自行車(chē)雙層停車(chē)架中的助力機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

張 良 陶 曉

（江陰職業(yè)技術(shù)學(xué)院，無(wú)錫 214405）

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自行車(chē)雙層停車(chē)架中的助力機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

張 良 陶 曉

（江陰職業(yè)技術(shù)學(xué)院，無(wú)錫 214405）

摘 要：本文設(shè)計(jì)一種新型自行車(chē)雙層停車(chē)架，上層停車(chē)架采用垂直升降式，不用時(shí)可以折疊收納放入主體立柱，提高空間利用率，為上層架的提升和收納動(dòng)作設(shè)計(jì)助力機(jī)構(gòu)，使停車(chē)操作變得簡(jiǎn)單省力，本設(shè)計(jì)選用恒力彈簧作為上層架提升動(dòng)力源，液壓彈簧作為上層架折疊的輔助動(dòng)力，并對(duì)這兩種彈簧進(jìn)行分析、計(jì)算和選型。

關(guān)鍵詞：自行車(chē) 雙層停車(chē)架 助力機(jī)構(gòu) 恒力彈簧

引言

現(xiàn)有的自行車(chē)雙層停車(chē)架工作方式大都采用軌道滑移式。停車(chē)操作主要依靠人力完成，對(duì)操作者的力量要求比較高。此外，由于操作過(guò)程中上層架通過(guò)軌道向后滑移，空置時(shí)也固定停放在上層空間，空間利用率尚不理想。本文擬開(kāi)發(fā)一種新型自行車(chē)停車(chē)裝置，雙層停放車(chē)輛，上層架垂直升降并配備輔助動(dòng)力，且不用時(shí)可以折疊收納進(jìn)主體立柱，可大大提高停車(chē)場(chǎng)地的空間利用率。

1 需求分析

根據(jù)現(xiàn)有自行車(chē)雙層停車(chē)設(shè)備的使用情況，設(shè)定研發(fā)目標(biāo)如下：①實(shí)現(xiàn)上下層分層停車(chē)，下層停車(chē)架可以左右平移，上層停車(chē)架采用垂直升降式；②為上層架提升設(shè)計(jì)助力機(jī)構(gòu)，便于上層停車(chē)操作；③上層停車(chē)架設(shè)計(jì)成折疊可收納型，并為折疊操作提供動(dòng)力；④結(jié)構(gòu)合理、工作可靠、成本低廉、操作方便以及安裝維護(hù)簡(jiǎn)單。

2 總體設(shè)計(jì)

上層架單元設(shè)計(jì)成垂直升降式，下層架單元設(shè)計(jì)成左右滑移式。停車(chē)架框架結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 停車(chē)架框架結(jié)構(gòu)

①立柱是停車(chē)架的主體，設(shè)計(jì)成高度方向垂直放置的方管。為了容納置輪槽折疊時(shí)收納進(jìn)立柱，在立柱的前方開(kāi)設(shè)一個(gè)上下貫通的缺口。

②置輪槽用來(lái)放置自行車(chē)輪子，故設(shè)計(jì)成方槽形，具體尺寸按照自行車(chē)輪子和各部分的尺寸來(lái)確定。

③放入自行車(chē)后，置輪槽要求可以在立柱內(nèi)上下移動(dòng)，因此設(shè)計(jì)可以在立柱內(nèi)上下移動(dòng)的升降體，將置輪槽與升降體用轉(zhuǎn)動(dòng)副連接，如圖2所示。

圖2 上層架單元固定、提升機(jī)構(gòu)的機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖

此外，立柱、升降體及置輪槽的主要尺寸則根據(jù)自行車(chē)的尺寸來(lái)確定。

3 助力機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

圖3 助力機(jī)構(gòu)示意圖

3.1 動(dòng)力源選型

上層停車(chē)架和升降體用鉸鏈連接，工作時(shí)跟隨升降體一起升降，不用時(shí)折疊收納進(jìn)立柱主體。上升由助力機(jī)構(gòu)來(lái)提供動(dòng)力。根據(jù)停車(chē)架的工作情況，助力機(jī)構(gòu)要滿足以下要求：①為升降體提供基本恒定的上升拉力；②升降體行程較大，上升距離＞1.5m，為下層停車(chē)預(yù)留空間；③上層架上升時(shí)，要求助力機(jī)構(gòu)提供一定的阻尼，確保上升速度穩(wěn)定，防止突然上升。

綜合以上條件，選用恒力彈簧為上層架動(dòng)力源。

3.2 助力機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

助力機(jī)構(gòu)選用恒力彈簧常用的上下懸掛式機(jī)構(gòu)，如圖3所示。

①恒力彈簧上部與立柱的連接。與恒力彈簧最內(nèi)圈尺寸相對(duì)應(yīng)，設(shè)計(jì)一尼龍材質(zhì)的的芯部，置于恒力彈簧內(nèi)圈。尼龍芯部安裝于一軸類(lèi)零件上，軸的軸線與上層架平行，前后方向安裝于立柱的頂部?jī)蓚?cè)。

②恒力彈簧下部與升降體的連接。恒力彈簧的簧片一般要避免受縱向拉力，因此彈簧最下端與鉸鏈（普通家裝用合頁(yè)）的一部分用螺栓連接，鉸鏈的另一部分與升降體上部的軸相連（該軸用來(lái)連接軟索與升降體）。彈簧最下端用螺栓與合頁(yè)一部相連接，可以起到補(bǔ)強(qiáng)作用，避免簧片因受縱向拉力而破壞。合頁(yè)與升降體上部的軸相連的另一部分（下部）因?yàn)槭冀K處于垂直位置，從而能夠通過(guò)升降體上部的軸給予升降體垂直向上的拉力。

③恒力彈簧在受力拉伸時(shí)，簧片會(huì)產(chǎn)生相對(duì)于彈簧軸線的卷曲，由此會(huì)向立柱兩側(cè)橫向拱起。由于簧片拱起部分有可能與立柱側(cè)面接觸產(chǎn)生摩擦，并帶來(lái)噪音，故在立柱側(cè)面可能接觸區(qū)域安裝尼龍片，減輕噪音。

3.3 恒力彈簧的分析及參數(shù)確定

恒力彈簧采用很薄的帶鋼或合金板材， 經(jīng)卷制成圓柱形而成。成形后彈簧任一圈的自然曲率全部相等。使用時(shí)將彈簧卷繞在比彈簧內(nèi)徑稍大的滾筒上，在拉伸時(shí)拉力基本保持恒定。具有載荷恒定、儲(chǔ)能密度高、體積小、摩擦損耗小等優(yōu)點(diǎn)［1-3］。

助力機(jī)構(gòu)中采用的是C型恒力彈簧，其幾何尺寸和受力情況如圖4所示。

圖4 C型恒力彈簧幾何參數(shù)

助力機(jī)構(gòu)中所使用的恒力彈簧，材料為304不銹鋼，彈性模量E為186GPa。確定其幾何尺寸時(shí)，按照常用不銹鋼帶材的寬度和厚度，參考立柱的外形尺寸，先假設(shè)鋼帶寬度b為50mm，厚度t為0.5mm。根據(jù)設(shè)計(jì)的情況，自行車(chē)、升降體以及相關(guān)零件的總質(zhì)量為24kg，需要由左右兩個(gè)恒力彈簧來(lái)提供，即P=12kgf。

恒力渦卷彈簧的輸出力的計(jì)算格式如下：

其中，P為彈簧輸出拉力，E為彈性系數(shù)（Gpa），b為彈簧板材寬度（mm），t為彈簧板材厚度（mm），Rn為渦卷彈簧最小自然半徑（mm），R1為渦卷彈簧裝配半徑（mm）。

再由經(jīng)驗(yàn)公式R1=1.15～1.20Rn，得出Rn=19mm， R

1=22mm。

最后將以上參數(shù)代入，于是有

綜上，符合工作要求，且得出助力機(jī)構(gòu)中恒力彈簧的尺寸為：b=50，t=0.5，Rn=19，R1=22。

4 整體建模

使用solidworks2013軟件進(jìn)行建模。先對(duì)框架性零件和結(jié)構(gòu)類(lèi)零件進(jìn)行建模，然后在裝配模式下通過(guò)參考裝配體中的其他零件創(chuàng)建單個(gè)特征，或者通過(guò)在關(guān)聯(lián)裝配體中創(chuàng)建新零部件自上而下的方式，對(duì)其余零件進(jìn)行建模。裝配完成后，進(jìn)行干涉檢查，通過(guò)檢查結(jié)果確定干涉部位并修改。創(chuàng)建零部件和裝配體的工程圖，上層停車(chē)單元建模如圖5所示。

圖5 上層停車(chē)單元模型

5 產(chǎn)品制作

根據(jù)工程圖制作各零部件。停車(chē)架設(shè)備鈑金件較多，立柱、升降體等結(jié)構(gòu)件主體均用普通鋼板折彎后，經(jīng)焊接和鉆孔等機(jī)加工工序加工而成。樣機(jī)實(shí)物如圖6所示。

圖6 上層停車(chē)架單元實(shí)物

此停車(chē)設(shè)備與下層滑移式停車(chē)架配合使用，如圖7所示。

停車(chē)時(shí)，將下層停車(chē)架及自行車(chē)在滑軌上向兩側(cè)平移，預(yù)留出操作空間，然后打開(kāi)上層停車(chē)架并放下，將自行車(chē)停放于上層停車(chē)架。由于自行車(chē)前輪推壓鎖止撥片，使原本插在鎖止孔中的撥片從鎖止孔中退出，在恒力彈簧的作用下上層停車(chē)架連同自行車(chē)一起上升到預(yù)定位置。取車(chē)時(shí)，將下層停車(chē)架及自行車(chē)在滑軌上向兩側(cè)平移，預(yù)留出操作空間，扶住上層停車(chē)架連同自行車(chē)一起下降到下方停車(chē)位置。

6 總結(jié)

為克服傳統(tǒng)自行車(chē)停車(chē)架存在的缺點(diǎn)，

1、下層停車(chē)架軌道 2、下層停車(chē)架圖7 垂直升降型雙層停車(chē)架

本文設(shè)計(jì)制作了垂直升降型自行車(chē)雙層停車(chē)裝置。通過(guò)分析歸納，該裝置具有以下優(yōu)點(diǎn)：第一，上層架采用“垂直升降”的方式，相比單層停車(chē)方式，可以節(jié)省空間；相比現(xiàn)有的雙層停車(chē)設(shè)備，“垂直升降”的方式可以最大限度地提高空間利用率。效果是在更小的空間也可以安裝使用；第二，上層架的停車(chē)動(dòng)作由助力機(jī)構(gòu)來(lái)提供動(dòng)力，且對(duì)不同重量車(chē)輛的停車(chē)需求，該動(dòng)力大小可調(diào)；第三，上層停車(chē)架設(shè)計(jì)成折疊式可收納型，解決了現(xiàn)有設(shè)備上層停車(chē)架空載時(shí)占用空間的弊端。

今后，進(jìn)一步研究實(shí)踐的思路包括：第一，面向量產(chǎn)，編制各零部件的生產(chǎn)工藝，進(jìn)一步降低生產(chǎn)成本；第二，開(kāi)發(fā)系列自行車(chē)停車(chē)架；第三，面向二輪車(chē)的其他車(chē)型如電動(dòng)車(chē)等對(duì)象，開(kāi)發(fā)符合大眾要求的、經(jīng)濟(jì)實(shí)用的雙層停車(chē)設(shè)備。

Design of Assisting Mechanism for Bicycle Rack of Double-Deck Type

ZHANG Liang， Tao Xiao
（Mechanical and Electrical Engineering Department，Jiangyin Polytechnic College，Wuxi 214405）

Abstract:The bicycle rack of double-deck type with a vertical lifting upper rack is designed.The upper rack can be folded into the main body， which bringing m ore effective uses of the parking space. The assisting mechanism is designed for the vertical lifting and the folding action， so that the parking operation becomes simple and easy. The constant force spring and hydraulic spring is selected as power supply in assisting mechanism， and the analysis，calculation and type selection for these two kinds of spring are done at last.

Key words:bicycle，Rack of Double-Deck T ype，Assisting Mechanism，Constant Force Spring