無能耗錯疊式非機動車停車裝置仿真與模型設(shè)計

沈孟鋒， 何劍敏， 羊榮金， 陳敏捷

（杭州科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院機電工程學(xué)院，杭州311402）

0 引 言

隨著國家大力推動低碳經(jīng)濟(jì)發(fā)展，緩解道路擁堵，越來越多的家庭采用非機動車代步。在非機動車數(shù)量多了之后，尤其是老舊小區(qū)和公共場所，出現(xiàn)了各種亂停亂放、私拉電線等現(xiàn)象［1］?，F(xiàn)在國家對家用電瓶車停放和充電提出了新的要求，要求各小區(qū)應(yīng)設(shè)有集中停放電瓶車并能充電的場所［2］。

老舊小區(qū)開發(fā)建設(shè)之初，規(guī)劃較為簡單，配套設(shè)施不齊全［3］，老舊小區(qū)停車難問題已成為當(dāng)今社會的一大“頑疾”［4-5］。由于土地資源的稀缺，人們對空間利用率提出了更高的要求，因此立體式停車庫成為前景非常廣闊的研究方向［6-7］。但幾乎所有的立體停車庫都是為機動車設(shè)計的，大致可以分為以下幾類：升降橫移式、多層循環(huán)式、水平循環(huán)式、垂直循環(huán)式及巷道堆垛式等［8-9］，雖然可仿照此類停車庫進(jìn)行非機動車立體停車庫的設(shè)計，但此類停車庫應(yīng)用在非機動車車庫上會出現(xiàn)使用者停取不變、耗能費時等問題［10］。

本文設(shè)計了一款無能耗錯疊式非機動車停車裝置來解決老舊小區(qū)電瓶車和自行車停放難以及樓道充電隱患等一系列問題。該裝置既能在有限的空間里停放更多的非機動車且裝置無能耗，又能輕松方便地實現(xiàn)停、取。裝置美觀大方、便于長期使用及日常管理［11］，可根據(jù)空間大小，靈活改變裝置尺寸，可廣泛應(yīng)用于老舊小區(qū)、醫(yī)院、商場等公共場所。

1 主要功能和性能指標(biāo)

該裝置由“之”字形構(gòu)架、載車平臺、移動車架和輔助裝置4 部分組成?！爸弊中螛?gòu)架可分層焊接或澆筑成型，頂部雨棚上設(shè)有太陽能板，可用于普通照明用電；3、4 層的移動車架由滑軌、滑塊、雙U型槽組成，可實現(xiàn)自行車多方位移動和快速停放；1、2 層的載車平臺可對電瓶車車輪進(jìn)行固定上鎖，使其能平穩(wěn)停入規(guī)定位置，平臺底部由導(dǎo)軌導(dǎo)向并有彈力繩蓄、放力，使取車更加輕便；輔助裝置由充電樁、照明燈、電子鎖等組成。停車裝置結(jié)構(gòu)如圖1 所示。該裝置建造方便、無能耗、占地面積小、空間利用率高、使用方便、便于控制和后期物業(yè)管理及維護(hù)，特別適用于當(dāng)前老舊小區(qū)的改造。

圖1 停車裝置結(jié)構(gòu)框圖

2 設(shè)計方案

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

（1）整體結(jié)構(gòu)。裝置整體結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)完美的“之”字形，美觀又實用，在有限的小區(qū)空地可以停放最大量的非機動車，提升老舊小區(qū)的生活品質(zhì)，其中1 層位于地面下方，其余層均在地面［12］。此模型的比例為1∶5，具體如圖2 所示。

（2）移動車架結(jié)構(gòu)設(shè)計。懸架平臺用于自行車停車如圖3 所示，使用內(nèi)外U 型槽，外槽固定，內(nèi)槽可以進(jìn)行滑動，使用者只要拉下拉手就可以使內(nèi)槽下滑，從而輕松地取下自行車。U 型槽下有導(dǎo)軌和滑塊，自行車數(shù)量過多時，可以左右水平移動，擴(kuò)大取車空間，減少對其他車輛的影響。

圖2 無能耗便民停車系統(tǒng)模型圖

圖3 移動車架

圖4 載車平臺

（3）載車平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計。載車平臺中間采用合頁連接，方便角度調(diào)節(jié)，能自動適應(yīng)1、2 層坡度變化，如圖4 所示。停車裝置1 層用于停放電瓶車，其上有載車平臺。模型中該平臺由兩個不銹鋼平面構(gòu)成，平面之間有合頁連接；平面頂部前端有一導(dǎo)車架，其寬度與電瓶車車輪厚度近似；平面底部有一彈力繩，其彈性力與小車下沉端重量保持一致，使其達(dá)到動態(tài)平衡狀態(tài)，以實現(xiàn)載車平臺能夠較為輕松的作直線運動；平臺末端有一定位銷，定位銷可以將載車平臺與裝置地基固定在一起，實現(xiàn)電瓶車平穩(wěn)地停放在載車平臺上，末端有一個拉手，取車時輕輕拉下拉手，就能使載車平臺緩緩移動出來。

2.2 輔助設(shè)計

（1）太陽能存儲裝置。太陽能板安裝在雨棚上面，天晴時利用太陽能板進(jìn)行貯存能量，太陽能板可以為本裝置在夜晚停車時提供照明能源，為電子鎖提供其所需能源。應(yīng)用太陽能板來達(dá)到節(jié)約能源的效果。

（2）安全保障裝置。安全保障裝置包括電子鎖、充電樁和刷卡裝置，載車平臺上裝有一個充電插座，使用者可以在電瓶車停放后插上充電器，當(dāng)載車平臺停入到指定位置時，使用者在刷卡裝置上刷一下卡即可使電子鎖閉合來對電瓶車進(jìn)行固定，防止電瓶車失竊，同時充電樁通電，對電瓶車進(jìn)行充電；取車時刷一下卡即可將電子鎖打卡，使用者再拉下拉手就可使載車平臺出來。

（3）照明裝置。停車庫頂部裝有一些LED燈，可以為停車裝置照明［13］，使1、2 層停車位更加明亮，照明燈的能源來自太陽能存儲裝置。考慮到老舊小區(qū)有些地方的光線問題，安裝上照明裝置可使停放非機動車更安全。

3 理論設(shè)計計算

根據(jù)實際測量車輛尺寸，對載車平臺和移動車架做出了實際尺寸設(shè)計，并對彈力繩的彈性系數(shù)取值進(jìn)行驗證。裝置模型根據(jù)實際測量所得尺寸縮小5 倍驗證。

3.1 載車平臺

由實際數(shù)據(jù)得出載車平臺的尺寸數(shù)據(jù)。

考慮到要留有一定空間給行人走動或站立，對眾多品牌、規(guī)格的電瓶車進(jìn)行調(diào)查、計算得出表1 尺寸，如果尺寸過大會資源浪費，尺寸過小會使人無法安全地站立，同時也必須考慮安裝充電插座所需的空間。

表1 載車平臺數(shù)據(jù)

3.2 移動車架

自行車停車架由內(nèi)、外U 型槽構(gòu)成，在外槽兩側(cè)設(shè)有軌道，外槽下面有滑塊和導(dǎo)軌，根據(jù)模型自行車的車胎寬度，得出內(nèi)外槽的尺寸大小，如表2。

表2 模型尺寸

為方便自行車停放，U 型槽內(nèi)槽要比自行車車輪稍微大出一定距離，如果距離過小就不利于自行車的停放，如果這個寬度過大的話會使自行車掉落下來，造成安全隱患，在模型上此寬度正好合適，不會對扣緊裝置造成影響。

3.3 彈力繩省力裝置

將使用者停放電瓶車的過程的力學(xué)關(guān)系如圖5 所示，以分析出使用者所需的力及彈力繩規(guī)格的選擇。已知彈力繩的特點是能受拉力，且始終沿繩方向，其微小形變可忽略。

圖5 受力分析圖

給定彈力繩沒有突破拉力極限，彈力繩一直服從胡克定律：

式中：F彈為彈力繩拉力；k為彈力繩彈性系數(shù)，彈性系數(shù)越大，小車所受的拉力越大；x為彈力繩的拉伸量。

假設(shè)將在斜面上的移動載車平臺和電瓶車看作一個整體，其質(zhì)量為m；斜面的傾斜角為θ；在使用者施加額外推力后能緩慢向上直至彈力繩的伸長量為0 時卡住移動載車平臺。由此根據(jù)牛頓第二定律進(jìn)行受力分析：沿著斜面方向的重力分力和摩擦力的合力與彈力繩的拉力和使用者施加的力的合力大小一樣［14］，且受力在同一連線上：

斜面與滾輪的摩擦力主要與載車平臺對斜面的正壓力有關(guān)，其滿足下面關(guān)系式：

式中，μ為滾動摩擦系數(shù)?？梢娔Σ料禂?shù)越大，摩擦力越大。

查閱相關(guān)資料獲知國家標(biāo)準(zhǔn)簡易款式的電瓶車重量為40 kg，普遍款電瓶車的重量在50 ～55 kg，豪華型的在65 ～75 kg。其中已知載車平臺重量為25 kg；彈力繩拉伸量x為1.2 m；滾動摩擦系數(shù)μ 為0.005；斜面的傾斜角θ為22.5°；取g為10 N/kg。由此可推得使用者所需力與彈簧的彈性系數(shù)之間的關(guān)系：

對該數(shù)學(xué)模型進(jìn)行仿真，尋找合適的彈性系數(shù)k的值，取普遍值55 kg的電瓶車重，加上載車平臺的重量使m ＝80 kg。代入式（4）中，可知彈性系數(shù)k 約為260 N/m時，人為施加力幾乎為0，如圖6 所示。

圖6 人為施加力與k的關(guān)系

基于圖6，將彈性系數(shù)值定為260 N/m，對不同質(zhì)量的電瓶車進(jìn)行分析，可知人為施加力最大值為75 N，該力在人的承受范圍內(nèi)，滿足使用。

3.4 空間利用率

本裝置的實際長度為長4 m，高4 m，寬3.1 m，1、2 層可停放6 輛車，3、4 層可停放10 ～12 輛自行車；傳統(tǒng)單層非機動車停車裝置在更大一點的尺寸下僅可以停放6 輛電瓶車或8 輛自行車；相較于傳統(tǒng)的非機動車裝置的停車容量提高2 倍以上，從此數(shù)據(jù)中可以得出該裝置的空間利用率高［15］。

圖7 人為施加力與不同質(zhì)量關(guān)系

圖8 無能耗錯疊式非機動車停車裝置

4 模型試驗

經(jīng)過上文的方案設(shè)計及相關(guān)計算后，采用不銹鋼和鋁合金型材搭建了本裝置的實物。本裝置長116 cm，寬61.7 cm，高62 cm，由6 個模擬載車平臺、4 根直線導(dǎo)軌、6 個彈簧插銷和內(nèi)、外槽各8 個以及若干零件組成。模擬載車平臺采用長20 cm、寬18 cm、厚1 mm的鋁板組成，中間用合頁進(jìn)行連接。

通過試驗可實現(xiàn)以下功能：

彈力繩可以使小車平穩(wěn)下坡并到達(dá)指定位置；鋁合金U型槽可以延伸到地面上，自行車可以很方便地停上去；自行車停車架外槽可以實現(xiàn)左右水平移動，內(nèi)槽可以實現(xiàn)上下移動；載車平臺能夠沿著斜坡上升或下滑。

圖9 模型實物圖

實施表明，該裝置在彈力繩的作用下可以使移動載車平臺與非機動車平穩(wěn)地駛?cè)胫付ǖ耐＼囄恢?；裝置所用零件互換性強，可以隨機更換易損零件；停車裝置可根據(jù)小區(qū)空地空間大小，靈活改變裝置長短，方便工程建設(shè)與實施。

5 結(jié) 語

本裝置有如下優(yōu)點：①“之”字形4 層造型設(shè)計。錯疊式停放，將現(xiàn)有非機動車車庫容量提高近2 ～3倍，空間利用率高；美觀大氣，提升空間利用率，減少土地資源浪費，緩解老舊小區(qū)非機動車停車難問題。②無需外部能耗。使用者自身可輕松停取非機動車，擺脫了對外部能耗的依賴，便于長期使用及日常管理，減少后期維護(hù)成本。③可移動車架設(shè)計。運用人機工程學(xué)原理，方便車輛停放；高可靠性設(shè)計，純機械結(jié)構(gòu)使裝置更安全；太陽能供電使裝置綠色、環(huán)保。④該裝置可用于老舊小區(qū)與街道的隔斷，起到替代小區(qū)圍墻的作用，裝置一側(cè)可用于小區(qū)內(nèi)非機動車?？?，另一側(cè)則可用于小區(qū)外街道非機動車?？浚越鉀Q小區(qū)停車區(qū)域小的問題。