一種矩形框體垂直升降車庫的設計*

趙彥淇，周傳喜，何利名，王雨彤，張仕帆，余秀杰

(長江大學 機械工程學院，湖北 荊州 434023)

0 引 言

近年來，機械式垂直立體車庫成為停車裝置的一個重要發展方向[1]。隨著私家車擁有量的迅速增加，車位緊缺問題日漸嚴峻。國內的車庫多為升降橫移類或縱向類機械式立體停車庫[2]，存在存取速度慢、停車繁瑣、不適應各類場地、需要單獨停車卡等弊端。不同于傳統的機械式停車庫，采用矩形框體形式，通過PLC控制電機的轉動裝置，實現車位的運轉，具有造價低、成本低、節省空間等特點。以車庫一層為單元，衍生出四位、九位、十五位等不同車位數的多元設計方案，可根據不同占地面積、場合存取車輛是否頻繁來建造使用不同車位數的車庫，實現優化管理。

筆者所設計的停車庫采用工業級萬向輪和井型軌道槽組成的位移系統，實現了載車板橫縱方向運動；采用對稱分布升降系統，保證了車庫的安全性和穩定性的同時降低了耗能比；采用單元設計原理進行可積木化建造，根據存車量的不同，組成四位、六位、九位以及十五位式的車庫。采用靜音型的傳動滾輪和滾磨條系統保證車輛的安全運行。簡言之，垂直升降矩形框體機械停車庫具有節省空間、結構簡單、配置靈活等特點，其創新點在于相較于先前研發的一些車庫，具有便于維修、存取快捷、投資需求少等優勢。

1 垂直升降矩形框體機械停車庫總體結構

本垂直升降矩形框體機械停車庫的機械結構主要由驅動系統、傳動系統、鋼架系統、載車系統和電控系統五部分組成[3]。總體結構如圖1所示。

圖1 機械車庫總體結構

1.1 驅動系統

電機采用三相異步電機，電機安裝在頂部，鏈條鏈接升降臺與鋼架結構，升降系統工作時，驅動電機帶動驅動鏈在配重塊的平衡作用下，使升降臺平穩上升；升降臺自帶的導輪在限位滑道中滾動，保證升降臺平穩地水平上升。配重塊設計位置在升降臺對稱位置處，增加了車庫的平穩性。

1.2 傳動系統

設計思路來源于自動化裝配線上使用的摩擦傳動系統。其中，由傳統摩擦輪改進的傳動滾輪和載車板底部的傳動滾磨條組成的摩擦傳動系統具有控制性能好、驅動能力強等顯著特點。

底部摩擦傳動系統由井形軌道槽3、傳動滾輪5和傳動滾磨條6組成，載車板4上安裝有多個工業級萬向輪7，傳動滾輪5在驅動時可夾緊載車板(紅色線條為升降位)以保證車輛的平穩運行。如圖2、3所示。

圖2 底部摩擦傳動系統結構3.井形軌道槽 4.安全載車板 5.傳動滾輪 6.傳動滾磨條 7.工業級萬向輪傳 8.防滑槽 21.限位器

傳動滾輪5(位置如圖)的布置安裝如圖4所示，由于布置間距小于載車板底部傳動滾磨條6長度，故能進行平穩連續傳動。載車板底部的工業級萬向輪7在井型軌道槽3中移動，故移動時定位準確。

圖3 傳動滾輪 圖4 傳動滾輪與井型軌道位置

升降系統采用傳統的鏈輪升降系統，該系統具有平穩、噪音低、位置可控的特點；驅動電機安裝在頂部，驅動鏈條鏈接升降臺與鋼架結構，位置如圖5所示(粗線位置為驅動鏈)。

1.3 鋼架系統

鋼架系統由鋼焊接而成，并通過力學計算得到最穩定的鋼體結構，鋼體與鋼體之間采用可拆卸的連接方式，從而使得運輸、安裝極為簡便，花費時間短。

1.4 載車系統

載車系統的載車板上設計有限位裝置并在載車板上采用凹槽設計，防止車輛滑移從而保證了車輛的安全。如圖6所示。

圖5 鏈輪升降系統 圖6 載車板裝置

1.5 電控系統

整個車庫由1臺PLC進行統一的管理和監控。車庫存取控制系統包括弱電系統和強電系統，其中弱電系統由各種信號的采集和報警與控制的輸出組成；強電系統由載車板電機的控制線路、控制電機的正反轉接觸和載車板的上下行程限位組成。車庫采用車位檢測裝置代替人工找位，用循環裝置輸送汽車到位。系統在面板右端設有急停按鈕，當發生意外時，按下急停按鈕，保證車輛安全。

2 結構計算

2.1 驅動電機的選擇

我國常用車的外型尺寸及質量如表1所列，分為6種類型。

表1 我國常用車外型參數及質量

經調查，市面上小轎車的質量主要為1200～2500 kg[4]，為滿足市面上各類車輛的需求，選取電機時設定小車質量為M0=2 350 kg，設計萬向輪的直徑為d1=100 mm,運載汽車橫縱移動速度為V0=15 m/min，重力加速度g=9.8 m/s2,滾動摩擦系數為μ=0.05，電動機傳動效率為η=0.95，載車板、摩擦輪和萬向輪等的總質量為M1=650 kg。則橫縱移動的總負重為M=3 000 kg，根據以上數據進行計算驅動電機[5]。

F=Mgμ=1470 N

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式中：F為運載小車移動時所需要的牽引力，N；P為驅動電機所需要的的功率，kW。

當汽車橫縱移動速度為V0=15 m/s時，有：

式中：n為電機經過減速后的輸出轉速，r/min。

根據驅動電機運行時所需的功率以及經過減速后的輸出轉速，選擇電機為Y250M-8型和減速器MX70微型行星齒輪減速器。其主要參數如表2所列。

表2 電機Y250M-8型主要參數

2.2 鏈輪傳動設計

電動機的額定功率P=30 kW，主動鏈輪轉速n1=730 r/min,傳動比i=3,載荷平穩，中心線水平布置。

(1) 選擇鏈輪齒數

取小鏈輪齒數z1=21,大鏈輪齒數z2=iz1=3×21=63。

(2) 確定計算功率

查得工作情況系數KA=1.0 ，主動鏈輪齒數系數KZ=0.9，單排鏈，則計算功率為Pca=KAKZP=1.0×0.9×30 kW=27 kW。

(3) 選擇鏈條型號和節距

查閱《機械設計》[6]，選擇鏈條型號16A，鏈條節距p=25.4 mm。

(4) 計算鏈節數和中心距

初選中心距a0=(30～50)p=762～1270 mm。取a0=1000 mm。

則最大中心距amax=f1p[2Lp-(z1+z2)]=999 mm

(5) 主要設計結論

鏈條型號16A；鏈輪齒數z1=21,z2=63 ；鏈節數Lp0=122；中心距a=999 mm。

3 車庫使用方法

四位式存車過程：用戶開車到控制面板處，選擇存車，將會出現九個車位號，每一個車位都有顯示車位狀態(有車或空位)，選擇一個空車位號，該空車位載車板會沿著最短路徑移下來，用戶把車開上該載車板。注意：用戶停車之后需檢查控制面板上的車位狀態，若該車位顯示為空位，則表明車未停好，需要略微調整車輛位置，當該車位顯示為有車時，方可離開。

取車過程：用戶走到控制面板處，選擇取車，同樣出現九個車位號，選擇用戶要取的車的車位號，驗證身份，該車位會沿著最短路徑移下來，用戶將車開走即可。車庫使用流程如圖7所示。

圖7 車庫使用流程圖

4 結 語

針對汽車數量不斷增加與土地資源日益短缺的兩方面問題，設計了一種矩形框體垂直升降式機械停車庫。此裝置的傳動部分與結構部分是本裝置主要創新點，傳動部分采用摩擦輪傳動，提高了傳動的平穩性，結構部分采用對稱式分布增強了安全性和穩定性，同時車庫以四位式為單元，可進行積木化建造能根據不同的存取車時長和存車量組成不同的車庫，大大提高了空間利用率。該裝置結構簡單、傳動平穩、空間利用率高能夠極大的改善城市停車難的問題。