一種輪轉(zhuǎn)式自行車(chē)停放裝置的設(shè)計(jì)

文國(guó)富 李震宇

摘要：隨著人們環(huán)保意識(shí)的不斷提高，越來(lái)越多的人選擇自行車(chē)出行，自行車(chē)停放難、停放亂等問(wèn)題引起人們的關(guān)注。根據(jù)現(xiàn)有自行車(chē)的結(jié)構(gòu)、功能特點(diǎn)，并根據(jù)不同心等大雙圓環(huán)上對(duì)應(yīng)點(diǎn)之間的距離處處相等的原理，構(gòu)建空間三角形，設(shè)計(jì)出一種輪轉(zhuǎn)式自行車(chē)停車(chē)裝置，運(yùn)用SolidWorks軟件對(duì)裝置進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真與靜力學(xué)分析，以泊車(chē)總占地面積與裝置占地面積之比作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。結(jié)果表明，在保證裝置可靠性與安全性的前提下，裝置占地面積1125 m2，單面可停放24輛自行車(chē)，停放相同數(shù)量的自行車(chē)面積利用率達(dá)到192%。

關(guān)鍵詞：自行車(chē)；停放裝置；輪轉(zhuǎn)式

中圖分類(lèi)號(hào)：U491文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2018.11.001

0引言

近年來(lái)，鑒于機(jī)動(dòng)車(chē)輛排放的尾氣對(duì)環(huán)境所造成的破壞[1]，各國(guó)都極力倡導(dǎo)綠色出行、低碳出行，自行車(chē)成為越來(lái)越多的人們綠色出行、上下班的交通工具。由于城市小區(qū)既定規(guī)劃，停車(chē)空間嚴(yán)重不足，自行車(chē)停放問(wèn)題日趨嚴(yán)重，諸多小區(qū)自行車(chē)停放難、停放亂、無(wú)地停放、占用電梯間等問(wèn)題[2]急需解決。以及共享單車(chē)迅速推廣，給人們帶來(lái)諸多便利和低碳生活的同時(shí)，在一定程度上給城市管理帶來(lái)阻礙。不僅影響城市美觀而且影響行人出行安全以及道路的暢通，給人們的生活帶來(lái)一定的影響。

1整體方案設(shè)計(jì)

1.1總體尺寸設(shè)計(jì)

該裝置最大特點(diǎn)在于車(chē)輛停放在底部支撐架之后，通過(guò)驅(qū)動(dòng)電機(jī)與六輪支架對(duì)所停放車(chē)輛支撐架進(jìn)行旋轉(zhuǎn)抬升，而合理、精確的尺寸是該裝置實(shí)現(xiàn)預(yù)定運(yùn)動(dòng)及其他動(dòng)作的前提，因此對(duì)該裝置部分尺寸進(jìn)行合理設(shè)計(jì)、初步運(yùn)算以及軟件分析。其主要尺寸如下：

（1）六輪支架外形尺寸。為更好與整體外形尺寸配合，故六輪支架半徑取25 m，為保證車(chē)輛停放之后的穩(wěn)定性與安全性，根據(jù)受力分析支架厚度取008 m。

（2）支撐架尺寸。根據(jù)車(chē)輛尺寸考慮，支撐架的長(zhǎng)度取18 m，寬取2 m，考慮停放安全性與穩(wěn)固性，根據(jù)受力分析支撐架厚度取01 m。

（3）整體外形尺寸。為保證整體性能可靠性、運(yùn)行穩(wěn)定性，最大限度利用有限場(chǎng)地，根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)可取整個(gè)外形尺寸長(zhǎng)為55 m、高為5 m。

1.2旋轉(zhuǎn)支架方案確定

為保證停車(chē)穩(wěn)定性與安全性，根據(jù)材料承重能力與受力分析，故旋轉(zhuǎn)支架選擇半徑為25 m的六輪支架。采用六輪支架并在支架之間設(shè)計(jì)加強(qiáng)筋，支架厚度為008 m，支架自重明顯減少。且加強(qiáng)筋能夠更好保證支架的可靠性與安全性。

1.3導(dǎo)軌方案確定

以改善支撐架受力情況和減少其縱向尺寸為出發(fā)點(diǎn)，采用兩個(gè)等大、不同心圓弧導(dǎo)軌[3]，使圓弧導(dǎo)軌分擔(dān)支撐架整體重力，改善支撐架與旋轉(zhuǎn)支架配合處的受力情況，從而保證支撐架受力更加均勻，提高支撐架的穩(wěn)定性。

1.4支撐架方案確定

支撐架的作用旨在停放并固定自行車(chē)，保證自行車(chē)停放穩(wěn)定性和整個(gè)裝置安全性。由此，支撐架根據(jù)自行車(chē)寬度一般為04 m，設(shè)計(jì)4個(gè)“L”型鎖死機(jī)構(gòu)沿徑向橫排于支撐架上，從而將自行車(chē)鎖死在支撐架上（如圖所示）。取支撐架長(zhǎng)18 m、寬2 m，該支撐架采用直徑為003 m的空心鋁合金焊接而成，其質(zhì)量輕、加工簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好，且一個(gè)支撐架可一次性停放4輛自行車(chē)，停放車(chē)輛可以自由增減，受力均勻，停放方便快捷。

圖支撐架示意圖

2局部強(qiáng)度計(jì)算及校核

普通自行車(chē)重量在8～15 kg，高檔定制自行車(chē)重量會(huì)達(dá)到20 kg，故停車(chē)位承受重量極限應(yīng)在20 kg左右；自行車(chē)長(zhǎng)度尺寸達(dá)到18 m，停車(chē)位總長(zhǎng)度應(yīng)達(dá)到2 m，寬度尺寸達(dá)到045 m，一個(gè)停車(chē)位停放四輛自行車(chē)，則總寬度應(yīng)達(dá)到18 m，高度達(dá)到1 m，停車(chē)裝置在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，兩停車(chē)位間距控制在12 m左右。結(jié)合裝置與實(shí)際情況考慮，綜合分析后在理論計(jì)算中取每輛自行車(chē)自重20 kg。

2.1六棱支架的強(qiáng)度校核

裝置運(yùn)行到右端時(shí)，六棱支架的受力情況最為明顯。

選用Q235，其彈性模量E=19×1011 Pa[4]，屈服強(qiáng)度δs=185 MPa，采用矩形截面， 安全系數(shù)S=12。

（1）最大彎矩M

M=F×L（1）

式中：F=750 N，L=25 m，代入（1）得M=375×106 N·mm。

（2）抗彎截面系數(shù)W

W=hb312÷h2=b36（2）

式中：b=210 mm， 代入（2）得W=15435 ×106 mm3。

（3）彎曲應(yīng)力

δs=MW（3）

式中：M=375×106 N·mm，W=15435×106 mm3，代入（3）得δs=243 N/m2=243×106 N/mm2=243 MPa

（4）許用彎曲應(yīng)力

[δs]=δss（4）

式中：s=12，代入（4）得[δs]=154 MPa。

可知：δs<[δs]，滿(mǎn)足強(qiáng)度條件。

2.2六棱支架的剛度校核

由以上簡(jiǎn)化模型以及相關(guān)參數(shù)，可求出在水平方向的變形量（最大撓度）

yx=FL33EI（5）

式中：L=25 m，E=19×1011Pa，I=008×0210312，代入（5）得yx=0666 mm，0666250011000。

故在水平方向滿(mǎn)足剛度要求。

由以上簡(jiǎn)化模型以及相關(guān)參數(shù)，可求出在垂直方向的變形量（最大撓度）為撓度yy。

設(shè)F為六輪支架處于水平位置時(shí)端點(diǎn)處力，查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》[5]矩形截面抗扭截面系數(shù)I

I=bh312（6）

式中：b=021 m，h=008 m，代入（6）得I=896×106 mm4。

yy=FL33EI（7）

式中：F=1500 N，I=896×106 mm4，L=25 m，代入（7）得yy=459 mm，經(jīng)計(jì)算

45925001100

故在垂直方向滿(mǎn)足剛度要求。

綜上所述，六棱支架滿(mǎn)足強(qiáng)度、剛度要求，停放在上方的自行車(chē)不會(huì)發(fā)生傾覆，故使用安全。

3創(chuàng)新點(diǎn)及應(yīng)用

3.1創(chuàng)新點(diǎn)

（1）采用雙圓環(huán)不同心的結(jié)構(gòu)，利用兩等大圓環(huán)上對(duì)應(yīng)點(diǎn)的距離處處相等的原理，在空間上構(gòu)建空間三角形，保證停放自行車(chē)的平面時(shí)刻處于水平位置。

（2）裝置實(shí)際占地面積1125 m2，設(shè)計(jì)“旋轉(zhuǎn)六輪支架”配合六個(gè)停車(chē)架，可停放24輛自行車(chē)，最大程度上利用有限的場(chǎng)地。

3.2應(yīng)用

（1）可以廣泛應(yīng)用于共享單車(chē)停放點(diǎn)的停放與存貯。

（2）導(dǎo)軌支撐板中間區(qū)域可應(yīng)用于廣告位，供廣告商廣告宣傳。

（3）導(dǎo)軌支撐板中間區(qū)域可懸掛花盆，綠化小區(qū)。

（4）可滿(mǎn)足不同型號(hào)自行車(chē)停放，能夠應(yīng)用于小區(qū)、寫(xiě)字樓等不同領(lǐng)域。

4結(jié)論

針對(duì)自行車(chē)停放難、亂停放的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種輪轉(zhuǎn)式自行車(chē)停車(chē)裝置，以泊車(chē)總占地面積與裝置占地面積之比作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。利用等大、不同心圓上對(duì)應(yīng)點(diǎn)距離處處相等的原理構(gòu)建空間三角形，從而構(gòu)建一個(gè)停車(chē)平面。經(jīng)過(guò)計(jì)算與軟件有限元分析，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)滿(mǎn)足使用要求。為城市、小區(qū)等自行車(chē)停放點(diǎn)提供了一種可行方案。

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