愛車公寓創(chuàng)新設(shè)計與制造

劉婷婷，孫亮波，郜依然，許潤昊，嚴明威，武金亮

愛車公寓創(chuàng)新設(shè)計與制造

劉婷婷，孫亮波*，郜依然，許潤昊，嚴明威，武金亮

（武漢輕工大學 機械工程學院，湖北 武漢 430048）

針對現(xiàn)有小區(qū)非機動車隨意停放、占用人行道、缺少安全規(guī)范等問題，設(shè)計了一款停放電動車、自行車的立體停車庫。針對電動車設(shè)計九桿自重夾持機構(gòu)，同時配備安全充電裝置，實現(xiàn)電動車的夾持和充電功能；針對自行車停放設(shè)計空間七桿夾持機構(gòu)，使其穩(wěn)定停放；針對自行車推送設(shè)計雙絲杠機構(gòu)，能推送自行車移動至同層任意停車位。該車庫具有使用方便、存取效率高、防火安全性能強、適用地形廣的特點，具有良好地應(yīng)用前景和推廣意義。

非機動車車庫；自重夾持機構(gòu)；空間七桿夾持機構(gòu)；模塊化；電動車充電

隨著綠色出行理念的深入，越來越多的人將非機動車作為出行工具。共享單車的出現(xiàn)給廣大市民的出行帶來了極大的便利，可是共享單車的隨意停放、占用人行道等問題嚴重阻塞了小區(qū)交通，同時，缺少安全規(guī)范的電動車充電裝置也成為小區(qū)消防的隱患和車主頭疼的問題[1-4]。

目前市場上非機動車停車庫的類別主要是雙層式和圓桶式，如圖1所示。雙層式非機動車停車庫裝置結(jié)構(gòu)簡單，空間利用率高達85%，制造成本低，但存取自行車全過程需人工操作，不適用于老人小孩等人群，智能化程度低[5]。圓筒式非機動車停車庫存取完全自動化，操作簡單，同時利用了地下的空間，減少了占地面積，但建造成本較高，改變了地下結(jié)構(gòu)，且一個出入口的設(shè)計降低了車庫存取效率[6]。

由分析可知，現(xiàn)有非機動車車庫存在如下問題：①純機械式車庫需要人工操作，不適合所有人群；②大型車庫不適合國內(nèi)小區(qū)環(huán)境；③鮮有針對電動車設(shè)計的、配備安全充電設(shè)備的車庫[7]。

1 一體式車庫

基于上述分析，本文設(shè)計了“愛車公寓”電單車－自行車一體式車庫，其具有自動化存取、安全充電、保護防盜等功能。該車庫的設(shè)計思路如圖2所示。

基于該設(shè)計思路，針對車輛被盜和損壞等問題，整體采用封閉結(jié)構(gòu)，并上下劃分為電單車和自行車兩個存取模塊，構(gòu)成立體停車車庫。如圖3所示。

電動車存取模塊中，電動車通過載車板上的自重夾持機構(gòu)固定，電機作為動力驅(qū)動載車板進出，并聯(lián)動門的開閉，且于車庫內(nèi)部設(shè)置定時充電裝置。自行車存取模塊中，自行車載車板設(shè)有夾持機構(gòu)穩(wěn)固自行車，通過升降平移裝置移動到指定位置后，利用車庫內(nèi)的T型推送臺推出或拉回自行車載車板，實現(xiàn)自行車的存取。

圖1 市場上非機動車停車庫

圖2 車庫設(shè)計思路

圖3 整體車庫實物圖

2 模塊功能的設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 電動車進出充電載車板

電動車存放時，為簡化其停放流程和實現(xiàn)自動化存取，采用電機驅(qū)動帶動同步皮帶輪，皮帶帶動載車板沿滑軌出庫。由門板、開門桿，載車板組成的曲柄滑塊機構(gòu)，將電動車載車板與車門聯(lián)動，實現(xiàn)門開板出的功能。載車板上設(shè)計了一種自重式九桿夾持機構(gòu)，實現(xiàn)了電動車前輪左右夾持。整體如圖4所示。

1.電動車；2.載車板；3.前輪載重板；4.充電插座；5.自重夾持機構(gòu)。

如圖5所示，自重夾持機構(gòu)由一個載重板電動車通過自身重力，產(chǎn)生向下的壓力，壓下前輪載重板，通過連桿帶動夾持板運動。夾持板由直線軸承平滑銜接受力向中間運動，實現(xiàn)夾持功能，載重板下的彈簧為取車提供了復位的動力。該機構(gòu)活動構(gòu)件數(shù)為9，低副數(shù)為13，故自由度為1。

車庫同時設(shè)有電動車充電功能。小區(qū)居民將電動車停放穩(wěn)固后，將電動車充電插頭插至電動車載車板上充電插座位置，當載車板進入后，通過充電插頭和充電插座的接合，充電系統(tǒng)連通通電，當充電系統(tǒng)檢測到電動車充滿電后亮綠燈。在載車板的推出過程中，插口與插口分離，充電系統(tǒng)斷電，亮紅燈[8-9]。

2.2 電動車自重夾持計算

自重夾持機構(gòu)是根據(jù)電動車前輪尺寸、電動車質(zhì)量等數(shù)據(jù)，來滿足電動車的穩(wěn)定停放。如圖5（b）所示，機構(gòu)在點受到向下的外力移動后，和'向中間水平運動，機構(gòu)中左右夾持板通過桿件運動實現(xiàn)電動車前輪固定。

圖5 電動車自重夾持機構(gòu)

本文采用一維優(yōu)化方法對機構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，通過競爭選擇算法找出極值。機構(gòu)設(shè)計變量為：

式中：x、x、x、x為桿、、、的長度，mm。

目標函數(shù)為：

分析可知，當目標函數(shù)值取到最大，且桿件長度取到極小值時，自行車前輪夾持最穩(wěn)固。

在機構(gòu)運動且不超出夾持范圍限制的條件下，找出函數(shù)約束邊界為：

為限制機構(gòu)的水平方向的工作范圍，滿足：

|X－X|＜90 （4）

式中：X為點橫坐標；X為點橫坐標。

為防止夾持板與直線導軌干涉，滿足：

30＜|X－X|＜32 （5）

式中：X為點初位置橫坐標。

設(shè)步數(shù)為（＝1,2,3…），有

由式（6）可知，當(n)－(n-1)＜0.1時，停止迭代，可得達到裝配精度要求的結(jié)果*。

解得：*＝6.173。

此時機構(gòu)各桿長度如表1所示。

表1 機構(gòu)各桿長度

為驗證機構(gòu)提供的夾持力，認為在自重夾持機構(gòu)處于夾持狀態(tài)時，、兩點近似垂直共線。通過計算得到關(guān)系式：

將表1數(shù)據(jù)代入式（7），得：

綜合分析上述數(shù)據(jù)結(jié)果，可得出，自重夾持機構(gòu)能夠滿足要求，防止電動車搖晃。

2.3 自行車夾持載車板

自行車在升降過程中為穩(wěn)定停放，自行車載車板上設(shè)計了空間連桿機構(gòu)對自行車進行夾持，如圖6（a）所示。

自行車夾持分為限位和夾持兩個過程。自行車前輪利用平行四邊形結(jié)構(gòu)形狀變化，改變了前輪左右空間；自行車后輪則是通過曲柄滑塊機構(gòu)中的限位桿卡住。前后兩個機構(gòu)通過一根球銷桿銜接，機構(gòu)的夾持力由彈簧提供。

此夾持方式操作簡單，適用于大多數(shù)車型。空間夾持機構(gòu)在無外力作用下處于夾持狀態(tài)，當需要存自行車時，借助外力下壓限位桿解除夾持狀態(tài)將車存入。

圖6 自行車空間夾持機構(gòu)

空間連桿機構(gòu)選取如表2所示尺寸，通過模擬運動分析，此機構(gòu)符合夾持要求。

表2 自行車夾持各桿長

該機構(gòu)的空間自由度為：

＝6－55－44－33－22－1（9）

式中：為自由度數(shù)量；為總構(gòu)件數(shù)；1～5為1～5級的構(gòu)件數(shù)。

根據(jù)文獻[10]，計算得：＝1。

2.4 自行車載車板推送系統(tǒng)

如圖7所示，自行車載車板推送系統(tǒng)設(shè)計了自行車推送模塊和平移裝置兩個部分。平移裝置控制推送模塊移動到同層任意停車位置，使載車板進出車庫[11]。

自行車推送模塊中，自行車載車板向外運動通過電機工作帶動的絲杠螺母推出車庫，向內(nèi)運動通過電磁鐵吸住載車板并使電機反轉(zhuǎn)利用絲杠螺母拖進車庫。同步開關(guān)門由曲柄滑塊機構(gòu)實現(xiàn)，載車板向外、向內(nèi)運動時通過滑塊傳動控制車門的開啟和關(guān)閉。平移裝置為滿足精確定位需求，采用絲杠滑臺帶動整個自行車推送模塊左右移動，使其可到達同層任意一個車位處[12]。

此系統(tǒng)通過一套裝置控制一層的載車板進出，降低了控制難度并可以獨立控制，提升了系統(tǒng)的容錯率。同步開門將兩個動作通過機械結(jié)構(gòu)相結(jié)合，減少了電機數(shù)量，降低了車庫制造成本。

2.5 自行車升降平移裝置

綜合考慮車庫容量、存（取）車時間、車庫所服務(wù)的區(qū)域環(huán)境、車庫占地面積、技術(shù)難度等因素[13]，自行車的升降平移模塊由一個電機垂直升降機、一個水平絲杠滑臺和一個可折疊平臺組成。此模塊可以穩(wěn)定、精準地將自行車載車板運動到指定的自行車車庫位置[14]。

如圖8所示，當車庫處于閑置狀態(tài)時，配送臺采用電機驅(qū)動變?yōu)檎郫B形態(tài)，有效節(jié)省了空間[15]。

圖7 自行車載車板推送系統(tǒng)

圖8 升降配送平臺

3. 結(jié)論

設(shè)計的“愛車公寓”電單車－自行車一體式車庫具有以下特點：

（1）提供了一款適用于小區(qū)的電單車－自行車一體式存取車庫。采用封閉式結(jié)構(gòu)，具有防盜、操作便利、存取效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、空間利用率高等特點，很好地解決了當前小區(qū)內(nèi)電單車和自行車無序停放、小區(qū)停放空間狹窄、電單車充電等問題。結(jié)合手機APP研發(fā)，可借助互聯(lián)網(wǎng)更高效地利用存儲資源。

（2）多處采用機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計，包括自重式電單車夾持機構(gòu)、空間七桿機構(gòu)實現(xiàn)自行車的前后左右夾持固定、基于尺寸優(yōu)化后的自行車門與載車板的開閉和推出機構(gòu)、電動車門與載車板的開閉和推出機構(gòu)，及配送板折疊機構(gòu)。

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Innovative Design and Manufacturing of Non-motor Vehicle Garage in Residential Areas

LIU Tingting，SUN Liangbo，GAO Yiran，XU Runhao，YAN Mingwei，WU Jinliang

( School of Mechanical Engineering, Wuhan Polytechnic University, Wuhan 430048, China )

Aiming at the problems of improper parking of non-motor vehicles, sidewalk occupancy and lack of safety standards in existing residential areas, a three-dimensional parking garage for electric vehicles and bicycles is designed. A nine-rod self-weight clamping mechanism is designed for the electric vehicles, and a safety charging device is equipped to realize the clamping and charging functions of the electric vehicles; a space seven-rod mechanism is designed for the bicycle parking, so that the bicycle can be stably parked; and a double-screw mechanism is designed for bicycle pushing, so that the bicycle can be pushed to any parking space on the same floor. The garage has the characteristics of convenient use, high access efficiency, strong fire safety performance and wide application terrain, and has good application prospect and popularization significance.

non-motor vehicle garage；self-weight clamping mechanism；spatial seven-bar mechanism；modularization；electric vehicle charging

TM732

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2023.01.007

1006-0316 (2023) 01-0042-06

2022-03-24

國家自然科學基金（51875418）

劉婷婷（2001－），女，重慶人，主要研究方向為機械設(shè)計制造及其自動化，E-mail：2653041315@qq.com。*通訊作者：孫亮波（1979－），男，湖北天門人，博士，教授，主要研究方向為機械設(shè)計及理論、機械創(chuàng)新設(shè)計、機構(gòu)學，E-mail：4117449@qq.com。