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(huán)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。
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)由驅動機構和傳動機構組成;循環(huán)系統(tǒng)由導軌等零件組成。結構框架如圖1所示。
圖1 垂直循環(huán)立體車庫結構框架
該類車庫可根據(jù)實際需求靈活設置層數(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。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(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,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(yōu)先升降復位”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,控制升降機構操作,目標車到出口,司機上車,進車,出車,結束取車過程。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(huán)式立體車庫
升降系統(tǒng)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(huán)運動,實現(xiàn)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(wěn)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(jié)距為p=76.20 mm。每米質量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
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(fā)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(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
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(tǒng)。
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(huán)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(huán)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。
循環(huán)系統(tǒng)負責帶動托盤做循環(huán)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(fā)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(huán)立體車庫的循環(huán)系統(tǒng)
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
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(guī)范。由等效應力圖7可知,該載車板存在應力集中現(xiàn)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?yōu)?.127 1 mm,屬于小變形,滿足載車板的變形許可條件。
圖7 載車板等效應力分布
圖8 載車板等效應變分布
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(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(xiàn)在鏈輪齒圈處,可以判斷當鏈輪因鏈條運動而產(chǎn)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(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、應變和應力[8]。導入模型,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(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
本文設計了一種垂直循環(huán)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(tài)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(yōu)化結構,避免長期工作造成軸向跳動,磨損加劇。