自行車立體停車裝置的設計及運動仿真

高 歡，李 敏，張 珩，桂康迪，湯宇軒，雷詩云

(江漢大學 化學與環境工程學院，湖北 武漢 430000)

自行車的出現，為人們的短途出行提供了低碳、綠色的交通工具。然而在公交車站、地鐵出入口等人流量較大的公共場所，自行車的無序停放占用了大量公共空間，嚴重影響了市容市貌和人流通行。

自行車停車裝置是解決以上問題的有效措施。如插槽式停車樁(如圖1所示)，其結構簡單、造價低廉、易于安裝、使用方便，但占地較大；2013 年日本推出由Giken設計的地下自行車停車塔(如圖2所示)，自動化高、存儲量大，但其高造價、難施工等問題也制約了它的廣泛推廣。

圖1 插槽式停車樁

圖2 日本地下自行車停車塔

由此，本文提出了一種新型自行車立式停車裝置，具有占地面積小，造價低、易安裝等特點。

1 自行車立體停車裝置的結構及工作原理

自行車立體停車裝置包括停車架，線性導軌，滑塊，前輪支撐架，夾緊機構，剎車片，后輪鎖死機構組成，如圖3所示。整個裝置使用方式如下：

使用者推動自行車前輪放置在支撐架上，同時夾緊機構夾住前輪輪胎以固定車輪。隨后，使用者稍提起自行車的車把，前輪隨支撐架沿線導上升，后輪隨動前行。當自行車最終直立時，后輪觸發后輪鎖死機構鎖死后輪。

取用時，使用者腳踏鎖死機構中簧片，支架在收回。使用者握住車把，拉動自行車使前輪隨支撐架沿線導下降，后輪隨動。當自行車完全水平時，可向后拉動使前輪離開夾緊機構。

整個過程由機械結構助力完成，無需外部能源，減少了裝置的安裝和制造成本。然而，人力是否足夠完成這一系列操作，成為本裝置可行性的關鍵，因此，本文通過運動仿真分析，對裝置運動所需動力進行計算。

圖3 自行車立體停車裝置示意圖

2 自行車立體停車裝置三維建模和運動仿真分析[3]

根據以上設計思路，筆者利用UG建立了停車裝置及自行車的三維模型。并運用UG軟件的運動仿真模塊，利用曲柄連桿[3]的原理及step函數[4]對時間的控制，對自行車進行運功軌跡分析[5]。設置整個模型運動時長為15 s，步數為300。利用step函數設置前輪支架0～11 s時，上升1010 mm，11～14 s時下降20 mm，帶動自行車向上運動。當0～11 s時，鎖死機構中的后支架保持不變，當11～13 s時，后支架順時針旋轉60°，當13～13.5 s時，后支架逆時針旋轉1°。當10～11 s時，，鎖死機構中的連桿逆時針旋轉2°。分析自行車的位移、速度、加速度，如圖4、5所示。

通過查閱相關資料，公路車的質量在10 kg左右，山地車的質量在15 kg左右。本文取自行車質量為15 kg。設置裝置完成的不同時間，得到不同時間下自行車的加速度，利用公式F=ma[6]，可求出自行車所需要的動力，如表1所示 。

圖4 自行車支架的運動分析

圖5 前輪的運動分析

表1 自行車停車裝置停車過程參數

由表1可知，該裝置完成的時間越短所需要的動力越大。當時間為4 s時，自行車所需要的動力為69 N，69 N的力相當于提升一個6.9 kg的物體，而且施加的時間較短，一個成年人能夠承受該力的負荷，所以該方案是可行的。

3 結論

本文提出了一種方便、快捷且造價低的自行車立體停車裝置，并利用UG軟件對該裝置進行建模和運動仿真分析，對其可行性進行了驗證。結果表明，該立體停車裝置可不借助外部能源，僅靠人力可完成自行車的立式停放。