双层升降横移式立体车库毕业设计.doc

贵州大学本科毕业论文（设计）第 1 页本科毕业论文（设计）论文（设计）题目：自动立体车库结构及控制系统设计 学 院： 机械工程学院 专 业：机械设计制造及其自动化 班 级： 机自094 学 号： 0908030125 学生姓名： 李 锐 指导教师： 蔡家斌 2013年5月25日贵州大学本科毕业论文（设计）贵州大学本科毕业论文（设计）诚信责任书本人郑重声明：本人所呈交的毕业论文（设计），是在导师的指导下独立进行研究所完成。毕业论文（设计）中凡引用他人已经发表或未发表的成果、数据、观点等，均已明确注明出处。特此声明。论文（设计）作者签名： 日 期： 贵州大学本科毕业论文（设计）第 I 页目 录摘 要III第一章 前 言11.1立体车库概述11.2立体车库的分类11.3立体车库在国内外的发展状况4第二章 总体方案的拟定62.1升降横移式立体车库工作原理62.2外部框架方案的选择62.2.1钢结构的特点62.2.2框架的选择82.3横移传动机构的设计92.4升降传动机构的设计102.4.1设计方案的比较102.4.2升降方案的确定102.5设计数据11第三章 各机构的设计、计算及校核123.1载车板重量估算123.2受力梁的计算、选型与校核123.2.1纵梁的计算、选型与校核123.2.2横梁的计算、选型与校核163.3受力柱的计算、选型与校核193.4横移机构的设计计算203.4.1横移电机的选择203.4.2横移传动链的选择与计算213.4.3横移链轮的尺寸计算233.4.4横移链的静强度计算253.4.5 横移链的使用寿命计算253.4.6横移链的耐磨损工作能力计算253.4.7滚子链的抗胶合工作能力计算263.5升降机构的设计计算273.5.1升降电机的选择273.5.2减速机与传动轴之间链传动的选择与计算273.5.3提升轴上双排链轮的尺寸计算293.5.4提升链的选择与计算313.5.5提升链轮的尺寸计算323.5.6升降链的静强度计算343.5.7升降链的耐磨损工作能力计算353.5.8升降链的抗胶合工作能力计算363.6 传动轴的设计与校核36第四章 立体车库控制部分的设计434.1控制系统总体设计434.2立体车库检测点分布444.3控制器的选择444.4PLC的选型及I/O口的分配444.5控制程序编制45第五章 结 论49参 考 文 献50致 谢51附录 立体车库CAD图52贵州大学本科毕业论文（设计）第 51 页自动立体车库结构及控制系统设计摘 要立体车库是一种用以实现在较小面积停放更多车辆的机械设备，本文介绍了立体车库的基本情况和主要分类，并以双层升降横移式立体车库为设计对象，对立体车库进行了综合分析。升降横移立体车库可分为三个部分，即车库框架、传动机构、控制系统，车库框架和传动机构同属于机械部分。机械部分主要完成了外部框架结构的选型及力学计算和校核，对比了各种传动方式的特点，设计了升降机构和横移机构，完成了立体车库链传动、提升轴等部分的计算与校核。电气部分采用三菱FX2N-80mr型PLC为控制核心，完成了PLC的I/O分配、流程图绘制、接线图绘制，并编写了部分控制系统梯形图。关键词：立体车库，升降横移，链传动，PLC第1章 前 言1.1立体车库概述几十年来，科学技术的飞速发展使得人们的生活日新月异，曾几何时，作为权力与身份象征的汽车已经成为们人日常生活的一部分，迅速的普及开来。然而，随着我国城市化率越来越高，城市的数量不仅越来越多，其体积也越来越大，产生的停车难问题越来越凸显出来。就普通住宅小区而言，私家汽车增加的数目早已超过大多数小区建设时的规划，这使得许多车辆只能停在道路两边，给本已拥挤不堪的城市交通带来了更多隐患。车辆无处停放在很大程度上是城市发展到一定程度，滞后的基础设施建设与高昂的用地成本相互作用产生的结果，也是经济高速发展后，城市规划部门对未来车辆数量预估不足造成的。因此，提高停车的空间利用率就成了解决这一问题的最佳选择，立体车库就这样应运而生了。立体车库顾名思义就是通过机械式结构让车库“立体”起来，使其成为像住宅一样的多层结构，以实现用较少的用地面积停更多车辆。与传统停车方式相比较，立体车库具有节省占地面积、出人库管理方便、存取车省时省力、配置灵活等特点，在一般住宅小区，若使用双层升降横移式立体车库，可节约近一半用地面积；在某些大型商场和城市中心地带采用的垂直升降式立体车库由于存车库可达2025层，可存放4050辆车，而占地面积仅需50。 此外，立体车库和传统的地下停车场相比能够更加有效的保证人们的安全，人在车库内或车停的位置不正确时，自动停车系统便不会启动，以保证人车安全。应该说，机械车库从管理上可以做到彻底的人车分流。1.2立体车库的分类立体车库诸多的优势使得它拥有广阔的发展前景。因此，各种类型的立体车库应运而生，根据使用规模和使用地点不同，立体车库主要有以下几种：（1）水平循环式立体车库顾名思义，它是一种采用一个水平循环运动的车位系统来存取和停放车辆的立体车库，可分为圆形循环式和箱型循环式两种形式。它具有这些优点：能够省去进出车道，适合建于狭长地形的地方，因此可以降低通风装置的费用，而且若多层重叠可建成大型停车场。虽然安装性价比较高，但由于大多数情况下只有一个出入口，因此建的越大取车越困难，特别是在上下班高峰取车时间过长，因此难以广泛推广。图1.1 水平循环式立体车库（2） 垂直升降式立体车库这种结构的立体车库一般是两个停车板为一层，由一个提升机将车辆运送到指定层次停车，结构原理与电梯类似，这种停车库一般可以建成数十米高，由于每层只停两辆车，因此占地面积一般不到50平方米，由于它土地利用率极高，因此非常适合在寸土寸金的都市繁华地段，其在欧美及日本的大城市中应用非常的多。不过由于层数太高，立体车库的控制系统和安全系统会比较复杂，因此故障发生情况较多且建设维护成本会比较高。图1.2 垂直升降式立体车库（3） 升降横移式立体车库升降横移式立体车库大多数为小型停车库，一般为25层，采用链传动或钢丝绳传动的方式来提升载车板，顶层以下每层空出一个车位，以方便下层车横移给上层车让出通道。它型式多样，建设成本低，并且能适应许多场地，特别是居民住宅小区停车的需要，因此应用极其广泛。图1.3 升降横移式立体车库（4）巷道堆垛式立体车库巷道堆垛式立体车库的运行原理在一定程度上和堆垛式仓储中心相似，通过一个可升降横移的搬运机将车辆运送到各个停车位。一般规模较大，封闭性高，监控检测设备多种多样，因此可实现车辆防盗及保护人员安全，适用于大型地下停车库的建立。但是由于规模较大，因此建设成本较高，维护不易。图1.4 巷道堆垛式立体车库立体车库种类繁多，形式多样，除以上主要四种以外，还有垂直循环式、多层循环式、多层圆盘旋转式，平面移动式等，这些种类由于应用较少，因此不做介绍。1.3立体车库在国内外的发展状况就发展类型来说，自动立体停车装备系统在世界各地的发展是不尽相同的，德国开发最早，技术居于领先地位，在二层及多层平面式立体停车库系列中，它已发展了H型、U型和V型。日本由于国土面积小而应用最广，自从1959年引进了建造机械式立体停车库技术之后，其已经在本土上共建造了数万座多种形式的机械式车库，平均每座容车量达到十辆左右，最多的能达到百辆以上。从技术特征上看，日本更重视竖式自动立体车库的发展，即密集型自动立体停车库的发展。进入20世纪以来，在国内举办了多个与停车设备相关的展览会，这些展览会吸引了来自德、日、美等世界上知名的停车设备制造商，全自动立体停车设备的容车能力及其技术完备，先进程度已被世界广泛承认和接受。国内正处于经济与建设发展阶段，立体车库系统在国内大型城市的发展已有一定时间，在解决停车难的问题上取得了较为良好的效果，但在一些三线城市及大多数中小城市还未普及开来。 就控制技术来说，目前国内外大多数自动立体停车装备系统采用PLC控制，通讯方式以有线通信为主。尽管PLC在功能特点上有很多优势，完全能够满足小型立体停车系统的需求，但是对于大型立体停车系统而言，运行速度和生产的成本两个方面成为了制约其发展的因素。在运行速度方面，PLC的运算速度只能达到脚(微秒)级，这随着大型电子智能化立体车库的发展已经逐渐地不能满足出库对控制芯片的要求了；在生产成本方面，大型电子智能化立体车库需要的I/O点数比较多，如果用PLC的控制方法，生产成本将会很高，这对于降低电子智能化立体车库的存取车的成本来说是一个严峻的挑战。有线通信作为一种已经趋于成熟的通信技术，具有多方面的优势特点。首先，低损耗、高容量、低色散的单模光纤在通信干线中占绝对的主导地位。其次，智能型网络及外围设备用电缆作为接口。由于立体车库的特殊性，有线通信方式在车库的应用中存在一些问题，具体表现如下：（1）由于PLC的I/O点数限制，有线线缆布线的复杂,使系统采集的信号数量有限，对于大型智能型立体车库的实现是一个瓶颈，性能很难再有进一步的提升。其次，有线传输电缆在车辆调度过程中，随拖车板升降横移，很容易出现故障，对于规模巨大的车库，成本较高、布线复杂而且影响美观。（2）RS-485通信速度慢，不支持热插拔、需要专门的驱动程和485卡，给使用带来诸多不便。因此，就未来大型化和智能化立体车库的发展来看，作为控制核心，用DSP外扩CPLD比PLC更有优势。首先在运行速度方面，PLC的运算速度只能达到us级，而DSP的运算速度可以到ns级，因此能更好地满足电子高智能化立体车库对于控制芯片的要求；在生产成本方面，由于立体车库需要的 I/O点数比较多，如果用PLC的控制方法，生产成本将会很高，但是用DSP+CPLD实现的话会在生产成本上大大降低，目前DSP外扩CPLD的方法已经得到了广泛的应用；在功能扩展方面，DSP在片内集成了各种工业上常用的各种模块，为立体车库功能的升级提供了强大的硬件保障。另外，相比于传统的通信方式，无线通信能解决有线通信无法解决的问题。利用无线通信代替原来的有线通信方式,可有效增加采集信号的数量，提高立体车库的智能性，为进一步的技术升级打下基础，避免了布线的复杂性，有利于故障的迅速定位和设备维护，同时可以大大节省立体车库有线线缆的成本，当立体车库规模较大时尤为明显。采用无线通信方式代替有线通信方式，使立体车库能够监控的信号更加丰富，工作更加稳定可靠，为新型电子高智能化立体车库的实现打下了坚实的基础。第二章 总体方案的拟定2.1升降横移式立体车库工作原理本次设计所做为双层升降横移式立体车库，这也是升降横移立体车库中最为简单，但同时也是最为典型的设计。立体车库的上层只能够进行升降，而下层只可以横移，下层有一个车位空出，以便下层两个载车板能够横移方便。下层车位存取车无需移动或升降，可由驾驶员直接驶入车库停车，上层车位存车需先由下层横移电机带动下层载车板横移留出空位，然后上层升降电机驱动上层载车板向下移动到下层，以便驾驶员停车入库，人离开车库后升降电机反转，将载车板重新拉回上层，然后横移电机反转，将下层载车板移动到原有位置，驾驶员取车时，步骤与存车相同。车库工作原理示意图如下，其中6号车位空缺：图2.1 升降横移式立体车库工作原理示意图2.2外部框架方案的选择2.2.1钢结构的特点在工程建设中，钢结构是最为常用的材料之一，一般可作为梁、柱、板、支架等结构材料，而且各种连接用件，如螺栓、螺钉，键，以及传动机构如轴、钢丝绳等等都由钢结构制造。钢结构在我们日常生活中应用广泛，因此本次设计的升降横移式立体车库外部框架结构也采用钢结构框架，它具有如下特性：（1） 强度高，重量轻钢材强度较高，弹性模量亦高，因而钢结构构件小而轻。当今有多种强度等级的钢材，即使强度较低的钢材，其密度与强度的比值一般也小于混凝土和木材，从而在同样受力情况下钢结构自重小，可以做成跨度较大的结构。（2） 塑性和韧性好钢结构的抗拉和抗压强度相同，塑性和韧性均好，适于承受冲击和动力荷载，有较好的抗震性能。（3） 工业化程度高，工期短。钢结构都为工厂制作，具备成批大件生产和品精度高等特点；采用工厂制造、工地安装的施丁方法，有效地缩短工期，为降低造价、发挥投资的经济效益创造条件。（4） 密封性好。钢结构采用焊接连接后可以做到安全密封，能够满足一些要求气密性和水密性好的高压容器、大型油库、气柜油罐和管道等的要求。（5） 抗震性能好。钢结构由于白重轻和结构体系相对较柔，受到的地震作用较小，钢材又具有较高的抗拉和抗压强度以及较好的塑性和韧性，因此在国内外的历次地震中，钢结构是损坏最轻的结构，已公认为是抗震设防地区特别是强震区的最合适结构。（6） 耐热性较好。温度在250以内，钢材性质变化很小，钢结构可用于温度不高于250E的场合。当温度达到300E以上时，强度逐渐下降，600C时，强度降至不到三分之一，在这种场合，对钢结构必须采取防护措施。（7） 耐火性差钢结构耐火性差，钢材表面温度达300400摄氏度以后，其强度和弹性模量显著下降，600摄氏度时几乎降到零。当耐火要求较高时，需要采取保护措施，如在钢结构外面包混凝土或其他防火板材，或在构件表面喷涂一层含隔热材料和化学助剂等的防火涂料，以提高耐火等级。（8） 耐锈蚀性差钢结构耐锈蚀性较差，特别在潮湿和有腐蚀性介质的环境中，容易锈蚀，需要定期维护，增加了维护费用。2.2.2框架的选择立体车库的外部框架结构主要由梁和柱组成，一般升降横移式立体车库结构主要有三种形式，即单柱式、后悬臂式和跨梁式。单柱式有四根前立柱、四根后立柱，结构稳定，但立柱较多连接较多，在三层以上立体车库中应用较多；后悬臂式车库前面没有立柱，主要靠后面悬臂结构进行支撑，因此后部受力较大，结构稳定性不如单柱式，但由于前面无柱，存取车比较方便，多用于升降机构为螺母丝杠方式传动的立体车库中；跨梁式前后各有两根立柱分立左右，中间不设立柱，因此存取车容易，不过由于中间没有支撑柱，因此车库不易做的过长，此结构多用于地下双层立体车库。本次设计由于只是二层车库，且单层停3辆车，跨度不大，因此选用跨梁式结构就能够满足要求。图2.2 单柱式框架图2.3 悬臂式框架图2.4 跨梁式框架图2.5 立体车库框架结构2.3横移传动机构的设计立体车库的横移传动方式采用链传动，由电机驱动链轮链条将转动传给装有导轮的横移轴，横移轴上前后各安装有一个导轮，为主动轮，另外在载车板的另一边同样装前后两个导轮，但无电机驱动，为从动轮。导轮边缘制造成凸缘结构，以保证导轮只沿着导轨横向移动而不脱离轨道。电机安装在载车板一端边缘上，与横移传动轴上下竖直安装，这样不会占用载车板的空间，以防止车辆碰撞横移电机。横移机构亦可使用电机与横移轴直接用联轴器连接，不过这种做法需要一层载车板高度足够容纳下电机。也可使用电机安装齿轮，驱动装在载车板后部的齿条的方式，但与链传动相比，齿轮齿条传动制造成本太高，且齿条太长，不易安装维护，链传动方式成本低更，传动精度及效率也比较高。图2.6 横移机构工作示意图（1-从动链轮，2-主动链轮，3-电机，4-主轴，5-载车板，6-行走轮，7-导轨）2.4升降传动机构的设计2.4.1设计方案的比较目前升降横移式立体车库主要有以下几种设计方案：（1） 液压传动液压传动具有通用性、多功能性和可控性的特点，与其他传动方式相比，它有如下优点：1、在同等功率的情况下，液压装置的体积小，质量轻，结构紧凑。2、液压传动工作平稳。3、能在大范围内实现无极调速。4、操作简单、安全。5、易于实现过载保护，且由于能够自行润滑，因此使用寿命较长。6、液压元件都已实现标准化、系列化和通用化，便于设计、制造及使用。但是液压系统一般比较复杂，元件精度要求较高，因此成本较高，而且液压传动不能保证严格的传动比，其传动效率也不高，因此本次设计不采用液压传动。（2） 钢丝绳传动钢丝绳传动在立体车库升降机构中应用广泛，主要是因为它有承载能力强，结构简单便于维护等优点，但由于本次设计是二层升降结构，提升距离不大，采用钢丝绳传动后卷筒价格太高，而且钢丝绳提升载车板的平稳性没有链传动高，因此放弃使用此提升方式。（3） 链传动链传动无弹性滑动和整体打滑现象，因而能保持准确的平均传动比，传动效率高，轴上径向压力小，结构紧凑，能够适应高温和潮湿的环境，其制造和安装精度要求较低，成本也低。适合用在低速重载，工作环境恶劣等场合。因此选用链传动作为升降机构非常适合。2.4.2升降方案的确定上层升降系统采用链传动需要进行二次传递，首先是从电机减速机通过链传动将转动传递到提升轴，然后再通过提升轴上处于两端的链轮将载车板提升。电机减速机固定安装在横梁上，提升轴上安装有3个链轮，1个用于连接电机，另外两个分居两侧，为提升的主动轮。第二次传动的两链轮大小相同，且中心距固定不变但必须大于提升高度，另有两支撑用的链轮，其作用是使与载车板相连接的提升链条能够与之前两链轮链条上下相切，使链条只受到的拉力水平，链条相连处采用非标准连接。升降机构示意图如下：图2.7 升降机构工作示意图2.5设计数据设计参数如下：车长：4700mm 车宽：1800mm 车高：1450mm 车重：2000kg横移速度：6.8m/min 升降速度：4.8m/min因此预估车库尺寸为：单个车库宽度：2500mm 则车库总宽：25003=7500mm车库长：5600mm 下层高（出入库高）：2000mm 第3章 各机构的设计、计算及校核3.1载车板重量估算根据以上车库及车辆尺寸，确定载车板尺寸为（mm）500022005，选用45钢为材料制造，则密度为，载车板重量为：由于载车板上还有其他附件，因此将载车板重量修整为。3.2受力梁的计算、选型与校核根据预先设计的结构，受力梁分为横梁和纵梁，载车板和汽车的重量直接作用在纵梁上，纵梁则压在横梁上，因此受力梁的计算需要进行两次，即纵梁和横梁的计算。3.2.1纵梁的计算、选型与校核本次设计车库共有4根纵梁，其中边上的两根受力比中间两根轻一半，因此若4根纵梁选用尺寸相同，只需对中间两根纵梁进行校核。中间纵梁的受力分析简图如下：图3.1 纵梁受力简图其中，与为横梁对纵梁的支撑力，与为载车板与汽车对纵梁的拉力，。载车板与汽车重量为，因此重力，其中取10N/kg。则：（1）计算剪力弯矩对于AB段： 对于BC段： 由于AB段与CD段载荷对称，因此不必计算。（2）画剪力弯矩图图3.2 纵梁剪力图图3.3 纵梁弯矩图由上图可看出，AB与CD段受剪力最大，为，BC段受弯矩最大，为。（3）纵梁的选型对于立体车库钢结构一般选择Q235普通碳素结构钢为材料的工字钢作为建筑材料，它具有良好的塑性和焊接性能，成型能力很好，并具有一定的强度，适合于桥梁、建筑等工程结构，实用性能好，价格相对也很便宜，性价比高。查机械设计课程设计手册Q235参数如下：表3.1 Q235性能参数钢材抗拉、抗压和抗弯抗剪端面承压牌号厚度或直径（mm）Q235钢215125325选取热轧H型钢尺寸如下：（H-高度，B-宽，t1-腹板厚度，t2-翼缘厚度，r-工艺圆角）图3.4 热轧H型钢截面尺寸表3.2 纵梁热轧H型钢尺寸规格类别型号（高度宽度）截面尺寸（mm）截面面积（cm2）截面特性参数HM中翼缘HBt1t2r惯性矩（cm4）惯性半径（cm）截面模数（cm3）IXIYiXiYWXWY3002002942008122073.0311400160012.54.69779160（4）纵梁的校核1、弯曲正应力强度校核由于梁的BC段受弯矩最大，故对其进行校核，根据简明材料力学有公式：因此，纵梁的弯曲正应力强度满足要求。2、弯曲切应力强度校核由剪力图可知，梁在AB及CD段受剪力最大，查机械设计可知，故对其进行校核：带入上表数据，计算得：因此，纵梁的弯曲切应力强度满足要求。3.2.2横梁的计算、选型与校核根据本次设计，横梁有前后两根，所受力为纵梁对它的压力以及柱的支撑力，由此可画出横梁的受力分析图如下：图3.5 横梁受力简图其中，与为柱对横梁梁的支撑力，、与为纵梁对横梁的压力，。载车板与汽车重量为，因此单个车位载车时重力，其中取10N/kg。则：（1）计算剪力弯矩对于AB段： 对于BC段： 对于CD段： 由于DE段与EF段分别与BC段、AB段载荷对称，因此不必计算。（2）画剪力弯矩图图3.6 横梁剪力图图3.7 横梁弯矩图由上图可看出，AB与EF段受剪力最大，为，CD段受弯矩最大，为。（3）横梁的选型选择横梁的材料与纵梁相同，选择的型号如下：表3.3 横梁热轧H型钢尺寸规格类别型号（高度宽度）截面尺寸（mm）截面面积（cm2）截面特性参数HM中翼缘HBt1t2r惯性矩（cm4）惯性半径（cm）截面模数（cm3）IXIYiXiYWXWY200150194150691639.7627405088.303.5728367.7（4）横梁的校核1、弯曲正应力强度校核由于梁的CD段受弯矩最大，故对其进行校核，根据简明材料力学有公式：因此，横梁的弯曲正应力强度满足要求。2、弯曲切应力强度校核由剪力图可知，梁在AB及EF段受剪力最大，查机械设计可知，故对其进行校核：带入上表数据，计算得：因此，横梁的弯曲切应力强度满足要求。3.3受力柱的计算、选型与校核根据设计，二层立体车库受力柱仅受压力，受力简图如下：图3.8 立柱受力简图其中，,，选择H型钢材料梁相同，型号如下：类别型号（高度宽度）截面尺寸（mm）截面面积（cm2）截面特性参数HM中翼缘HBt1t2r惯性矩（cm4）惯性半径（cm）截面模数（cm3）IXIYiXiYWXWY150100148100691327.2520401516.172.3514030.2表3.4立柱热轧H型钢尺寸规格查简明材料力学和机械设计手册可得：计算压杆柔度范围：计算压杆柔度：其中，为不同条件下的压杆长度因数，对于一端固定，一端自由的杆取，则：因为，故需用欧拉公式计算临界压力，根据欧拉公式：查机械设计手册金属结构中的压杆安全系数，取，则因此立柱足够安全，满足设计需求。3.4横移机构的设计计算3.4.1横移电机的选择载车板与汽车重量为，因此重力，其中取10N/kg，由于下层载车板在滚动导轨上滚动，查机械设计手册可看出钢轮与钢轨之间的滚动摩擦因素为，初取滚轮直径为D=80mm，载车板横移速度为，则摩擦力为：驱动力矩为：滚轮转速为：根据公式：则需电动机最小功率为：选用上海万鑫机电有限公司生产的GH型卧式齿轮减速马达，额定功率为0.2KW，减速比可达31800，转速为1350r/min，输出转矩为58Nm。表3.5 各种材料滚动摩擦力取值表摩擦副材料滚动摩擦因数摩擦副材料滚动摩擦因数软钢与软钢约0.05表面淬火车轮与钢轨圆锥形车轮圆柱形车轮0.08-0.10.05-0.07木材与钢0.03-0.04木材与木材0.05-0.08钢轮与木面0.15-0.25钢板间的滚子0.02-0.07橡胶轮胎与沥青路面约0.25铸铁轮或钢轮与钢轨约0.05橡胶轮胎与混凝土路面约0.15铸铁与铸铁约0.05橡胶轮胎与土路面1-1.53.4.2横移传动链的选择与计算在选择电机减速机时，生产厂家有减速比为50的减速器，若选择这个减速比，则电机减速机输出转速为：与滚轮所需转速相当，因此采用传动比为1:1的链传动。（1）选择链轮齿数取链轮齿数。（2）确定计算功率根据机械设计表9-6查得,由图9-13查得,单排链，电机减速器效率为95%，则计算功率为（3）选择链条型号和节距根据及，查图9-11,可选10A。查表9-1，链条节距为。（4）计算链节数和中心距初选中心距。取，相应的链长节数为为了避免使用过渡链节，应将计算出的链节数圆整为偶数节。 查机械设计手册得当链传动的传动比为1时，链传动的最大中心距公式为（5）计算链速，确定润滑方式 由和链号10A,查图9-14可知应采用定期人工润滑。（6）计算链传动作用在轴上的轴压力 有效圆周力为： 链轮垂直布置时的压轴力系数，则压轴力为表3.6 10A滚子链主要参数ISO链号节距p滚子直径max内链节内宽min销轴直径max内链板高度max排链抗拉载荷单排minmm10A15.87510.1618.99.415.0918.1121.83.4.3横移链轮的尺寸计算表3.7 横移链轮齿槽形状参数名称符号计算公式及结果最小齿槽形状最大齿槽形状齿侧圆弧半径滚子定位圆弧半径滚子定位角表3.8 横移链轮主要尺寸参数名称符号计算公式及结果分度圆直径d齿顶圆直径齿根圆直径齿高确定的最大轴凸缘直径表3.9 横移链轮轴向齿廓尺寸参数名称符号计算公式及结果齿宽齿侧倒角齿侧半径齿全宽3.4.4横移链的静强度计算在低速重载链的传动中，链条的静强度占有主要地位。通常链速小于0.6m/s属于低速链传动，所以横移传动链属于低速链，但由计算可看出其负载并不大，为了安全考虑，本次设计依然进行静强度计算。链条的静强度计算式为 其中，为圆周力； 是离心力引起的拉力，按 计算，当可以忽略不计；为悬垂拉力，查机械设计手册图14.2-6经计算得出。则 完全能够满足静强度。3.4.5 横移链的使用寿命计算由于链条传递功率小于额定功率，且横移链传递功率较小，因此可不用进行使用寿命计算。3.4.6横移链的耐磨损工作能力计算滚子链的磨损寿命计算公式为： 其中，磨损使用寿命；为链条节数；为链速；为小链轮齿数；传动比；为链条节距；为许用磨损伸长率，一般取；滚子链销轴直径；为磨损系数，为节距系数，为齿数速度系数，可查机械设计手册获得；为铰链的压强，计算公式为：其中为工况系数；为有效圆周力；为离心力引起的拉力；为垂悬力；为铰链承压面积，为滚子链销轴直径，为套筒长度，由此可计算得则铰链的压强为由可查出、；其他数据都已在上面计算得出，因此链的磨损使用寿命为：3.4.7滚子链的抗胶合工作能力计算对于A系列的标准滚子链，其计算公式如下：上式中，为小链轮不发生胶合的极限转速。带入数据，计算可得出：3.5升降机构的设计计算3.5.1升降电机的选择上层载车板与汽车重量为，链传动：0.96，电机减速机效率一般为0.95，则总效率，升降速度为则升降电动机的功率至少为可以选用台湾明椿电气机械公司生产的MLPK型功率为2.2KW的立体车库专用电机，其具有40100多个档位的减速机搭配可供选择。3.5.2减速机与传动轴之间链传动的选择与计算通过设计初期的分析，在选择电机减速机减速比时，选择生产厂家生产的减速比为100的减速器，若选择这个减速比，则根据厂家提供的资料，电机减速机输出转速及输出转矩为：设计链传动传动比为。（1）选择链轮齿数取小链轮齿数，大链轮的齿数为。（2）确定计算功率根据机械设计表9-6查得,由图9-13查得,双排链取，电机减速器效率为95%，则计算功率为（3）选择链条型号和节距根据及，查图9-11,可选20A。查表9-1，链条节距为。（4）计算链节数和中心距初选中心距。取，相应的链长节数为为了避免使用过渡链节，应将计算出的链节数圆整为偶数节。此处链传动选择上下安装，两轮错开。因此中心距可以任意，不再计算中心距。（5）计算链速，确定润滑方式 由和链号20A,查图9-14可知应采用定期人工润滑。（6）计算链传动作用在轴上的轴压力有效圆周力为：链轮垂直布置时的压轴力系数，则压轴力为表3.10 20A型滚子链主要参数ISO链号节距p滚子直径max内链节内宽min销轴直径max内链板高度max排链抗拉载荷双排minmm20A31.7519.0518.99.5430.1835.76173.53.5.3提升轴上双排链轮的尺寸计算表3.11 提升轴上双排链轮的齿槽形状参数名称符号计算公式及结果最小齿槽形状最大齿槽形状齿侧圆弧半径滚子定位圆弧半径滚子定位角表3.12 提升轴上双排链轮主要尺寸参数名称符号计算公式及结果分度圆直径d齿顶圆直径齿根圆直径齿高确定的最大轴凸缘直径表3.13 提升轴上双排链轮轴向齿廓尺寸参数名称符号计算公式及结果齿宽齿侧倒角齿侧半径齿全宽3.5.4提升链的选择与计算根据初步设计的经验，提升链的链传动传动比设计为为。经过上级链传动的降速，传动轴转速为1、选择链轮齿数取链轮齿数。2、确定计算功率根据机械设计表9-6查得,由图9-13查得,单排链取，电机减速器效率为95%，链传动效率为0.96，轴承效率为0.99，总效率为，因为传动轴上有左右两个主动轮，则计算功率为3、选择链条型号和节距根据及，查图9-11,可选20A。查表9-1，链条节距为。4、 计算链节数和中心距在的情况下，中心距的取值范围为，初选中心距。取，相应的链长节数为为了避免使用过渡链节，应将计算出的链节数圆整为偶数节。 查机械设计手册得当链传动的传动比为1时，链传动的最大中心距公式为5、计算链速，确定润滑方式由和链号20A,查图9-14可知应采用定期人工润滑。6、计算链传动作用在轴上的轴压力有效圆周力为：链轮垂直布置时的压轴力系数，则压轴力为表3.14 20A滚子链主要参数ISO链号节距p滚子直径max内链节内宽min销轴直径max内链板高度max排链抗拉载荷双排minmm20A31.7519.0518.99.5430.1835.7686.73.5.5提升链轮的尺寸计算表3.15 提升轴上单排链轮齿槽形状参数名称符号计算公式及结果最小齿槽形状最大齿槽形状齿侧圆弧半径滚子定位圆弧半径滚子定位角3.16 提升轴上单排链轮主要尺寸参数名称符号计算公式及结果分度圆直径d齿顶圆直径齿根圆直径齿高确定的最大轴凸缘直径表3.17 提升轴上单排链轮轴向齿廓尺寸参数名称符号计算公式及结果齿宽齿侧倒角齿侧半径齿全宽3.5.6升降链的静强度计算1、减速机到传动轴链的静强度计算链条的静强度计算式为 其中，为圆周力； 是离心力引起的拉力，按 计算，当可以忽略不计；为悬垂拉力，其值远小于圆周力，因此也忽略不计，为许用安全系数，一般为4-8。值查机械设计手册图14.2-6经计算得出。则 完全能够满足静强度。2、提升链的静强度计算链条的静强度计算式为 其中，能够满足静强度要求。3.5.7升降链的耐磨损工作能力计算（1）减速机到传动轴链的耐磨损工作能力计算滚子链的磨损寿命计算公式为： 由可查出、，因此链的磨损使用寿命为：（2）提升链的耐磨损工作能力计算 由可查出、，因此链的磨损使用寿命为：3.5.8升降链的抗胶合工作能力计算对于A系列的标准滚子链，其计算公式如下：上式中，为小链轮不发生胶合的极限转速。由于升降系统两链所选相同，分别带入其圆周力数据，计算可得出：减速器到传动轴链：提升链：3.6 传动轴的设计与校核由上面计算可知，轴上功率为其中，0.95为减速机的效率，0.96为链传动的效率。由上可知传动轴的转速为，则传动轴上的转矩为（1）传动轴的设计1、初步确定轴的最小直径选取轴的材料为45钢，调质处理。查机械设计表15-3，取，于是得传动轴最小直径是安装单排链轮处直径，取，因此满足链轮安装要求。2、轴的结构设计各段直径设计为了满足单排链轮的轴向定位要求，轴1-2段右端应制出一轴肩，故取2-3段直径。2-3段用于安装外球面轴承，这种轴承室深沟球轴承的一种变形，其适用于安装定位不够精确，轴与座孔的轴线对中性差，或是轴长而挠度大等的情况下，这种轴承两面带密封圈，能严密防止污物侵入，出厂时已装填适量的润滑剂，安装前不需清洗，不需补加润滑剂。由于立体车库体积较大，且传动精度要求不高，完全可以选用这种轴承，选用这种轴承后厂家会有配套一体的轴承座，选用UCFL200系列棱形带座轴承，型号为UCFL216，具体参数如下。轴3-4段安装双排链轮，取，因此可以满足双排链的安装需求。双排链轮右端采用轴肩定位，轴肩高度，故取，则4-5段直径为。轴5-6段安装轴承，轴径，6-7段与1-2段相对应，因此取。表3.18 外球面带座轴承尺寸参数带座轴承型号轴径（mm）外型尺寸（mm）UCFL2168029023318034345883.32533.382.6图3.9 外球面带座轴承外形各段长度设计查机械设计课程设计轮毂厚度为：单排链轮分度圆直径，链轮分度圆直径大于150mm时，则轮毂最小长度，取，由于轴端有挡板定位，因此轴段长度比轮毂长度短2mm，则传动轴1-2段长。双排链轮分度圆直径，链轮分度圆直径大于150mm时，则轮毂最小长度，取，传动轴3-4段应比双排链轮轮毂长度略短，故取4-5段长。轴2-3段用来安装轴承，轴承和轴承座的总宽度为83.3mm，左端有一段余量，由于外球面轴承不需要轴肩定位，因此不必靠着轴肩安装，考虑到后面双排链轮的安装需要，初步取。轴5-6段也用于安装轴承，综合考虑其长度取。轴6-7段长度对应于轴1-2段，则。轴的设计总长为2400mm，因此经计算可知轴5-6段长度为。 图3.10 提升轴结构简图3、轴上零件的周向定位两个单排链轮与双排链轮的周向定位均采用平键连接。按查机械设计表6-1得平键截面，键槽用键槽铣刀加工，长为50mm，同时为了保证单排链轮与轴配合有良好的对中性，故选择链轮轮毂与轴的配合为；同样，双排链轮与轴的连接，选用平键为，双排链轮与轴的配合为。滚动轴承与轴的周向定位是由过渡配合来保证的，此处选轴的直径尺寸公差为。4、求轴上的载荷首先做出轴的受力简图如下，根据受力简图和前面计算出的各链轮压轴力，可计算出轴承的反支力，再根据轴承的受力情况画出轴的扭矩图。图3.11 提升轴受力简图上面的简图中，、和分别是3个链轮的压轴力，大小前面已计算出，的4个力分别为轴承的反支力，、和分别为各链轮所受圆周力对轴产生的扭矩，轴的各段长度也已在图中标出，现分别按水平面和垂直面计算各力产生的弯矩，画图如下：水平面图3.12 水平方向上提升轴受力简图图3.13 水平方向上提升轴弯矩图垂直面图3.14 垂直方向上提升轴受力简图图3.15 垂直方向上提升轴弯矩图图3.16 提升轴扭矩图从上面的弯扭图可看出危险截面为双排链轮安装受力处截面，现将双排链轮处、及的值列于下表。表3.19 危险截面所受弯扭值载荷水平面H垂直面V支反力F弯矩M总弯矩扭矩T5、按弯扭合成应力校核轴的强度进行校核时，通常只校核轴上承受最大弯矩和扭矩的截面的强度。根据轴的弯扭合成强度条件公式和上表中的数据，以及轴的扭转切应力为脉动循环变应力，取，轴的计算应力前面选定轴的材料为45钢，调质处理，查机械设计可知。因此，故安全。第4章 立体车库控制部分的设计4.1控制系统总体设计立体车库控制系统主要是通过控制各个升降和横移电机的正转、反转、停止来实现下层载车板的横移和上层载车板的升降，以此实现智能化的存取车。另外，为了使车位移动到正确位置，需要采用行程开关；为了检查载车板上有无车辆，车辆是否停好，有无人或动物逗留在危险区域需要采用光电开关；一般大、中型立体车库还需要设有烟雾和温度检测装置等，由于本次设计为双层五车位立体车库，结构简单、体积较小，因此可以不用这些装置。控制系统硬件结构图如下：图4.1 控制系统硬件结构图4.2立体车库检测点分布（1） 载车板上汽车是否停放到位及防止人或物品进入检测点。此检测点有两个，分别安装于立体车库下层的前面和后面，采用光电开关进行检测，若有人或物挡住光电开关则系统不会运行，若车辆停放不到位时，同样会挡住光电开关，系统一样不会运行。（2） 载车板是否有车辆检测。此检测点有5个，分别安装在每一个载车板的对角线处，这样若有车进入车位就会挡住光电开关，起到检测作用。（3） 载车板移动限位检测。载车板在做升降横移运动时，采用限位开关来控制它的运动，下层两个车位横移时需要在3个车位分别安装一个限位开关。上层车位升降时，下降限位开关可与下层横移限位开关共用，上升限位开关需各自安装一个。这样，一共需要6个限位开关。（4） 防坠挂钩检测。只有上层车位才需要防坠挂钩，因此防坠检测需要3个，分别安装在上层车位。4.3控制器的选择一般控制系统主要采用继电器控制、单片机控制和PLC控制。三种控制方式各有其特点。继电器控制主要用于简单的逻辑电路，虽然其电路简单，成本低廉，但是由于元器件的损坏率较高，会导致系统的可靠性降低，因此在立体车库上应用较少；单片机体积小，功耗低，成本也低，在许多的场合有着广泛的应用，但是由于其抗干扰能力弱等问题，使得其在立体车库上的应用非常少；PLC是当今立体车库控制器的主流，因此，本次设计同样采用PLC控制。4.4PLC的选型及I/O口的分配目前国内市场主要应用的PLC有西门子、三菱、LG、欧姆龙等品牌。考虑到所需输入输出点数和性价比及所学习过的原因，决定选择三菱FX2N-80MR-001，输入输出点各40个，其在小规模的控制系统中应用广泛。本次设计的双层五车位立体车库控制并不复杂，规模也较小，正好适用于这款PLC。表4.1 输入点分配X0启动按钮X1停止按钮X2-X61-5号车呼叫按钮X7-X8门前、门后光电开关X9-X104号车位左、右移限位X11-X125号车位左、右移限位X13-X141号车位左、右移限位X15-X162号车位左、右移限位X17-X183号车位左、右移限位X19-X211-3号车位防坠检测X22-X261-5号车位有无车辆检测X27-X28手动、自动按钮X29-X32上、下、左、右点动按钮X33叫车按钮表4.2 输出点分配Y0-Y11号车电机正转、反转Y2-Y32号车电机正转、反转Y4-Y53号车电机正转、反转Y6-Y74号车电机正转、反转Y8-Y95号车电机正转、反转Y10启动灯Y11故障灯Y12-Y141-3号车防坠挂钩4.5控制程序编制由于立体车库的下层车位无需移动即可直接存取车，因此控制程序的设计只针对于上层车位。上层车位需经下层车位移动后留出下降通道才能进行存取车，下层车位左右移动时上层车位不能同时进行升降移动，上层车位每次升降动作时必须保证只有一个车位在移动，以免发生干涉发生事故，可采用互锁和联锁的方式解决这个问题。本次控制程序设计采用梯形图编写，当按下车位所对应的按钮时车库开始自动完成车位的移动。也可使用手动控制，选择手动后按下车位按钮，再按键盘上的上、下、左、右4个按钮即可实现车位的点动控制，但上层车位只能进行上下移动，不能进行左右移动，下层车位只能进行左右移动，不能进行上下移动。电机正反转控制图和存取车流程图如下：图4.2 电机正反转控制图4.3 存取车流程图手动控制下的立体车库控制梯形图如下，按下X0启动按钮后系统得电开始运转，这时按下车号按钮X2-X6中的任意一个，再按下上、下、左、右按键，即可实现点动控制。对于下层车辆，X31和X32为互锁的左右移动按钮，它们控制着电动机的正转与反转，对于上层车辆X29和X30为互锁的上下移动按钮，同样控制着上层升降电动机的正反转。各个车位按钮也为互锁设计，可以保证不会出现两辆车同时运动的情况。图4.4 立体车库手动控制梯形图下图为立体车库2号车位运动程序，X33为叫车按钮，当Y55得点后，由于按下启动按钮时Y10已得电闭合，按下2号车位按钮后Y50得电闭合，因此Y9得电接通，5号车位电机反转，车位右移，当车位碰到5号车位右移限位开关X12时，X12常闭触头断开，Y55失电，Y55常开触头恢复断开，Y9失电，5号车位电机停转。与此同时，由于限位开关X12被触碰，常开变闭合，Y3得电，2号车位电机反转，车位下降，当车位碰到2号车位下移限位开关X16后，X16常闭断开，Y3失电，2号车位电机停转。至此2号车位移动完成。图4.5 立体车库2号车位移动程序梯形图第五章 结 论升降横移式立体车库在各类立体车库中应用最为广泛，适用于住宅小区、办公场所和各类地下停车场，有效的解决了停车难问题。因为其因地制宜、灵活多变的建造形式，以及造价相对低廉的经济性，他的应用范围还将继续扩大。本次设计中可以明确看出，升降横移式立体车库的升降机构传动和横移机构传动是整个立体车库最为重要的部分，采用链传动的升降机构提升平稳，性价比高，已经在实际生产中得到广泛的应用，横移机构采用链传动相对比较复杂，也可用电机直接用联轴器与横移轴相连接，另外由于时间的关系，立体车库框架结构的连接没有做过多设计，还有电气部分的设计也较为简单，这些都为本次设计留下了遗憾，但是本次设计对我的磨练并没有因为这些缺憾而有半分减少，由于本次设计已接近尾声，希望以后能够有机会改进。参 考 文 献1 马幼捷，张海涛等. 智能化立体车库的研究现状与走向J. 电气自动化, 2008.30-5.2 程怀舟，巫世晶. 多层升降横移式立体车库控制系统的设计J. 起重运输机械, 2004(7). 3 崔俊杰，续彦芳. 链传动在自动化立体停车设备中的应用 J. 产品与市场, 2002.5-30.4 成大先. 机械设计手册M. 化学工业出版社, 2007.11.5 刘鸿文. 简明材料力学M. 高等教育出版社, 2010.11.6 濮良贵. 机械设计M. 高等教育出版社, 2006.5. 7 周元康，林昌华，张海兵. 机械设计课程设计M. 重庆大学出版社, 2011.1.8 申荣华