制造商50余家。多个学科领域的前沿技术，包括光电技术、计算机科学、电磁学、液压技术、电子工程及机械工程等，已经被综合应用于当代的停车设施设计和制造中。停车设备的变频交流调速技术就是一种先进技术，使装置省电、运行速度平稳、运行速度快、降低震动减小噪声；停车系统的控制方法多样，涵盖了诸如使用IC卡、按钮操作、触摸屏界面、遥控器及键盘密码等多种形式。总线控制技术还被用于一些装置，传动装置位于内部结构，因此来扩大停车空间，保护各个驱动部件免于污染和侵蚀，设备使用寿命大大提高。机械结构采用模块式结构，容易组装，容易拆装，建造时间短，应用新工艺、新材料。如H型钢梁结合的镀锌钢板或整体成形的镀锌钢板作为载车板；在安全防护上，应用了自动灭火消防装置和光声定位，目前，该装置的满意程度达到了90%，国产化率超过了50%，填充了国内的空白。

立体车库符合我国城市道路实际情况的设计，此行业依然是一个朝阳行业，发展迅速且前景可观。泊车设备产业的开展与停车相关法规立法、收费规定政策、城市路线布局、交通运输管理等问题息息相关。如今，我国城市停车相关法规尚不健全，停车规划、收费等政策处于探索研究阶段，所以综合看来，在我国，泊车业的发展还面临着许多困难。但是，因汽车数量的节节攀升，其发展前景被人们普遍看好。

1  垂直升降立体车库机械部分设计

机械式立体车库的类型主要分为升降横移式、巷道堆垛式、垂直提升式、垂直循环式。本文设计的垂直升降式立体车库由升降机构和2个停车位组成，节省土地资源，安全性高，安装快捷，成本相对低廉。本文所述的垂直升降式立体车库主要由车位框架、载车板、传动装置、安全防护装置、控制系统五部分组成。

在垂直升降停车库整体结构中，车位框架的结构相当于停车位，根据我国有关规范，将各类汽车停放的停车场地称作停车场，停车场的规模、结构布置与停车场的花费造价有很大关系，所以停车场的空间结构要合理地规划，才能达到最大限度的利用土地，减少投资。

立体车库的主要结构是钢和钢筋混凝土，钢结构相比钢筋混凝土来说具有强度高、韧性小、施工速度快、适应性强等优点，垂直升降式立体车库的车位框架结构选用钢结构[2]。根据GB 17907—1999《机械式停车设备 通用安全要求》的要求，其中对停车位的长宽高作了明确的规定[3]，长度应该大于车辆总长加200 mm，宽度方面，将车放入车位时，车辆全宽增加150 mm，高度方面，不得小于1 600 mm并不得小于存车高度与装卸车辆时所需升降高度加50 mm的高度，在设计车位框架时还应考虑到存取汽车的方便。因此根据相关要求并综合考虑，将车位的框架结构定为长度6 100 mm，宽度2 700 mm，高度3 300 mm。其三维模型图如图1所示。

载车板有框架式和拼版式2种，其分类是按构造的形式来分的。在简易垂直升降式停车库中载车板的功用是用来承载车辆的[4]。立体车库中的载车板由4个装配有宽度相同的钢制花纹板构成的长方形组成，这些花纹板的两端均安装在横梁的凹槽中，覆盖了载车板的整个表面。使载车板的强度和刚度大大提升，而且还能让载车板的装卸便捷，构造简单，成本低。利用波浪板能防止车辆在载车板上的滑动和侧翻，保护了用户的生命和财产安全。进车板安装于载车板的前端，进车板和地面之间有一定的角度，当车辆进到载车板时可以起到缓冲的作用。载车板后端有一个限制后车轮的限位杆，防止车辆进入载车板过多超出车位对设施造成危害。其模型如图2所示。

立体车库的动力传输系统主要包括3种类型分别为钢丝绳驱动、链条驱动和液压升降驱动。各自的特点概述如下。

钢丝绳驱动：其优势在于车辆升降高度不受限制，噪音小，其不足之处在于采用钢丝绳时，需要卷筒、刹车盘等，增加了安装费用及时间。

链条驱动：优点是传动简单，具有高可靠性，维修相比之下比较简单，成本低。缺点是冲击力大，有提升高度的限制，运行安装不当的话有跳齿和脱齿的情况出现。

液压升降驱动：其优势在于能够实现真正的无极化，具有结构紧凑、高功率、高重量比、快速响应、抗干扰能力、高精度提升误及运行平稳等特点。缺点是元器件价格高昂、成本高、对油液的密封技术要求高，油液容易受到污染。

综合考虑，由于设计的是垂直升降停车库，因此，选用链条驱动是最适宜的。停车时，利用电子控制面板上的按键控制链将汽车提升到预定位置，当汽车升到某一特定位置时，防断钩伸出，取出时，由电子控制面板按键将链轮链带动载板降低到地面。链条驱动装置安装在升降载车板上，升降载车板两侧安装了2个托架板滚道，主链轮组和从动链轮组上安装驱动链条，驱动链条分为2条，他们之间通过一个法兰链接装置可以实现链条长度不够可以补缩的功能。其传动装置的示意图如图3所示。

链条由电动机驱动，因此电动机的选型和链条的校核显得十为重要。

电动机的工作功率为

式中：Pw为主动轴需要的工作功率及工作机的输出功率，ηa为工作机构的传动效率。

PW的计算方法为

式中：F为工作机构的有效阻力，单位为N；V为主动轴的线速度，单位为m/s。

工作机构的有效阻力来源：链条带与轨道之间的滑动摩擦阻力F

F=Mgμ 。

每条输送带质量为200 kg，载车板的材质为Q235-A碳素钢，密度为7.85×103 kg/m3，载车板的尺寸为长度4 810 mm，宽度2 350 mm，高度150 mm，载车板上停放的车辆最大重量为3 t，体积约为长5 m、宽2 m、高2.5 m。

总体积应为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，链条的摩擦系数μ=0.2，可得F=Mgμ=16 545×9.8×0.2=32 428 N。

工作机的链条带线速度为2.5 m/min，即0.042 m/s，因此可得

PW===1.36 kW。

ηa为传动装置各部分运动副效率的乘积

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

根据查询资料可得国内立体车库使用的升降电机为万鑫精工电机，根据查询万鑫精工电机参数表可知本次选用的电机型号为交流电机GH321500W10SG1L

DHO，额定功率为1.5 kW，查表可得电动机的额定转速为1 420 r/min，50 Hz。

对整个传动系统的分析，由于立体车库载车板需要承载车辆，所以载车板在链条提升过程中不可以出现摆动的状况，必须使整个运转过程十分可靠，所以对于提升链的设计就显得尤为重要。对于简易垂直升降式停车库而言，由于载车板上升时链的速度V<0.6 m/s，所以不是按高速链的方法来选择，而是由链条的静强度来确定。

根据上式选择所需要的链号。

选取链号为16A-1的短节距精密滚子输送链，查机械手册可得链的抗拉载荷为55.6 kN，节距P=25.4。

滚子链的强度计算如下。

在链条传动系统中，如果在链速较慢的情况下（速度小于0.6 m/s），链条未承受额外负载却出现形变，这通常表明链条正遭受破损。在此情形下，使链条持续形变的最小负载将决定链条所能安全承载的最大重量。所以提升链条由于载荷较大，静强度占主要地位，链条的主要失效形式是链条受静力拉断，故应进行静强度校核。

式中：Qn为链条的极限拉伸载荷，Qn=nQ；n为链的排数，Q为单排链的极限拉伸载荷；KA为工作情况系数，取KA=1.1；Ft为有效圆周力。

2  垂直升降立体车库安全防护装置的设计

常见的安全防护装置有电磁铁驱动防坠安全挂钩和机械式驱动防坠安全挂钩。如今市场上比较常见的一种安全装置是电磁铁的安全挂钩，安全挂钩的工作由磁性控制。防坠器挂钩的开放由电磁铁管控，载车板下降，然后电磁铁停止工作，防坠器挂钩在电磁铁内置的弹簧作用下复位，载车板下降到一定位置后回升，载车板越过防坠器挂钩时电磁铁不工作[5]。但电磁铁在使用过程中的寿命受多种因素影响，耐久性不强。机械式的防坠落钩，即不使用电磁体，而是采用纯粹的机械设备，对车辆的防坠落进行安全防护。该安全机构的特征是，在横梁上有一个防止坠落的钩子，在车板上装有一个可以用钢丝绳或者链条连接打开安全钩子的装置，当载车板要升到适当的位置时，为了保证载车板的正常升降，载车板上的撑开装置和安全挂钩接触然后使安全挂钩伸回。此装置的缺点是在使用过程中这些机械零部件都会有轻微的变形，这种变形会使车板上的撑开装置在一定时间内无法正确地开启安全挂钩，使其有一个角被卡住，从而使其发生侧倾，有很大的安全风险。

本设备当汽车被运输到二层后采用电动推杆带动防断钩的伸缩保证设备的安全，在停放车辆时，由电控系统控制电推缸将防断钩卡住载车板，防止载车板滑动。在取车时，电控系统将电动推杆缩回，防断钩缩回，使载车板平稳放置地面。以免汽车在上方车位时发生坠落的危险，电动推杆和安全防断钩的结构图如图4所示。

在立体车库的操作过程中，若出现紧急情况需要迅速中断设备的运行，操作者可以通过按压控制台上的紧急停止按钮来立即终止所有机械活动，并触发警报灯以发出警报。当车主取车时，按下载车板下降按钮时，车库进行下降警报提示车主防止误伤到人。垂直升降式立体车库的整体装配三维模型如图5所示。

3  垂直升降立体车库控制系统设计

目前，多数机械式停车设施的控制系统主要归为3种类型：继电器逻辑控制电路、微控制单元（MCU）和可编程逻辑控制器（PLC）。在当代的机械停车解决方案中，PLC因其可靠性和灵活性通常被优先选用作为主要的控制系统。PLC有许多接口，可根据不同的端口要求使用。对立体车库进行智能控制管理，与传统的继电器逻辑电路比较，无需对硬件进行再编程，仅需将程序重新写入 PLC。如今PLC的主要编程方式还是梯形图，梯形图看起来清晰明了，技术人员可通过梯形图快速学习掌握PLC，因此PLC应用于很多方面，使用起来非常方便。存取车的流程图如图6所示。

简易垂直升降停车库的控制部分主要控制电机的正反转来控制载车板的升降高度和运行速度来保证装置的可靠性、稳定性，控制安全防断钩的伸出和收回，保证设备的安全性，当载车板下降时发出提示声音警示车主人员注意安全。本文选用PLC作为控制系统，使用PLC西门子S7-200对设备进行控制。图7为PLC外部接线图。

4  结束语

随着我国经济的快速增长和城镇化的迅猛发展，汽车逐渐成为日常生活中不可或缺的交通工具。由于我国是一个人口大国，人口基数非常大，城市中的土地必须得到精准的利用，所以立体停车设施是必要的措施。本文论述的垂直升降式立体车库与当前社会发展趋势相契合。文章阐述了垂直升降式立体车库的整体设计方案，主要包括了传动系统、安全保护装置以及控制系统的设计。利用Solidworks软件对该设备进行了详细的三维模拟构建与组装工作，并集成了PLC来实现对停车设施的精确控制。我国立体车库经过几十年的发展，其设计方案的优化具有重要的市场价值和现实意义。

参考文献：

[1] 黎冲森.新能源车新拐点来临[J].汽车纵横，2022（2）：63-69.

[2] 赵月姣.基于PLC的垂直提升式立体车库控制系统的设计[J].科技风，2019（12）：6.

[3] 龚文.起重机械特种设备中的安全距离问题探究[J].质量与标准化，2022（Z1）：87-90.

[4] 杨超，郭靖，秦海亮，等.一种App控制的双层智能停车装置的设计与研究[J].吕梁学院学报，2019，9（2）：44-49.

[5] 陈元凯，尹凯.基于MCGS的升降横移式立体车库人机系统设计[J].科技创新导报，2019，16（5）：34-36.