垂直循環立體停車庫傳動部件的設計與分析

郭聯金 張偉文 李會玲 林冰華

（1.東莞職業技術學院 智能制造學院，東莞 523808；2.廣東偉創五洋智能設備有限公司，東莞 523662）

近年來城鄉居民汽車保有量增加迅猛，交通擁堵和停車難的問題成為很多地方的頑疾。垂直循環立體停車庫因其占地小、投入小、建設快而得到大面積推廣。垂直循環式立體停車庫是載車托架通過鏈傳動在豎直方向上做循環運動以實現存車和取車的設備。它的基本結構為鋼構框架、動力裝置、傳動系統、電控系統及其他輔助結構[1]。目前，很多企業仍采用傳統的機械產品設計研發方式，依靠工程經驗、公式計算和樣機測試獲得實驗數據，經過反復修改才能設計出機械零部件，并組裝、搭建成車庫產品和投入市場使用，存在停車設備研發周期長、技術創新性不足以及材料浪費多等問題[2]。

計算機有限元法分析利用計算機對任意形狀的復雜幾何體進行“離散逼近”的高效處理，通過“化簡為繁”以獲取外力作用下變形體的應力、形變等力學特征和結構性能[3]，為停車庫的結構設計與優化改進提供了科學手段，可避免傳統工程設計的盲目性[4]。傳動系統的部件設計對于車庫的受力強度、運行穩定性、安全性及效率至關重要。本文主要采用有限元分析方法，對垂直循環立體車庫的關鍵部件鏈板、T 鏈輪、槽輪進行建模和靜態受力分析，提出傳動系統的改進設計方案。

1 車庫傳動系統的組成及原理

垂直循環立體停車庫普遍采用由非標部件構成的獨特鏈傳動方式。傳動系統由交流電機驅動，通過齒輪減速機構和傳動鏈條帶動一對大小鏈輪轉動，如 圖1 所示。槽輪在與其同軸相連的大鏈輪的帶動下，不斷嵌入和撥動主提升鏈條上的銷軸，使主提升鏈條帶動T 鏈板循環往復運動，牽引著與T 鏈板固定的存取車架（載車吊籃）在垂直平面內沿預設軌道做升降運動。圖2 為7 層12 車位垂直循環停車設備主提升鏈條的結構圖。從圖3 鏈傳動結構的示意圖可知，由于鏈傳動的多邊形效應，槽輪在轉動時槽孔與鏈節切入嚙合處，銷軸、滾子及套筒等結構會受到沖擊，容易產生疲勞破損和裂紋。槽輪的齒數與鏈傳動的速度相關，齒數少，鏈速不均勻[5]；齒數過多，易造成受力強度不足。鏈板的節距大，產生的沖擊力也增大；節距過小，則難以承受偏載和滿載時的負荷。因此，各傳動部件的合理設計對鏈傳動乃至整個提升系統的工作平穩、高效運行影響極大。

垂直循環停車庫的運行形式為低速鏈傳動，重載工況下其失效位置多發生于承受靜拉力的鏈條鏈板上，如鏈板或銷軸斷裂，滾子及套筒磨損等。根據當前常見中小型轎車的類型和參數，設定相關設計數據如下：車身長≤5 m，車寬≤1.9 m，車高≤1.6 m，車質量≤2 000 kg，車輛輪距為1.2 ～1.6 m，軸距為2.1 ～2.8 m。車庫單個存車托架自身質量為150 kg，滿載時提升鏈條的承重為 （2 000+150）×12×9.8=252 084 N，極限偏載時提升鏈條的承重為（2 000+150）×6×9.8=126 420 N，勻速運行速度為8 m·min-1。

2 傳動系統關鍵部件分析

2.1 銷軸的設計與受力分析

對鏈條銷軸的尺寸進行設計。在提升存取車架過程中，銷軸受到與其連接的兩塊鏈板的作用力，主要為剪切應力。若銷軸的最大剪切應力大于其許用剪切應力，則銷軸易發生剪切斷裂。為此，必須先對其進行受力計算及分析，繼而設計鏈板、槽輪等其他關聯結構。考慮調質后的40Cr 合金鋼綜合性能良好，具有可承受重載、低沖擊且具有耐磨性等特點，可作為銷軸材料。40Cr 的許用剪切應力為211 MPa。銷軸承受的最大剪切應力應小于許用剪切應力τmax。設直徑為d，最大剪力為Fs，即車庫處于極限偏載時的重力取130 000 N，取安全系數s為2.5。則由式（1）和式（2）可求得銷軸的最小直徑為44 mm，在此取45 mm。

2.2 銷孔鏈板的設計與受力分析

當車庫滿載即12 個存取車架全部裝載車輛時，主提升鏈條受到的拉力最大，故在設計時主要分析滿載工況下鏈條承受的牽引力與重力，計算鏈板的等效應力和應變。鏈板全部采用非標500 mm 長節距，尺寸為610 mm×110 mm×19 mm，材質為35CrMo 的合金鋼板，密度為7.85 g·cm-3，抗拉強度為980 MPa， 屈服強度為835 MPa，彈性模量為2.13×1011，泊松比為0.286。銷軸鏈板的尺寸設計如圖4（a）所示。對鏈板模型添加材料、約束條件及載荷，劃分網格（鏈板孔及相鄰區域劃分得更小），進行有限元計算及分析，由此得到鏈板受到的最大應力為407 MPa，位于鏈板與銷軸的接觸面區域，安全系數為2.05，高于常用安全系數1.5，最大位移為0.046 mm（如圖4（b）所示），最大等效應變為0.001 57，均在規定范圍內，故鏈板滿足工作強度要求。

2.3 槽輪的受力分析與改進

鏈輪通過傳動軸驅動槽輪旋轉，槽輪的4 個徑向槽在轉動過程中不斷與導軌鏈條上的銷軸嵌入和脫離，通過槽孔內接觸面的擺動推移帶動提升鏈條在導軌內循環往復運動。因存車托架在整體框架的左右側對稱分布，前后提升鏈條同時工作，在偏載工況時槽輪需要克服的載荷最大。因最大偏載載荷為130 000 N，鏈條銷軸直徑為45 mm，按照齒輪尺寸關系公式計算槽輪的厚度為鏈條銷軸的1.5 倍，即 60 mm。采用有限元對槽輪三維模型進行靜力學分析，材料選型45#鋼，密度設為7 890 kg·m-3，屈服強度為355 MPa，彈性模量為209 GPa，泊松比為0.269。使槽輪內孔固定，在下側兩個相鄰槽孔的受力面上逆時針施加垂直曲面的作用力130 000 N。將不受力的兩個上側輪片網格劃分為一般精度，在受力面附近區域的網格劃分為精細，然后進行求解，結果如圖5 所示。槽輪與鏈條銷軸作用的最大應力為149.5 MPa，最小安全系數為2.4，位于槽孔最小半徑內圓周處，小于材料屈服強度。最大剛度變形位移為0.3 mm，應變值為5.45×10-4，位于槽孔邊緣。形變及位移相對整體尺寸非常小，且在標準規定范圍內，故槽輪的結構及尺寸滿足設計要求。

2.4 T 鏈板的設計與受力分析

T 鏈板用于連接各車位的存車托架，結構模型如圖6（a）所示。它在運行過程中主要承受單個存車架和車輛的重力。隨著提升鏈條停留位置的不同的變化，其受力情況發生變化。當處于頂部、底部及兩側位置時，變化較大。存放車輛時，存車架作用于T 鏈板上的拉力為2 150 kgf，做有限元分析時取2 500 kgf，采用Q345 鋼材，材料屈服點為345 MPa，抗拉強度為490 ～620 MPa。圖6（b）為T 鏈板與存車托架連接處運行至車庫底部時的靜應力分析結果。可見，T 鏈板的最大等效應力為169.6 MPa，遠小于材料的抗拉強度，安全系數為2.03，大于常用安全系數1.5，最大等效應變為0.001 3，滿足使用性能要求。

3 車庫運行情況與討論

經計算和有限元校核，驗證了所設計的鏈傳動關鍵部件符合在最大負載下的強度要求，并以此設計為基礎，研發如圖7 所示的垂直循環車庫。需要說明的是，上述分析僅對車庫部件在靜態受力情況下進行簡化分析。在實際運行時，車庫以不同速度、不同工況運行至循環提升系統的不同位置時，各部件的受力情況較為復雜。如存取時車架運動至車庫底部的弧線導軌，由于運動軌跡的改變容易導致載車托架產生較大晃動，需要對裝配體進行運動仿真與模態分析，以減少切換沖擊。由于傳動系統長期處于低速、重載工況下作業，在循環應力作用下，應進一步研究各部件的疲勞壽命。

4 結語

垂直循環立體車庫采用鏈傳動方式，運行速度低，沖擊小，傳動力矩較為固定，平穩性良好。本文建立了7 層12 車位垂直循環停車庫的虛擬樣機模型，并對傳動系統的關鍵部件進行了設計和受力分析，采用計算機有限元分析方法對鏈板、槽輪、T 鏈板進行了強度校核。結果表明，所設計的部件均滿足強度要求，為車庫的結構設計提供了理論參考。由于車庫在不同工況運行時受力復雜，后續須進行動態受力分析。此外，整體設備運行時還涉及到存車托架之間的運動干涉、鋼結構框架的靜態與動態受力分析以及安全評估等問題，有待后續進一步研究。