Z字型斜軌道雙層公共自行車車架的創新設計

張淳，鐘金，孔祥恩，董宇晨，張曉青

上海電機學院機械學院

Z字型斜軌道雙層公共自行車車架的創新設計

張淳，鐘金，孔祥恩，董宇晨，張曉青

上海電機學院機械學院

目前許多城市早已大力推廣和實施公共自行車系統，但是占地面積較大的駐車站點只能停放寥寥十幾輛自行車成了一大難題，使得市民不僅借車難，停車也難。根據綠色節能環保、提高土地利用率的設計理念，設計制造雙層公共自行車架。本文主要討論了雙層公共自行車架的結構設計特點以及各部件的受力情況等。該雙層公共自行車架結合實際情況，具有標準化規范化、穩定可靠性高、易于維護和實用性能強等優點。

雙層停車；Z型斜軌道；方便快捷

1 引言

近些年來，隨著環保觀念的深入人心，公共自行車系統在國內很多城市都得到普及。由于公共自行車不存在大氣和噪音污染，可為居民和游客提供便捷的綠色出行方式，提高城市的綠色競爭力；同時可以解決公交出行“最后一公里”難題，成為目前城市交通系統中不可或缺的一部分。但是目前在駐車站點使用的公共自行車停車架均為單層放置，數量非常有限，不能適應廣大市民的出行需求。因此我們采用Z式斜軌道的雙層放置自行車的方式以此來解決在有效的占地面積上雙倍增加公共自行車的停放數量。Z式斜軌道雙層公共自行車架在結合目前實際情況下，對雙層停車架的結構進行了合理的設計和受力的分析，力爭為租車人提供最方便快捷、省時省力的取放車的方式。

2 Z字型斜軌道公共自行車架結構設計

目前大部分公共自行車的停放方式由一個簡單的鎖緊裝置構成，將前車頭固定住起到停放自行車的功能。在沿用了目前自行車停放方式的優點后，我們又設計采用Z字型的斜軌道雙層公共自行車車架的設計方案。

首先Z字型斜軌道車架的Z型角度為53°。選擇這個角度的原因是考慮這么幾點。第一，角度越大所需要使用的力也越大，經過計算發現角度為53°時所用的力基本可滿足所有人群；第二，目前一個公共自行車車架的占地面積約為170×60（cm2），

然而安裝了Z型車架后占地面積約為200×60（cm2），雖然占地面積增加到了原來的1.17倍，但是停車效率卻是原來的兩倍。

此外，整個車架還包括了傳動省力部分、公共自行車部分和防盜鎖止器部分。每一個Z型斜軌道自行車停車位的工作原理如下：

水平地面軌道可直接停放自行車，之后將金屬桿推至防盜鎖止器內即可，如想取車，刷卡即可。

Z型斜軌道需把自行車先推上斜軌道，由于軌道上安裝一些圓頭三角樁以及兩個車把定位防護欄，自行車可固定在軌道上。之后利用搖桿滑輪掛鉤裝置，將掛鉤置于車把兩側后，利用手搖桿器將自行車搖至防盜鎖止器處，將車座下的金屬桿推進鎖止器中即可。如想取車，先刷卡開鎖，推出自行車即可。

Z字型雙層公共自行車車架的整體結構完整、設計緊湊、停放方式合理安全。

3 公共自行車的尺寸設計

我們參考了目前市場上眾多的公共自行車產品的設計方案，決定采用杭州市西湖景區的公共自行車原型，并且在原有的基礎上作一些細節調整，以滿足Z字型雙層公共自行車架的停車要求。

在材質上采用新型鋁合金，以此可以減輕自行車的重量，騎車時更加省力。車身使用了醒目的橙色，車長約165厘米，車輪直徑約長65厘米，兩車軸間距約為145厘米，車把距離地面約100厘米。

公共自行車的功能分為三部分：在車頭部分，原來只有一根金屬桿用來鎖緊方式不能滿足要求，因此我們在車座下又增加了一根金屬桿，以滿足車頭、車尾兩個方向都可以鎖緊。在車籃部分，目前眾多公共自行車并沒有考慮到車籃的設計，我們在車頭前面安裝了一款可以存放空間較大的金屬車籃。在車把部分，給自行車安裝了一個檔位調節轉盤，位置在右把手附近。騎車人可以在騎行過程中選擇1,2,3共3個檔位。其中1檔是上坡檔，2、3擋則是正常騎行擋；根據騎車人的需求在不同路段可以自行調節，這樣的設計也可以讓不同身體條件的市民都能使用。

4 傳動設計

考慮到在斜軌道上停放自行車時比較費力，我們在Z字型斜軌道的頂端位置設計添加了一個帶傳動的傳動方式。由動滑輪、定滑輪、掛鉤以及手柄搖桿器組成，由細長皮帶連接各個組件，其目的是為了讓借車人在停放時能夠省力。

一個定滑輪固定焊接于頂架上，一個動滑輪與車把手掛鉤固定，并且頂架是安裝在Z字型車架的頂端上。所述的滑輪機構、手柄搖桿器是利用連接皮帶全部銜接在一起，用來調節自行車停放時的高度。考慮到Z字型公共自行車架長時間暴露于各種極端天氣之下，因此連接皮帶我們采用了特殊的加強皮帶，以保障使用時的易維護性，經濟性和持久性。設計Z字型斜軌道與底面、頂面間的夾角為53°；定滑輪直徑為30mm，動滑輪直徑為40mm；掛鉤能夠承載重量為20至30 kg。以在斜坡上停放公共自行車，斜坡角度為53°，加速度為0.5m/s2為例：

（由于自行車采用新型鋁合金材質，因此重量較輕，約為12千克，計算時按安全裕度15千克計算）

自行車重量：M自=15kg；

動滑輪受力：F動-M自g-f=M自a；

定滑輪受力：F定=sin53° F動=34.84N；

由力臂受力平衡得：F定L定=F手搖器L手搖器；

通過計算得出的數據我們可以看到，當利用手柄搖桿器停放自行車時，我們所需要用到的力相當于托起一千克的物品，遠比自己推著自行車上軌道少的多。并且在保證了自行車停放時不會摔倒的前提下，整個停放過程方便、快捷和省力。

參考附傳動機構圖。

5 總結

Z字型雙層公共自行車架的設計已經完成，在結合理論數據分析受力情況，進行運動仿真和有限元分析實驗等后，在相應的細節上作了進一步修改。通過搖桿滑輪裝置、可調速的公共自行車和刷卡即解鎖的防盜鎖止器等使得租車的市民和游客在借車和停車時，更加省時省力、方便快捷。

參考圖一

[1]王知行，鄧宗全，主編.機械原理；高等教育出版社；第2版2006年5月。

[2]王樹才，吳曉，主編.機械創新設計；華中科技大學出版社；2013年。

[3]博創設計坊，組編，鐘日銘，主編.UG NX7.5完全自學手冊；機械工業出版社；2010年11月。

[4]張昊，主編.于UG NX4.0高級教程；電子工業出版社；2007年07月。