自行車(chē)立式停放裝置的設(shè)計(jì)

龐小兵 劉 健 李恩會(huì) 劉恩震 宋雨情

（長(zhǎng)沙學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410022）

1 設(shè)計(jì)背景

經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期調(diào)研發(fā)現(xiàn)，各城市特別是北方大城市，存在自行車(chē)堆積擁堵和亂停亂放的現(xiàn)象。尤其是共享單車(chē)的出現(xiàn)，使自行車(chē)停放混亂問(wèn)題愈加嚴(yán)重，嚴(yán)重影響市民出行和市容市貌。目前，一些地方的政府部門(mén)正在積極建立自行車(chē)停放設(shè)施，以解決自行車(chē)亂停放問(wèn)題。河北省住建廳在《關(guān)于進(jìn)一步做好互聯(lián)網(wǎng)租賃自行車(chē)有關(guān)工作的通知》中提出：軌道交通車(chē)站和公共交通換乘樞紐必須設(shè)置自行車(chē)停車(chē)設(shè)施；集散量較大的公交車(chē)站要盡可能設(shè)置自行車(chē)停車(chē)設(shè)施，并為自行車(chē)駐車(chē)換乘提供良好和方便的條件[1]。長(zhǎng)沙市住建委出臺(tái)了《2018年長(zhǎng)沙市“一圈兩場(chǎng)三道”軌道站點(diǎn)示范區(qū)建設(shè)實(shí)施方案》指出：要在自行車(chē)停車(chē)區(qū)與站點(diǎn)出入口50 m以?xún)?nèi)，根據(jù)用地條件，在人行道樹(shù)間或建筑退讓地等區(qū)域布設(shè)自行車(chē)停車(chē)設(shè)施[2]。此外，山東等地也要求加快自行車(chē)停車(chē)設(shè)施建設(shè)。可見(jiàn)，自行車(chē)停車(chē)設(shè)施是當(dāng)下社會(huì)公共交通樞紐必不可少的交通設(shè)施。

在十幾年前，日本、韓國(guó)、新加坡以及荷蘭等國(guó)家大力研究與發(fā)展雙層橫式自行車(chē)停車(chē)架，設(shè)施設(shè)備相當(dāng)完善。雙層橫式自行車(chē)停車(chē)架上層車(chē)架多采用垂直升降式、抽拉式和直壓式等方式，使用比較費(fèi)力，存取步驟煩瑣，安全性差。近幾年出現(xiàn)了立式自行車(chē)停車(chē)架，優(yōu)點(diǎn)是停放占用空間比橫式節(jié)省40%，有效減少了自行車(chē)停車(chē)用地面積。據(jù)調(diào)研，目前立式自行車(chē)停放裝置主要采用人力使自行車(chē)立起來(lái)，有些采用助力裝置，但操作步驟煩瑣。例如，敬爽設(shè)計(jì)的一種新型直立式自行車(chē)停放裝置，停車(chē)時(shí)先固定前輪，再使自行車(chē)立起來(lái)，取車(chē)需要兩步操作。本文設(shè)計(jì)的自行車(chē)立式停放裝置存取車(chē)只需要一次操作即可完成，操作簡(jiǎn)單便捷，有效解決了自行車(chē)停放難題。

2 停放裝置的設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)方案

自行車(chē)立式停放裝置整體示意圖，如圖1所示，包括卡位器、拉簧和立軌。如圖1（b）所示，立軌上有凹槽，卡位器安裝在立軌凹槽處。立軌下部固定兩個(gè)卡塊，用于固定卡位器。本裝置采用拉簧助力，拉簧布置在立軌凹槽內(nèi)，一端連接立軌上端，另一端連接卡位器。

圖1 自行車(chē)立式停放裝置整體示意圖

停車(chē)時(shí)，只需將自行車(chē)前輪對(duì)準(zhǔn)卡位器，并向前推動(dòng)自行車(chē)，使自行車(chē)前輪滾上卡位器。卡位器將自動(dòng)夾住自行車(chē)前輪，同時(shí)卡位器松開(kāi)立軌上卡塊。在拉簧作用下，卡位器沿立軌導(dǎo)槽上升，并帶動(dòng)自行車(chē)前輪隨之上升，直到自行車(chē)豎立起來(lái)，完成停車(chē)動(dòng)作。取車(chē)時(shí)，用戶向后拉動(dòng)自行車(chē)，自行車(chē)前輪由于自重作用壓下卡位器，使卡位器沿立軌下降。當(dāng)卡位器下降到立軌底部時(shí)，卡位器會(huì)被立軌上卡塊鎖住，同時(shí)卡位器釋放自行車(chē)前輪，用戶可將自行車(chē)前輪從卡位器拉出，完成取車(chē)動(dòng)作。自行車(chē)立式停放裝置結(jié)構(gòu)圖，如圖2所示。

圖2 自行車(chē)立式停放裝置結(jié)構(gòu)圖

2.2 卡位器設(shè)計(jì)

如圖3所示，卡位器的作用是夾緊自行車(chē)前輪與提升自行車(chē)聯(lián)動(dòng)、下放行車(chē)與釋放自行車(chē)前輪聯(lián)動(dòng)，由基本體、夾緊機(jī)構(gòu)、聯(lián)動(dòng)鎖止機(jī)構(gòu)和保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)組成。

圖3 卡位器結(jié)構(gòu)示意圖

2.2.1 基本體

基本體由基本架、引導(dǎo)架、支撐架和滾輪組成，主要功能是支撐自行車(chē)前輪。導(dǎo)向架引導(dǎo)自行車(chē)前輪壓下壓舌，支撐架可托住前輪，安裝在基本架兩側(cè)的滾輪，使卡位器在立軌上的滑動(dòng)摩擦變?yōu)闈L動(dòng)摩擦。

2.2.2 夾緊機(jī)構(gòu)

夾緊機(jī)構(gòu)由支座、卡夾、壓舌、卡夾銷(xiāo)軸、壓板和壓板復(fù)位彈簧組成，主要功能為夾緊和釋放自行車(chē)前輪[3]。支座固定在基本架上，兩個(gè)卡夾分別通過(guò)卡夾銷(xiāo)軸安裝在支座上，且可繞卡夾銷(xiāo)軸轉(zhuǎn)動(dòng)。扭簧安裝在卡夾銷(xiāo)軸上，使兩個(gè)卡夾向兩側(cè)張開(kāi)。壓板上短軸插入基本架孔內(nèi)，短軸另一端連接頂塊，短軸上安裝壓板復(fù)位彈簧。壓板內(nèi)表面與兩個(gè)卡夾短端接觸，當(dāng)壓下壓板時(shí)，兩個(gè)卡夾繞卡夾銷(xiāo)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，兩個(gè)卡夾長(zhǎng)端向中間靠攏夾緊自行車(chē)前輪。壓板在壓板復(fù)位彈簧作用下復(fù)位時(shí)，兩個(gè)卡夾在扭簧作用下向兩側(cè)張開(kāi)釋放自行車(chē)前輪。

2.2.3 聯(lián)動(dòng)鎖止機(jī)構(gòu)

聯(lián)動(dòng)鎖止機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖，如圖4所示，由頂塊、鎖塊、鎖塊復(fù)位彈簧、導(dǎo)銷(xiāo)、杠桿、銷(xiāo)軸、鎖鉤和鎖鉤復(fù)位彈簧組成[4]。頂塊為楔形塊，楔形塊的大端靠近基本架一側(cè)，在卡夾釋放狀態(tài)。楔形塊的側(cè)面（即斜面）與鎖塊貼合。鎖塊安裝在兩導(dǎo)銷(xiāo)上，且可沿導(dǎo)銷(xiāo)滑動(dòng)。鎖塊復(fù)位彈簧可將鎖塊推向中間位置。杠桿通過(guò)銷(xiāo)軸安裝在基本架上，可繞銷(xiāo)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，一端插在鎖塊凹槽內(nèi)。鎖鉤插入杠桿方形孔內(nèi)，可在杠桿孔內(nèi)滑動(dòng)。鎖鉤復(fù)位彈簧一端連接杠桿，另一端連接鎖鉤限位銷(xiāo)，作用是將鎖鉤拉回杠桿方形孔內(nèi)。

圖4 聯(lián)動(dòng)鎖止機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

2.2.4 聯(lián)動(dòng)鎖止機(jī)構(gòu)工作原理

聯(lián)動(dòng)鎖止機(jī)構(gòu)的主要作用是控制卡夾的開(kāi)合，同時(shí)鎖止或解鎖卡位器，采用滑塊與可變杠桿結(jié)構(gòu)[5]。可變杠桿由杠桿與鎖鉤組成。由于鎖鉤可在杠桿孔內(nèi)伸縮改變長(zhǎng)度，故稱(chēng)為可變杠桿[6]。通過(guò)改變杠桿長(zhǎng)度，保證可靠地鎖止或解鎖卡位器。

未停車(chē)時(shí)，卡位器在立軌下端，聯(lián)動(dòng)鎖止機(jī)構(gòu)的鎖鉤鉤在卡塊上。在拉簧的作用下，卡位器沿立軌上移，鎖鉤從杠桿孔中伸出，直到鎖鉤限位銷(xiāo)頂住杠桿限位槽底部，卡位器被卡塊鎖止不能上升，如圖5所示。

圖5 未停車(chē)時(shí)的結(jié)構(gòu)示意圖

停車(chē)時(shí)，自行車(chē)前輪滾到卡位器的支撐架上。由于卡位器受到拉簧向上的較大拉力，卡位器不會(huì)沿立軌下降。當(dāng)自行車(chē)前輪壓下壓舌式，壓舌壓下壓板，會(huì)使兩個(gè)卡夾長(zhǎng)端夾緊自行車(chē)前輪[7]。壓板在下壓過(guò)程中，通過(guò)短軸下壓頂塊，使頂塊通過(guò)斜面推動(dòng)兩個(gè)鎖塊分別沿導(dǎo)銷(xiāo)向兩側(cè)移動(dòng)，再由兩個(gè)鎖塊撥動(dòng)兩個(gè)杠桿上端分別繞銷(xiāo)軸向兩側(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)兩個(gè)杠桿下端分別撥動(dòng)兩個(gè)鎖鉤向中間移動(dòng)，如圖6所示。

圖6 鎖鉤即將脫開(kāi)卡塊時(shí)的結(jié)構(gòu)示意圖

當(dāng)頂塊最大截面向下移動(dòng)到鎖塊斜面下端的瞬間時(shí)，鎖鉤隨杠桿向中間移動(dòng)并脫離卡塊，同時(shí)鎖鉤在鎖鉤復(fù)位彈簧的作用下縮回杠桿孔內(nèi)，如圖7所示。當(dāng)頂塊向下越過(guò)鎖塊后，鎖塊在鎖塊復(fù)位彈簧的作用下向中間移動(dòng)，并夾住壓板上短軸。此時(shí)，頂塊被兩鎖塊擋住不能復(fù)位，從壓板和卡夾也不能復(fù)位，兩個(gè)卡夾長(zhǎng)端將夾緊自行車(chē)前輪。同時(shí)，鎖鉤脫開(kāi)卡塊，基本架在拉簧的作用下沿立軌導(dǎo)槽上升，并帶動(dòng)自行車(chē)前輪隨之上升，直到自行車(chē)豎立起來(lái)，停車(chē)動(dòng)作完成。

圖7 鎖鉤脫開(kāi)卡塊時(shí)的結(jié)構(gòu)示意圖

如圖8所示，取車(chē)時(shí)，用戶向后拉動(dòng)自行車(chē)。自行車(chē)前輪受重力作用壓下卡位器，使卡位器沿立軌下降。當(dāng)兩個(gè)鎖鉤斜面分別與兩個(gè)卡塊斜面接觸時(shí)，兩個(gè)鎖鉤分別被兩個(gè)卡塊斜面推動(dòng)向中間移動(dòng)。兩個(gè)杠桿下端分別繞銷(xiāo)軸向中間轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)兩個(gè)杠桿上端分別繞銷(xiāo)軸向兩側(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而推動(dòng)兩個(gè)鎖塊沿導(dǎo)銷(xiāo)向兩側(cè)移動(dòng)。當(dāng)鎖鉤斜面向下移動(dòng)到卡塊斜面最下端時(shí)，頂塊和壓板復(fù)位，兩卡夾釋放自行車(chē)前輪。同時(shí)，兩個(gè)鎖塊在鎖塊復(fù)位彈簧的作用下推動(dòng)兩個(gè)杠桿上端向中間移動(dòng)，同時(shí)兩個(gè)杠桿下端向兩側(cè)移動(dòng)，推動(dòng)鎖鉤鉤住卡塊，從而使卡位器被卡塊鎖住。當(dāng)卡位器下降到立軌下端時(shí)，卡位器被卡塊鎖住，同時(shí)卡夾釋放自行車(chē)前輪，用戶后拉自行車(chē)，可將自行車(chē)前輪從卡位器拉出，完成取車(chē)動(dòng)作。

圖8 鎖鉤斜面與卡塊斜面接觸時(shí)的示意圖

自行車(chē)前輪離開(kāi)卡位器時(shí)，基本架在拉簧的作用力下沿立軌向上移動(dòng)。同時(shí)，鎖鉤從杠桿孔中伸出，直到鎖鉤限位銷(xiāo)頂住杠桿限位槽底部，卡位器不再移動(dòng)。

可變杠桿使鎖鉤在杠桿孔內(nèi)滑動(dòng)，杠桿頂端到銷(xiāo)軸的距離不變[8]。基本架要脫開(kāi)卡塊上升時(shí)，鎖鉤從杠桿孔中伸出，使得鎖鉤到銷(xiāo)軸的距離變長(zhǎng)。鎖塊移動(dòng)較小距離可使鎖鉤移動(dòng)較大距離，保證鎖鉤能從卡塊處脫開(kāi)。由于鎖鉤縮回杠桿孔內(nèi)，鎖鉤處于卡塊上方，保證頂塊壓下時(shí)鎖鉤復(fù)位不會(huì)重新卡住卡塊。基本架沿立軌下降時(shí)，鎖鉤處于縮回杠桿孔內(nèi)的狀態(tài)，鎖鉤到銷(xiāo)軸的距離變短。鎖鉤移動(dòng)較小距離可使鎖塊移動(dòng)較大距離，保證頂塊能可靠 復(fù)位。

2.2.5 保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)

當(dāng)用戶誤碰壓塊或卡位器損壞時(shí)，可能使卡位器解鎖并沿立軌上彈，可能會(huì)對(duì)人員造成人身傷害[9]。為了保證人員的人身安全，設(shè)計(jì)了保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)，如圖9所示。保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)由壓舌、壓舌支座、銷(xiāo)軸、自行車(chē)剎車(chē)皮和扭簧組成。壓舌支座固定安裝在基本架上，壓舌通過(guò)銷(xiāo)軸安裝在壓舌支座上，銷(xiāo)軸上安裝扭簧，壓舌短端安裝自行車(chē)剎車(chē)皮。未停車(chē)時(shí)，在扭簧的作用力下，壓舌短端壓向立軌，自行車(chē)剎車(chē)皮與立軌表面產(chǎn)生摩擦力，使卡位器不能沿立軌上移。此外，設(shè)計(jì)壓舌和兩卡夾形成三點(diǎn)，鎖住車(chē)輪，防止車(chē)輪晃動(dòng)，提高了裝置的安全性。

圖9 保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

3 實(shí)物制造與測(cè)試

根據(jù)上述設(shè)計(jì)，制作了該自行車(chē)立式停放裝置實(shí)物樣機(jī)，如圖10所示。

圖10 自行車(chē)立式停放裝置實(shí)物樣機(jī)

立軌和卡位器基本架采用厚度為2 mm的304不銹鋼板沖壓成型，拉簧線徑為1.6 mm，直徑為18 mm（含鉤長(zhǎng)度）。該裝置可存放輪胎寬度38～51 mm、最大輪胎直徑為61 cm、最高質(zhì)量達(dá)20 kg的自行車(chē)。

可通過(guò)單個(gè)排放、雙層排放或傘狀排放等形式使用本裝置，通過(guò)不同角度排列布置，實(shí)現(xiàn)了自行車(chē)規(guī)則、整齊排放，改善了停車(chē)環(huán)境。

4 結(jié)論

通過(guò)實(shí)物作品加工制造并進(jìn)行實(shí)際測(cè)試和應(yīng)用，證明了該裝置操作簡(jiǎn)單、安全省力以及布置方式靈活，可根據(jù)不同場(chǎng)地條件的需求調(diào)整車(chē)架安裝方式，以滿足通道寬度需求，減少用地面積。本文的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)有：

（1）聯(lián)動(dòng)鎖止機(jī)構(gòu)，采用滑塊與可調(diào)節(jié)長(zhǎng)度杠桿機(jī)構(gòu)鎖止和釋放卡夾，實(shí)現(xiàn)了夾緊自行車(chē)前輪與提升自行車(chē)聯(lián)動(dòng)、下降自行車(chē)與釋放自行車(chē)前輪聯(lián)動(dòng)；

（2）保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)，采用壓舌式，可以防止卡位器上彈傷人，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠；

（3）壓舌和兩卡夾形成三點(diǎn)，鎖住車(chē)輪，防止車(chē)輪晃動(dòng)，提高安全性；

（4）拉簧助力，停取車(chē)輕便省力。