自行車雙層停車架中的助力機構設計

張 良 陶 曉

（江陰職業技術學院，無錫 214405）

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自行車雙層停車架中的助力機構設計

張 良 陶 曉

（江陰職業技術學院，無錫 214405）

摘 要：本文設計一種新型自行車雙層停車架，上層停車架采用垂直升降式，不用時可以折疊收納放入主體立柱，提高空間利用率，為上層架的提升和收納動作設計助力機構，使停車操作變得簡單省力，本設計選用恒力彈簧作為上層架提升動力源，液壓彈簧作為上層架折疊的輔助動力，并對這兩種彈簧進行分析、計算和選型。

關鍵詞：自行車 雙層停車架 助力機構 恒力彈簧

引言

現有的自行車雙層停車架工作方式大都采用軌道滑移式。停車操作主要依靠人力完成，對操作者的力量要求比較高。此外，由于操作過程中上層架通過軌道向后滑移，空置時也固定停放在上層空間，空間利用率尚不理想。本文擬開發一種新型自行車停車裝置，雙層停放車輛，上層架垂直升降并配備輔助動力，且不用時可以折疊收納進主體立柱，可大大提高停車場地的空間利用率。

1 需求分析

根據現有自行車雙層停車設備的使用情況，設定研發目標如下：①實現上下層分層停車，下層停車架可以左右平移，上層停車架采用垂直升降式；②為上層架提升設計助力機構，便于上層停車操作；③上層停車架設計成折疊可收納型，并為折疊操作提供動力；④結構合理、工作可靠、成本低廉、操作方便以及安裝維護簡單。

2 總體設計

上層架單元設計成垂直升降式，下層架單元設計成左右滑移式。停車架框架結構如圖1所示。

圖1 停車架框架結構

①立柱是停車架的主體，設計成高度方向垂直放置的方管。為了容納置輪槽折疊時收納進立柱，在立柱的前方開設一個上下貫通的缺口。

②置輪槽用來放置自行車輪子，故設計成方槽形，具體尺寸按照自行車輪子和各部分的尺寸來確定。

③放入自行車后，置輪槽要求可以在立柱內上下移動，因此設計可以在立柱內上下移動的升降體，將置輪槽與升降體用轉動副連接，如圖2所示。

圖2 上層架單元固定、提升機構的機構簡圖

此外，立柱、升降體及置輪槽的主要尺寸則根據自行車的尺寸來確定。

3 助力機構的設計

圖3 助力機構示意圖

3.1 動力源選型

上層停車架和升降體用鉸鏈連接，工作時跟隨升降體一起升降，不用時折疊收納進立柱主體。上升由助力機構來提供動力。根據停車架的工作情況，助力機構要滿足以下要求：①為升降體提供基本恒定的上升拉力；②升降體行程較大，上升距離＞1.5m，為下層停車預留空間；③上層架上升時，要求助力機構提供一定的阻尼，確保上升速度穩定，防止突然上升。

綜合以上條件，選用恒力彈簧為上層架動力源。

3.2 助力機構設計

助力機構選用恒力彈簧常用的上下懸掛式機構，如圖3所示。

①恒力彈簧上部與立柱的連接。與恒力彈簧最內圈尺寸相對應，設計一尼龍材質的的芯部，置于恒力彈簧內圈。尼龍芯部安裝于一軸類零件上，軸的軸線與上層架平行，前后方向安裝于立柱的頂部兩側。

②恒力彈簧下部與升降體的連接。恒力彈簧的簧片一般要避免受縱向拉力，因此彈簧最下端與鉸鏈（普通家裝用合頁）的一部分用螺栓連接，鉸鏈的另一部分與升降體上部的軸相連（該軸用來連接軟索與升降體）。彈簧最下端用螺栓與合頁一部相連接，可以起到補強作用，避免簧片因受縱向拉力而破壞。合頁與升降體上部的軸相連的另一部分（下部）因為始終處于垂直位置，從而能夠通過升降體上部的軸給予升降體垂直向上的拉力。

③恒力彈簧在受力拉伸時，簧片會產生相對于彈簧軸線的卷曲，由此會向立柱兩側橫向拱起。由于簧片拱起部分有可能與立柱側面接觸產生摩擦，并帶來噪音，故在立柱側面可能接觸區域安裝尼龍片，減輕噪音。

3.3 恒力彈簧的分析及參數確定

恒力彈簧采用很薄的帶鋼或合金板材， 經卷制成圓柱形而成。成形后彈簧任一圈的自然曲率全部相等。使用時將彈簧卷繞在比彈簧內徑稍大的滾筒上，在拉伸時拉力基本保持恒定。具有載荷恒定、儲能密度高、體積小、摩擦損耗小等優點［1-3］。

助力機構中采用的是C型恒力彈簧，其幾何尺寸和受力情況如圖4所示。

圖4 C型恒力彈簧幾何參數

助力機構中所使用的恒力彈簧，材料為304不銹鋼，彈性模量E為186GPa。確定其幾何尺寸時，按照常用不銹鋼帶材的寬度和厚度，參考立柱的外形尺寸，先假設鋼帶寬度b為50mm，厚度t為0.5mm。根據設計的情況，自行車、升降體以及相關零件的總質量為24kg，需要由左右兩個恒力彈簧來提供，即P=12kgf。

恒力渦卷彈簧的輸出力的計算格式如下：

其中，P為彈簧輸出拉力，E為彈性系數（Gpa），b為彈簧板材寬度（mm），t為彈簧板材厚度（mm），Rn為渦卷彈簧最小自然半徑（mm），R1為渦卷彈簧裝配半徑（mm）。

再由經驗公式R1=1.15～1.20Rn，得出Rn=19mm， R

1=22mm。

最后將以上參數代入，于是有

綜上，符合工作要求，且得出助力機構中恒力彈簧的尺寸為：b=50，t=0.5，Rn=19，R1=22。

4 整體建模

使用solidworks2013軟件進行建模。先對框架性零件和結構類零件進行建模，然后在裝配模式下通過參考裝配體中的其他零件創建單個特征，或者通過在關聯裝配體中創建新零部件自上而下的方式，對其余零件進行建模。裝配完成后，進行干涉檢查，通過檢查結果確定干涉部位并修改。創建零部件和裝配體的工程圖，上層停車單元建模如圖5所示。

圖5 上層停車單元模型

5 產品制作

根據工程圖制作各零部件。停車架設備鈑金件較多，立柱、升降體等結構件主體均用普通鋼板折彎后，經焊接和鉆孔等機加工工序加工而成。樣機實物如圖6所示。

圖6 上層停車架單元實物

此停車設備與下層滑移式停車架配合使用，如圖7所示。

停車時，將下層停車架及自行車在滑軌上向兩側平移，預留出操作空間，然后打開上層停車架并放下，將自行車停放于上層停車架。由于自行車前輪推壓鎖止撥片，使原本插在鎖止孔中的撥片從鎖止孔中退出，在恒力彈簧的作用下上層停車架連同自行車一起上升到預定位置。取車時，將下層停車架及自行車在滑軌上向兩側平移，預留出操作空間，扶住上層停車架連同自行車一起下降到下方停車位置。

6 總結

為克服傳統自行車停車架存在的缺點，

1、下層停車架軌道 2、下層停車架圖7 垂直升降型雙層停車架

本文設計制作了垂直升降型自行車雙層停車裝置。通過分析歸納，該裝置具有以下優點：第一，上層架采用“垂直升降”的方式，相比單層停車方式，可以節省空間；相比現有的雙層停車設備，“垂直升降”的方式可以最大限度地提高空間利用率。效果是在更小的空間也可以安裝使用；第二，上層架的停車動作由助力機構來提供動力，且對不同重量車輛的停車需求，該動力大小可調；第三，上層停車架設計成折疊式可收納型，解決了現有設備上層停車架空載時占用空間的弊端。

今后，進一步研究實踐的思路包括：第一，面向量產，編制各零部件的生產工藝，進一步降低生產成本；第二，開發系列自行車停車架；第三，面向二輪車的其他車型如電動車等對象，開發符合大眾要求的、經濟實用的雙層停車設備。

Design of Assisting Mechanism for Bicycle Rack of Double-Deck Type

ZHANG Liang， Tao Xiao
（Mechanical and Electrical Engineering Department，Jiangyin Polytechnic College，Wuxi 214405）

Abstract:The bicycle rack of double-deck type with a vertical lifting upper rack is designed.The upper rack can be folded into the main body， which bringing m ore effective uses of the parking space. The assisting mechanism is designed for the vertical lifting and the folding action， so that the parking operation becomes simple and easy. The constant force spring and hydraulic spring is selected as power supply in assisting mechanism， and the analysis，calculation and type selection for these two kinds of spring are done at last.

Key words:bicycle，Rack of Double-Deck T ype，Assisting Mechanism，Constant Force Spring