自動(dòng)化停車(chē)系統(tǒng)機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

姚遠(yuǎn)

摘 要 相對(duì)于傳統(tǒng)車(chē)庫(kù)而言，立體車(chē)庫(kù)在節(jié)地、安全性、環(huán)境效益甚至經(jīng)濟(jì)效益都有明顯的優(yōu)勢(shì)，本文對(duì)這些優(yōu)勢(shì)做出了詳細(xì)的闡述，并對(duì)目前世界各地常用的機(jī)械車(chē)庫(kù)設(shè)備的特點(diǎn)及其適用范圍做出了介紹，希望能讓更多的人了解機(jī)械立體停車(chē)，讓我國(guó)各地能多使用機(jī)械立體停車(chē)庫(kù)，有效的緩解當(dāng)前我國(guó)當(dāng)前遇到的停車(chē)難的問(wèn)題。

關(guān)鍵詞 機(jī)械;車(chē)庫(kù);停車(chē)難;立體;停車(chē)

1機(jī)械式立體停車(chē)庫(kù)的具體介紹

1.1 機(jī)械式立體停車(chē)庫(kù)的概念和形式

機(jī)械式立體停車(chē)庫(kù)，是指可大量存取、儲(chǔ)放車(chē)輛的機(jī)械或機(jī)械設(shè)備系統(tǒng)，是現(xiàn)代化的停車(chē)設(shè)備。機(jī)械式立體停車(chē)庫(kù)的形式及說(shuō)明：

（1）按對(duì)地面的相對(duì)位置分，可分為地面上、半地下和全地下。

（2）按與其他主體建筑物的相對(duì)關(guān)系分，可分為內(nèi)置式、地下式、獨(dú)立式和室外式。

（3）按進(jìn)車(chē)口和出車(chē)口的設(shè)置位置分，可分為下部出入、中部出入和上部出入。

（4）按進(jìn)車(chē)口和出車(chē)口之間的相對(duì)關(guān)系分，可分為直通式、旁通式、折返式和雙排式。

（5） 按停車(chē)設(shè)備車(chē)位排列層數(shù)分，可分為單層式、多層式和高層式。

（6）按有無(wú)水平回轉(zhuǎn)臺(tái)分，可分為無(wú)水平回轉(zhuǎn)臺(tái)、有內(nèi)置水平回轉(zhuǎn)臺(tái)和有外置水平回轉(zhuǎn)臺(tái)。無(wú)水平回轉(zhuǎn)臺(tái)：沒(méi)有水平回轉(zhuǎn)臺(tái)。

有內(nèi)置水平回轉(zhuǎn)臺(tái)：有放置在停車(chē)設(shè)備范圍之內(nèi)的水平回轉(zhuǎn)臺(tái)。有外置水平回轉(zhuǎn)臺(tái)：有放置在停車(chē)設(shè)備范圍之外的水平回轉(zhuǎn)臺(tái)。按控制及管理系統(tǒng)技術(shù)水平分，可分為手動(dòng)式、半自動(dòng)式和全自動(dòng)式。

1.2 機(jī)械式立體停車(chē)庫(kù)的分類(lèi)及特點(diǎn)

機(jī)械式立體停車(chē)庫(kù)的類(lèi)別及主要特點(diǎn)：

（1）升降橫移類(lèi)（PSH）：利用存車(chē)板的升降和橫向平移存取停放車(chē)輛。該類(lèi)型的主要特點(diǎn)是：存取車(chē)速度快，操作簡(jiǎn)單。成本地，客戶(hù)容易接受。

（2）垂直循環(huán)類(lèi)（PCX）：用一個(gè)垂直循環(huán)運(yùn)動(dòng)的車(chē)位系統(tǒng)存取停放車(chē)輛。該類(lèi)型的主要特點(diǎn)是：可以靈活設(shè)置，但耗能高，存取車(chē)時(shí)需要循環(huán)移動(dòng)所有車(chē)輛。此類(lèi)型屬淘汰類(lèi)型。

（3）水平循環(huán)類(lèi)（PSX）：停放車(chē)輛采用水平循環(huán)方式。該類(lèi)型的主要特點(diǎn)是：可以靈活設(shè)置，能耗大，存取車(chē)時(shí)需要循環(huán)移動(dòng)所有車(chē)輛，不符合當(dāng)前節(jié)能環(huán)保的社會(huì)主流。此類(lèi)型屬淘汰類(lèi)型。

（4）多層循環(huán)類(lèi)（PDX）：多層做循環(huán)運(yùn)動(dòng)的車(chē)位系統(tǒng)存取停放車(chē)輛。該類(lèi)型的主要特點(diǎn)是：可以靈活設(shè)置，但耗能高，存取車(chē)時(shí)需要循環(huán)移動(dòng)所有車(chē)輛。此類(lèi)型屬淘汰類(lèi)型。

（5）平面移動(dòng)類(lèi)（PPY）：在同一層面或多層層面之間，用升降機(jī)上下垂直移動(dòng)、用搬運(yùn)臺(tái)車(chē)橫向移動(dòng)、用搬運(yùn)器搬運(yùn)車(chē)輛實(shí)現(xiàn)存取停放車(chē)輛。該類(lèi)型的主要特點(diǎn)是：停車(chē)形式設(shè)計(jì)靈活，可以設(shè)計(jì)在建筑的地下、中層，也可設(shè)計(jì)在建筑的頂層。

（6）巷道堆垛類(lèi)（PXD）：通過(guò)搬運(yùn)器將車(chē)輛搬到巷道堆垛起重機(jī)之上，巷道堆垛起重機(jī)同時(shí)水平且垂直移動(dòng)到存車(chē)位，搬運(yùn)器進(jìn)入停車(chē)位存放車(chē)輛。該類(lèi)型的主要特點(diǎn)是：堆垛機(jī)在巷道內(nèi)運(yùn)行，載車(chē)板的升降和行走同時(shí)運(yùn)行。

（7）垂直升降類(lèi)（PCS）：用提升機(jī)將車(chē)輛升降到指定層，并用存取機(jī)構(gòu)存取停放車(chē)輛。該類(lèi)型的主要特點(diǎn)是：土地利用率最高，三個(gè)車(chē)庫(kù)位的面積可以形成50-80 個(gè)立體車(chē)位。

簡(jiǎn)易升降類(lèi)（PJS）：用簡(jiǎn)易設(shè)備的升降或俯仰機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)存取停放車(chē)。該類(lèi)型的主要特點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，存取方便，不需要特殊地面設(shè)備，因此應(yīng)用較廣泛[1]。

2垂直升降類(lèi)立體停車(chē)設(shè)備的研究

2.1 垂直升降類(lèi)立體停車(chē)設(shè)備的結(jié)構(gòu)組成

垂直升降類(lèi)立體停車(chē)設(shè)備，主要由提供升降通道和停車(chē)位的鋼結(jié)構(gòu)框架、車(chē)送到指定停車(chē)位的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)控制室、電氣系統(tǒng)、安全保護(hù)系統(tǒng)、消防裝置等組成。其中運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)由三部分組成，分別為升降系統(tǒng)、橫移系統(tǒng)、進(jìn)給系統(tǒng)。

（1）鋼結(jié)構(gòu)框架是停車(chē)設(shè)備的一個(gè)重要組成部分，它是保證汽車(chē)靜態(tài)停車(chē)工作的重要支撐。鋼結(jié)構(gòu)框架主要由立柱和橫梁組成，除此之外還有配重塊相配合的導(dǎo)軌、載車(chē)板鋼輪導(dǎo)軌、升降臺(tái)通道、滑輪支座等。鋼結(jié)構(gòu)框架結(jié)構(gòu)設(shè)置有車(chē)輛的停車(chē)位，整體來(lái)講就是一個(gè)由鋼建立的建筑物。

（2）提升裝置

存取車(chē)的工作中基本都要將停車(chē)放汽車(chē)的載車(chē)板提升到一定的高度，而完成這一目標(biāo)的系統(tǒng)由曳引電機(jī)、鋼絲繩、配重塊、導(dǎo)軌、滑輪等組成。驅(qū)動(dòng)曳引電機(jī)，使鋼絲繩自由升縮，通過(guò)定位塊與配重塊來(lái)實(shí)現(xiàn)停車(chē)設(shè)備的升降。

2.2 垂直升降類(lèi)立體停車(chē)設(shè)備的整體規(guī)劃

（1） 整體平面設(shè)計(jì)布局

機(jī)械式立體停車(chē)設(shè)備的整體平面布局不僅直接關(guān)系到廠商的經(jīng)濟(jì)利益與現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)施工是否便捷進(jìn)行，而且與周?chē)慕ㄖ徒煌ōh(huán)境息息相關(guān)。機(jī)械式立體停車(chē)設(shè)備要進(jìn)行整體合理正確的平面安排布置，必須使得平面盡可能的對(duì)稱(chēng)布置減少扭轉(zhuǎn)載荷及其應(yīng)變。除此之外，還必須考慮提高設(shè)備的鋼結(jié)構(gòu)框架的整體剛度，盡可能減小鋼結(jié)構(gòu)框架的側(cè)向位移。

該機(jī)械式立體停車(chē)設(shè)備采用兩出入口對(duì)稱(chēng)布置，采用這種布置方式，使得前后兩個(gè)出入口都可以存車(chē)，而且可以避免采用轉(zhuǎn)盤(pán)給停車(chē)設(shè)備帶來(lái)的不便，其中對(duì) H 型立柱鋼的主體方向和 H 型鋼的剛度弱的方向要求一致，使得鋼的結(jié)構(gòu)材料得到節(jié)省，并且增加了鋼結(jié)構(gòu)的性能。按照機(jī)械式立體停車(chē)設(shè)備和相關(guān)的建筑規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，在符合其整體尺寸的要求下，可以增加設(shè)備的整體高度方向尺寸，這樣就增加了儲(chǔ)存車(chē)輛的空間，使得土地盡可能充分發(fā)揮其作用。

（2）整體立體設(shè)計(jì)布局

通過(guò)PRO/E5.0 對(duì)停車(chē)設(shè)備的鋼結(jié)構(gòu)框架、升降臺(tái)、橫移裝置、載車(chē)板、鋼絲輪、鋼絲繩的進(jìn)行三維建模，并在 PRO/E5.0

中對(duì)最后的整體設(shè)備進(jìn)行裝配。整個(gè)停車(chē)設(shè)備主要由鋼結(jié)構(gòu)框架、升降臺(tái)、橫移裝置、載車(chē)板、鋼絲輪、鋼絲繩、配重塊等組成。本論文研究的停車(chē)設(shè)備參照電梯的升降原理，并根據(jù)設(shè)備的實(shí)際作業(yè)條件，提出利用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，使得電機(jī)端的鋼絲輪轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)鋼絲繩運(yùn)動(dòng)，鋼絲繩通過(guò)曳引輪和滑輪組使整個(gè)提升裝置升降。與目前市場(chǎng)上的垂直升降類(lèi)立體停車(chē)設(shè)備不同，通過(guò)對(duì)稱(chēng)布置，利用一個(gè)升降通道，外加橫移裝置可使每層兩側(cè)各有三個(gè)停車(chē)位，橫移裝置根據(jù)其距離和傳動(dòng)的特殊要求，采用絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)方式傳動(dòng)，車(chē)輛停到停車(chē)位是通過(guò)電磁直線電機(jī)的推拉來(lái)實(shí)現(xiàn)，速度快，可靠穩(wěn)定，本停車(chē)設(shè)備，共 24層，停車(chē)位共22層，每層6個(gè)停車(chē)位，可停車(chē)放132輛車(chē)，傳動(dòng)效率高，工作環(huán)境安全可靠，充分利用了現(xiàn)有的土地面積，具有較好的市場(chǎng)前景。

本論文研究的停車(chē)設(shè)備具體工作過(guò)程：首先將小車(chē)開(kāi)入車(chē)輛通道，然后駕駛員刷卡，停車(chē)設(shè)備門(mén)打開(kāi)，駕駛員將車(chē)輛駛?cè)胼d車(chē)板上，車(chē)停穩(wěn)后，駕駛員從車(chē)上下來(lái)離開(kāi)設(shè)備，停車(chē)設(shè)備門(mén)經(jīng)過(guò)司機(jī)刷卡而關(guān)閉。通過(guò)提升系統(tǒng)將車(chē)輛停放到指定停車(chē)位置。整個(gè)升降導(dǎo)軌由鋼結(jié)構(gòu)框架組成，保證提升的平穩(wěn)性，提升系統(tǒng)由升降臺(tái)、橫移裝置、載車(chē)板構(gòu)成，升降臺(tái)裝有動(dòng)滑輪組，電機(jī)驅(qū)動(dòng)，鋼絲繩通過(guò)鋼絲輪曳引使整個(gè)升降臺(tái)升降，通過(guò)絲杠螺母使得直線電機(jī)和載車(chē)板沿著絲杠方向進(jìn)給，保證載車(chē)板停車(chē)到停車(chē)位前，直線電機(jī)通過(guò)推拉實(shí)現(xiàn)車(chē)輛在停車(chē)位的存取[2]。

2.3 垂直升降類(lèi)立體停車(chē)設(shè)備升降系統(tǒng)研究

目前，機(jī)械式立體停車(chē)設(shè)備主要有三種提升方式：液壓提升、鏈條提升、鋼絲繩提升。液壓系統(tǒng)主要應(yīng)用在結(jié)構(gòu)不是很復(fù)雜的場(chǎng)合，復(fù)雜的結(jié)構(gòu)設(shè)備用液壓驅(qū)動(dòng)，系統(tǒng)復(fù)雜，成本高，不宜檢修。鏈傳動(dòng)一般用在速度不高的場(chǎng)合時(shí)性能穩(wěn)定，一般不用輸送較高設(shè)備的場(chǎng)合，容易發(fā)生咬鏈。鋼絲繩成本低，適合高空傳輸作業(yè)，有較強(qiáng)的承載能力。

根據(jù)本文的研究設(shè)備類(lèi)型，所以多采用卷筒升降和曳引升降這兩種方式，又由于此設(shè)備其提升高度將近55m，卷筒式升降不能滿(mǎn)足其工作要求，故選用曳引式升降，曳引升降通過(guò)改變鋼絲繩的長(zhǎng)度來(lái)實(shí)現(xiàn)提升裝置的升降，能滿(mǎn)足本停車(chē)設(shè)備的高度運(yùn)行工作要求。

1-設(shè)備頂部導(dǎo)向滑輪;2-鋼絲繩調(diào)整螺母;3-配重塊; 4-設(shè)備提升底板;5-牽引鋼絲繩;6-電機(jī)底座;7-曳引鋼絲輪;8-驅(qū)動(dòng)電機(jī);9-聯(lián)軸器;10-支撐架升降裝置的具體運(yùn)行過(guò)程，通過(guò)驅(qū)動(dòng)電機(jī) ;8 的轉(zhuǎn)動(dòng)，使得它的兩端軸輸出動(dòng)力，通過(guò)聯(lián)軸器;9 將驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出的動(dòng)力輸送到支撐架;10 支撐的短軸部件，通過(guò)短軸的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)曳引鋼絲輪7 轉(zhuǎn)動(dòng)，曳引輪 7的轉(zhuǎn)動(dòng)通過(guò)與鋼絲繩的摩擦帶動(dòng)牽引鋼絲繩 5 移動(dòng)，移動(dòng)方向由各個(gè)位置的滑輪決定，通過(guò)動(dòng)滑輪組使得升降裝置自由上下移動(dòng)，配重塊 3 平衡升降裝置，使得載車(chē)板到達(dá)所要求的停車(chē)層，下降時(shí)驅(qū)動(dòng)電機(jī) 8 反轉(zhuǎn)，使得升降裝置到達(dá)指定的下降層位置。

2.4 垂直升降類(lèi)立體停車(chē)設(shè)備橫移系統(tǒng)的研究

本停車(chē)設(shè)備研究的橫移裝置是整個(gè)設(shè)備運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)中的第二大模塊。它保證將停放在它上方的載車(chē)板和汽車(chē)運(yùn)送到指定的停車(chē)位入口出，使其定位對(duì)準(zhǔn)準(zhǔn)確。這對(duì)整個(gè)車(chē)輛的存取工作至關(guān)重要，在選取相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)件的時(shí)候要結(jié)合本論文研究設(shè)備的實(shí)際條件和要求。

橫移系統(tǒng)的運(yùn)行主要由直線電機(jī)、導(dǎo)軌、鋼輪等配合完成。具體的運(yùn)行機(jī)理為：橫移裝置下方設(shè)置有螺母，螺母與升降臺(tái)上安裝的絲杠連接，減速電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)鏈條轉(zhuǎn)動(dòng)，鏈條帶動(dòng)絲杠一端的鏈輪轉(zhuǎn)動(dòng)，從而絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)螺母沿著絲杠方向橫移，橫移裝置鋼輪在導(dǎo)軌上直線運(yùn)動(dòng)通過(guò)停車(chē)位前設(shè)置的定位塊準(zhǔn)確定位在停車(chē)位門(mén)口。橫移裝置上方設(shè)有與載車(chē)板鋼輪相切連接的矩形凹槽，凹槽兩端設(shè)置有自動(dòng)推桿矩形凹槽，用來(lái)與停車(chē)位上的矩形槽對(duì)接，從而能使車(chē)輛順利進(jìn)入停車(chē)位，實(shí)現(xiàn)車(chē)輛的存取。

2.5 垂直升降類(lèi)立體停車(chē)設(shè)備進(jìn)給系統(tǒng)的研究

本論文研究的停車(chē)設(shè)備的進(jìn)給系統(tǒng)是運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)中的第三大模塊。它對(duì)于車(chē)輛能否安全準(zhǔn)確可靠的駛?cè)胪＼?chē)設(shè)備非常重要，也是機(jī)械式立體設(shè)備評(píng)定技術(shù)指標(biāo)之一，如何合理設(shè)計(jì)載車(chē)板和運(yùn)行機(jī)理對(duì)整個(gè)存取車(chē)輛工作至關(guān)重要。

本論文研究的進(jìn)給系統(tǒng)由直線電機(jī)裝置、鋼輪、矩形槽導(dǎo)軌、載車(chē)板、電磁升縮推拉桿、支撐板、安全裝置等組成。具體的運(yùn)行機(jī)理：直線電機(jī)的橫移裝置通過(guò)絲杠螺母鋼輪將整個(gè)進(jìn)給系統(tǒng)平移，平移到停車(chē)位前與定位塊相互感應(yīng)，橫移裝置根據(jù)計(jì)算機(jī)指令精準(zhǔn)停車(chē)，提升的高度定位由驅(qū)動(dòng)電機(jī)、鋼絲繩和定位塊實(shí)現(xiàn)，然后直線電機(jī)得到運(yùn)行指令，五組電磁式直線電機(jī)同步作用，推動(dòng)停車(chē)放汽車(chē)的載車(chē)板進(jìn)入停車(chē)位，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的存車(chē)工作。反之，取車(chē)時(shí)，電磁推拉桿和相應(yīng)的槽通過(guò)電磁作用吸住，拉動(dòng)載車(chē)板到直線電機(jī)工作臺(tái)上，實(shí)現(xiàn)取車(chē)。

2.6 提升電機(jī)選型的計(jì)算分析

電機(jī)選型需要計(jì)算工作扭矩、啟動(dòng)扭矩、負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，其中工作扭矩和啟動(dòng)扭矩最為重要[3]。

工作扭矩T_b計(jì)算

首先核算負(fù)載重量W，對(duì)于一般線形導(dǎo)軌摩擦系數(shù)μ=0.01，計(jì)算得到工作力F_b。

水平行走：F_b=μW

垂直升降：F_b=W

（1）齒輪齒條機(jī)構(gòu)

一般齒輪齒條機(jī)構(gòu)整體構(gòu)造為電機(jī)+減速機(jī)+齒輪齒條，電機(jī)工作扭矩Tb的計(jì)算公式為：

其中D為齒輪直徑。

（2）絲杠螺母機(jī)構(gòu)

一般絲杠螺母機(jī)構(gòu)整體構(gòu)造為電機(jī)+絲杠螺母，電機(jī)工作扭矩Tb的計(jì)算公式為：

其中BP為絲杠導(dǎo)程;η為絲杠機(jī)械效率（一般取0.9～0.95）。

（3）啟動(dòng)扭矩T計(jì)算：?jiǎn)?dòng)扭矩T為慣性扭矩Ta和工作扭矩Tb之和。其中工作扭矩Tb通過(guò)上一部分求得，慣性扭矩Ta由慣性力Fa大小決定：?其中a為啟動(dòng)加速度（一般取0.1g～g，依設(shè)備要求而定，參考下式計(jì)算）。a=v/t其中v為負(fù)載工作速度;t為啟動(dòng)加速時(shí)間。Ta計(jì)算方法與Tb計(jì)算方法相同。

（4）負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J計(jì)算： 系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J總等于電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JM、齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JG、絲杠 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 JS和負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J之和。其中電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JM、齒輪轉(zhuǎn)動(dòng) 慣量JG和絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JS數(shù)值較小，可根據(jù)具體情況忽略不計(jì)，如需 計(jì)算請(qǐng)參考 HIWIN絲杠選型樣本。下面詳述負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J的計(jì)算過(guò) 程。 將負(fù)載重量換算到電機(jī)輸出軸上轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，滾珠絲杠傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與公式如下：

J：電機(jī)輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kg·m2）; W：可動(dòng)部分總重量（kg）;B P絲杠螺距;GL：減速比（≥1，無(wú)單位）。

參考文獻(xiàn)

[1] 丑洋.機(jī)械式立體設(shè)備應(yīng)用及發(fā)展前景[J].西安文理學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2012，（3）：81-83.

[2] 趙賢敬，魏兆宏，王吉忠，等.垂直循環(huán)機(jī)械式停車(chē)設(shè)備傳動(dòng)系統(tǒng)的形式[J].起重運(yùn)輸機(jī)械，2003，（5）：29-30.

[3] 張鵬.俯仰升降式立體設(shè)備液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].液壓與氣動(dòng)，2007， （7）：10-11.