垂直循環式立體停車設備鏈傳動穩定性分析

謝亮 魏大城 楊嘉斌 徐濤

摘要：針對垂直循環立體停車設備在傳動過程中存在明顯的傳動過程不平穩的問題，選取了垂直循環式立體停車設備的鏈傳動部分進行分析。鏈條傳動過程中的產生多邊形效應以及鏈輪鏈條的嚙合沖擊是造成鏈傳動不平穩的原因，提出了通過減小主動輪的傳動角速度和增加傳動鏈輪齒數的方式來提高傳動過程中的穩定性，并通過仿真分析驗證了鏈傳動的特性與理論分析結果具有一致性。

Abstract： Iin view of the obvious unstable transmission process in the transmission process of vertical circulation stereo parking equipment， the chain transmission part of vertical circulation stereo parking equipment is selected for analysis. The polygonal effect and the meshing impact of chain drive are the reasons for the instability of chain drive. The stability of transmission process is improved by reducing the transmission angular speed of driving wheel and increasing the number of teeth of driving sprocket. The simulation results verify that the characteristics of chain drive are consistent with the theoretical analysis results.

關鍵詞：循環式立體車庫;鏈傳動;多邊形效應;穩定性

Key words： circulation stereo garage;chain drive;polygonal effect;stability

中圖分類號：U473? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2020）21-0191-02

0? 引言

面對的停車難的問題，垂直循環式立體車庫充分發揮其優勢，解決了城市中存在的停車問題。但在實際傳動系統的噪聲很大，其噪聲主要來源于鏈傳動的不平穩性[1]。鏈傳動的不平穩性使得垂直循環式立體停車設備存在一定安全隱患。梁志民[2]通過對輸送鏈的結構、運動特性、動力學特性等方面建立動力學模型分析鏈傳動過程中多邊形效應，探討摩擦系數、系統剛度等因素，減少摩擦對系統平穩性的影響。覃維獻[3]以多體動力學理論為基礎建立鏈傳動系統橫向振動動力學模型，考慮鏈條傳動過程中張力和慣性因素的影響，對不同邊界條件下鏈傳動的橫向振動開展了研究。王勇[4]利用ANSYS對齒形鏈的緊邊鏈條進行固有頻率的分析，建立齒形鏈傳動有限元模型，模擬了齒形鏈條的橫向振動，避免鏈傳動過程中發生共振。本文對停車設備滿載啟動至循環運行的工況下進行仿真，得到在此工況下鏈輪角速度、外伸鏈板速度、鏈條張力等信息，從而為提高垂直循環式立體停車設備的平穩性提供理論參考。

1? 鏈傳動的運動分析

垂直循環式立體停車設備的主要結構該設備主要由提升鏈系統、框架鋼結構、載車吊籃三部分組成。整個提升運動過程中由電動機帶動兩個完全相同的鏈輪實現轉動，鏈輪與鏈條相互嚙合每間隔一段距離安裝一塊三角連接板。鏈輪上端有調節鏈條松緊程度的螺栓，來保證提升鏈條的張緊程度，保證鏈條的傳動效率與安全性以此來實現車輛存取過程。

垂直循環式立體車庫的鏈傳動系統是可以簡化成多邊形的一部分。當一個齒數為Z1的主動輪以角速度？棕1轉動時：

鏈條水平方向的線速度為：

（1）

鏈條垂直方向的線速度為：

（2）

在鏈傳動的過程中即使主動的角速度？棕1不發生變化，但由于傳動過程中鏈的水平速度和垂直速度的快慢是呈周期性變化的，從而出現不可避免沖擊不平穩現象。

鏈條在水平方向上的加速度為：

（3）

采用不均勻系數K來表示線速度的變化：

（4）

根據公式（4）可以得出，體現鏈傳動過程相對應的系數K與鏈輪的齒數相關，當齒數變多時，鏈條的速度變化過程就越小。因此可以通過增加鏈輪齒數來減少傳動過程的多邊形效應從而提高垂直循環式立體車庫運行的平穩性。

2? 基于solidworks的仿真分析

2.1 鏈傳動的虛擬樣機模型

鏈傳動系統中的各個鏈節作為剛體進行分析，首先將鏈條離散化成為有限個單鏈節，再將各個鏈節單元通過柔性連接力進行連接，從而構架形成鏈條整體[5]。在motion模塊中設定運動學約束、力載荷、定義鏈單元之間的連接參數（剛度系數、阻尼參數、預緊力）裝配成仿真模型（如圖1所示），并通過step函數驅動主動鏈輪的驅動角速度由零逐漸增加到固定值[6]。

2.2 仿真結果分析

仿真采用的主要參數設定如下：主動鏈輪的節圓半徑為1m，從動鏈輪與主動鏈輪采用完全一樣參數實現傳動比為1的鏈條傳動。外伸鏈板的長度為0.6m，定義主動鏈輪的轉動速度為1rad/s，可理論上計算出外伸鏈板的速度為167mm/s考慮到計算速率和計算機性能等因素設置整個仿真運行時間為10s，由于各鏈條在整個傳動周期中受力相同，任取其中一個鏈節作為參考分析其受力情況[7]。

外伸鏈板的速度變化如圖2所示，在0-3秒內，鏈輪處于啟動狀態，提升速度出現跳躍性驟然上升，其中的最大值接近500mm/s，鏈條在鏈輪的帶動下由開始的松弛狀態逐漸變成張緊狀態，外伸鏈板上掛載的載車吊籃，在這個過程中一直處于靜止，直到鏈條隨著鏈輪的轉動受力逐漸增大，當鏈條的受力達到載車吊藍的重力值開始出現位移，隨后在整個鏈條的拉力作用下，外伸鏈板帶動著載車吊籃做循環往復運動。

鏈傳動在工作時，對鏈輪軸的作用力是變化的動載荷，其原因是從動輪的角加速度是變化的，所以從動輪及與其相聯接的質量也將具有不均勻的回轉加速度，由于回轉質量的加速和減速，從而產生了動載荷，其大小與回轉質量和加速度的大小有密切關系，鏈的加速度越大，鏈條的張力也越大。

鏈條的加速度為：

（5）

由公式（5）可得主動輪的角速度將會影響到鏈傳動系統過程的加速度變化，鏈的角速度越小其對應的加速度就越小。

鏈傳動系統中鏈條傳動時所受的張力呈一定的變化規律，通過張力的變化過程側面反映了鏈條在傳動過程中的動態受力情況。將主動鏈輪的角速度分別減小和增大50%觀察傳動過程中角速度對張力的影響，仿真的結果如圖3所示，可以看出主動輪的角速度越小，傳動過程中引發的動載荷波動就越小，傳動過程就愈發平穩;角速度越大，鏈輪與鏈節傳動時產生的作用力變化幅度就越大。

將主動鏈輪的齒數改變后鏈傳動受力變化如圖4所示，隨著齒數的增加，傳動過程中引發的動載荷的波動幅度就越小，但齒數對鏈輪鏈條傳動過程中的作用力的大小的影響不大，可見通過增大傳動鏈輪的齒數可以減小傳動過程中的嚙合沖擊，提高傳動過程的平穩性。

3? 結論

垂直循環式立體停車設備鏈傳動的穩定性對車庫的運行非常重要，運用Solidworks對鏈傳動的多邊形效應進行了模擬仿真分析，得到了以下結論：在鏈傳動的過程中，即使主動輪的角速度保持不變，從動輪的角速度也是在不斷的變化的;提高鏈傳動的平穩性可以從減小多邊形效應的方面進行考慮，可以通過減小主動輪的角速度以及增加鏈輪的齒數來減小多邊形效應從而提高傳動平穩性。

參考文獻：

[1]汪爽，石志良，萬林祥.垂直循環立體車庫鏈傳動穩定性研究[J].起重運輸機械，2017（03）：43-46.

[2]梁志民，安宗文，李朝暉.輸送鏈運行平穩性分析[J].起重運輸機械，2003（02）：18-20.

[3]覃維獻.滾子鏈傳動橫向振動穩定性分析[J].機械傳動，2010，34（08）：79-82，91.

[4]王勇，朱冬偉，薛云娜.齒形鏈傳動的模態仿真分析[J].機械傳動，2007（06）：70-71，75，116.

[5]陶東波，何超，樊新波，庹前進.基于RecurDyn的鏈傳動動態特性模擬研究[J].機械強度，2017，39（04）：986-990.

[6]閆思江，孫莉莉，陳春光，閆晗.鏈傳動仿真及其動載荷分析[J].機械工程自動化，2016（01）：62-63，65.

[7]曹野.垂直循環型停車設備運動學特征及關鍵部件的力學特性[D].遼寧工程技術大學，2017.