基于ANSYS的垂直循環式立體車庫設計與分析

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，針對城市老舊小區和不宜建設地下多層車庫的商場、單位等場所[1]，設計了一種利用地上空間建造的垂直循環式立體車庫。在原本的單一平面2 車位基礎上，利用3 層或更多上層空間的疊加以及機械、電氣設備的智能輔助控制，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 總體結構設計和工作原理

此垂直循環式立體車庫主要由整體框架、升降系統與循環系統組成。整體框架由鋼架、載車板和軸承座等組成；升降系統由驅動機構和傳動機構組成；循環系統由導軌等零件組成。結構框架如圖1所示。

圖1 垂直循環立體車庫結構框架

該類車庫可根據實際需求靈活設置層數，層數從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，垂直循環車庫頂端與低端各有一個車位，其余車位分別安置在兩側。由帶減速器的交流電機帶動傳動機構，在牽引鏈條上，安裝6 個載車板，載車板隨鏈條一起作循環運動。當汽車入庫時，控制系統會識別是否存在空置車位，隨即升降裝置運轉，將空置車位旋轉至存車入口處，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，載車板遵循“優先升降復位”原則，即載車板通過上下、左右平移來尋找最優停車點，實現停車。取車時，駕駛員走到出口，控制升降機構操作，目標車到出口，司機上車，進車，出車，結束取車過程。依據普通轎車的長度、寬度和高度，對整體框架結構進行設計，設計完成，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 垂直循環式立體車庫

2 升降系統主要零部件設計

2.1 鏈傳動機構參數計算

升降系統的傳動機構采用鏈傳動，由內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盤與導軌連接。當電機工作時候，主動軸帶動傳動裝置中的傳動鏈條轉動，帶動從動軸牽動導軌上的托盤做垂直循環運動，實現存取汽車的目的。

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

式中：d 為分度圓直徑，計算得到d＝540.80 mm，取d＝550 mm；鏈結數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。轉矩為

每個鏈輪承受的電機載荷為

鏈輪鏈條結構如圖3所示。

圖3 鏈輪鏈條

2.2 載車板參數選擇

采用框架式載車板。載車板上面鋪設花紋鋼，有效避免托盤運行時，車輛在載車板上發生平移。鋪設的花紋鋼，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，車子駛入載車板時，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合為一體，要保證車輛安穩停放在載車板后，汽車前后左右均有0.1 m 的安全距離，根據大多數中小型轎車尺寸，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 驅動系統設計

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

立體車庫并非高速運動的機構，同時為防止高速運動對垂直循環立體車庫機構造成晃動，進而影響到立體車庫的工作效率。設定鏈條的循環轉速為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 循環系統主要零部件設計

循環系統負責帶動托盤做循環往復運動，其機構由導軌、角軌和導輪組成[5]。導軌結構由上導軌、下導軌和側面導軌組成。側面導軌與鋼架配合，在側面導軌中間位置挖寬凹槽，其上設有導向輪。為防止托盤隨導軌軌跡運行到車庫上部和下部左右移動時不發生晃動，將上導軌和下導軌都設計成半圓弧狀，如圖5所示。

圖5 垂直循環立體車庫的循環系統

導輪的設計。導輪頭部直徑為200 mm，長70 mm，并在中間開有30mm 長的凹槽與導軌配合；導輪尾部直徑100mm，長200 mm。上下導軌處各安裝4 個導輪，導輪之間的角度為45°。側面導軌左右對稱，每邊5 個，相距1 300 mm。材料選擇鑄鋼，導輪結構如圖6所示。

圖6 導輪

4 關鍵部件的有限元分析

4.1 載車板的強度剛度分析

假設汽車質量為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，設計符合規范。由等效應力圖7可知，該載車板存在應力集中現象，最大應力為6.24 MPa，小于材料的許用應力146 MPa，滿足強度條件。由等效彈性應變圖8可以看出，最大彈性應變為3.127 1 mm，屬于小變形，滿足載車板的變形許可條件。

圖7 載車板等效應力分布

圖8 載車板等效應變分布

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，安全系數取1.4，許用應力[σ]=253 Mpa。建立鏈輪的幾何模型，并導入有限元分析軟件。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，最大應力和應變。

由圖9和圖10可知，鏈輪的最大應力為1.6 MPa，出現在鏈輪齒圈處，可以判斷當鏈輪因鏈條運動而產生轉矩后，此處受壓應力最大，但仍然遠小于需用應力，符合設計要求。

圖9 小鏈輪變形分布

圖10 小鏈輪的應變分布

4.2.2 鏈輪鏈條瞬態動力學分析

利用有限元仿真分析軟件對鏈輪鏈條進行瞬態動力學分析，可以得到隨時間變化的位移、應變和應力[8]。導入模型，并進行網格劃分，網格大小為10 mm，處理模型，對鏈結之間，鏈輪和鏈條之間建立連接關系，令2 個鏈輪對地為旋轉連接，如圖11所示。

圖11 鏈輪鏈條機構的網格劃分

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，有可能會出現軸向跳動。

圖12 鏈輪鏈條的變形分布

5 結束語

本文設計了一種垂直循環式立體車庫，完成了主要零部件的結構設計和模型建立，并應用有限元分析技術，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進行了瞬態動力學分析。結果表明在實際工況的工作下，載車板、鏈傳動機構和主動鏈輪的最大應力均在許用應力的范圍內，滿足結構的強度和剛度要求。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。應適當采取改變鏈輪的結構形式或開孔以保持鏈輪動平衡，優化結構，避免長期工作造成軸向跳動，磨損加劇。