垂直循環立體車庫傳動分析及設計要點探析

張偉文 郭聯金 李會玲 周晶

（東莞職業技術學院，廣東 東莞 523808）

1 概述

垂直循環類停車設備是指載有車輛的載車臺（含載車板）在垂直面內作循環運動的停車設備。該設備的機械結構由主框架、載車臺和相關傳動系統組成，電氣部包括驅動電機、控制系統、安全和檢測系統[1,2]。

垂直循環停車系統框架如圖1 所示。該類車庫層數一般為4-11 層。一個n 層的垂直車庫僅占用2 個停車位，能提供的車位數為（n-1）*2。車庫主框架為鋼結構，搭建施工較為快捷，快速搭建一個車庫的施工時間只需要數天時間。垂直循環車庫的存取運作較為簡便，占地面積少，空間利用率高，施工快，優點突出，目前立體垂直循環車庫已在很多城市得到了廣泛的應用。

圖1 垂直循環停車系統框架

立體車庫作為特種裝備，保證設備安全是設計的關鍵[3-5]。據統計(見圖2)，影響車主使用車庫的最大因素是對車庫設備安全性和設備可操作性[6]。在這些影響因素中，對安全性的顧慮是最多的，可見安全性是影響立體循環車庫推廣的主要因素。《垂直循環類機械式停車設備》行業標準JBT 10215-2020 制定了該類車庫設計實施的基本要求，標準中包括整機性能，制造，結構，試驗及調試等細節參數及要求。由于各類原因，立體車庫在使用過程中，曾出現了多起立體車庫使用事故[7-9]。事故中不僅導致車輛損毀，甚至有人員的傷亡的情況出現。事故的原因有人為的原因，也有設計上的原因。為了避免事故的發生，應盡量提高車庫系統的安全冗余和穩定。安全和穩定依然是立體循環車庫系統日后改進的重點。

圖2 車主顧慮因素

2 垂直循環車庫的傳動系統

垂直循環車庫通過含載車板的載車臺裝載車輛，車輛隨車臺在垂直循環機構中運動。垂直循環車庫常用的循環提升機械結構為獨立框架式+撥叉式槽輪傳動或鏈輪傳動。鏈板安裝在主框架的軌道上，鏈輪安裝在主框架。鏈輪和鏈板的連接如圖3 所示。機構運動時，鏈輪驅動鏈板間的滾子，帶動鏈板在軌道循環運動。提升鏈板是個三角形的鋼板，底邊作為鏈板連接，另一端的安裝孔聯接載車臺。載車臺則通過中心橫軸安裝在前后兩端的提升鏈板的安裝孔中。

圖3 提升鏈輪傳動

車庫整個運動機構結構見圖4。電動機先通過減速機減速，然后再經過鏈條傳動進一步減速后帶動鏈輪驅動鏈板在框架軌道中循環運動。

圖4 垂直車庫的傳動示意圖

3 傳動系統的振動分析

循環車庫傳動系統運行時會產生各類振動。主要原因包括裝配精度，鏈傳動會導致傳動速度的不均勻性，電動機的啟動時的沖擊及載車臺的吊籃結構導致的擺動等。

車庫傳動機構中含有一個標準鏈傳動及一個工作在軌道中的非標鏈傳動。兩個鏈傳動由于多邊形效應都會導致傳動的速度不均勻。不過鏈傳動的速度不均勻性很小，對車庫運行的影響不大。

電動機啟動時具有較大的轉矩，對整個傳動系統有很大的沖擊。如圖5 所示異步電動機的啟動機械特性圖，電機的啟動是從較大的轉矩開始運行的，電機啟動后會先繼續加大轉矩，然后再降低轉矩運行在工作轉矩處。由于電機的啟動特征，車庫調動車輛時，可以人為聽到啟動沖擊的聲音，也能感受到整個傳動平臺受到沖擊。

圖5 電機啟動機械特性

載車臺的運動過程中，最底層的車廂和最頂層的載車臺振動是最大的。車庫不運作時，載車臺吊裝在中心橫軸，靠底部重力實現左右平衡。車庫運作時，底部和頂部車廂受到提升鏈板的橫向力（如圖6 所示），橫軸和載車臺是鉸鏈連接，在橫向力的作用下，載車臺會左右晃動。為了了解載車臺的受力情況，本文在載車臺上安裝加速度傳感器，記錄了載車臺底部水平啟動至垂直平穩運行時的加速度變化。傳感器安裝在載車臺的下方中間處，如圖6 所示位置1。

圖6 加速度檢測位置

整個檢測分兩個階段，第一階段為由底部上升下一位置（0-40 秒），第二階段由剛才位置下降至底部（40-80 秒）。圖7 是記錄下來的水平橫向（X 向）的加速度變化圖，圖8 是記錄沿重力垂直方向（Z 向）的加速度變化。從圖7 中可見，啟動時，底部載車臺X 向受到最大3g 的加速度。底部位置受力后，車廂產生擺動，受力的振動頻率約為1Hz，啟動上升階段振動時間約15 秒，下降停止階段振動時間約為8 秒。垂直往下運動時，橫向運動加速度則較小。圖8 為垂直方向的加速度圖，其啟動受力加速達到3g-6g，變化較為隨機。可見剛啟動及停止階段會受到較大的沖擊，底部位置由于吊籃沒有緩沖措施，載車臺受到會震蕩搖擺，且時間較長。

圖7 載車臺橫向加速度

圖8 載車臺垂直向加速度

4 討論

傳動系統的振動會影響車庫的安全及使用壽命，例如載車臺的擺動會傳動到整個傳動系統，長久的沖擊也會引起疲勞，降低機械部件的使用壽命。此外，振動對車輛也會有影響，車庫底部載車臺上的車輛在啟動時會收到教大的橫向沖擊，并且會有輕微搖晃，由于車輛的設計主要是作前后運動的，橫向沖擊會對其機械結構有一定的影響，應盡量減少較少橫向的沖擊。垂直循環車庫應盡量減少沖擊，通過機械或電氣上的調整，可以進一步提高車庫的系統壽命和安全性。常見的方法有機械結構上的調整和電氣控制上的改進。

機械結構方面：可以增大系統的剛性，提高系統的穩定性；采用較為柔性的機械連接，例如用蛇形聯軸器聯，降低電機啟動時的沖擊。另外，載車臺應避免擺動振動，可以底部和頂部安裝吸能裝置，減少啟動時的橫向沖擊導致的擺動。

電氣控制方面：可以采用電氣調速措施，降低啟動轉矩，避免大的沖擊。

此外，機械系統中，涉及安全的關鍵零部件應增加冗余安全設計。車庫的前面幾個傳動環節，都具有一定的安全冗余，單個零件的失效，安全隱患不大。但傳動系統最后階段，三角板和中心橫軸的聯接十分重要。這里涉及主要的受力部件包括三角板，鏈條板及車廂回轉軸。鏈條板一般設計為雙層，鏈條板和三角板的鏈接也是雙點聯接，均具有一定的安全冗余，不過載車臺中心橫軸和三角板的連接是單路連接。如若三角板連接處發生斷裂，載車臺則可能會掉落，引起安全事故。為了提高安全性，可以增加車廂本體和轉載鏈條的保險連接，避免單路聯接，增加安全冗余。

5 結果

垂直循環停車系統的傳動系統是停車系統安全性的關鍵。本文研究了垂直循環停車系統的常見傳動設計，先從各個傳動環節分析其工作特性，然后根據載車臺的加速度變化分析載車臺的振動。研究發現，傳動系統中電機的啟動沖擊及載車臺的吊籃結構是造成系統振動的主要原因。加速度檢測數據顯示，底層車廂橫向移動時上下及左右方向均有較大振動，且橫向有反復震蕩。針對此，本文提出了機械結構或電氣控制兩個方面的改進措施。此外，立體垂直循環車庫的三角板及車廂聯接處可增加機械聯接，增加了安全冗余度，提高了車庫的可靠性。