基于有限元分析的電動自行車雙層停車機構的設計研究

張 雨 王素芹 于志宏 劉澤帥

（衡水職業技術學院，河北 衡水 053000）

0 引言

隨著我國對節能環保、綠色出行的大力倡導，電動自行車作為一種短途交通工具，已經滲透到居民日常代步、中短途配送、共享出行等各個領域。據統計，2021年我國電動自行車保有量已經達到3.4億輛。未來幾年，在節能減排、碳達峰等政策引導下，電動自行車數量仍會處于一個穩步增長的階段。但是電動自行車數量的增加也帶來了很多亟待解決的問題，如電動自行車停放難、亂停放等問題日漸凸顯，占用了大量公共土地資源，如何借助電動自行車停放裝置降低其在居民區的占地面積成為重要的研究方向之一。目前大部分的電動自行車停放裝置功能較多，帶有充電和雨棚等多種設施[1]，機械結構較為復雜，成本較高，不適用于老舊小區或者居民用戶單獨使用。該文采用滑輪組、連桿等簡單的機械結構設計了一種雙層電動自行車停車裝置，操作簡單，成本低，單組使用時可用于居民室內使用，多組使用時可在小區使用。

1 總體設計

電動自行車雙層停車機構的結構示意圖如圖1所示。該置主要由滑輪、拉桿、線軸、鋼絲繩、頂板、推板以及電動自行車固定裝置組成。當電動機正轉，鋼絲繩纏起長度縮短，此時電動自行車被緩緩提起。在鋼絲繩靠近電動自行車固定位置有一尺寸很小的頂板，頂板隨鋼絲繩一起運動。當頂板到達推板位置，將推板頂起，進而將拉桿抬起，直到電動自行車到達規定高度，限位動作，電機停止轉動。此時可實現雙層電動自行車的排放，且上一層電動自行車的取、放并不影響底層電動自行車。相反，電動自行車反轉，鋼絲繩伸長，電動自行車緩緩下降。拉桿恢復到水平位置后，由于擋板不再旋轉，頂板不再對推板施力，而是隨鋼絲繩一起繼續下降，直到電動自行車平穩著地，停止轉動，工作停止。

圖1 電動自行車雙層停車機構的結構示意圖

2 線軸的尺寸計算以及滑輪組相對位置的確定

2.1 選擇電動機和減速器

已知數據包括電動自行車的質量G=40 kg，線軸的轉速n=50 r/min，線軸的半徑R=11 mm。

線軸上所需要的功率P=Fv/1000=9.8GπR·n/30000=45.13W。其中P為線軸所需功率，F為線軸受到的鋼絲繩的拉力，v為線軸線速度，G為電動自行車的質量，R為線軸中間位置的直徑，n為線軸的轉速。

查表可得深溝球軸承的效率η1=0.98（1對），減速器齒輪效率η2=0.97，聯軸器效率η3=0.98，線軸工作效率η4=0.97。

可求得傳動過程中的總效率η=η1×η2×η3×η4=0.98×0.97×0.97×0.98×0.97=0.88。其中η1為深溝球軸承的效率，η2為減速器齒輪效率，η3為聯軸器效率，η4為線軸工作效率。

電機所需要的功率Pd=P/η=45.13/0.88=51.3 W。其中Pd為電機功率，P為線軸所需功率，η為總功率。

由計算結果可知，電機所需功率為51.3 W，通過查詢技術手冊，選擇了稍大于此值的電機，即交流電動機功率60W，220 V。

通過試驗可知線軸的轉速選擇50 r/min，所以需要注意的是，在購買電機時應選擇對應的減速器。另外，當電車被提升道最高位置，即連桿旋轉到極限位置時，電機應停止轉動，且不可在電動自行車重力作用下產生反轉現象，所以購買的電機還應具有斷電剎車功能。

2.2 線軸的尺寸計算

線軸主軸的最小直徑如公式（1）所示。

式中：C為由軸的材料和受載情況決定的系數，此處通過查表取值為118；P為線軸功率；n為線軸轉速。

因最細處有鍵槽，所以取線軸主軸的最小直徑為15 mm。

線軸結構如圖2所示。

圖2 H線軸主軸結構圖

H段的直徑為?15 mm。A段和F段為軸承位，選擇6304的深溝球軸承，孔徑20 mm，外徑52 mm，寬度15 mm。D段是線軸纏繞部分。該裝置采用?4 mm的鋼絲繩，為了在2.5 m的墻高范圍內可以容納2輛電動自行車上、下雙層排布，繩軸上至少要纏繞3.5 m鋼絲繩，由此推算出D段直徑為?22 mm，長度30 mm。B段軸和E段軸雖然都是起軸承定位的作用，但是在設計過程中考慮B段軸處要安裝鋼絲繩的固定銷，所以B段軸的長度要稍長一些，以防固定銷與其他相鄰部件相互干涉。綜上所述，線軸設計的尺寸如圖3所示。

圖3 線軸尺寸（圖中尺寸單位均為mm）

2.3 滑輪組相對位置的確定

該裝置拉桿就地選材，選用了1寸鐵管，即外徑D=33.5mm，內徑d=25mm。

對旋轉后的拉桿進行受力分析，如圖4所示。

圖4 旋轉后拉桿的受力分析

拉桿的總長度為L，拉桿自身重力為G，A處受到的鋼絲繩拉力為FT1、FT2，其中FT1等于一輛電動自行車的重力。因為由一根鋼絲繩作用，所以FT1、FT2大小相同。B處受到支點的作用力為Fx、Fy。

已知FT1=FT2=392N，G=15.7NL=655.5mm。

X方向受力平衡如公式（2）所示。

Y方向受力平衡如公式（3）所示。

當電車被提升到最高點時，支點B力矩平衡如公式（4）所示。

通過計算公式（2）～公式（4）得α=30°。

如圖4所示，有公式（5）～公式7）。

通過計算（5）～公式（7）得兩滑輪之間的相對距離c=381mm。

根據公式（5）～公式（7）可知，如果c越大，L不變，則b越小，a不變，FT2與水平方向的夾角α越小。根據公式（2）～公式（3），支點受到的分力Fx、Fy變小。綜上所述，在提起同一質量電動自行車，拉桿質量和長度不變的前提下，適當增加兩滑輪的相對距離c，可以降低拉桿在支點B的受力，并提高安全系數。所以在設計時，兩滑輪的距離應大于等于381 mm。

3 對拉桿進行有限元分析

有限元分析是隨著電子計算機的發展而迅速發展起來的一種現代計算方法[2]。它可以在很大程度上縮短設計周期，提升產品的質量。下面對拉桿進行有限元分析。

3.1 單位設定

在新建算例中對單位進行設定，方便后續的建模以及系統計算。具體的單位設定見表1。

表1 單位設定

3.2 材料設定

在運行一個算例前，必須對所用材料的屬性進行設定，拉桿采用的是1寸鐵管，所以要在材料屬性對話框里輸入其對應的參數，見表2。

表2 材料屬性的設定

3.3 建立約束施加載荷

根據圖4的力學分析，在軟件中對拉桿模型建立約束并施加載荷，如圖5所示，拉桿A端作為約束元素，B、C受到的載荷即鋼絲繩的拉力。

圖5 載荷和邊界條件

3.4 結果分析

對拉桿進行有限元分析的數據結果如圖6所示。從分析結果可以看出，最大位移為0.25 mm，最大應力為7.8 MPa，需用應力均滿足要求。如果剛度允許，可以適當減少管的壁厚，在低端外部貼板。

圖6 拉桿的有限元分析結果

4 其他機械結構的設計

電動自行車雙層停車機構的裝配圖如圖7所示。該設計將滑輪組固定于墻面，設計了獨特結構的線軸，可以作為容線器使用，通過聯軸器與電動機相連；在拉桿固定端設計了水平擋板，防止拉桿轉動到水平位置后繼續動作；在拉桿的自由端設計有如圖7所示的推板，推板被頂板作用，連同連桿一起運動；在拉桿上設計有L形限位壓桿，當提起電動自行車時，連桿旋轉至60度，限位壓桿觸碰到限位開關，電動機停止轉動。

圖7 電動自行車雙層停車機構的裝配圖

5 樣機測驗

現場樣機測試如圖8所示。該設計對電動自行車雙層停車機構的零部件進行了加工、組裝，最后通過對樣機進行測試來檢驗其功能性是否達標。通過上百次現場測試，拉桿部分可以順利吊起電車，并未發生變形，強度符合要求。滑輪安裝位置計算合理，室內安裝時，上層電動自行車不影響下層電動自行車的停放和移動，通過遙控控制電動機正、反轉，限位控制停止動作，均滿足使用要求。

圖8 現場樣機測試

6 結論

該文針對目前電動自行車雙層停車機構存在的問題，在考慮充分利用高度空間的前提下，設計了一種結構更簡單、成本更低的停車裝置。在設計過程中，該文充分考慮了安全性能，進行了充分的強度校核，并利用有限元分析對結構進行了進一步驗證。設計的電動自行車雙層停車機構加工成樣機后也進行了多次測驗，均滿足使用要求。另外，在應用方面，考慮充電方便和防止丟失，該停車裝置單個使用時占地極小，可在居民家中或者儲藏間使用。對小區，可搭建一定尺寸的車棚，多單元使用。