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论文方法介绍-家用小型立体车库结构设计
时间:2021-05-11 09:31:21

  随着科技发展,小汽车逐渐进入千家万户,停车难的问题慢慢浮现在人们面前,开发新的适合中国立体车库的,是解决停车难的问题的有效途径之一。本次设计的立体车库适用于小型私家车库。在这次写作中,一个主要切入点是对车库提升机构进行改进!

  在车库的结构方面:车库的总体采用不锈钢材料,强度高而且质量轻,可以节约建造成本,同时安全性能也很高。车库上层载车板控制传动方面:进出上层车库的车辆停放在载车板上,载车板的升降是通过一个液压装置提供动力,为了起到立柱两边升降保持稳定特意增加一个有链轮和链条组成的同步稳定平衡机构,以此来减小载车板升降的速度差。载车板上升到一定位置启动保险装置,来防止安全事故的发生。对于其他方面:对两个支撑立柱、液压缸相关参数进行分析从而保证安全性和可靠性。文章中设计的立体车库是一个简单易用的结构,成本低,更适合普通户主使用。

  目前,家用型小汽车车的数量逐步增加,停车位短缺的问题正变得越发重要。为了解决这个问题,并充分利用地面停车空间,可以设计一个双层立体车位车库在居民区[[[]陈兰贞,小区立体车库的结构设计[J],浙江:工业职业技术学院机电工程分院,2010.]]。

  汽车工业的发展和鼓励购买汽车政策的实施,促进了经济发展和城市化。一些城市,特别是大城市,越来越多的人拥有私家车,停车位严重缺乏[[[]张秀葵,解决城市停车问题发展城市停车产业[J],工程建设与设计,2009]]。近年来,对泊车现状的结构分析成为许多研究人员关注的问题,但泊车难仍然是一个普遍的难题[[[]臧德江、张明勤、石海龙、李敏,基于TRIZ物场分析法的立体车库概念设计[J],山东:建筑大学机电工程学院,2009]]。特别是在大中型城市,土地更少,汽车更多,停车位更少,汽车的增长并没有减慢,可以预测的是在未来10-15年之间对车库的需求会逐步增加,因此对小型立体车库的需求非常高

  1.2立体车库研究意义

  家用小型立体车库的结构设计研究,是中国发展立体车库的迫切需要,是解决城市静态交通问题的举措[[[]魏峰,大力发展立体车库改善城市静态交通管理[J],机电产品开发与创新,2008]]。这是集自动化技术、机器人技术、计算机技术为一体的物流储运系统[[[]陈伯时主编《自动控制系统》北京,机械工业出版社,2007]]。不仅如此,还能节省土建的开发成本,节省有限的土地资源,充分利用空间。

  1.3立体停车设备国内外发展综述

  立体车库在我国上世纪80年代开始发展,20世纪90年代引进了国外技术,2003年进入自主研发阶段后,我国汽车保有量世界第二位,这带来了停车位的需求增大,但我国停车位缺口较大。目前,我国主要采用垂直升降类和平面移动类立体车库[[[]任伯熙,机械式立体停车库[M],海洋出版社,2010]]。垂直升降类主要分为方形塔式和圆形塔式两种。圆形塔式是当今最高的技术水平。

  在亚洲,立体车库的应用在日本、韩国更为普遍。亚洲的机械式停车技术起源于日本。对于日本,优势在多层升降横移类、垂直升降类车库。而韩国的自动停车技术是日本技术的衍生品。市场上主要采用交换技术,是智能停车设备中的关键技术,可以分为两大类;有载车板的交换技术和无载车板的交换技术[[[]张金远,变频器应用经验[M],中国电力出版社,2008]]。

  目前,代表立体停车设备技术的高水平是梳齿式和智能搬运器式垂直升降类[[[]杨宏,江进国.自动化立体车库堆垛机的设计[J].起重运输机械,2004,6:14~16.]]、平面移动类车库。

  2整体结构的设计

  2.1相关机构指定要求

  本次毕业设计采用的是液压控制系统提供整体动力的办法[[[]丛爽,实用运动控制技术[M],电子工业出版社,2006]]。在本次论文写作过程中,首先参观了老家城区大型停车设备的整体外观机构以及控制方式,然后记录下来以此来对立体车库有一个基本的认知和熟悉,通过后期分析和查阅国内外相关文档资料得出立体车库一般由整体机构、动力驱动、动力转换和控制系统组成,从当前国内大部分车辆停放出库长宽高相关参数以及环保的角度车发,本次设计的立体车库相关要求:

  1.在设备可上升的高度为1500—1800毫米,最大提升的重量为2500-3000公斤,适用于停放家用小型轿车。

  2.设备可以根据客户的需求安装在院内和院外,安装在屋内都时候,由于空间环境较为紧凑,停车过程中需要注意安全性。

  3.载车板采用全封闭设计,尽量避免油污渗透现象的发生,减少下层车辆的污染。

  4.整上升机构采用液压控制机构传动、链条平衡以及防坠勾装置来保持设备稳定运行。

  5.设备由两根立柱和两个底部平衡支撑板提供总体架构。

  6.设备机构全部采用激光切割、造型完美、安装简单、方便后期维护。

  2.2车库装置工作原理

  本次文中设计的车库,在综合考虑和分析了当面世面上的主流车库,通过对比部分车型来选择合适的车型,由此来定下本次车库完整设计方案。车库总体构成由载车板、液压装置、两个立柱以及地面支撑板、链轮平衡和机构总体系统控制箱等构成。其中机构总体动力由液压控制系统提供,液压箱的油路往返,带动了载车板的升降[[[]沈厚友.停车设备升降传动系统[J].起重运输机械,2004,4:1~3.]]。同时为了确保升降过程中的平衡,采用了链轮平衡的方式,确保同步运行,稳定运行。具体的工作流程为:接通设备电源,以钥匙启动开关,操作盒电源指示灯应亮,将紧急停止按钮旋转复位[[[]程子华,PLC原理与编程实例分析[M],国防工业出版社,2007]]。取车操作时首先移开底层车辆,搬动手柄解除设备防坠钩,将操作盒上钥匙转换开关调到“下降”的位置,完成取车操作。存车操作时:先移开底层车辆,搬动手柄解除设备防坠钩,操作盒上钥匙转换到开关调到下降的位置,待载车板完全落到地面,车辆驶入载车板到位停稳后,操作盒上钥匙转换开关调到“上升”的位置,车板上升停稳后,防坠钩自动锁定上载车板,以此来防护安全意外,市面上常见的立体车库实物模型和本次车库二维平面图如下图2.1和图2.2所示。

  图2.1市场常见立体车库实物图

  图2.2车库二维平面图

  1-横底柱;2-停车挡板;3-斜拉柱;4-液压缸杆;5-立柱;6-液压缸;7-载车台;8-进车台板;9-控制开关;10-控制电柜;11-液压泵;12-液压油箱;13-连接块;14-横梁

  2.3总体构件说明

  2.3.1提升机构说明

  车载提升装置是最主要的的零件机构,提升系统的全部动力是由液压系统提供的,转换控制系统由电力系统带动电气元件然后写入相关控制程序,液压缸回路的升降由液压系统控制工作,以此来带动油路的往返并且同步带动链轮和链条平衡装置来达到平衡目的,以上机构和控制系统的构成来实现工作结果,提升机构简图见图2.3

  图2.3提升机构简图

  由上图可以看出,立体车两边液压装置是共同进行的,然而在实际工作过程中,由于设计的液压油管和提升过程中压力的损失等其他客观因素,会影响车库两侧液杆升降的的实际速度以及停发的高度等有细小的不同,为了最大化减小这种情情况的发生,特定设计一个同步机构,通过链条以及链轮的共同作用,起到了平衡的目的。

  2.3.2两个立柱的要求

  车库的两个侧面立柱是整个机构主要承受部位,工作过程中承担着主要的扭矩和弯矩。本次设计中采用的是两个立柱支撑的结构方式,同时也采纳了对称的方式,真实工作过程中,侧面两个立柱主要承担着小汽车和在载车板的重力,因此立柱的机构必须具有强大的强度和刚度。机构设计过程中,分析现有市场主要立柱机构,采取了中间控制的方式,之所以这样设计的目的是可以利用中间部分装平衡链条和导轨等一些构件,在装配过程中对机构的表面摩擦力以及装配精度有相关要求。

  2.3.3平衡装置说明

  前面分析了整个提升装置的运动,小汽车举升动力是由液压装置提供的,因为液压装置系统的不稳定性,所以在车辆提升过程中可能存在左右两边不统一现象的发生[[[]Joseph Constance.DFMA:<Learing to design for manufacture and assembly>.[J],Mech.Eng.,2010]]。因此需要设计一个同步机构,在液压装置工作过程中起到一种平衡作用。分析了提升机构工作特点,采纳了链轮平衡装置机构,构件是通过堆成的安装,在液压柱上升的时候,链条实现的是相反的运动,装置预紧力是设计是预定好的,由此来达到平衡上升的目的。

  2.3.4保险装置的作用

  立体车库在工作期间承受着几乎全部构件和小汽车的重力,一般的小车的重量在1.3吨上下,同时小车价值属性是相对比较贵重的,故在设计的时候要充分考虑整体框架结构的安全性。停车的时候车主一般在车库下面工作,一旦发生安全事故,还是比较危险的,因此在设计的时候要充分考虑到机械的安全系数。而保险机构可以最大化减少安全事故的发生。

  3车库传动及零部件设计

  3.1车库的传动系统结构说明

  由上面对车库机构的总体分析,可以看出出库的动力系统比较简单。主要提供动力的装置是液压系统。在车库立柱旁边设计了一个液压油箱,两个活塞的动力是通过液压泵提供,当车载版上升或下载的时候,通过开关决定液压装置的液压泵,进一步控制液压泵,这样就可以控制车载版的升降。

  液压在下压的过程中下压的速度对整个液压起着非常的作用。液压在工作的时候,先是对输出端口的流量阀,和内部的压力这两个装置来控制流量的输出。而对于这次的车库传动系统来说,系统所需要的压力并不是很大,所以我们可以将多组小型液压器进行组合使用,通过作用在同一位置的不同作用点来满足汽车在升降过程中产生的压力。

  我们在了解车库液压器的构造及简单的工作原理后,就需要对液压器的各项参数进行设置。因为液压器内部的压力大小,活塞工作的速度,和材料的使用对整个系统来说都是很重要的。我们在满足这些需求的同时还需要对液压系统在原有的压力值上做一个多余的预算,来保证液压在不正常使用的时候能够起到一个预防措施,从而使整个车库系统能够正常的使用。

  液压系统在工作都是由控制器自动完成,但为了出现特殊情况,有时需要手动控制来对液压系统的换向阀和活塞工作速度进行调控。液压所需要的压力大小其动力是整个系统的关键,动力来源于液压泵,一般都是采用专门的液压泵进行控制,根据车库升降的车型对其做一个压力大小的预算,从而选择不同的液压泵来达到车库的正常使用[[[]孙毅,三菱FX/Q系列PLC应用技术[M],人民邮电出版社,2006]]。

  3.2立柱的主要作用与设计计算

  3.2.1立柱的用处和结构特征

  目前小型车库都是由两根立柱固定在地面,然后由踏板横向固定在立柱上,所以立柱对整个车库的支撑起着及其重要的作用。踏板在上下升降的过程中,由于车身本生的重力加上液压器的压力,所以加在立柱上的负荷会很大,可能会导致立柱发生弯曲扭矩。所以在给立柱进行设计的时候,出了需要更加坚固的材料外,还需要对其受力进行分析,从而达到支撑的目的。

  为了能够达到坚硬的要求,在焊接立柱的时候都是采用钢板作为原材料,并且利用加压的工艺来对立柱进行建造。在结构上为了能够使立柱承受更大的压力,在设计整体框架的时候,通过各种受力分析来减小发生形变的可能,并且在立柱内部还加上了一个液压控制系统综合考虑这方面的因素来对立柱进行整体框架的构造设计达到用户的需求。

  3.2.2立柱的尺寸构造

  在设计分析的时候,第一步是对确定了空心立柱的中心,分析了空心立柱的应力轴。根据线面立柱的表面清洗情况,将其分为几个部分进行设计核算。受力图3.1所示,设计了三个方向的应力轴。

  图3.1立柱的框架结构图

  (3.1)

  图3.1正中间位置是c点,它到每个框架边的长度为。

  (3.2)

  根据以上公式可以算出,C点到Y轴的长度:

  计算了在外力作用下的转动惯量。根据图3.1的验证,计算三种平面与相应力矩的距离轴的质心长度为:

  (3.3)

  由上面的公式得到的结果,可以算出每个端面中间轴产生的弯矩:

  (3.4)

  由上面的结果可以看出,、、为不同平面到相应的受力中间轴的惯性矩,按照惯性矩叠加的原理,可以计算出中间轴的惯性矩数值。

  (3.5)

  计算整个立柱所承受的静态力矩:

  (1)首先计算上面的静态力矩:

  (3.6)

  公式中的SA1、SA2、SA3分别表示每一个截面所承受的静态力矩,其结果加在一起可以得到总的力矩S。

  (3.7)

  立柱的其他部分的静态力矩:

  (3.8)

  3.2.3立柱的校核

  车库在工作的时候,先把车通过立柱上的液压装置把踏板上升到所需的高度,然后进行自锁。此时踏板与立柱链接部位就会产生作用力,作用力的大小取决于车辆本身的重量,所以为了使踏板不发生向下倾斜的趋向和立柱不发生弯曲扭矩,需要对这个部位进行很好的结构构造。一下就是对这个部位进行简单的分析。

  全部滑台的基本材料为160×160毫米方形钢,壁厚按部分材料标准为8毫米。于此,由结构设计需求,整体高度为800毫米。则全部体积如下:

  整载车板材材质为100×100毫米方形钢,壁厚取8毫米。由结构设计的相关条件,长度为440毫米,则体积计算是:

  (3.9)

  载车板的框架结构选择为100×100毫米方形钢,壁厚取8mm,由结构设计相关条件,一边选择长度为1110mm,得出体积为:

  (3.10)

  由国际标准和国内相关行业规定,选钢材的比重为7.85g/cm3,故可以计算出想相关重量为:

  (3.11)

  真正分析计算时,可以把上面三个看着是整体,故总重为:

  当运行时,3吨是最大的质量,故一边承受负载为总重的一半1.5吨。由上面的分析知,F1和F2代表的是支撑的反向作用力,FBX和FBy平衡装置产生的力,由下面算式得:

  (3.12)

  综上公式得:

  (3.13)

  倘若

  其中点B的反作用力。

  。

  在真实运行过程中,受力可以知道,同时对底部作用力分析得:

  RHX=0 RHY=FBY=2066.37kg

  (3.14)

  由上面公式的分析和结果,对立柱整体分析,由下面的机构简图看的出来,挂臂和一种和悬臂相识的机构,受力和弯矩图如下所示。

  (3.15)

  图3.2立柱F1弯矩图和剪力图

  图3.3立柱F1弯矩图和剪力图

  由F2引起的弯矩和剪力:

  l=2600毫米b=1890毫米a=710毫米

  (3.16)

  弯矩M的计算:

  (3.17)

  根据上面公式,得出立柱弯矩和剪切应力:

  (3.18)

  从弯矩应力图中分析出,阻力臂的危险面发生是C点,这个部位承担最大剪切应力是5234kg,最大弯矩为2748272N/m。根据此截面,其弯曲模量可计算为:(3.19)

  静力矩S=171.24cm3,

  (3.20)

  检查整个立柱的强度:

  应力强度:

  (3.21)

  从上面分析出,故满足基本要求。

  剪应力强度检查

  (3.22)

  取值,但许用应力

  (3.23)

  故得到,所以满足基本要求。

  3.3板式链条和槽轮的选择

  由车库的工作原理可以看出,车库在上下升降的过程中,挂在立柱上的链条在拉动的时候需承受很大的拉力。为了安全考虑,需要是拉力最大最大化,即:

  (3.24)

  上式中的Fp为使链条拉断的最大拉力,Fmax为工作时链条承受的最大拉力,S表示链条的安全系数。

  生活中板式链分为重型和轻型两种情况,可以根据不同的场合选择不同的类型。这次研究从安全的角度考虑选择了重型。代码为LH。

  槽轮见下表:

  表3.1槽轮尺寸选型(mm)

  b13 15°

  D1

  名称符号计算公式备注

  槽轮直径D1=5×D1minp p――节距

  轮缘间宽D2 D2min=D1+h1+d2 h1――链条通道高度

  d2――销轴直径

  轮缘间宽b13 b13min=1.05b b=——销轴直径长度

  3.4液压系统的设计和分析

  液压系统在整个车库中起着重要的作用,对其内部的液压齿轮泵,液压缸的参数都有着很严苛的要求,因此在选择的过程中需要车库的情况综合考虑参数的选择。各器件的具体参数如下:

  表3.2液压装置相关技术参数

  项目参数单位

  液压齿轮泵工作压力14 MPa

  流量2.0 L/min

  电动机功率3.7 kW

  液压缸每个缸的举升力65 kN

  举升行程1800 mm

  缸径85

  液压装置的设计是比较困难,关联部分干扰较大。在控制系统的选型和构造过程中,有时没有精确的计算过程,更多的是根据经验进行估计或选择。因此我们在设计液压器是可以先列个步骤:

  (1)了解液压器所要工作的对象,并选好物理参数;

  (2)按照所要工作的对象的要求对液压器设立方案并进行改造;

  (3)根据设立的方案对液压器进行选材和设计,再根据工作对象的系统看是否满足需求;

  (4)按照前几步的设计画出液压器的设计图纸。

  3.41液压系统负载构成以及计算

  首先分析出液压装置系统的受力,液压缸工作时的受力情如下图3.3,每个参数和受力情况紧跟前面紧密相连,具体情况如下:

  图3.3液压装置简图

  (1)运动负载Fg

  本车库装置中,主要涉及作用力是重力构成的,以上力主要集中在水平方向上水平方向,计算公式如下:

  Fg==21560(N)(3.26)

  (2)摩擦负载Ff

  负载的产生由车载版上升过程中导轨和立柱的造成

  Ff=μ(G+FN)(3.27)其中G-举升总重力、-负载压力,-导轨摩擦系数取0.5。

  (3)负载惯性Fa

  Fa=(3.28)

  根据以上的公式,g-加速度,Du是运转时的变换速度,Dt是起动时间,通常较短。一般取值在0.5和1.5之间,设计值为0.5,可得:

  Fa==200(N);(3.29)

  故液压装置外部承受的外部负载是:

  Fa+Ff+Fg=16760(N)(3.30)

  平稳工作时

  Fa=Ff+Fg=16650(N)(3.31)

  降速制动时

  =16450(N)(3.32)

  在设计分析时,因为不同外部因素的影响,会有额外的阻力矩。这些矩通往往不能用公式得出结果,可以用经验公式分析:

  (3.33)

  上式中液压,取0.90。F为承受的其他作用力;

  =18733.3N,代入得:

  =(1-0.9)=1566(N)(3.34)

  液压装置是实现动力的根本在满足基本情况下,装置的整体成本、机构等需要考虑到。根据机械液压手册本次设计的压力取值2.9MPa。

  3.4.2液压缸尺寸计算

  液压缸是重要的执行机构,其一般尺寸对工作的性质有一定影响。在设计和计算时,第一是要计算塔缆上的力:

  (3.35)

  当机构承受拉力

  (3.36)

  由上面的公式分析出,A1和A2两半代表活塞内的面积,P1代表工作压力,查阅设计手册,该值为0.4兆帕,活塞气缸的基本尺寸计算公式如下。

  (3.37)

  所以d=0.0483m.

  可以得出:,

  (3.38)

  由计算结构,液压缸直径和活塞缸直径分别为100mm、55mm

  由活塞的力和上升速度,求出流量:

  Q=4.71×10-4m3/s(3.39)

  3.5车库使用年限分析

  从本次文章前面的分析可以看到,车库的主要构成为钢架结构。然后是液压装置和控制传动系统。说以对机构方面的分析和控制系统的维护可以最大化增加车库的使用年限。当前国内外一般的车库使用年限设计是30年上下,欧美有些国家由于先进的加工技术、特殊机构材料使用和维护保养观念相对较高,部分设计的车库使用年限可以达到50年左右[[[]Shad Dowlastshahi,<.The Two-Mass Flywheel-A Torsional Vibration Damper for the Power Train of Passenger Cars-State of the Art and Further Technical Development>,(SAE870394).SAE transactions.2008