基于有限元分析的電動自行車雙層停車機構(gòu)的設計研究

張 雨 王素芹 于志宏 劉澤帥

（衡水職業(yè)技術(shù)學院，河北 衡水 053000）

0 引言

隨著我國對節(jié)能環(huán)保、綠色出行的大力倡導，電動自行車作為一種短途交通工具，已經(jīng)滲透到居民日常代步、中短途配送、共享出行等各個領(lǐng)域。據(jù)統(tǒng)計，2021年我國電動自行車保有量已經(jīng)達到3.4億輛。未來幾年，在節(jié)能減排、碳達峰等政策引導下，電動自行車數(shù)量仍會處于一個穩(wěn)步增長的階段。但是電動自行車數(shù)量的增加也帶來了很多亟待解決的問題，如電動自行車停放難、亂停放等問題日漸凸顯，占用了大量公共土地資源，如何借助電動自行車停放裝置降低其在居民區(qū)的占地面積成為重要的研究方向之一。目前大部分的電動自行車停放裝置功能較多，帶有充電和雨棚等多種設施[1]，機械結(jié)構(gòu)較為復雜，成本較高，不適用于老舊小區(qū)或者居民用戶單獨使用。該文采用滑輪組、連桿等簡單的機械結(jié)構(gòu)設計了一種雙層電動自行車停車裝置，操作簡單，成本低，單組使用時可用于居民室內(nèi)使用，多組使用時可在小區(qū)使用。

1 總體設計

電動自行車雙層停車機構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。該置主要由滑輪、拉桿、線軸、鋼絲繩、頂板、推板以及電動自行車固定裝置組成。當電動機正轉(zhuǎn)，鋼絲繩纏起長度縮短，此時電動自行車被緩緩提起。在鋼絲繩靠近電動自行車固定位置有一尺寸很小的頂板，頂板隨鋼絲繩一起運動。當頂板到達推板位置，將推板頂起，進而將拉桿抬起，直到電動自行車到達規(guī)定高度，限位動作，電機停止轉(zhuǎn)動。此時可實現(xiàn)雙層電動自行車的排放，且上一層電動自行車的取、放并不影響底層電動自行車。相反，電動自行車反轉(zhuǎn)，鋼絲繩伸長，電動自行車緩緩下降。拉桿恢復到水平位置后，由于擋板不再旋轉(zhuǎn)，頂板不再對推板施力，而是隨鋼絲繩一起繼續(xù)下降，直到電動自行車平穩(wěn)著地，停止轉(zhuǎn)動，工作停止。

圖1 電動自行車雙層停車機構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖

2 線軸的尺寸計算以及滑輪組相對位置的確定

2.1 選擇電動機和減速器

已知數(shù)據(jù)包括電動自行車的質(zhì)量G=40 kg，線軸的轉(zhuǎn)速n=50 r/min，線軸的半徑R=11 mm。

線軸上所需要的功率P=Fv/1000=9.8GπR·n/30000=45.13W。其中P為線軸所需功率，F(xiàn)為線軸受到的鋼絲繩的拉力，v為線軸線速度，G為電動自行車的質(zhì)量，R為線軸中間位置的直徑，n為線軸的轉(zhuǎn)速。

查表可得深溝球軸承的效率η1=0.98（1對），減速器齒輪效率η2=0.97，聯(lián)軸器效率η3=0.98，線軸工作效率η4=0.97。

可求得傳動過程中的總效率η=η1×η2×η3×η4=0.98×0.97×0.97×0.98×0.97=0.88。其中η1為深溝球軸承的效率，η2為減速器齒輪效率，η3為聯(lián)軸器效率，η4為線軸工作效率。

電機所需要的功率Pd=P/η=45.13/0.88=51.3 W。其中Pd為電機功率，P為線軸所需功率，η為總功率。

由計算結(jié)果可知，電機所需功率為51.3 W，通過查詢技術(shù)手冊，選擇了稍大于此值的電機，即交流電動機功率60W，220 V。

通過試驗可知線軸的轉(zhuǎn)速選擇50 r/min，所以需要注意的是，在購買電機時應選擇對應的減速器。另外，當電車被提升道最高位置，即連桿旋轉(zhuǎn)到極限位置時，電機應停止轉(zhuǎn)動，且不可在電動自行車重力作用下產(chǎn)生反轉(zhuǎn)現(xiàn)象，所以購買的電機還應具有斷電剎車功能。

2.2 線軸的尺寸計算

線軸主軸的最小直徑如公式（1）所示。

式中：C為由軸的材料和受載情況決定的系數(shù)，此處通過查表取值為118；P為線軸功率；n為線軸轉(zhuǎn)速。

因最細處有鍵槽，所以取線軸主軸的最小直徑為15 mm。

線軸結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 H線軸主軸結(jié)構(gòu)圖

H段的直徑為?15 mm。A段和F段為軸承位，選擇6304的深溝球軸承，孔徑20 mm，外徑52 mm，寬度15 mm。D段是線軸纏繞部分。該裝置采用?4 mm的鋼絲繩，為了在2.5 m的墻高范圍內(nèi)可以容納2輛電動自行車上、下雙層排布，繩軸上至少要纏繞3.5 m鋼絲繩，由此推算出D段直徑為?22 mm，長度30 mm。B段軸和E段軸雖然都是起軸承定位的作用，但是在設計過程中考慮B段軸處要安裝鋼絲繩的固定銷，所以B段軸的長度要稍長一些，以防固定銷與其他相鄰部件相互干涉。綜上所述，線軸設計的尺寸如圖3所示。

圖3 線軸尺寸（圖中尺寸單位均為mm）

2.3 滑輪組相對位置的確定

該裝置拉桿就地選材，選用了1寸鐵管，即外徑D=33.5mm，內(nèi)徑d=25mm。

對旋轉(zhuǎn)后的拉桿進行受力分析，如圖4所示。

圖4 旋轉(zhuǎn)后拉桿的受力分析

拉桿的總長度為L，拉桿自身重力為G，A處受到的鋼絲繩拉力為FT1、FT2，其中FT1等于一輛電動自行車的重力。因為由一根鋼絲繩作用，所以FT1、FT2大小相同。B處受到支點的作用力為Fx、Fy。

已知FT1=FT2=392N，G=15.7NL=655.5mm。

X方向受力平衡如公式（2）所示。

Y方向受力平衡如公式（3）所示。

當電車被提升到最高點時，支點B力矩平衡如公式（4）所示。

通過計算公式（2）～公式（4）得α=30°。

如圖4所示，有公式（5）～公式7）。

通過計算（5）～公式（7）得兩滑輪之間的相對距離c=381mm。

根據(jù)公式（5）～公式（7）可知，如果c越大，L不變，則b越小，a不變，F(xiàn)T2與水平方向的夾角α越小。根據(jù)公式（2）～公式（3），支點受到的分力Fx、Fy變小。綜上所述，在提起同一質(zhì)量電動自行車，拉桿質(zhì)量和長度不變的前提下，適當增加兩滑輪的相對距離c，可以降低拉桿在支點B的受力，并提高安全系數(shù)。所以在設計時，兩滑輪的距離應大于等于381 mm。

3 對拉桿進行有限元分析

有限元分析是隨著電子計算機的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的一種現(xiàn)代計算方法[2]。它可以在很大程度上縮短設計周期，提升產(chǎn)品的質(zhì)量。下面對拉桿進行有限元分析。

3.1 單位設定

在新建算例中對單位進行設定，方便后續(xù)的建模以及系統(tǒng)計算。具體的單位設定見表1。

表1 單位設定

3.2 材料設定

在運行一個算例前，必須對所用材料的屬性進行設定，拉桿采用的是1寸鐵管，所以要在材料屬性對話框里輸入其對應的參數(shù)，見表2。

表2 材料屬性的設定

3.3 建立約束施加載荷

根據(jù)圖4的力學分析，在軟件中對拉桿模型建立約束并施加載荷，如圖5所示，拉桿A端作為約束元素，B、C受到的載荷即鋼絲繩的拉力。

圖5 載荷和邊界條件

3.4 結(jié)果分析

對拉桿進行有限元分析的數(shù)據(jù)結(jié)果如圖6所示。從分析結(jié)果可以看出，最大位移為0.25 mm，最大應力為7.8 MPa，需用應力均滿足要求。如果剛度允許，可以適當減少管的壁厚，在低端外部貼板。

圖6 拉桿的有限元分析結(jié)果

4 其他機械結(jié)構(gòu)的設計

電動自行車雙層停車機構(gòu)的裝配圖如圖7所示。該設計將滑輪組固定于墻面，設計了獨特結(jié)構(gòu)的線軸，可以作為容線器使用，通過聯(lián)軸器與電動機相連；在拉桿固定端設計了水平擋板，防止拉桿轉(zhuǎn)動到水平位置后繼續(xù)動作；在拉桿的自由端設計有如圖7所示的推板，推板被頂板作用，連同連桿一起運動；在拉桿上設計有L形限位壓桿，當提起電動自行車時，連桿旋轉(zhuǎn)至60度，限位壓桿觸碰到限位開關(guān)，電動機停止轉(zhuǎn)動。

圖7 電動自行車雙層停車機構(gòu)的裝配圖

5 樣機測驗

現(xiàn)場樣機測試如圖8所示。該設計對電動自行車雙層停車機構(gòu)的零部件進行了加工、組裝，最后通過對樣機進行測試來檢驗其功能性是否達標。通過上百次現(xiàn)場測試，拉桿部分可以順利吊起電車，并未發(fā)生變形，強度符合要求。滑輪安裝位置計算合理，室內(nèi)安裝時，上層電動自行車不影響下層電動自行車的停放和移動，通過遙控控制電動機正、反轉(zhuǎn)，限位控制停止動作，均滿足使用要求。

圖8 現(xiàn)場樣機測試

6 結(jié)論

該文針對目前電動自行車雙層停車機構(gòu)存在的問題，在考慮充分利用高度空間的前提下，設計了一種結(jié)構(gòu)更簡單、成本更低的停車裝置。在設計過程中，該文充分考慮了安全性能，進行了充分的強度校核，并利用有限元分析對結(jié)構(gòu)進行了進一步驗證。設計的電動自行車雙層停車機構(gòu)加工成樣機后也進行了多次測驗，均滿足使用要求。另外，在應用方面，考慮充電方便和防止丟失，該停車裝置單個使用時占地極小，可在居民家中或者儲藏間使用。對小區(qū)，可搭建一定尺寸的車棚，多單元使用。