郭聯(lián)金 張偉文 李會(huì)玲 林冰華

（1.東莞職業(yè)技術(shù)學(xué)院 智能制造學(xué)院，東莞 523808；2.廣東偉創(chuàng)五洋智能設(shè)備有限公司，東莞 523662）

近年來城鄉(xiāng)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(huán)立體停車庫因其占地小、投入小、建設(shè)快而得到大面積推廣。垂直循環(huán)式立體停車庫是載車托架通過鏈傳動(dòng)在豎直方向上做循環(huán)運(yùn)動(dòng)以實(shí)現(xiàn)存車和取車的設(shè)備。它的基本結(jié)構(gòu)為鋼構(gòu)框架、動(dòng)力裝置、傳動(dòng)系統(tǒng)、電控系統(tǒng)及其他輔助結(jié)構(gòu)[1]。目前，很多企業(yè)仍采用傳統(tǒng)的機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)研發(fā)方式，依靠工程經(jīng)驗(yàn)、公式計(jì)算和樣機(jī)測(cè)試獲得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，經(jīng)過反復(fù)修改才能設(shè)計(jì)出機(jī)械零部件，并組裝、搭建成車庫產(chǎn)品和投入市場(chǎng)使用，存在停車設(shè)備研發(fā)周期長(zhǎng)、技術(shù)創(chuàng)新性不足以及材料浪費(fèi)多等問題[2]。

計(jì)算機(jī)有限元法分析利用計(jì)算機(jī)對(duì)任意形狀的復(fù)雜幾何體進(jìn)行“離散逼近”的高效處理，通過“化簡(jiǎn)為繁”以獲取外力作用下變形體的應(yīng)力、形變等力學(xué)特征和結(jié)構(gòu)性能[3]，為停車庫的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化改進(jìn)提供了科學(xué)手段，可避免傳統(tǒng)工程設(shè)計(jì)的盲目性[4]。傳動(dòng)系統(tǒng)的部件設(shè)計(jì)對(duì)于車庫的受力強(qiáng)度、運(yùn)行穩(wěn)定性、安全性及效率至關(guān)重要。本文主要采用有限元分析方法，對(duì)垂直循環(huán)立體車庫的關(guān)鍵部件鏈板、T 鏈輪、槽輪進(jìn)行建模和靜態(tài)受力分析，提出傳動(dòng)系統(tǒng)的改進(jìn)設(shè)計(jì)方案。

1 車庫傳動(dòng)系統(tǒng)的組成及原理

垂直循環(huán)立體停車庫普遍采用由非標(biāo)部件構(gòu)成的獨(dú)特鏈傳動(dòng)方式。傳動(dòng)系統(tǒng)由交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過齒輪減速機(jī)構(gòu)和傳動(dòng)鏈條帶動(dòng)一對(duì)大小鏈輪轉(zhuǎn)動(dòng)，如 圖1 所示。槽輪在與其同軸相連的大鏈輪的帶動(dòng)下，不斷嵌入和撥動(dòng)主提升鏈條上的銷軸，使主提升鏈條帶動(dòng)T 鏈板循環(huán)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，牽引著與T 鏈板固定的存取車架（載車吊籃）在垂直平面內(nèi)沿預(yù)設(shè)軌道做升降運(yùn)動(dòng)。圖2 為7 層12 車位垂直循環(huán)停車設(shè)備主提升鏈條的結(jié)構(gòu)圖。從圖3 鏈傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的示意圖可知，由于鏈傳動(dòng)的多邊形效應(yīng)，槽輪在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)槽孔與鏈節(jié)切入嚙合處，銷軸、滾子及套筒等結(jié)構(gòu)會(huì)受到?jīng)_擊，容易產(chǎn)生疲勞破損和裂紋。槽輪的齒數(shù)與鏈傳動(dòng)的速度相關(guān)，齒數(shù)少，鏈速不均勻[5]；齒數(shù)過多，易造成受力強(qiáng)度不足。鏈板的節(jié)距大，產(chǎn)生的沖擊力也增大；節(jié)距過小，則難以承受偏載和滿載時(shí)的負(fù)荷。因此，各傳動(dòng)部件的合理設(shè)計(jì)對(duì)鏈傳動(dòng)乃至整個(gè)提升系統(tǒng)的工作平穩(wěn)、高效運(yùn)行影響極大。

垂直循環(huán)停車庫的運(yùn)行形式為低速鏈傳動(dòng)，重載工況下其失效位置多發(fā)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(jù)當(dāng)前常見中小型轎車的類型和參數(shù)，設(shè)定相關(guān)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)如下：車身長(zhǎng)≤5 m，車寬≤1.9 m，車高≤1.6 m，車質(zhì)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(gè)存車托架自身質(zhì)量為150 kg，滿載時(shí)提升鏈條的承重為 （2 000+150）×12×9.8=252 084 N，極限偏載時(shí)提升鏈條的承重為（2 000+150）×6×9.8=126 420 N，勻速運(yùn)行速度為8 m·min-1。

2 傳動(dòng)系統(tǒng)關(guān)鍵部件分析

2.1 銷軸的設(shè)計(jì)與受力分析

對(duì)鏈條銷軸的尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)。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(yīng)力。若銷軸的最大剪切應(yīng)力大于其許用剪切應(yīng)力，則銷軸易發(fā)生剪切斷裂。為此，必須先對(duì)其進(jìn)行受力計(jì)算及分析，繼而設(shè)計(jì)鏈板、槽輪等其他關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)?？紤]調(diào)質(zhì)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(diǎn)，可作為銷軸材料。40Cr 的許用剪切應(yīng)力為211 MPa。銷軸承受的最大剪切應(yīng)力應(yīng)小于許用剪切應(yīng)力τmax。設(shè)直徑為d，最大剪力為Fs，即車庫處于極限偏載時(shí)的重力取130 000 N，取安全系數(shù)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(shè)計(jì)與受力分析

當(dāng)車庫滿載即12 個(gè)存取車架全部裝載車輛時(shí)，主提升鏈條受到的拉力最大，故在設(shè)計(jì)時(shí)主要分析滿載工況下鏈條承受的牽引力與重力，計(jì)算鏈板的等效應(yīng)力和應(yīng)變。鏈板全部采用非標(biāo)500 mm 長(zhǎng)節(jié)距，尺寸為610 mm×110 mm×19 mm，材質(zhì)為35CrMo 的合金鋼板，密度為7.85 g·cm-3，抗拉強(qiáng)度為980 MPa， 屈服強(qiáng)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(shè)計(jì)如圖4（a）所示。對(duì)鏈板模型添加材料、約束條件及載荷，劃分網(wǎng)格（鏈板孔及相鄰區(qū)域劃分得更?。M(jìn)行有限元計(jì)算及分析，由此得到鏈板受到的最大應(yīng)力為407 MPa，位于鏈板與銷軸的接觸面區(qū)域，安全系數(shù)為2.05，高于常用安全系數(shù)1.5，最大位移為0.046 mm（如圖4（b）所示），最大等效應(yīng)變?yōu)?.001 57，均在規(guī)定范圍內(nèi)，故鏈板滿足工作強(qiáng)度要求。

2.3 槽輪的受力分析與改進(jìn)

鏈輪通過傳動(dòng)軸驅(qū)動(dòng)槽輪旋轉(zhuǎn)，槽輪的4 個(gè)徑向槽在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中不斷與導(dǎo)軌鏈條上的銷軸嵌入和脫離，通過槽孔內(nèi)接觸面的擺動(dòng)推移帶動(dòng)提升鏈條在導(dǎo)軌內(nèi)循環(huán)往復(fù)運(yùn)動(dòng)。因存車托架在整體框架的左右側(cè)對(duì)稱分布，前后提升鏈條同時(shí)工作，在偏載工況時(shí)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(guān)系公式計(jì)算槽輪的厚度為鏈條銷軸的1.5 倍，即 60 mm。采用有限元對(duì)槽輪三維模型進(jìn)行靜力學(xué)分析，材料選型45#鋼，密度設(shè)為7 890 kg·m-3，屈服強(qiáng)度為355 MPa，彈性模量為209 GPa，泊松比為0.269。使槽輪內(nèi)孔固定，在下側(cè)兩個(gè)相鄰槽孔的受力面上逆時(shí)針施加垂直曲面的作用力130 000 N。將不受力的兩個(gè)上側(cè)輪片網(wǎng)格劃分為一般精度，在受力面附近區(qū)域的網(wǎng)格劃分為精細(xì)，然后進(jìn)行求解，結(jié)果如圖5 所示。槽輪與鏈條銷軸作用的最大應(yīng)力為149.5 MPa，最小安全系數(shù)為2.4，位于槽孔最小半徑內(nèi)圓周處，小于材料屈服強(qiáng)度。最大剛度變形位移為0.3 mm，應(yīng)變值為5.45×10-4，位于槽孔邊緣。形變及位移相對(duì)整體尺寸非常小，且在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定范圍內(nèi)，故槽輪的結(jié)構(gòu)及尺寸滿足設(shè)計(jì)要求。

2.4 T 鏈板的設(shè)計(jì)與受力分析

T 鏈板用于連接各車位的存車托架，結(jié)構(gòu)模型如圖6（a）所示。它在運(yùn)行過程中主要承受單個(gè)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(fā)生變化。當(dāng)處于頂部、底部及兩側(cè)位置時(shí)，變化較大。存放車輛時(shí)，存車架作用于T 鏈板上的拉力為2 150 kgf，做有限元分析時(shí)取2 500 kgf，采用Q345 鋼材，材料屈服點(diǎn)為345 MPa，抗拉強(qiáng)度為490 ～620 MPa。圖6（b）為T 鏈板與存車托架連接處運(yùn)行至車庫底部時(shí)的靜應(yīng)力分析結(jié)果?？梢?，T 鏈板的最大等效應(yīng)力為169.6 MPa，遠(yuǎn)小于材料的抗拉強(qiáng)度，安全系數(shù)為2.03，大于常用安全系數(shù)1.5，最大等效應(yīng)變?yōu)?.001 3，滿足使用性能要求。

3 車庫運(yùn)行情況與討論

經(jīng)計(jì)算和有限元校核，驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的鏈傳動(dòng)關(guān)鍵部件符合在最大負(fù)載下的強(qiáng)度要求，并以此設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，研發(fā)如圖7 所示的垂直循環(huán)車庫。需要說明的是，上述分析僅對(duì)車庫部件在靜態(tài)受力情況下進(jìn)行簡(jiǎn)化分析。在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，車庫以不同速度、不同工況運(yùn)行至循環(huán)提升系統(tǒng)的不同位置時(shí)，各部件的受力情況較為復(fù)雜。如存取時(shí)車架運(yùn)動(dòng)至車庫底部的弧線導(dǎo)軌，由于運(yùn)動(dòng)軌跡的改變?nèi)菀讓?dǎo)致載車托架產(chǎn)生較大晃動(dòng)，需要對(duì)裝配體進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真與模態(tài)分析，以減少切換沖擊。由于傳動(dòng)系統(tǒng)長(zhǎng)期處于低速、重載工況下作業(yè)，在循環(huán)應(yīng)力作用下，應(yīng)進(jìn)一步研究各部件的疲勞壽命。

4 結(jié)語

垂直循環(huán)立體車庫采用鏈傳動(dòng)方式，運(yùn)行速度低，沖擊小，傳動(dòng)力矩較為固定，平穩(wěn)性良好。本文建立了7 層12 車位垂直循環(huán)停車庫的虛擬樣機(jī)模型，并對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件進(jìn)行了設(shè)計(jì)和受力分析，采用計(jì)算機(jī)有限元分析方法對(duì)鏈板、槽輪、T 鏈板進(jìn)行了強(qiáng)度校核。結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的部件均滿足強(qiáng)度要求，為車庫的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了理論參考。由于車庫在不同工況運(yùn)行時(shí)受力復(fù)雜，后續(xù)須進(jìn)行動(dòng)態(tài)受力分析。此外，整體設(shè)備運(yùn)行時(shí)還涉及到存車托架之間的運(yùn)動(dòng)干涉、鋼結(jié)構(gòu)框架的靜態(tài)與動(dòng)態(tài)受力分析以及安全評(píng)估等問題，有待后續(xù)進(jìn)一步研究。