一種雙邊自行車停車裝置的設(shè)計(jì)

楊麗新，賈茹沅，李虹，文宗明

(華南理工大學(xué) a. 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣東 廣州 510640； b. 廣州學(xué)院，廣東 廣州 510800)

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的高速發(fā)展，交通擁堵、環(huán)境污染等問題日益嚴(yán)重，2017年國(guó)務(wù)院印發(fā)的《“十三五”現(xiàn)代綜合交通運(yùn)輸體系發(fā)展規(guī)劃》中，強(qiáng)調(diào)要推動(dòng)節(jié)能低碳發(fā)展，優(yōu)化交通運(yùn)輸結(jié)構(gòu)，完善城市交通運(yùn)輸服務(wù)系統(tǒng)，完善自行車等慢行服務(wù)系統(tǒng)建設(shè)[1-6]。因此，近年來共享單車迅猛發(fā)展，然而，大量自行車亂停，嚴(yán)重影響交通秩序，成為城市管理的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，迫切需要研發(fā)新型自行車停車裝置[7-11]。本文基于機(jī)械裝置的優(yōu)化方法和控制技術(shù)[12-13]，設(shè)計(jì)了一種“摩天輪”式新型雙邊立式自行車停車裝置。

1 總體方案設(shè)計(jì)

本文旨在設(shè)計(jì)一款用在城市各類小區(qū)、公共場(chǎng)所，通過刷卡實(shí)現(xiàn)存取自行車功能的自動(dòng)停車裝置。通過機(jī)械結(jié)構(gòu)與控制模塊相結(jié)合的方式，實(shí)現(xiàn)自行車停放和取出的過程控制，并最終達(dá)到空間利用率高、安全、便捷等方面的使用需求。方案設(shè)計(jì)主要包括兩個(gè)方面：機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、控制模塊設(shè)計(jì)。

如圖1所示，在保證整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和穩(wěn)定性的前提下，單邊等間距設(shè)置3個(gè)停車位，實(shí)現(xiàn)一種仿“摩天輪”式的停車結(jié)構(gòu)，雙邊可提供6個(gè)自行車車位。自行車通過夾持機(jī)構(gòu)夾緊固定在圓盤上，通過大轉(zhuǎn)矩步進(jìn)電機(jī)和蝸輪蝸桿減速箱帶動(dòng)圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)，根據(jù)需要將自行車轉(zhuǎn)動(dòng)到合適位置以方便存取。

傳統(tǒng)的停車方式一般分三步進(jìn)行：1) 尋找合適的停放空間；2) 停放并調(diào)整位置；3) 鎖車。本文所設(shè)計(jì)的自行車停車裝置控制模塊采用32位閃存微控制器STM32系列單片機(jī)，在停取車的過程中應(yīng)用RFID無線射頻技術(shù)刷卡存取，將自行車轉(zhuǎn)到指定位置。該停車裝置場(chǎng)地適應(yīng)能力強(qiáng)，靈活裝卸，停車過程人機(jī)交互體驗(yàn)良好。

圖1 雙邊自行車停車裝置

2 承載能力分析

根據(jù)設(shè)計(jì)的需求，電機(jī)作為動(dòng)力源需要提供整個(gè)裝置旋轉(zhuǎn)的動(dòng)力，通過其轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)自行車的存取，需要選擇合適的輸出轉(zhuǎn)矩。停放的自行車是電機(jī)的主要負(fù)載，由于該設(shè)計(jì)采用對(duì)稱式結(jié)構(gòu)，因此分析停車裝置單側(cè)的受力情況即可。

本裝置在設(shè)計(jì)和樣機(jī)制作過程中，選用兒童自行車為對(duì)象，該兒童自行車車重為3.5kg。如圖2所示，夾持機(jī)構(gòu)、連接塊及與之相連的連接件質(zhì)量之和為4.5kg，力臂L為0.6m。從單側(cè)來看，分為停放1輛、2輛、3輛自行車的3種停車情況。如圖3所示，虛線表示停放了自行車車位所在轉(zhuǎn)動(dòng)桿，黑色粗實(shí)線表示未停放自行車車位所在轉(zhuǎn)動(dòng)桿。忽略轉(zhuǎn)動(dòng)桿的質(zhì)量，將自行車、夾持機(jī)構(gòu)、連接塊及與之相連的連接件看成一個(gè)整體，其質(zhì)量為m。假設(shè)質(zhì)心在轉(zhuǎn)動(dòng)桿末端，則單側(cè)停放1、2、3輛自行車時(shí)，由受力分析可分別建立自行車停車裝置單側(cè)的轉(zhuǎn)矩平衡方程：

(1)

(2)

(3)

其中：θ為自行車旋轉(zhuǎn)角度；m1、m2和m3分別為第1、第2和第3輛自行車、夾持機(jī)構(gòu)、連接塊及與之相連的連接件的質(zhì)量之和；g為重力系數(shù)；L為力臂。

1—主動(dòng)軸；2—從動(dòng)軸；3—夾持機(jī)構(gòu)；4—連接塊；5—自行車；6—轉(zhuǎn)動(dòng)桿。圖2 局部結(jié)構(gòu)

圖3 單側(cè)停放不同數(shù)量自行車時(shí)的受力情況分析

由式(1)-式(3)的計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)停放1輛車時(shí)，其轉(zhuǎn)動(dòng)所需要的轉(zhuǎn)矩最大為48N·m(θ=90°或270°)；當(dāng)停放2輛車時(shí)，其轉(zhuǎn)動(dòng)所需要的轉(zhuǎn)矩最大為48N·m(θ=30°或210°)；當(dāng)停放3輛車時(shí)，所需要的轉(zhuǎn)矩最小，幾乎可以忽略不計(jì)。因此，單邊停放情況下，電機(jī)需要帶動(dòng)1輛或2輛自行車在某個(gè)角度時(shí)為電機(jī)需要提供的最大轉(zhuǎn)矩。由于采用對(duì)稱式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，雙邊停放情況下，電機(jī)需要提供的最大轉(zhuǎn)矩為單邊停放的2倍，即96N·m。

本文所設(shè)計(jì)的自行車停車裝置選用材料6061合金。如圖4所示，從動(dòng)軸屬于轉(zhuǎn)軸，它既承受彎矩又承受轉(zhuǎn)矩。因此，作為重要構(gòu)件，運(yùn)用SolidWorks Simulation仿真軟件有限元分析對(duì)軸進(jìn)行強(qiáng)度校核，材料參數(shù)如表1。

圖4 受力分析結(jié)果

表1 材料參數(shù)表

名稱參數(shù)值名稱參數(shù)值質(zhì)量/kg0.14密度/(kg/m3)2 700體積/ m35.03×105負(fù)載/kg100屈服強(qiáng)度/(N/m2)5.51×107張力強(qiáng)度/(N/m2)1.240 84×108彈性模量/(N/m2)6.9×1010泊松比0.33抗剪模量/(N/m2)2.6×1010熱擴(kuò)張系數(shù) /Kelvin2.4×10-5抗拉強(qiáng)度/(N/m2)2.05×108受拉屈服強(qiáng)度/(N/m2)5.52×107彎曲強(qiáng)度/(N/m2)2.28×108

仿真結(jié)果如圖5和表2所示，最大應(yīng)力為7.08×107N/m2，最大位移為0.10mm。軸主要承受徑向壓力，彎曲變形，其最大應(yīng)力遠(yuǎn)小于彎曲極限強(qiáng)度，軸的設(shè)計(jì)滿足強(qiáng)度要求。

表2 仿真結(jié)果

圖5 靜應(yīng)力分析

3 控制系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)模塊是雙邊自行車停車裝置的核心部分。在運(yùn)行的過程中，控制系統(tǒng)模塊處理用戶在存取自行車過程中6個(gè)車位的順暢切換以及定位，記錄用戶刷卡輸入的指令、響應(yīng)并輸出脈沖實(shí)現(xiàn)相應(yīng)動(dòng)作。本文所設(shè)計(jì)的自行車停車裝置控制系統(tǒng)模塊采用32位閃存微控制器STM32系列單片機(jī)來處理停車裝置運(yùn)行過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，采用RFID-RC522射頻感應(yīng)模塊作為用戶與裝置之間的交互媒介，縮短用戶存取車的時(shí)間，操作簡(jiǎn)單易上手。STM32的硬件定時(shí)器經(jīng)過初始化配置，穩(wěn)定輸出固定頻率的脈沖信號(hào)，供步進(jìn)電機(jī)工作所用。STM32與RC522無線射頻模塊通過SPI通訊協(xié)議進(jìn)行相互通信，實(shí)現(xiàn)操作過程中數(shù)據(jù)的解碼與轉(zhuǎn)換，實(shí)時(shí)檢測(cè)用戶是否輸入信號(hào)。相較于其他控制芯片，STM32系列單片機(jī)大大地提高了裝置的穩(wěn)定性。RFID-RC522射頻感應(yīng)模塊可通過無線電信號(hào)識(shí)別特定目標(biāo)并讀寫相關(guān)數(shù)據(jù)，而無需識(shí)別系統(tǒng)與特定目標(biāo)之間建立機(jī)械或光學(xué)接觸，是一種較為成熟的通信技術(shù)。

控制系統(tǒng)模塊的程序編寫基本框架如圖6所示。首先對(duì)單片機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)初始化，分配模塊所需的引腳輸入輸出，RC522模塊初始化完成后，整體裝置準(zhǔn)備工作已經(jīng)完畢。等待用戶使用裝置上的鑰匙扣形狀的卡片進(jìn)行刷卡，刷卡動(dòng)作完畢后，裝置會(huì)自動(dòng)判斷卡號(hào)并且將與卡號(hào)對(duì)應(yīng)的車位調(diào)節(jié)至最低點(diǎn)，此時(shí)用戶便可以進(jìn)行存車的動(dòng)作，待用戶存車完成后，用戶再次刷卡便可告知裝置對(duì)車位進(jìn)行復(fù)位，同時(shí)將用戶所存的自行車轉(zhuǎn)移至較高位置，增強(qiáng)安全性。同理，用戶取車過程與上述操作一致，至此，完成一整套存取車動(dòng)作。

圖6 工作流程圖

4 結(jié)語

本文基于機(jī)械裝置的優(yōu)化方法和控制技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種“摩天輪”式新型雙邊立式自行車停車裝置。該裝置由機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)兩大部分組成，機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)通過大轉(zhuǎn)矩步進(jìn)電機(jī)和蝸輪蝸桿減速箱帶動(dòng)圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)形成旋轉(zhuǎn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，可提供6個(gè)自行車車位；控制系統(tǒng)利用32位閃存微控制器STM32系列單片機(jī)來處理小車運(yùn)行過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)用戶在存取自行車過程中6個(gè)車位順暢地切換以及定位。該裝置具有空間利用率高、存取簡(jiǎn)便快捷、美觀防盜等特點(diǎn)，可在有限空間內(nèi)存儲(chǔ)更多自行車，解決了自行車停放雜亂無章、占地面積大、影響通行的問題，可為大多數(shù)城市小區(qū)內(nèi)自行車的管理提供一種可參考的解決方案。