自行車雙排豎直停放裝置的設(shè)計(jì)

□ 張漢馳 □ 劉 鑫 □ 許 虹

華東理工大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院 上海 200237

1 設(shè)計(jì)背景

在低碳經(jīng)濟(jì)和共享經(jīng)濟(jì)的背景下,共享自行車一問(wèn)世就得到了大眾的普遍關(guān)注。共享自行車作為一種健康環(huán)保的出行工具,深受人們的喜愛(ài)。在共享自行車越來(lái)越普及的同時(shí),也出現(xiàn)了很多問(wèn)題。自行車的亂停亂放嚴(yán)重影響了城市交通,對(duì)市容造成了破壞,在一定程度上侵占了公共資源,也影響了居民的出行體驗(yàn)。目前市場(chǎng)上已有的自行車停放裝置有雙層式、旋轉(zhuǎn)式、錯(cuò)位懸掛式三種[1-3],但空間利用率都較低,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,且成本較高,不利于推廣。筆者設(shè)計(jì)了一種自行車雙排豎直停放裝置,在不影響用戶體驗(yàn)的情況下,能夠節(jié)省較多的公共空間,引導(dǎo)人們有序停放自行車,避免亂停亂放及大面積倒車現(xiàn)象。這一裝置制作成本較低,操作方法簡(jiǎn)單易懂,用戶使用方便。

2 總體設(shè)計(jì)方案

自行車雙排豎直停放裝置采用豎直式停車形式,模型如圖1所示。為了使自行車能夠自動(dòng)完成豎直停放過(guò)程,筆者采用電機(jī)作為動(dòng)力源,通過(guò)定滑輪改變牽引力的方向。支撐架通過(guò)地腳固定于地面上,導(dǎo)軌固定于支撐架上,前輪夾持機(jī)構(gòu)與滑塊相連,可隨滑塊在導(dǎo)軌上移動(dòng),后輪架固定于距導(dǎo)軌底端30 cm的位置。自行車停放過(guò)程如圖2所示。當(dāng)自行車進(jìn)入停車區(qū)域時(shí),由前輪夾持機(jī)構(gòu)夾持鎖定自行車前輪。在電機(jī)牽引下,前輪夾持機(jī)構(gòu)和前輪沿導(dǎo)軌同時(shí)向上提升。當(dāng)后輪靠上后輪架時(shí),電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng),且抱閘自鎖,防止自行車隨重力下滑,由此完成自行車的停放過(guò)程。

▲圖1 自行車雙排豎直停放裝置模型

▲圖2 自行車停放過(guò)程

3 內(nèi)部結(jié)構(gòu)

3.1 前輪夾持機(jī)構(gòu)

前輪夾持機(jī)構(gòu)以曲柄搖桿機(jī)構(gòu)為基礎(chǔ),其模型如圖3所示。

▲圖3 前輪夾持機(jī)構(gòu)模型

自行車前輪夾持過(guò)程如圖4所示。當(dāng)自行車前輪按圖4中箭頭方向進(jìn)入前輪夾持機(jī)構(gòu)的工作區(qū)域時(shí),前輪推動(dòng)自鎖開(kāi)關(guān),從而帶動(dòng)推板向內(nèi)運(yùn)動(dòng)。推板兩側(cè)為齒條狀,推板和齒輪搖桿以齒輪齒條的形式相嚙合,將直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。隨著推板順著箭頭方向向內(nèi)運(yùn)動(dòng),齒輪搖桿開(kāi)始旋轉(zhuǎn),從而帶動(dòng)曲柄轉(zhuǎn)動(dòng),使鉗爪夾住前輪。再通過(guò)自鎖裝置鎖定推板,從而防止齒輪搖桿倒轉(zhuǎn)。工作區(qū)域兩側(cè)分別配有一塊擋板,可防止前輪晃動(dòng)。此時(shí)各個(gè)桿件位置固定,前輪被鉗爪夾緊固定。

▲圖4 自行車前輪夾持過(guò)程

3.2 自鎖裝置

自鎖裝置模型如圖5所示。自鎖裝置主要由三部分組成,分別為轉(zhuǎn)子、自鎖開(kāi)關(guān)、殼內(nèi)部導(dǎo)軌。自鎖裝置工作時(shí),由自行車前輪推動(dòng)自鎖開(kāi)關(guān),使轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)至導(dǎo)軌頂部臨界位置。在推板后彈簧的推動(dòng)下,轉(zhuǎn)子順勢(shì)向左側(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)。自鎖開(kāi)關(guān)在彈簧的作用下向上彈回,過(guò)臨界點(diǎn)后轉(zhuǎn)子上的滑爪繼續(xù)向左側(cè)轉(zhuǎn)動(dòng),被卡在殼內(nèi)部導(dǎo)軌處,確保自行車前輪被夾緊,防止前輪滑落,完成自鎖過(guò)程。在取車時(shí),推動(dòng)自行車,使前輪再次推動(dòng)自鎖開(kāi)關(guān)。壓縮彈簧使轉(zhuǎn)子上的滑爪脫離導(dǎo)輪,轉(zhuǎn)子繼續(xù)向左側(cè)轉(zhuǎn)動(dòng),推桿彈回至受力平衡的位置,鉗爪松開(kāi),前輪被釋放。轉(zhuǎn)子的圓周上有一條較深的導(dǎo)向槽,用于保證運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)。

▲圖5 自鎖裝置模型

4 控制方式

自行車雙排豎直停放裝置采用直流電機(jī)作為動(dòng)力源,采用占空比可調(diào)的脈沖寬度調(diào)制進(jìn)行控制,具有連續(xù)可調(diào)的恒轉(zhuǎn)矩控制特性[4]。在直流電機(jī)啟動(dòng)、制動(dòng)、過(guò)載,或當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速為零但仍有扭矩輸出時(shí),需要控制電機(jī)電流,保證電機(jī)獲得允許的最大限制電流。裝置中使用型號(hào)為STM32F103C8T6的芯片,芯片結(jié)構(gòu)小巧緊湊,在低功耗及一些具有嚴(yán)格時(shí)間限制的控制場(chǎng)合中表現(xiàn)出色,所需電壓為2～3.6 V,能適應(yīng)日常的室外溫度變化,自帶脈沖寬度調(diào)制定時(shí)器,能夠精準(zhǔn)控制占空比[5],有足夠的輸入、輸出接口用于輸出脈沖寬度調(diào)制波和觸發(fā)信號(hào),由此結(jié)合電機(jī)驅(qū)動(dòng)板來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向及啟停。為了使電機(jī)在合適的時(shí)機(jī)啟動(dòng),通過(guò)安裝傳感器來(lái)判斷是否有自行車需要停放,同時(shí)保證不會(huì)因?yàn)槠渌獠恳蛩氐母蓴_而引起誤判。裝置中還應(yīng)用紅外光電開(kāi)關(guān)傳感器[6],當(dāng)自行車進(jìn)入停放裝置時(shí),傳感器會(huì)產(chǎn)生低電平。當(dāng)自行車需要離開(kāi)停放裝置時(shí),傳感器會(huì)產(chǎn)生高電平。高低電平信號(hào)傳送至芯片,根據(jù)所設(shè)定的規(guī)則進(jìn)行判斷,使電機(jī)做出相應(yīng)的動(dòng)作[7]。

將紅外光電開(kāi)關(guān)傳感器置于前輪夾持機(jī)構(gòu)下的兩側(cè)擋板之間,當(dāng)有車輪進(jìn)入擋板之間時(shí),代表自行車進(jìn)入停放裝置,同時(shí)車輪推動(dòng)自鎖開(kāi)關(guān),完成自鎖動(dòng)作,開(kāi)始自行車的停放過(guò)程。

5 參數(shù)計(jì)算

5.1 液壓桿承重

考慮到停放在高處的自行車取用方便,自行車雙排豎直停放裝置采用平行四桿機(jī)構(gòu)。如圖6所示,平行四邊形ABCD實(shí)現(xiàn)高低位置的轉(zhuǎn)換[8],并配有液壓桿作為輔力支撐。自行車及導(dǎo)軌通過(guò)兩根長(zhǎng)度相等的鋁合金桿1、鋁合金桿2與支撐架相連,組成平行四桿機(jī)構(gòu)。桿2 的長(zhǎng)度d2為500 mm,兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副B點(diǎn)和D點(diǎn)之間的距離d4設(shè)置為588 mm,與導(dǎo)軌上桿1和桿2兩連接點(diǎn)A點(diǎn)、C點(diǎn)之間的距離d1相等。將液壓桿F端固定在與轉(zhuǎn)動(dòng)副D點(diǎn)間距離d6為200 mm的位置,液壓桿E端固定在桿2上與轉(zhuǎn)動(dòng)副D點(diǎn)距離d3為387 mm的位置,液壓桿在受力平衡時(shí)的長(zhǎng)度d5為546 mm。自行車由低處被提升至高處,液壓桿長(zhǎng)度從壓縮狀態(tài)恢復(fù)至正常狀態(tài),自行車、停放裝置和液壓桿受力均達(dá)到了平衡。此時(shí)桿2與液壓桿的夾角θ1為15°,桿1、桿2與水平線的夾角θ2為45°。自行車質(zhì)量M1為20 kg,導(dǎo)軌質(zhì)量M2為10.2 kg,自行車和導(dǎo)軌總重量M為30.2 kg。

▲圖6 平行四桿機(jī)構(gòu)

對(duì)D點(diǎn)取力矩,得:

F1d3sinθ1-Mgd2cosθ2=0

(1)

式中:F1為液壓桿對(duì)桿2的作用力;g為重力加速度,g=9.8 m/s2。

由式(1)計(jì)算得F1為1 044.7 N。因此需選用合力約為1 045 N的液壓桿。

5.2 電機(jī)參數(shù)

直流無(wú)刷電機(jī)具有調(diào)速范圍廣、過(guò)載能力強(qiáng)、低壓特性好、啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、啟動(dòng)電流小等優(yōu)點(diǎn)[9],具有抱閘自鎖功能后,能夠在電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)后將轉(zhuǎn)子鎖緊,保持在當(dāng)前位置,可防止倒轉(zhuǎn),保證安全[10]。擬定在4 s內(nèi)將自行車提升至停放裝置的最高點(diǎn),將上升速度V設(shè)定為0.3 m/s。為了節(jié)省空間,取用于收卷牽引繩的卷筒直徑d為32 mm,則電機(jī)轉(zhuǎn)速n為:

忽略前輪夾持機(jī)構(gòu)的質(zhì)量,電機(jī)所需牽引的負(fù)載為車重G1,則提升所需要的力F和功率P分別為:

F=G1=M1g=196 N

P=FV=G1V=M1gV=58.8 W

對(duì)于所需的驅(qū)動(dòng)軸,由軸材料和受載情況決定因數(shù)C取值為150。軸材料為Q235碳素結(jié)構(gòu)鋼,屈服強(qiáng)度為235 MPa,則驅(qū)動(dòng)軸的直徑d0應(yīng)滿足:

取軸的最小端直徑為12 mm,軸的最大端直徑為18 mm,則軸的最大端半徑r為9 mm,所需要的扭矩T為:

T=Fr=G1r=1.764 N·m

由于停放裝置安裝在室外,同時(shí)結(jié)合成本、大小、質(zhì)量綜合考慮,最后選用電壓為24 V、額定功率為60 W、扭矩大于1.764 Nm,且具有抱閘自鎖功能的直流電機(jī)。

6 建模分析

采用SolidWorks三維建模軟件建立自行車雙排豎直停放裝置的三維實(shí)體模型,同時(shí)在SolidWorks軟件中完成裝置的裝配。支撐架的材料采用鋁合金型材,具有連接便捷的性能[11]。還可以對(duì)這一停放裝置進(jìn)行拼接擴(kuò)展,形成圓盤(pán)式自行車停放裝置,如圖7、圖8所示。這種擴(kuò)展形式可以應(yīng)用在道路拐角、小區(qū)綠化帶等場(chǎng)合,在便于人們出行的同時(shí),有利于城市街道的整齊美觀。

▲圖7 圓盤(pán)式自行車停放裝置

▲圖8 圓盤(pán)式自行車停放裝置框架

在SolidWorks軟件中對(duì)使用場(chǎng)景進(jìn)行模擬分析,擴(kuò)展后的圓盤(pán)式自行車停放裝置底部圓盤(pán)占地面積較小,能夠很好地利用草坪和空地的交界地帶,停車數(shù)量多。如圖9所示,在相同占地面積下,水平停放只能停放9輛自行車,而圓盤(pán)式自行車停放裝置能停放24輛自行車。自行車雙排豎直停放裝置可依附于墻面,或單獨(dú)直立放置,其擴(kuò)展方式還可以應(yīng)用在街道、拐角等不利于水平停放的地方,使用場(chǎng)景模擬如圖10所示。

▲圖9 自行車停放裝置停放數(shù)量對(duì)比

▲圖10 自行車雙排豎直停放裝置使用場(chǎng)景模擬

合適的停放裝置可以便于自行車的停放管理,解決亂停亂放的問(wèn)題,將無(wú)序的自行車管理方式轉(zhuǎn)換為以停放裝置為中心的模塊化管理方式,并可以同時(shí)對(duì)多輛自行車進(jìn)行管理。另一方面,這種管理方式還能為實(shí)現(xiàn)自行車的車庫(kù)式管理提供鋪墊[12]。

筆者設(shè)計(jì)的自行車雙排豎直停放裝置通過(guò)采用電機(jī)與相關(guān)控制元件相結(jié)合的方式,可實(shí)現(xiàn)停車自動(dòng)化,節(jié)省人力和時(shí)間。

7 結(jié)束語(yǔ)

自行車的停放設(shè)施是城市交通管理的基礎(chǔ)設(shè)施之一,同時(shí)表征城市的發(fā)展和規(guī)劃水平。在當(dāng)今共享社會(huì),如果沒(méi)有適當(dāng)?shù)耐＼囋O(shè)施,自行車亂停亂放將會(huì)對(duì)城市道路造成極大的影響,市民停車和取車相當(dāng)不便。筆者設(shè)計(jì)的自行車雙排豎直停放裝置制造成本低,空間利用率高,占地面積相比普通水平停放節(jié)省近44%的空間,在小區(qū)、軌道交通出入口等公共場(chǎng)所可以較好地發(fā)揮作用,也可與報(bào)刊亭、電話亭、售賣機(jī)等結(jié)合在一起。未來(lái),還可以和運(yùn)營(yíng)商軟件進(jìn)行系統(tǒng)對(duì)接,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)鎖車結(jié)算功能。