自行車雙排豎直停放裝置的設計

□ 張漢馳 □ 劉 鑫 □ 許 虹

華東理工大學 機械與動力工程學院 上海 200237

1 設計背景

在低碳經濟和共享經濟的背景下,共享自行車一問世就得到了大眾的普遍關注。共享自行車作為一種健康環保的出行工具,深受人們的喜愛。在共享自行車越來越普及的同時,也出現了很多問題。自行車的亂停亂放嚴重影響了城市交通,對市容造成了破壞,在一定程度上侵占了公共資源,也影響了居民的出行體驗。目前市場上已有的自行車停放裝置有雙層式、旋轉式、錯位懸掛式三種[1-3],但空間利用率都較低,結構復雜,且成本較高,不利于推廣。筆者設計了一種自行車雙排豎直停放裝置,在不影響用戶體驗的情況下,能夠節省較多的公共空間,引導人們有序停放自行車,避免亂停亂放及大面積倒車現象。這一裝置制作成本較低,操作方法簡單易懂,用戶使用方便。

2 總體設計方案

自行車雙排豎直停放裝置采用豎直式停車形式,模型如圖1所示。為了使自行車能夠自動完成豎直停放過程,筆者采用電機作為動力源,通過定滑輪改變牽引力的方向。支撐架通過地腳固定于地面上,導軌固定于支撐架上,前輪夾持機構與滑塊相連,可隨滑塊在導軌上移動,后輪架固定于距導軌底端30 cm的位置。自行車停放過程如圖2所示。當自行車進入停車區域時,由前輪夾持機構夾持鎖定自行車前輪。在電機牽引下,前輪夾持機構和前輪沿導軌同時向上提升。當后輪靠上后輪架時,電機停止轉動,且抱閘自鎖,防止自行車隨重力下滑,由此完成自行車的停放過程。

▲圖1 自行車雙排豎直停放裝置模型

▲圖2 自行車停放過程

3 內部結構

3.1 前輪夾持機構

前輪夾持機構以曲柄搖桿機構為基礎,其模型如圖3所示。

▲圖3 前輪夾持機構模型

自行車前輪夾持過程如圖4所示。當自行車前輪按圖4中箭頭方向進入前輪夾持機構的工作區域時,前輪推動自鎖開關,從而帶動推板向內運動。推板兩側為齒條狀,推板和齒輪搖桿以齒輪齒條的形式相嚙合,將直線運動轉換為旋轉運動。隨著推板順著箭頭方向向內運動,齒輪搖桿開始旋轉,從而帶動曲柄轉動,使鉗爪夾住前輪。再通過自鎖裝置鎖定推板,從而防止齒輪搖桿倒轉。工作區域兩側分別配有一塊擋板,可防止前輪晃動。此時各個桿件位置固定,前輪被鉗爪夾緊固定。

▲圖4 自行車前輪夾持過程

3.2 自鎖裝置

自鎖裝置模型如圖5所示。自鎖裝置主要由三部分組成,分別為轉子、自鎖開關、殼內部導軌。自鎖裝置工作時,由自行車前輪推動自鎖開關,使轉子運動至導軌頂部臨界位置。在推板后彈簧的推動下,轉子順勢向左側轉動。自鎖開關在彈簧的作用下向上彈回,過臨界點后轉子上的滑爪繼續向左側轉動,被卡在殼內部導軌處,確保自行車前輪被夾緊,防止前輪滑落,完成自鎖過程。在取車時,推動自行車,使前輪再次推動自鎖開關。壓縮彈簧使轉子上的滑爪脫離導輪,轉子繼續向左側轉動,推桿彈回至受力平衡的位置,鉗爪松開,前輪被釋放。轉子的圓周上有一條較深的導向槽,用于保證運動平穩。

▲圖5 自鎖裝置模型

4 控制方式

自行車雙排豎直停放裝置采用直流電機作為動力源,采用占空比可調的脈沖寬度調制進行控制,具有連續可調的恒轉矩控制特性[4]。在直流電機啟動、制動、過載,或當電機轉速為零但仍有扭矩輸出時,需要控制電機電流,保證電機獲得允許的最大限制電流。裝置中使用型號為STM32F103C8T6的芯片,芯片結構小巧緊湊,在低功耗及一些具有嚴格時間限制的控制場合中表現出色,所需電壓為2～3.6 V,能適應日常的室外溫度變化,自帶脈沖寬度調制定時器,能夠精準控制占空比[5],有足夠的輸入、輸出接口用于輸出脈沖寬度調制波和觸發信號,由此結合電機驅動板來控制電機轉速、轉向及啟停。為了使電機在合適的時機啟動,通過安裝傳感器來判斷是否有自行車需要停放,同時保證不會因為其它外部因素的干擾而引起誤判。裝置中還應用紅外光電開關傳感器[6],當自行車進入停放裝置時,傳感器會產生低電平。當自行車需要離開停放裝置時,傳感器會產生高電平。高低電平信號傳送至芯片,根據所設定的規則進行判斷,使電機做出相應的動作[7]。

將紅外光電開關傳感器置于前輪夾持機構下的兩側擋板之間,當有車輪進入擋板之間時,代表自行車進入停放裝置,同時車輪推動自鎖開關,完成自鎖動作,開始自行車的停放過程。

5 參數計算

5.1 液壓桿承重

考慮到停放在高處的自行車取用方便,自行車雙排豎直停放裝置采用平行四桿機構。如圖6所示,平行四邊形ABCD實現高低位置的轉換[8],并配有液壓桿作為輔力支撐。自行車及導軌通過兩根長度相等的鋁合金桿1、鋁合金桿2與支撐架相連,組成平行四桿機構。桿2 的長度d2為500 mm,兩個轉動副B點和D點之間的距離d4設置為588 mm,與導軌上桿1和桿2兩連接點A點、C點之間的距離d1相等。將液壓桿F端固定在與轉動副D點間距離d6為200 mm的位置,液壓桿E端固定在桿2上與轉動副D點距離d3為387 mm的位置,液壓桿在受力平衡時的長度d5為546 mm。自行車由低處被提升至高處,液壓桿長度從壓縮狀態恢復至正常狀態,自行車、停放裝置和液壓桿受力均達到了平衡。此時桿2與液壓桿的夾角θ1為15°,桿1、桿2與水平線的夾角θ2為45°。自行車質量M1為20 kg,導軌質量M2為10.2 kg,自行車和導軌總重量M為30.2 kg。

▲圖6 平行四桿機構

對D點取力矩,得:

F1d3sinθ1-Mgd2cosθ2=0

(1)

式中:F1為液壓桿對桿2的作用力;g為重力加速度,g=9.8 m/s2。

由式(1)計算得F1為1 044.7 N。因此需選用合力約為1 045 N的液壓桿。

5.2 電機參數

直流無刷電機具有調速范圍廣、過載能力強、低壓特性好、啟動轉矩大、啟動電流小等優點[9],具有抱閘自鎖功能后,能夠在電機停止轉動后將轉子鎖緊,保持在當前位置,可防止倒轉,保證安全[10]。擬定在4 s內將自行車提升至停放裝置的最高點,將上升速度V設定為0.3 m/s。為了節省空間,取用于收卷牽引繩的卷筒直徑d為32 mm,則電機轉速n為:

忽略前輪夾持機構的質量,電機所需牽引的負載為車重G1,則提升所需要的力F和功率P分別為:

F=G1=M1g=196 N

P=FV=G1V=M1gV=58.8 W

對于所需的驅動軸,由軸材料和受載情況決定因數C取值為150。軸材料為Q235碳素結構鋼,屈服強度為235 MPa,則驅動軸的直徑d0應滿足:

取軸的最小端直徑為12 mm,軸的最大端直徑為18 mm,則軸的最大端半徑r為9 mm,所需要的扭矩T為:

T=Fr=G1r=1.764 N·m

由于停放裝置安裝在室外,同時結合成本、大小、質量綜合考慮,最后選用電壓為24 V、額定功率為60 W、扭矩大于1.764 Nm,且具有抱閘自鎖功能的直流電機。

6 建模分析

采用SolidWorks三維建模軟件建立自行車雙排豎直停放裝置的三維實體模型,同時在SolidWorks軟件中完成裝置的裝配。支撐架的材料采用鋁合金型材,具有連接便捷的性能[11]。還可以對這一停放裝置進行拼接擴展,形成圓盤式自行車停放裝置,如圖7、圖8所示。這種擴展形式可以應用在道路拐角、小區綠化帶等場合,在便于人們出行的同時,有利于城市街道的整齊美觀。

▲圖7 圓盤式自行車停放裝置

▲圖8 圓盤式自行車停放裝置框架

在SolidWorks軟件中對使用場景進行模擬分析,擴展后的圓盤式自行車停放裝置底部圓盤占地面積較小,能夠很好地利用草坪和空地的交界地帶,停車數量多。如圖9所示,在相同占地面積下,水平停放只能停放9輛自行車,而圓盤式自行車停放裝置能停放24輛自行車。自行車雙排豎直停放裝置可依附于墻面,或單獨直立放置,其擴展方式還可以應用在街道、拐角等不利于水平停放的地方,使用場景模擬如圖10所示。

▲圖9 自行車停放裝置停放數量對比

▲圖10 自行車雙排豎直停放裝置使用場景模擬

合適的停放裝置可以便于自行車的停放管理,解決亂停亂放的問題,將無序的自行車管理方式轉換為以停放裝置為中心的模塊化管理方式,并可以同時對多輛自行車進行管理。另一方面,這種管理方式還能為實現自行車的車庫式管理提供鋪墊[12]。

筆者設計的自行車雙排豎直停放裝置通過采用電機與相關控制元件相結合的方式,可實現停車自動化,節省人力和時間。

7 結束語

自行車的停放設施是城市交通管理的基礎設施之一,同時表征城市的發展和規劃水平。在當今共享社會,如果沒有適當的停車設施,自行車亂停亂放將會對城市道路造成極大的影響,市民停車和取車相當不便。筆者設計的自行車雙排豎直停放裝置制造成本低,空間利用率高,占地面積相比普通水平停放節省近44%的空間,在小區、軌道交通出入口等公共場所可以較好地發揮作用,也可與報刊亭、電話亭、售賣機等結合在一起。未來,還可以和運營商軟件進行系統對接,實現自動鎖車結算功能。