基于ANSYS的垂直循環(huán)式立體車庫設(shè)計與分析

杭詩淇，李鴻秋，盧軍鋒，楊佳航

（金陵科技學院機電工程學院，南京 211169）

隨著汽車保有量的快速增長，停車難的問題逐漸突出，針對城市老舊小區(qū)和不宜建設(shè)地下多層車庫的商場、單位等場所[1]，設(shè)計了一種利用地上空間建造的垂直循環(huán)式立體車庫。在原本的單一平面2 車位基礎(chǔ)上，利用3 層或更多上層空間的疊加以及機械、電氣設(shè)備的智能輔助控制，可同時滿足6～10 輛車的停放。對面積資源的占用僅為平面式停車場的1/10，空間的占有率分布十分合理，極大降低停車位成本，減少土地資源浪費。

1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計和工作原理

此垂直循環(huán)式立體車庫主要由整體框架、升降系統(tǒng)與循環(huán)系統(tǒng)組成。整體框架由鋼架、載車板和軸承座等組成；升降系統(tǒng)由驅(qū)動機構(gòu)和傳動機構(gòu)組成；循環(huán)系統(tǒng)由導(dǎo)軌等零件組成。結(jié)構(gòu)框架如圖1所示。

圖1 垂直循環(huán)立體車庫結(jié)構(gòu)框架

該類車庫可根據(jù)實際需求靈活設(shè)置層數(shù)，層數(shù)從2 層到8 層不等，本車庫為小型立體車庫，一共可以存放6 輛車，垂直循環(huán)車庫頂端與低端各有一個車位，其余車位分別安置在兩側(cè)。由帶減速器的交流電機帶動傳動機構(gòu)，在牽引鏈條上，安裝6 個載車板，載車板隨鏈條一起作循環(huán)運動。當汽車入庫時，控制系統(tǒng)會識別是否存在空置車位，隨即升降裝置運轉(zhuǎn)，將空置車位旋轉(zhuǎn)至存車入口處，此時司機將車停好后下車，紅外傳感器會掃描并確認司機不在車內(nèi)，載車板遵循“優(yōu)先升降復(fù)位”原則，即載車板通過上下、左右平移來尋找最優(yōu)停車點，實現(xiàn)停車。取車時，駕駛員走到出口，控制升降機構(gòu)操作，目標車到出口，司機上車，進車，出車，結(jié)束取車過程。依據(jù)普通轎車的長度、寬度和高度，對整體框架結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，設(shè)計完成，測得車庫的總尺寸為長16 400 mm×寬4 300 mm×高9 200 mm（如圖2所示）。

圖2 垂直循環(huán)式立體車庫

2 升降系統(tǒng)主要零部件設(shè)計

2.1 鏈傳動機構(gòu)參數(shù)計算

升降系統(tǒng)的傳動機構(gòu)采用鏈傳動，由內(nèi)鏈接與外鏈接組成的鏈條及主從動鏈輪組成，主從動鏈輪輪孔分別有主從動軸，在從動軸的前后端裝有轉(zhuǎn)盤與導(dǎo)軌連接。當電機工作時候，主動軸帶動傳動裝置中的傳動鏈條轉(zhuǎn)動，帶動從動軸牽動導(dǎo)軌上的托盤做垂直循環(huán)運動，實現(xiàn)存取汽車的目的。

考慮到傳動機構(gòu)主從動軸軸相距較遠，傳動速度低以及要求工作平穩(wěn)可靠，選擇48A 滾子鏈，滾子鏈由內(nèi)外鏈板、套筒、銷軸和滾子組成[2]。鏈條節(jié)距為p=76.20 mm。每米質(zhì)量q=22.60 kg/m。小鏈輪齒數(shù)取z1=20，傳動比i=20，大鏈輪齒數(shù)取z2=40。

式中：d 為分度圓直徑，計算得到d＝540.80 mm，取d＝550 mm；鏈結(jié)數(shù)Lp[3]為

式中：α0表示初定中心距，α0=40p=3 048 mm 代入上式得：Lp=75.53 mm，取Lp=74 mm。鏈輪選用40Cr 材料，齒面硬度為40-50HBS，彈性模量E=206 MPa，泊松比ξ=0.3。鏈輪轉(zhuǎn)速為

式中：ν 表示鏈輪速度，由取車速度和鏈條長度確定[4]，令ν＝1.5 m/s，則，由式（3）得：n＝85 r/min。轉(zhuǎn)矩為

每個鏈輪承受的電機載荷為

鏈輪鏈條結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 鏈輪鏈條

2.2 載車板參數(shù)選擇

采用框架式載車板。載車板上面鋪設(shè)花紋鋼，有效避免托盤運行時，車輛在載車板上發(fā)生平移。鋪設(shè)的花紋鋼，花紋形狀為菱形。為增加底板的厚度同時提高截面抗彎能力，在底板下焊接鋼板與密肋條，車子駛?cè)胼d車板時，汽車的載荷會被鋼板與密肋條分配吸收，減少整體的變形量。載車板和車庫的托盤機構(gòu)合為一體，要保證車輛安穩(wěn)停放在載車板后，汽車前后左右均有0.1 m 的安全距離，根據(jù)大多數(shù)中小型轎車尺寸，確定載車板停車位尺寸的長、寬分別為5200mm 和2050mm，如圖4所示。

圖4 載車板

2.3 驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計

減速電機安裝在垂直循環(huán)式立體車庫的上部，電機正反向都可以轉(zhuǎn)動。三相異步減速電機提供原動力驅(qū)動鏈條鏈輪，帶動主動軸及其他部件從而把動力傳至傳動系統(tǒng)。

立體車庫并非高速運動的機構(gòu)，同時為防止高速運動對垂直循環(huán)立體車庫機構(gòu)造成晃動，進而影響到立體車庫的工作效率。設(shè)定鏈條的循環(huán)轉(zhuǎn)速為5 m/s，單個小車總重量是1 500 kg，計算托盤上升所需最大功率，考慮到鏈傳動的總效率ηw=0.94，選用型號為Y160M1-2 三相異步減速電機。

3 循環(huán)系統(tǒng)主要零部件設(shè)計

循環(huán)系統(tǒng)負責帶動托盤做循環(huán)往復(fù)運動，其機構(gòu)由導(dǎo)軌、角軌和導(dǎo)輪組成[5]。導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)由上導(dǎo)軌、下導(dǎo)軌和側(cè)面導(dǎo)軌組成。側(cè)面導(dǎo)軌與鋼架配合，在側(cè)面導(dǎo)軌中間位置挖寬凹槽，其上設(shè)有導(dǎo)向輪。為防止托盤隨導(dǎo)軌軌跡運行到車庫上部和下部左右移動時不發(fā)生晃動，將上導(dǎo)軌和下導(dǎo)軌都設(shè)計成半圓弧狀，如圖5所示。

圖5 垂直循環(huán)立體車庫的循環(huán)系統(tǒng)

導(dǎo)輪的設(shè)計。導(dǎo)輪頭部直徑為200 mm，長70 mm，并在中間開有30mm 長的凹槽與導(dǎo)軌配合；導(dǎo)輪尾部直徑100mm，長200 mm。上下導(dǎo)軌處各安裝4 個導(dǎo)輪，導(dǎo)輪之間的角度為45°。側(cè)面導(dǎo)軌左右對稱，每邊5 個，相距1 300 mm。材料選擇鑄鋼，導(dǎo)輪結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 導(dǎo)輪

4 關(guān)鍵部件的有限元分析

4.1 載車板的強度剛度分析

假設(shè)汽車質(zhì)量為1 500 kg，汽車靜止時前后軸荷平衡，制動時重新分配[6]，設(shè)定車輛前后軸荷比為6∶4，計算出前軸受力8 820 N，后軸受力5 880 N。通過多次測量不同汽車輪胎的接觸面積，得到接觸面積的平均值為0.04 m2，則施加在前輪的總壓強為0.264 6 MPa，施加在后輪上的總壓強為0.176 4 MPa。加上載車板自身的重量200 kg。

該載車板總體變形量集中在載車板正中心的位置，最大變形量為0.591 77 mm，由于變形量遠小于其他幾何尺寸，滿足許用變形量，設(shè)計符合規(guī)范。由等效應(yīng)力圖7可知，該載車板存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大應(yīng)力為6.24 MPa，小于材料的許用應(yīng)力146 MPa，滿足強度條件。由等效彈性應(yīng)變圖8可以看出，最大彈性應(yīng)變?yōu)?.127 1 mm，屬于小變形，滿足載車板的變形許可條件。

圖7 載車板等效應(yīng)力分布

圖8 載車板等效應(yīng)變分布

4.2 鏈輪傳動的有限元分析

4.2.1 小鏈輪的靜力學分析

本文設(shè)計的鏈傳動是低速運動，當承受的載荷超過鏈條的靜力強度時，鏈條會出現(xiàn)被拉斷的情況。針對此情況，需要進行靜強度校核。鏈輪[7]采用45 鋼材料，屈服極限σS=355 Mpa，安全系數(shù)取1.4，許用應(yīng)力[σ]=253 Mpa。建立鏈輪的幾何模型，并導(dǎo)入有限元分析軟件。首先在大齒輪花鍵孔處施加固定約束，然后在大齒輪鏈齒處施加11 個切向力。通過靜力學分析分析小齒輪最大形變量，最大應(yīng)力和應(yīng)變。

由圖9和圖10可知，鏈輪的最大應(yīng)力為1.6 MPa，出現(xiàn)在鏈輪齒圈處，可以判斷當鏈輪因鏈條運動而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩后，此處受壓應(yīng)力最大，但仍然遠小于需用應(yīng)力，符合設(shè)計要求。

圖9 小鏈輪變形分布

圖10 小鏈輪的應(yīng)變分布

4.2.2 鏈輪鏈條瞬態(tài)動力學分析

利用有限元仿真分析軟件對鏈輪鏈條進行瞬態(tài)動力學分析，可以得到隨時間變化的位移、應(yīng)變和應(yīng)力[8]。導(dǎo)入模型，并進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格大小為10 mm，處理模型，對鏈結(jié)之間，鏈輪和鏈條之間建立連接關(guān)系，令2 個鏈輪對地為旋轉(zhuǎn)連接，如圖11所示。

圖11 鏈輪鏈條機構(gòu)的網(wǎng)格劃分

如圖12所示，鏈輪鏈條的最大變形量0.025 443 m，小于總體尺寸的1/1 000，滿足設(shè)計要求。這個變形不會引起小鏈輪與鏈條之間的過度摩擦。但實際工作時，鏈輪的高溫會加大其摩擦系數(shù)，有可能會出現(xiàn)軸向跳動。

圖12 鏈輪鏈條的變形分布

5 結(jié)束語

本文設(shè)計了一種垂直循環(huán)式立體車庫，完成了主要零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計和模型建立，并應(yīng)用有限元分析技術(shù)，分別對載車板進行了靜力學分析，對主動鏈輪進行了靜力學分析以及對鏈輪鏈條機構(gòu)進行了瞬態(tài)動力學分析。結(jié)果表明在實際工況的工作下，載車板、鏈傳動機構(gòu)和主動鏈輪的最大應(yīng)力均在許用應(yīng)力的范圍內(nèi)，滿足結(jié)構(gòu)的強度和剛度要求。主動鏈輪在工作過程中，由于受力變形的方向垂直于輪轂鍵槽，長期工作會造成軸向跳動和磨損加劇。應(yīng)適當采取改變鏈輪的結(jié)構(gòu)形式或開孔以保持鏈輪動平衡，優(yōu)化結(jié)構(gòu)，避免長期工作造成軸向跳動，磨損加劇。