一种可移动式小型多层升降横移式立体车库结构设计与分析

一种可移动式小型多层升降横移式立体车库结构设计与分析

方法

华电重工机械有限公司 天津市 300000

摘要：随着社会生活水平的不断提高和国民经济的增加，家庭私有小车的数量越来越多，由于居民小区的场地有限，导致居民停车困难的问题越来越突出。为了解决居民停车的问题，设计一种可移动式的小型多层立体车库日益紧迫。因此以居民小区为研究背景，设计了一种可移动式的小型多层升降横移式立体车库，主要由主体框架、载车板、升降机构、横移机构、移动机构等部分组成。对立体车库的主要结构进行设计后，运用三维建模软件SOLIDWORKS进行立体车库结构设计的建模和装配，并利用有限元软件ANSYS对关键结构进行满载时的静力学分析，仿真结果显示设计满足安全要求，从而验证了结构的可靠性和设计的合理性。本文设计的可移动式小型多层升降横移式立体车库具有体积小、移动速度快、操作方便等优点，为居民小区停车问题提供了一种更先进的立体车库设计方案，对于解决居民小区停车难的问题具有一定的现实意义。

关键词：立体车库；小型多层升降横移式；结构设计；有限元分析

0引 言

近年来，随着自动化技术的不断发展，国民经济逐年增长，城市化不断推进，居民收入水平也随之提高，城市汽车保有量逐年上升，然而由于居民小区场地较小导致停车位不足，小区停车难的问题日益凸显[1]。传统的地面停车场已经无法满足小区居民的停车需求，而立体车库作为一种高效利用空间的解决方案应运而生。应用小型立体多层车库可以停放更多的车辆，可以提高土地的利用率和空间的利用率，有利于缓解居民小区用地紧张、缓解停车难的问题[2]。

国外立体车库技术起步较早，技术相对成熟。在立体车库的研究过程中，美国人对传统车库进行了分析，认为传统车库存在空间利用效率不高等问题，进而提出在 PLC 基础上的智能立体车库的设计，从而将立体车库智能化[3]。为了提高车辆停放和取走的效率和节省时间，一些外国科学家还创新地利用MATLAB和PLC进行控制立体车库的运行[4]。为了可持续性的发展，国外利用了环保地材料，如结构钢等，优质的钢结构，不仅有较好的强度和刚度，还可以提高车库的稳定性和提高车库的寿命[5]。美国、日本等国家在技术创新、可持续性、城市规划等方面取得了显著成果。

我国立体车库的发展相对于欧美发达国家起步较晚,在技术上与发达国家有一些差距[6]。但近年来，由于国家大力支持创新产业的发展，我国重视引进外国先进技术，掌握其核心的技术[7]。国内相关企业和高校加强了立体车库技术的研发和设计，在节能、智能化等方面取得了显著进步。如利用交流变频、IC、PLC等技术，提高了立体车库的运行效率和智能化水平[8]。但是目前立体车库大多数是针对大型的固定场所，很少考虑到基于居民小区以及一些需要临时增加停车位的应用场景[9]，且由于结构复杂、体积大，不具有移动功能，无法适应居民小区快速解决停车问题的应用场合。

因此本文为解决居民小区停车存在的上述问题，基于立体车库原理，设计了一种可移动式小型多层升降横移式立体车库，该车库能够在占用1个原有车位的面积内停泊多辆小汽车，同时具备吊装搬运、可移动性的特点，以适应不同居民小区停车场合。这种设计不仅可以充分利用有限的小区空间，还能提升停车的安全性和便利性，为解决居民小区停车难题提供了一种新的立体车库设计方案。

1总体方案设计

立体车库有许多种类型，根据其工作原理可分为:升降横移式;水平循环式;平面移动式等[10]。其中，升降横移类停车设备是通过载车板升降至预定楼层后再 用推拉设备横移至空闲车位存取车辆[11]。由于升降横移式立体车库制造成本低、结构简单，规模可大可小，对场地的适应性强，因此采用升降横移式立体车库方案。综合考虑上述因素，针对现存的问题，设计了一种可移动式小型多层升降横移式立体车库，可以实现占地1～2个原有车位的位置上停泊3～4辆小汽车，能够根据不同的居民小区环境灵活移动和吊装搬运。本设计方案简图如图1所示，该车库主要包括主体框架、载车板、升降机构、横移机构、移动机构等部分。主要利用载车板的上下升降或载车板的左右横移来停取车辆，车库上层有两个带有升降机的载车板，下层只有一个带有横移机的载车板，可以实现3辆小车的停放。

图 1 一种可移动式小型多层升降横移式立体车库方案简图

一种可移动式小型多层升降横移式立体车库的工作原理如图2所示，当下层车库要停车时，只需驾驶员开车进入车库载车板1即可，不需要升降或横移，其取车也是如此，驾驶员开车离开即可。当上层车库要停车时，就要利用升降机和横移机，比如要将车停放至载车板2上时，首先要利用横移机构将载车板1横移至右边空车位，然后利用升降机将载车板2降下来，驾驶员将车开上载车板2，最后利用升降机将载车板2升上去即可。同理，此时若需要停放第三辆车，就需要将载车板1通过利用横移机将其横移至左边空车位，再将载车板3降下来，再将车停放上去，最后再将载车板3升上去即可，此时整个立体车库就可以实现同时停放3辆小车。

图2 一种可移动式小型多层升降横移式立体车库工作原理图

2 结构设计

2.1可移动式小型多层升降横移式立体车库整体设计

根据一种可移动式小型多层升降横移式立体车库总体方案设计，应用Solidworks软件构建了一种可移动式小型多层升降横移式立体车库三维模型，模型组成如图3所示。该结构包括主体框架、载车板、升降机构、横移机构、移动机构等部分。

图3 可移动式小型多层升降横移式立体车库三维模型

一种可移动式小型多层升降横移式立体车库其特点是：当需要汽车1驶出立体车库时，直接将汽车3驶出即可。当汽车3需要驶出立体车库时，只需通过升降电机驱动汽车3所在载车板下降至下层，在将汽车3驶出即可。当汽车2需要驶出立体车库时，只需将汽车1所在载车板通过横移电机驱动，使其右移动，再通过升降电机驱动汽车2所在载车板下降至一层，汽车2再驶出立体车库即可。从结构设计而言，该装置可以满足不同居民小区停车需求，设计合理。

2.2 主体框架设计

本文的可移动式小型多层升降横移式立体车库装置由于上层的载车板和其上面的停放的车辆是通过链条悬挂在三根纵梁上的，所以上层载车板和停放在上的车辆的总体重量都由框架承受，所以主体框架的设计不仅要求结构简单，制造容易，还要求要满足一定的强度要求，确保驾驶员的人身财产安全。

主体框架主要由四根立柱、三根纵梁和两根横梁共同组成，立柱与纵梁之间通过六角头螺栓联接，横梁与纵梁之间也是通过六角头螺栓联接而成，共同组成一个完整的车库框架其结构图如下图4所示，另外四根立柱也是通过六角头螺栓与底板联接，地板上上有导轨，可以与横移载车板相互配合，便于载车板在导轨上做横向移动。

图4 主体框架结构

2.3 横移机构设计

由于本设计的立体车库是两列两层小型立体车库，需要停放三辆车，上层停放两辆车，下层可以停放一辆车，而且下层车库可以进行左右移动，方便上层车库车辆的停放和取走，所以需要设计一种装置来驱动下层载车板横向移动。

一种可移动式小型多层升降横移式立体车库的横移机构主要由载车板、电机、链轮、链条、滚轮以及地板上的导轨等组成，横移机构结构如图5所示。

图5 横移机构

其中，横移机构的载车板底部有四个滚轮，材质为Q235，两个主动轮，两个从动轮。直接将滚轮安装在载车板底部，在存车位上安装有导轨，滚轮直接在导轨上滚动，可以减少摩檫力，而且载车板可以平稳的移动。

为实现横移，横移机构利用下层载车板的左右横移是通过横移装置来实现的，下层的载车板不需要链条悬挂，在下层载车板的侧边有一个电机减速传动系统，下层载车板底部有4个滑轮，两个主动轮，位于装有电机的一侧，另一侧装有两个从动轮，在钢板上有两条轨道，载车板可以在其上滑动。电机工作时，驱动主动轮转动，带动传动轮转动，从而实现下层载车板在轨道上左右移动。

2.4 升降机构设计

升降机构主要由载车板、链轮、链条和电动机等组成，上层有两块载车板，每块载车板都配有一套独立的电机减速器与链传动组合的传动系统。升降机构利用电机顺时针旋转时，载车板上升；电机逆时针旋转时，载车板下降，从而实现升降功能。升降机构如图6所示。

图6 升降机构

2.5 移动机构设计

本文的可移动式小型多层升降横移式立体车库装置需要根据居民小区环境进行动态停放，因此移动机构需要实现装置的灵活移动。本设计移动机构主要由底板、立柱、轨道、脚轮等组成组成，移动机构底板结构如图7所示。移动机构中底板设计成钢板结构，材料选择Q235。立柱与车库底板之间用六角螺栓联接，且车库底板上设计有两条轨道，用于横移载车台在其上移动。同时为了满足所要设计的装置便于移动，在车库底板底部安装有脚轮，脚轮的材料为Q235,采用人工制动的方式。

图7 移动机构底板

3 关键结构的有限元分析

3.1 主体框架的有限元分析

本设计的立体车库是两列两层的升降横移式小型立体车库，其中，主体框架由四根立柱、两根横梁和三根纵梁组成。立柱与纵梁、立柱与横梁通过六角头螺栓固定联接，横梁与纵梁之间也是利用六角头螺栓固定联接。由于主体框架是关键受力部分，所以需进行有限元分析。利用三维软件Solidworks绘制本设计主体框架的实体，再将建立好的主体框架模型保存为STEP AP203的格式。然后在有限元软件ANSYS Workbench 2022 R1,选择静态结构创建独立系统，在静态结构窗口中的工程数据栏中选择材料的类型。主体框架选用Q235钢材，Q235是工程中使用最为广泛的一种材料，其性能参数为：弹性模量E＝66.178 GPa，密度ρ＝7850 kg/m3，泊松比μ＝0.3,屈服强度为0.235GPa[12]。详细参数见表1所示。

在几何结构中导入上述保存的STEP AP203模型图，并在模型中编辑主体框架的材料设置。在ANSYS中，对主体框架模型进行网格划分，设置网格的单元尺寸为20mm，从而完成模型网格化，主体框架划分网格如图8如下。

表1 主体框架材料参数

图8 主体框架网格化

网格划分完成后，再开始施加载荷。先在分析设置中设置固定支撑，在设置载荷的大小和方向，其中主体框架受力大小为，求解就可以得到受力分析结果，计算得到的变形图和应力图如图9和图10所示。

图9 主体框架变形云图

图10 主体框架应力云图

本设计可移动式小型多层升降横移式立体车库结构在进行主体框架的有限元分析时，是在对称满载的工况条件下的，主体框架受力包括上层载车板、停放的车辆共同的重力，因此要验证车库框架的可行性，只需将ANSYS静力学分析后的最大变形量和最大等效应与材料的标准对比即可。

由上述分析结果可知，本设计主体框架的最大变形量为0.4809mm，最大的等效应力为18.802Mpa，小于许用应力，满足安全要求，符合材料的国家标准，所以主体框架的设计可靠合理。

3.2 载车板的有限元分析

在Solidworks建模软件中构建载车板的三维实体，再导入到ANSYS Workbench 2022 R1软件中，进行网格化处理，网格单元设置为20mm，完成载车板的网格划分，如图11所示。

网格化完成后，在模型上设置固定支撑和受力载荷的大小和方向，本设计中载车板的受力大小为，最后求解即可得到载车板的总变形图和等效应力图，如下图所示：

图11 载车板网格化

图12 载车板变形云图

图13 载车板应力云图

从上述载车板的变形云图和应力云图可看出：载车板的最大变形量为0.014348mm，最大等效应力为12.126Mpa，小于材料的许用应力，符合国家标准，满足安全要求，所以载车板的设计合理可靠。

4结语

本文根据居民小区停车现状，通过深入研究国内外小型立体车库的发展趋势，结合居民生活水平提高和汽车拥有量增加的现实需求，基于立体车库原理，设计了一种可移动式小型多层升降横移式立体车库，进行了结构设计与分析。利用Solidworks和ANSYS软件，建立了本设计的三维模型并进行了关键结构的有限元分析，验证了设计的合理性和可靠性。本设计具备动态调整能力，适应不同居民小区环境，有效的解决了居民小区停车难的问题，为立体车库的方案设计提供了参考依据。

参考文献

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