垂直循环立体停车库传动部件的设计与分析

郭联金 张伟文 李会玲 林冰华

（1.东莞职业技术学院 智能制造学院，东莞 523808；2.广东伟创五洋智能设备有限公司，东莞 523662）

近年来城乡居民汽车保有量增加迅猛，交通拥堵和停车难的问题成为很多地方的顽疾。垂直循环立体停车库因其占地小、投入小、建设快而得到大面积推广。垂直循环式立体停车库是载车托架通过链传动在竖直方向上做循环运动以实现存车和取车的设备。它的基本结构为钢构框架、动力装置、传动系统、电控系统及其他辅助结构[1]。目前，很多企业仍采用传统的机械产品设计研发方式，依靠工程经验、公式计算和样机测试获得实验数据，经过反复修改才能设计出机械零部件，并组装、搭建成车库产品和投入市场使用，存在停车设备研发周期长、技术创新性不足以及材料浪费多等问题[2]。

计算机有限元法分析利用计算机对任意形状的复杂几何体进行“离散逼近”的高效处理，通过“化简为繁”以获取外力作用下变形体的应力、形变等力学特征和结构性能[3]，为停车库的结构设计与优化改进提供了科学手段，可避免传统工程设计的盲目性[4]。传动系统的部件设计对于车库的受力强度、运行稳定性、安全性及效率至关重要。本文主要采用有限元分析方法，对垂直循环立体车库的关键部件链板、T 链轮、槽轮进行建模和静态受力分析，提出传动系统的改进设计方案。

1 车库传动系统的组成及原理

垂直循环立体停车库普遍采用由非标部件构成的独特链传动方式。传动系统由交流电机驱动，通过齿轮减速机构和传动链条带动一对大小链轮转动，如 图1 所示。槽轮在与其同轴相连的大链轮的带动下，不断嵌入和拨动主提升链条上的销轴，使主提升链条带动T 链板循环往复运动，牵引着与T 链板固定的存取车架（载车吊篮）在垂直平面内沿预设轨道做升降运动。图2 为7 层12 车位垂直循环停车设备主提升链条的结构图。从图3 链传动结构的示意图可知，由于链传动的多边形效应，槽轮在转动时槽孔与链节切入啮合处，销轴、滚子及套筒等结构会受到冲击，容易产生疲劳破损和裂纹。槽轮的齿数与链传动的速度相关，齿数少，链速不均匀[5]；齿数过多，易造成受力强度不足。链板的节距大，产生的冲击力也增大；节距过小，则难以承受偏载和满载时的负荷。因此，各传动部件的合理设计对链传动乃至整个提升系统的工作平稳、高效运行影响极大。

垂直循环停车库的运行形式为低速链传动，重载工况下其失效位置多发生于承受静拉力的链条链板上，如链板或销轴断裂，滚子及套筒磨损等。根据当前常见中小型轿车的类型和参数，设定相关设计数据如下：车身长≤5 m，车宽≤1.9 m，车高≤1.6 m，车质量≤2 000 kg，车辆轮距为1.2 ～1.6 m，轴距为2.1 ～2.8 m。车库单个存车托架自身质量为150 kg，满载时提升链条的承重为 （2 000+150）×12×9.8=252 084 N，极限偏载时提升链条的承重为（2 000+150）×6×9.8=126 420 N，匀速运行速度为8 m·min-1。

2 传动系统关键部件分析

2.1 销轴的设计与受力分析

对链条销轴的尺寸进行设计。在提升存取车架过程中，销轴受到与其连接的两块链板的作用力，主要为剪切应力。若销轴的最大剪切应力大于其许用剪切应力，则销轴易发生剪切断裂。为此，必须先对其进行受力计算及分析，继而设计链板、槽轮等其他关联结构。考虑调质后的40Cr 合金钢综合性能良好，具有可承受重载、低冲击且具有耐磨性等特点，可作为销轴材料。40Cr 的许用剪切应力为211 MPa。销轴承受的最大剪切应力应小于许用剪切应力τmax。设直径为d，最大剪力为Fs，即车库处于极限偏载时的重力取130 000 N，取安全系数s为2.5。则由式（1）和式（2）可求得销轴的最小直径为44 mm，在此取45 mm。

2.2 销孔链板的设计与受力分析

当车库满载即12 个存取车架全部装载车辆时，主提升链条受到的拉力最大，故在设计时主要分析满载工况下链条承受的牵引力与重力，计算链板的等效应力和应变。链板全部采用非标500 mm 长节距，尺寸为610 mm×110 mm×19 mm，材质为35CrMo 的合金钢板，密度为7.85 g·cm-3，抗拉强度为980 MPa， 屈服强度为835 MPa，弹性模量为2.13×1011，泊松比为0.286。销轴链板的尺寸设计如图4（a）所示。对链板模型添加材料、约束条件及载荷，划分网格（链板孔及相邻区域划分得更小），进行有限元计算及分析，由此得到链板受到的最大应力为407 MPa，位于链板与销轴的接触面区域，安全系数为2.05，高于常用安全系数1.5，最大位移为0.046 mm（如图4（b）所示），最大等效应变为0.001 57，均在规定范围内，故链板满足工作强度要求。

2.3 槽轮的受力分析与改进

链轮通过传动轴驱动槽轮旋转，槽轮的4 个径向槽在转动过程中不断与导轨链条上的销轴嵌入和脱离，通过槽孔内接触面的摆动推移带动提升链条在导轨内循环往复运动。因存车托架在整体框架的左右侧对称分布，前后提升链条同时工作，在偏载工况时槽轮需要克服的载荷最大。因最大偏载载荷为130 000 N，链条销轴直径为45 mm，按照齿轮尺寸关系公式计算槽轮的厚度为链条销轴的1.5 倍，即 60 mm。采用有限元对槽轮三维模型进行静力学分析，材料选型45#钢，密度设为7 890 kg·m-3，屈服强度为355 MPa，弹性模量为209 GPa，泊松比为0.269。使槽轮内孔固定，在下侧两个相邻槽孔的受力面上逆时针施加垂直曲面的作用力130 000 N。将不受力的两个上侧轮片网格划分为一般精度，在受力面附近区域的网格划分为精细，然后进行求解，结果如图5 所示。槽轮与链条销轴作用的最大应力为149.5 MPa，最小安全系数为2.4，位于槽孔最小半径内圆周处，小于材料屈服强度。最大刚度变形位移为0.3 mm，应变值为5.45×10-4，位于槽孔边缘。形变及位移相对整体尺寸非常小，且在标准规定范围内，故槽轮的结构及尺寸满足设计要求。

2.4 T 链板的设计与受力分析

T 链板用于连接各车位的存车托架，结构模型如图6（a）所示。它在运行过程中主要承受单个存车架和车辆的重力。随着提升链条停留位置的不同的变化，其受力情况发生变化。当处于顶部、底部及两侧位置时，变化较大。存放车辆时，存车架作用于T 链板上的拉力为2 150 kgf，做有限元分析时取2 500 kgf，采用Q345 钢材，材料屈服点为345 MPa，抗拉强度为490 ～620 MPa。图6（b）为T 链板与存车托架连接处运行至车库底部时的静应力分析结果。可见，T 链板的最大等效应力为169.6 MPa，远小于材料的抗拉强度，安全系数为2.03，大于常用安全系数1.5，最大等效应变为0.001 3，满足使用性能要求。

3 车库运行情况与讨论

经计算和有限元校核，验证了所设计的链传动关键部件符合在最大负载下的强度要求，并以此设计为基础，研发如图7 所示的垂直循环车库。需要说明的是，上述分析仅对车库部件在静态受力情况下进行简化分析。在实际运行时，车库以不同速度、不同工况运行至循环提升系统的不同位置时，各部件的受力情况较为复杂。如存取时车架运动至车库底部的弧线导轨，由于运动轨迹的改变容易导致载车托架产生较大晃动，需要对装配体进行运动仿真与模态分析，以减少切换冲击。由于传动系统长期处于低速、重载工况下作业，在循环应力作用下，应进一步研究各部件的疲劳寿命。

4 结语

垂直循环立体车库采用链传动方式，运行速度低，冲击小，传动力矩较为固定，平稳性良好。本文建立了7 层12 车位垂直循环停车库的虚拟样机模型，并对传动系统的关键部件进行了设计和受力分析，采用计算机有限元分析方法对链板、槽轮、T 链板进行了强度校核。结果表明，所设计的部件均满足强度要求，为车库的结构设计提供了理论参考。由于车库在不同工况运行时受力复杂，后续须进行动态受力分析。此外，整体设备运行时还涉及到存车托架之间的运动干涉、钢结构框架的静态与动态受力分析以及安全评估等问题，有待后续进一步研究。