垂直循環(huán)式立體停車設(shè)備鏈傳動(dòng)穩(wěn)定性分析

謝亮 魏大城 楊嘉斌 徐濤

摘要：針對(duì)垂直循環(huán)立體停車設(shè)備在傳動(dòng)過(guò)程中存在明顯的傳動(dòng)過(guò)程不平穩(wěn)的問(wèn)題，選取了垂直循環(huán)式立體停車設(shè)備的鏈傳動(dòng)部分進(jìn)行分析。鏈條傳動(dòng)過(guò)程中的產(chǎn)生多邊形效應(yīng)以及鏈輪鏈條的嚙合沖擊是造成鏈傳動(dòng)不平穩(wěn)的原因，提出了通過(guò)減小主動(dòng)輪的傳動(dòng)角速度和增加傳動(dòng)鏈輪齒數(shù)的方式來(lái)提高傳動(dòng)過(guò)程中的穩(wěn)定性，并通過(guò)仿真分析驗(yàn)證了鏈傳動(dòng)的特性與理論分析結(jié)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(guān)鍵詞：循環(huán)式立體車庫(kù);鏈傳動(dòng);多邊形效應(yīng);穩(wěn)定性

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

中圖分類號(hào)：U473? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2020）21-0191-02

0? 引言

面對(duì)的停車難的問(wèn)題，垂直循環(huán)式立體車庫(kù)充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，解決了城市中存在的停車問(wèn)題。但在實(shí)際傳動(dòng)系統(tǒng)的噪聲很大，其噪聲主要來(lái)源于鏈傳動(dòng)的不平穩(wěn)性[1]。鏈傳動(dòng)的不平穩(wěn)性使得垂直循環(huán)式立體停車設(shè)備存在一定安全隱患。梁志民[2]通過(guò)對(duì)輸送鏈的結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)特性、動(dòng)力學(xué)特性等方面建立動(dòng)力學(xué)模型分析鏈傳動(dòng)過(guò)程中多邊形效應(yīng)，探討摩擦系數(shù)、系統(tǒng)剛度等因素，減少摩擦對(duì)系統(tǒng)平穩(wěn)性的影響。覃維獻(xiàn)[3]以多體動(dòng)力學(xué)理論為基礎(chǔ)建立鏈傳動(dòng)系統(tǒng)橫向振動(dòng)動(dòng)力學(xué)模型，考慮鏈條傳動(dòng)過(guò)程中張力和慣性因素的影響，對(duì)不同邊界條件下鏈傳動(dòng)的橫向振動(dòng)開展了研究。王勇[4]利用ANSYS對(duì)齒形鏈的緊邊鏈條進(jìn)行固有頻率的分析，建立齒形鏈傳動(dòng)有限元模型，模擬了齒形鏈條的橫向振動(dòng)，避免鏈傳動(dòng)過(guò)程中發(fā)生共振。本文對(duì)停車設(shè)備滿載啟動(dòng)至循環(huán)運(yùn)行的工況下進(jìn)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(huán)式立體停車設(shè)備的平穩(wěn)性提供理論參考。

1? 鏈傳動(dòng)的運(yùn)動(dòng)分析

垂直循環(huán)式立體停車設(shè)備的主要結(jié)構(gòu)該設(shè)備主要由提升鏈系統(tǒng)、框架鋼結(jié)構(gòu)、載車吊籃三部分組成。整個(gè)提升運(yùn)動(dòng)過(guò)程中由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)兩個(gè)完全相同的鏈輪實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)，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(diào)節(jié)鏈條松緊程度的螺栓，來(lái)保證提升鏈條的張緊程度，保證鏈條的傳動(dòng)效率與安全性以此來(lái)實(shí)現(xiàn)車輛存取過(guò)程。

垂直循環(huán)式立體車庫(kù)的鏈傳動(dòng)系統(tǒng)是可以簡(jiǎn)化成多邊形的一部分。當(dāng)一個(gè)齒數(shù)為Z1的主動(dòng)輪以角速度？棕1轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)：

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(dòng)的過(guò)程中即使主動(dòng)的角速度？棕1不發(fā)生變化，但由于傳動(dòng)過(guò)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(xiàn)不可避免沖擊不平穩(wěn)現(xiàn)象。

鏈條在水平方向上的加速度為：

（3）

采用不均勻系數(shù)K來(lái)表示線速度的變化：

（4）

根據(jù)公式（4）可以得出，體現(xiàn)鏈傳動(dòng)過(guò)程相對(duì)應(yīng)的系數(shù)K與鏈輪的齒數(shù)相關(guān)，當(dāng)齒數(shù)變多時(shí)，鏈條的速度變化過(guò)程就越小。因此可以通過(guò)增加鏈輪齒數(shù)來(lái)減少傳動(dòng)過(guò)程的多邊形效應(yīng)從而提高垂直循環(huán)式立體車庫(kù)運(yùn)行的平穩(wěn)性。

2? 基于solidworks的仿真分析

2.1 鏈傳動(dòng)的虛擬樣機(jī)模型

鏈傳動(dòng)系統(tǒng)中的各個(gè)鏈節(jié)作為剛體進(jìn)行分析，首先將鏈條離散化成為有限個(gè)單鏈節(jié)，再將各個(gè)鏈節(jié)單元通過(guò)柔性連接力進(jìn)行連接，從而構(gòu)架形成鏈條整體[5]。在motion模塊中設(shè)定運(yùn)動(dòng)學(xué)約束、力載荷、定義鏈單元之間的連接參數(shù)（剛度系數(shù)、阻尼參數(shù)、預(yù)緊力）裝配成仿真模型（如圖1所示），并通過(guò)step函數(shù)驅(qū)動(dòng)主動(dòng)鏈輪的驅(qū)動(dòng)角速度由零逐漸增加到固定值[6]。

2.2 仿真結(jié)果分析

仿真采用的主要參數(shù)設(shè)定如下：主動(dòng)鏈輪的節(jié)圓半徑為1m，從動(dòng)鏈輪與主動(dòng)鏈輪采用完全一樣參數(shù)實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)比為1的鏈條傳動(dòng)。外伸鏈板的長(zhǎng)度為0.6m，定義主動(dòng)鏈輪的轉(zhuǎn)動(dòng)速度為1rad/s，可理論上計(jì)算出外伸鏈板的速度為167mm/s考慮到計(jì)算速率和計(jì)算機(jī)性能等因素設(shè)置整個(gè)仿真運(yùn)行時(shí)間為10s，由于各鏈條在整個(gè)傳動(dòng)周期中受力相同，任取其中一個(gè)鏈節(jié)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(nèi)，鏈輪處于啟動(dòng)狀態(tài)，提升速度出現(xiàn)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(dòng)下由開始的松弛狀態(tài)逐漸變成張緊狀態(tài)，外伸鏈板上掛載的載車吊籃，在這個(gè)過(guò)程中一直處于靜止，直到鏈條隨著鏈輪的轉(zhuǎn)動(dòng)受力逐漸增大，當(dāng)鏈條的受力達(dá)到載車吊藍(lán)的重力值開始出現(xiàn)位移，隨后在整個(gè)鏈條的拉力作用下，外伸鏈板帶動(dòng)著載車吊籃做循環(huán)往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

鏈傳動(dòng)在工作時(shí)，對(duì)鏈輪軸的作用力是變化的動(dòng)載荷，其原因是從動(dòng)輪的角加速度是變化的，所以從動(dòng)輪及與其相聯(lián)接的質(zhì)量也將具有不均勻的回轉(zhuǎn)加速度，由于回轉(zhuǎn)質(zhì)量的加速和減速，從而產(chǎn)生了動(dòng)載荷，其大小與回轉(zhuǎn)質(zhì)量和加速度的大小有密切關(guān)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(dòng)輪的角速度將會(huì)影響到鏈傳動(dòng)系統(tǒng)過(guò)程的加速度變化，鏈的角速度越小其對(duì)應(yīng)的加速度就越小。

鏈傳動(dòng)系統(tǒng)中鏈條傳動(dòng)時(shí)所受的張力呈一定的變化規(guī)律，通過(guò)張力的變化過(guò)程側(cè)面反映了鏈條在傳動(dòng)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)受力情況。將主動(dòng)鏈輪的角速度分別減小和增大50%觀察傳動(dòng)過(guò)程中角速度對(duì)張力的影響，仿真的結(jié)果如圖3所示，可以看出主動(dòng)輪的角速度越小，傳動(dòng)過(guò)程中引發(fā)的動(dòng)載荷波動(dòng)就越小，傳動(dòng)過(guò)程就愈發(fā)平穩(wěn);角速度越大，鏈輪與鏈節(jié)傳動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的作用力變化幅度就越大。

將主動(dòng)鏈輪的齒數(shù)改變后鏈傳動(dòng)受力變化如圖4所示，隨著齒數(shù)的增加，傳動(dòng)過(guò)程中引發(fā)的動(dòng)載荷的波動(dòng)幅度就越小，但齒數(shù)對(duì)鏈輪鏈條傳動(dòng)過(guò)程中的作用力的大小的影響不大，可見通過(guò)增大傳動(dòng)鏈輪的齒數(shù)可以減小傳動(dòng)過(guò)程中的嚙合沖擊，提高傳動(dòng)過(guò)程的平穩(wěn)性。

3? 結(jié)論

垂直循環(huán)式立體停車設(shè)備鏈傳動(dòng)的穩(wěn)定性對(duì)車庫(kù)的運(yùn)行非常重要，運(yùn)用Solidworks對(duì)鏈傳動(dòng)的多邊形效應(yīng)進(jìn)行了模擬仿真分析，得到了以下結(jié)論：在鏈傳動(dòng)的過(guò)程中，即使主動(dòng)輪的角速度保持不變，從動(dòng)輪的角速度也是在不斷的變化的;提高鏈傳動(dòng)的平穩(wěn)性可以從減小多邊形效應(yīng)的方面進(jìn)行考慮，可以通過(guò)減小主動(dòng)輪的角速度以及增加鏈輪的齒數(shù)來(lái)減小多邊形效應(yīng)從而提高傳動(dòng)平穩(wěn)性。

參考文獻(xiàn)：

[1]汪爽，石志良，萬(wàn)林祥.垂直循環(huán)立體車庫(kù)鏈傳動(dòng)穩(wěn)定性研究[J].起重運(yùn)輸機(jī)械，2017（03）：43-46.

[2]梁志民，安宗文，李朝暉.輸送鏈運(yùn)行平穩(wěn)性分析[J].起重運(yùn)輸機(jī)械，2003（02）：18-20.

[3]覃維獻(xiàn).滾子鏈傳動(dòng)橫向振動(dòng)穩(wěn)定性分析[J].機(jī)械傳動(dòng)，2010，34（08）：79-82，91.

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

[5]陶東波，何超，樊新波，庹前進(jìn).基于RecurDyn的鏈傳動(dòng)動(dòng)態(tài)特性模擬研究[J].機(jī)械強(qiáng)度，2017，39（04）：986-990.

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

[7]曹野.垂直循環(huán)型停車設(shè)備運(yùn)動(dòng)學(xué)特征及關(guān)鍵部件的力學(xué)特性[D].遼寧工程技術(shù)大學(xué)，2017.