升降旋轉式立體車庫的結構設計

王雨生 趙建軍 董方晨

摘 ?要：設計了一款升降旋轉式的立體車庫結構，使用Unigraphics NX將其進行參數化的三維建模，預估其使用方式及運動路徑，并通過對于不同固定方式的情況進行了靜力學分析，從而確定了其運動情況。又對模型進行了模態分析，得出車庫的正常工作環境以及在某特定環境下的最大變形量。

關鍵詞：升降旋轉;立體車庫;結構設計;Unigraphics NX

中圖分類號：TP273 ? ? ? ? 文獻標志碼：A ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2020）01-0053-03

Abstract： A three-dimensional garage structure is designed.Use the Unigraphics NX to parameterize the three-dimensional modeling and predict the use mode and motion path.And then determine the motion situation by the static analysis of different fixed modes. Finally the modal analysis of the model is carried out， obtained the normal working environment of the garage and the maximum deformation under a specific environment.

Keywords： lifting and rotating; three-dimensional garage; structural design; Unigraphics NX

前言

近年來，隨著生產力的不斷發展，人們的生活水平不斷提高。汽車的持有量和使用量節節攀升，導致道路更加擁堵，與此同時，汽車的停放空間不斷減少，已經成為社會中亟待解決的問題之一。目前，我國立體車庫的技術還在發展階段，其平面露天式的車庫相對于發達國家的立體車庫還具有不小的差距[1]。而現在市場上雖有已投入使用的立體車庫，但都有其難以忽視的缺點[2]。

隨著社會生活越來越依賴汽車，只有不斷對停車裝置進行創新改進才能適應社會的快速發展[2]。現有車庫雖類型較多，但一般存在穩定性低下、立體車庫無法大范圍推廣、存取效率低等問題。本課題通過使用升降旋轉的結構構建了一種新型立體車庫，并從多角度探究其穩定性、存取效率等實際問題。根據分析可知，該車庫解決了其他車庫存在的部分問題和隱患，具有體積小，占地面積小，設備結構簡單，穩定性好，停取車時間短等優點，且該類立體車庫制造成本低，適用于車站、醫院、公園、小區等各類公共場所。

1 設計方案

1.1 設計思路

目前國內機械式立體車庫的主要庫型為升降橫移式立體車庫，此款車庫存在著取車時間較長、結構復雜、可靠性低、環境適應性差等缺點。本設計結合此庫型的缺點進行了重新規劃和設計，目標為探尋更優秀的互補庫型。

具體設計目標為以下三點：

（1）進一步縮短地上面積的使用空間，可通過地上地下車庫的嵌套模式來擴大使用面積。

（2）傳動路線簡潔明了，傳動高效，減少檢修難度。

（3）前期投入成本低，有足夠的推廣價值。

1.2 結構設計

該升降旋轉式立體車庫設計為三層，地上兩層，地下一層，高度約為12m，截面半徑為8m，單層載車箱為高3m，截面形狀為扇環，其中車位最低寬度為3m，長度為5m。整體形狀為圓柱體，內有旋轉軸，提供可移動層的旋轉動力。車輛存放于由載車板改進而來的“載車箱”中，載車箱依靠中心軸上的滑鍵槽來進行上下移動。裝置內可存放的車輛數為兩個完整的圓周，滿載時每層六輛車，共計可存放12輛。

三層車庫中有一層為閑置轉存層，用來保證其余兩層可以正常移動到取車的地方。具體結構如圖1所示，圖中1為閑置轉存層，用來保證車庫具有足夠的轉移空間，2、3為存放車輛層，用來存放車輛。

1.2.1 傳動部分設計

結合車庫使用情況，傳導的動力主要分為由液壓馬達提供給中心軸的轉矩和液壓千斤頂提供給頂舉件的正壓力，轉矩為液壓提供動力使用齒輪傳導，正壓力則為完全的液壓傳動。

中心軸的旋轉動力是取車過程中的主要動力，該部分主要由液壓泵、液壓馬達、齒輪組、中心軸、傳動軸和載車箱部分構成。其中齒輪與中心軸間為平鍵連接，中心軸與傳動軸間為“錐滑鍵”連接，傳動軸與載車箱間為滑鍵連接。具體結構如圖2所示。

液壓千斤頂的位置是在載車箱正下方，主要由液壓泵、液壓桿和載車箱構成。

1.2.2 載車箱的設計

出于增強穩定性的考慮，本設計將傳統車庫用載車板改進為更加穩定的載車箱，將每一個“車位”進行模塊化，且與中心軸間使用滑鍵連接，保證其可以進行上下移動。載車箱具有厚度的“墻壁”，使得下層載車箱可以承受上層的重量，減少了中心軸上滑鍵承受的傾覆力矩，增加了使用時的可靠性。載車箱具體結構如圖3所示。

2 力學模型分析

2.1 運行原理

空間結構上來分析，對于載車箱的運動來說，閑置轉存層用來為車庫的垂直移動提供足夠的空間，空出一個載車箱單位高度的空間，便于進行移動。而在圖1中的2層內的軸可以為一整層的車庫提供旋轉動力。

運行分兩個方面進行討論：上下移動的滑動和中心軸帶動的旋轉上下移動：載車箱的上下移動主要依靠于其與中心軸間的滑鍵連接，在車庫底端設置有液壓千斤頂提供動力。

旋轉運動：將中間一層車庫固定在中心軸上，通過上方使用重載用液壓馬達通過齒輪傳動轉動中心軸來實現旋轉運動。

為了增加穩定性，車庫的旋轉運動只支持中段車庫移動。且旋轉的優先級低于上下移動。

2.2 傳力路徑

車庫除設備外的主要受力為存放車輛的靜載荷，力的傳輸順序看起來是由載車箱開始依次傳遞到中心軸上，實際上由于載車箱的改良，理論上在車庫靜止狀態下的受力會由下方的底層載車箱和千斤頂的底座承受，并不會傳導到中心軸上。故對于傳動軸上的滑鍵連接來說，減少了承受的傾覆力矩，提高了穩定性。

車庫在上下移動時，受力方式與靜止時相似。故將旋轉工況與升降工況分開討論。車庫在旋轉時，動力傳輸由上端液壓馬達開始，經過傳動齒輪、中心軸及傳動軸將動力傳導到車庫上。對于車輛的負載，對于傳動軸的滑鍵來說，在旋轉時會承受一個離心力的作用，且與負載有關。而其圓周力會因為載車箱的結構而減輕其強度，起到了保護滑鍵的作用。

3 ANSYS靜力學分析

考慮到需要證實車庫的穩定性，故而用ANSYS對車庫的模型進行靜力學分析，使得車庫在滿庫狀態下擁有足夠的穩定性。在此將研究目標設為單個載車箱。

3.1 最大變形量

將載車箱的三維模型文件導入ANSYS。設置滑鍵為固定面，網格為自動劃分。每個載車箱的底板承受25000N的力。得出的最終變形量如圖4所示。

如圖4所示，在25000N的力下，載車箱的最大變形量為0.0273mm，符合立體車庫的設計標準。本課題所設計的載車箱底部固定為三側固定與底面疊加，而車輛一般放置于載車箱的中部位置而不是外側，故將底面疊加的狀態近似假設為外圍輪廓不變，查看其可能的變形。

固定載車箱的外輪廓在Z軸上的移動。得出最終變形量如圖5所示。

如圖5所示，在約束了車庫的外輪廓后，變形量由0.0273mm變為0.0045mm，銳減至原來的百分之五。故垂直爬升裝置選擇使用可以進行底部支撐的千斤頂以減少底部變形。

且采用力疊加的結構模式，變形量會小于邊緣約束。故而得出變形量在0.0273mm以下。符合立體車庫的設計標準[3]。

3.2 模態分析

為了得出車庫最佳的工作環境，對車庫整體進行模態分析，得出車庫可能發生共振的頻率。

在實際工作中，將盡量避免在此頻率下工作，防止產生共振。具體模態分析結果匯總如表1所示。

分析結果表明，車庫的使用環境要求頻率范圍在5.7109～11.579Hz。使用時應避開此頻率范圍。其中1階、6階的固有頻率為5.7109Hz與11.579Hz，主要表現模式為扭曲狀。變形量約為0.0040mm。2-5階的固有頻率在5.7918～7.0119Hz分布。主要表達形式為整體傾斜，變形量為0.0040～0.0046mm。由分析結果可知，車庫結構的設計較為合理，符合車庫設計的要求[3]。

4 結論

（1）針對現有車庫存在的問題，進行整理分析，設計出新型的升降旋轉式立體車庫形式，并使用Unigraphics NX進行參數化的三維建模。

（2）討論了新型升降旋轉式立體車庫的力傳導方式與驅動方式。

（3）通過ANSYS對升降旋轉式立體車庫的靜態受力、震動模態進行了有限元分析，得出新型車庫的工作頻率為5.71～11.57Hz，最大變形量為0.0273mm的結論，從而驗證了車庫結構的穩定性，并根據模擬結果優化了傳力路徑、改進了整體結構。

參考文獻：

[1]李宇峰，王慶虎.淺談機械式立體停車庫的發展前景及推廣應用[J].現代制造技術與裝備，2019（08）：105-106.

[2]李薇.我國立體車庫的現狀及發展策略[J].設備管理與維修，2019（09）：12-13.

[3]李欣疏，高路，徐樹平，等.模塊化立體多結構停車車庫的設計[J].吉林化工學院學報，2019，36（01）：25-28.

[4]孟廣耀，穆國振，王文濤，等.新型立體車庫設計及分析[J].中國工程機械學報，2019，17（04）：340-344.

[5]上海市交通與建設委員會.機械式停車庫（場）設計規程：DGJ08_60_2006[S].上海：上海自動化車庫研究所，2006.shanghaiTrafficandConstructionCommission.Designrulesformechanicalparkingyard：DGJ08_60_2006[s].Shanghai：ShanghaiInstituteofAutomatedGarage，2006.

[6]許紅勝，楊磊，潘權.升降橫移式立體停車庫鋼構架力學模型分析[J].公路與汽運，2015（04）：74-76+112.