家居多用式雜物及自行車存放裝置

賴志洋，劉璐，張茜

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家居多用式雜物及自行車存放裝置

賴志洋，劉璐，張茜

（武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430070）

針對(duì)目前家居存放物品空間不足、部分空間利用率低等問題，設(shè)計(jì)了一款家居多用式雜物及自行車存放裝置，該裝置通過對(duì)齒輪機(jī)構(gòu)的合理運(yùn)用、配合，對(duì)傳動(dòng)比的合理設(shè)計(jì)，考慮到使用群體和使用地點(diǎn)，巧妙利用繩索進(jìn)行傳動(dòng)，使裝置更加便捷、省力，實(shí)現(xiàn)了物品的輕松存放和置頂。同時(shí)，充分利用了儲(chǔ)存間、陽(yáng)臺(tái)、私人車庫(kù)等空余的頂部空間，減少了雜物的占用空間，解決了自行車停放空間不足以及亂停放的問題。通過軟件仿真證明了本裝置具有合理性、可行性，具有廣泛的應(yīng)用前景。

自行車；置頂存放；機(jī)械結(jié)構(gòu)；電梯

1 項(xiàng)目背景

目前，隨著房?jī)r(jià)的不斷增加，城市房屋空間可謂是“寸土寸金”，每一塊空間都十分寶貴。一般的家庭都會(huì)有一個(gè)儲(chǔ)物間用于存放家中雜物，但往往儲(chǔ)物間的空間不大，無法存放過多的物品。通常情況下，當(dāng)雜物太多但儲(chǔ)物間空間不夠時(shí)，住戶只能使用縱向空間，但縱向空間往往因其房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)而不容易被利用，特別是頂部經(jīng)常存在較大空間無法被利用，往往因?yàn)轫敳靠臻g的空余而導(dǎo)致空間利用率不足，因此，儲(chǔ)存空間不足問題也困擾著廣大住戶。

同時(shí)，隨著城市的車輛越來越多，用戶對(duì)停車位的需求逐漸增大，如今住戶經(jīng)常反映會(huì)感到街道變得擁擠，一些住戶因?yàn)闆]有空間停放，而且出于物品安全性的原因?qū)⒆孕熊囃７旁诩抑校短焱＼嚤槐I的風(fēng)險(xiǎn)，但對(duì)于高層住戶，將自行車停放于家中會(huì)面臨自行車上高樓的問題，即使有電梯的運(yùn)送，也會(huì)帶來一些不必要的麻煩。部分條件較好的住戶也會(huì)把自行車停放至私人車庫(kù)，但是調(diào)查顯示，目前絕大多數(shù)的車庫(kù)只能停放一輛轎車，直接導(dǎo)致車庫(kù)的空間利用率不高。

基于上述問題，我們?cè)O(shè)計(jì)了“家居多用式雜物及自行車存放裝置”，使得有限的儲(chǔ)存空間能夠高效利用，實(shí)現(xiàn)了將雜物的置頂存放以及自行車和小轎車同時(shí)停放的功能，節(jié)省了家居物品儲(chǔ)存空間，將家中以及車庫(kù)中的頂部空間最大化利用。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)整體組成及操作流程

該多用式物品存放裝置由純機(jī)械結(jié)構(gòu)組成，其分為三大模塊：動(dòng)力模塊，聯(lián)動(dòng)模塊和存儲(chǔ)固定模塊。將三個(gè)模塊相結(jié)合，通過簡(jiǎn)單的拉和抬動(dòng)作，完成取物品和存物品的過程。同時(shí)，底部設(shè)置可伸縮托槽，托槽折疊時(shí)用于放置自行車，充分利用車庫(kù)的存儲(chǔ)空間，托槽拉伸時(shí)，如圖1所示，可用于放置較大的雜物，提高家中存儲(chǔ)物品的空間利用率。整個(gè)裝置操作簡(jiǎn)單，可適應(yīng)家中車庫(kù)、儲(chǔ)存間、陽(yáng)臺(tái)等多種家居場(chǎng)所。

圖1 裝置整體圖

根據(jù)總體設(shè)計(jì)要求，本裝置主要實(shí)現(xiàn)自行車以及較大雜物的存放功能，便捷、省力而高效。裝置的使用流程分為存物品和取物品過程，互為逆過程，通過各模塊配合，用戶可以在兩步操作內(nèi)完成取物品或存物品的動(dòng)作。存物品時(shí)，首先將物品固定在儲(chǔ)存模塊上，輕拉握把解除裝置自鎖，按照裝置固定的運(yùn)動(dòng)軌跡推至水平狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)置頂存放。取物品時(shí)，輕拉握把使裝置越過平衡點(diǎn)，裝置進(jìn)入自鎖狀態(tài)，此時(shí)，可解除固定裝置，將物品取出來。

2.2 機(jī)械部分設(shè)計(jì)

2.2.1 動(dòng)力模塊

動(dòng)力模塊主要由拉伸氣彈簧、壓縮氣彈簧、支撐桿組成，其主要功能是為整體裝置提供主動(dòng)力。本裝置為純機(jī)械裝置，相較于普通彈簧其有著很大的優(yōu)勢(shì)：速度相對(duì)緩慢、動(dòng)態(tài)力變化不大氣、容易控制。但其體積相對(duì)較大、壽命較短。氣彈簧具有較為平緩的彈性曲線，這一特性可為裝置提供恒定的動(dòng)力。

利用氣彈簧上述特性，設(shè)計(jì)了裝置的動(dòng)力機(jī)構(gòu)，兩氣彈簧一端鉸接在機(jī)架上，另一端鉸接在支撐桿上，支撐桿繞心軸轉(zhuǎn)動(dòng)。在運(yùn)動(dòng)的過程中，由于氣彈簧一端位置的改變，其施力的方向也隨之改變，施加在主軸的總力矩方向改變，通過限位塊配合作用，在力矩由正變?yōu)樨?fù)和由負(fù)變?yōu)檎龝r(shí)，機(jī)構(gòu)均進(jìn)入自鎖狀態(tài)。

取物品時(shí)，從把手施力使支撐桿運(yùn)動(dòng)，支撐桿與水平線的夾角逐漸增大，待此夾角大于一定角度時(shí)，氣彈簧產(chǎn)生的力矩小于等于載荷力矩，機(jī)構(gòu)開始按預(yù)定軌跡運(yùn)動(dòng)，角度進(jìn)一步增大，氣彈簧產(chǎn)生的力矩變?yōu)榉聪蜃枇兀瑱C(jī)構(gòu)達(dá)到自鎖狀態(tài)。

存物品時(shí)，從底部施加向外的拉力，連桿運(yùn)動(dòng)軌跡相反，此時(shí)，支撐桿與固定桿間的夾角逐漸減小，當(dāng)角度減小至自鎖位置后，機(jī)構(gòu)便可按照預(yù)定軌跡運(yùn)動(dòng)，無需人力控制，操作方便、簡(jiǎn)單、省力。

最終動(dòng)力模塊達(dá)到提升助力、存取自鎖的效果。

2.2.2 聯(lián)動(dòng)模塊

聯(lián)動(dòng)模塊由齒輪齒條、帶輪、同步帶、伸縮套桿、滑塊和定長(zhǎng)桿等組成。

聯(lián)動(dòng)模塊的主要功能是將主干的轉(zhuǎn)動(dòng)與裝置的平移進(jìn)行復(fù)合，使存放物品按照預(yù)定且唯一的軌跡提升，避開下方擺放的物品，安全存取。

運(yùn)動(dòng)過程中，推動(dòng)或拉動(dòng)支撐桿時(shí)，主動(dòng)齒輪在齒條的作用下轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)主動(dòng)帶輪，主動(dòng)帶輪和從動(dòng)帶輪與另外一套主動(dòng)帶輪和從動(dòng)帶輪之間1∶1傳動(dòng)，從而帶動(dòng)從動(dòng)齒輪，由于主動(dòng)齒輪與從動(dòng)齒輪的模數(shù)相同，齒數(shù)比為4∶3，從而使兩齒輪的位移比為4∶3，在固定桿、滑塊和伸縮套桿的共同作用下，使主桿的運(yùn)動(dòng)軌跡固定，使本裝置可以避免在用戶存取物品時(shí)碰到下方存放的物品或車輛。最終聯(lián)動(dòng)模塊實(shí)現(xiàn)了確定軌跡、安全存取的效果。

2.2.3 儲(chǔ)存固定模塊

存儲(chǔ)固定模塊主要由夾持塊、夾緊棒、固定棒、可伸縮托槽、帶網(wǎng)孔底盤等組成。

存儲(chǔ)固定模塊的功能為固定和存放雜物及自行車，保證物品在存取過程中的安全。

用戶需要放置自行車時(shí)，將托槽置于折疊狀態(tài)，車輪放置于托槽中，夾持塊上附有固定棒和夾緊棒，固定棒限制車座的5個(gè)自由度，夾緊棒上設(shè)有彈簧，固定車座最后一個(gè)自由度，夾持塊可在主干上滑動(dòng)調(diào)節(jié)位置，以適應(yīng)不同高度的自行車；托槽主要用于承載自行車的質(zhì)量。當(dāng)可伸縮托槽處于拉伸狀態(tài)，可存放的空間增大，此時(shí)托槽可用于存放較大型的雜物，將物品放置于托槽中，緩慢將裝置推向頂部存放，設(shè)置的帶網(wǎng)孔底板用于裝置置頂時(shí)承載雜物，同時(shí)，使得物品在頂部存放時(shí)可視化，為用戶取用物品時(shí)提供便利。

最終存儲(chǔ)固定模塊達(dá)到存放多類型雜物以及適應(yīng)并固定不同尺寸自行車的效果。

3 可行性分析

部分重要零件機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度仿真分析如下。

3.1 主桿強(qiáng)度仿真分析

為了確保主桿有足夠的強(qiáng)度和剛度來抬升物品，使裝置能夠安全、可靠運(yùn)行，本項(xiàng)目組使用ANSYS軟件對(duì)主桿進(jìn)行靜力學(xué)分析。

把本裝置的模型導(dǎo)入到ANSYS的環(huán)境中，添加結(jié)構(gòu)靜力學(xué)類型，選取單元類型為Solid186，添加彈性模量EX為7.0×1011Pa，泊松比PRXY為0.3，密度Density為2.7×103kg/m3的硬質(zhì)鋁合金材料，然后進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對(duì)相應(yīng)部位施加相應(yīng)的載荷并進(jìn)行求解，得到了主桿的等效應(yīng)力云圖。由主桿的等效應(yīng)力云圖可知，主桿的最大應(yīng)力為33.158 MPa，應(yīng)力主要集中在的主桿與架子的連接孔處，與本裝置選用的材質(zhì)進(jìn)行比較，滿足設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)要求。

3.2 主軸強(qiáng)度分析

為了確保裝置能夠安全可靠地運(yùn)行，主軸必須要有足夠的強(qiáng)度和剛度來抬升所存放的物品，為此本項(xiàng)目組使用ANSYS軟件對(duì)主軸進(jìn)行靜力學(xué)分析。

把本裝置的模型導(dǎo)入到ANSYS的環(huán)境中，添加結(jié)構(gòu)靜力學(xué)類型，選取單元類型為Solid186，添加彈性模量EX為7.0×1011Pa，泊松比PRXY為0.3，密度Density為.7×103kg/m3的硬質(zhì)鋁合金材料，然后進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對(duì)相應(yīng)部位施加相應(yīng)的載荷并進(jìn)行求解，得到了主軸的等效應(yīng)力云圖。

由主桿的等效應(yīng)力云圖可知，在載荷的作用下，主軸的最大應(yīng)力為8.821 5 MPa，應(yīng)力主要集中在的主軸與主桿的連接面處，與本裝置選用的材質(zhì)進(jìn)行比較，滿足設(shè)計(jì)要求。

通過軟件仿真我們可以得知裝置的各方面強(qiáng)度是滿足設(shè)計(jì)要求的，本裝置能夠在存放不同物品的時(shí)候保持較高的穩(wěn)定性和安全性，在選材和設(shè)計(jì)方面具有較高的可行性。

4 結(jié)束語

隨著房屋價(jià)格的提高，家中可利用的存儲(chǔ)空間變得非常珍貴，在房屋內(nèi)往往對(duì)頂部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有一定的要求，這就導(dǎo)致部分的頂部空間無法被利用，而本裝置頂部固定結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，能夠較好地適應(yīng)室內(nèi)頂部空間，可以結(jié)合房屋在設(shè)計(jì)和裝修的過程中直接安裝，對(duì)儲(chǔ)物間、陽(yáng)臺(tái)等區(qū)域在頂部無法使用的空間充分利用，儲(chǔ)存雜物。同時(shí)，現(xiàn)在私人車庫(kù)普遍存在，車庫(kù)的需求也越來越多，可以直接在車庫(kù)頂部安裝本裝置，存在頂部雜物及自行車，有效解決自行車停放混亂、道路擁擠等問題。

本作品在不對(duì)原有使用場(chǎng)合結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造的前提下，實(shí)現(xiàn)了頂部空間和底部空間同時(shí)儲(chǔ)存的功能，且頂部的物品存、取不會(huì)影響到底部物品的存放，使用方便，充分利用了頂部空間，市場(chǎng)前景廣闊。

2095－6835（2019）03－0076－02

U491.71

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.03.076

〔編輯：張思楠〕