一種雙邊自行車停車裝置的設計

楊麗新，賈茹沅，李虹，文宗明

(華南理工大學 a. 機械與汽車工程學院，廣東 廣州 510640； b. 廣州學院，廣東 廣州 510800)

0 引言

隨著我國經濟社會的高速發展，交通擁堵、環境污染等問題日益嚴重，2017年國務院印發的《“十三五”現代綜合交通運輸體系發展規劃》中，強調要推動節能低碳發展，優化交通運輸結構，完善城市交通運輸服務系統，完善自行車等慢行服務系統建設[1-6]。因此，近年來共享單車迅猛發展，然而，大量自行車亂停，嚴重影響交通秩序，成為城市管理的嚴峻挑戰，迫切需要研發新型自行車停車裝置[7-11]。本文基于機械裝置的優化方法和控制技術[12-13]，設計了一種“摩天輪”式新型雙邊立式自行車停車裝置。

1 總體方案設計

本文旨在設計一款用在城市各類小區、公共場所，通過刷卡實現存取自行車功能的自動停車裝置。通過機械結構與控制模塊相結合的方式，實現自行車停放和取出的過程控制，并最終達到空間利用率高、安全、便捷等方面的使用需求。方案設計主要包括兩個方面：機械結構設計、控制模塊設計。

如圖1所示，在保證整體結構強度和穩定性的前提下，單邊等間距設置3個停車位，實現一種仿“摩天輪”式的停車結構，雙邊可提供6個自行車車位。自行車通過夾持機構夾緊固定在圓盤上，通過大轉矩步進電機和蝸輪蝸桿減速箱帶動圓盤轉動，根據需要將自行車轉動到合適位置以方便存取。

傳統的停車方式一般分三步進行：1) 尋找合適的停放空間；2) 停放并調整位置；3) 鎖車。本文所設計的自行車停車裝置控制模塊采用32位閃存微控制器STM32系列單片機，在停取車的過程中應用RFID無線射頻技術刷卡存取，將自行車轉到指定位置。該停車裝置場地適應能力強，靈活裝卸，停車過程人機交互體驗良好。

圖1 雙邊自行車停車裝置

2 承載能力分析

根據設計的需求，電機作為動力源需要提供整個裝置旋轉的動力，通過其轉動實現自行車的存取，需要選擇合適的輸出轉矩。停放的自行車是電機的主要負載，由于該設計采用對稱式結構，因此分析停車裝置單側的受力情況即可。

本裝置在設計和樣機制作過程中，選用兒童自行車為對象，該兒童自行車車重為3.5kg。如圖2所示，夾持機構、連接塊及與之相連的連接件質量之和為4.5kg，力臂L為0.6m。從單側來看，分為停放1輛、2輛、3輛自行車的3種停車情況。如圖3所示，虛線表示停放了自行車車位所在轉動桿，黑色粗實線表示未停放自行車車位所在轉動桿。忽略轉動桿的質量，將自行車、夾持機構、連接塊及與之相連的連接件看成一個整體，其質量為m。假設質心在轉動桿末端，則單側停放1、2、3輛自行車時，由受力分析可分別建立自行車停車裝置單側的轉矩平衡方程：

(1)

(2)

(3)

其中：θ為自行車旋轉角度；m1、m2和m3分別為第1、第2和第3輛自行車、夾持機構、連接塊及與之相連的連接件的質量之和；g為重力系數；L為力臂。

1—主動軸；2—從動軸；3—夾持機構；4—連接塊；5—自行車；6—轉動桿。圖2 局部結構

圖3 單側停放不同數量自行車時的受力情況分析

由式(1)-式(3)的計算結果發現，當停放1輛車時，其轉動所需要的轉矩最大為48N·m(θ=90°或270°)；當停放2輛車時，其轉動所需要的轉矩最大為48N·m(θ=30°或210°)；當停放3輛車時，所需要的轉矩最小，幾乎可以忽略不計。因此，單邊停放情況下，電機需要帶動1輛或2輛自行車在某個角度時為電機需要提供的最大轉矩。由于采用對稱式結構設計，雙邊停放情況下，電機需要提供的最大轉矩為單邊停放的2倍，即96N·m。

本文所設計的自行車停車裝置選用材料6061合金。如圖4所示，從動軸屬于轉軸，它既承受彎矩又承受轉矩。因此，作為重要構件，運用SolidWorks Simulation仿真軟件有限元分析對軸進行強度校核，材料參數如表1。

圖4 受力分析結果

表1 材料參數表

名稱參數值名稱參數值質量/kg0.14密度/(kg/m3)2 700體積/ m35.03×105負載/kg100屈服強度/(N/m2)5.51×107張力強度/(N/m2)1.240 84×108彈性模量/(N/m2)6.9×1010泊松比0.33抗剪模量/(N/m2)2.6×1010熱擴張系數 /Kelvin2.4×10-5抗拉強度/(N/m2)2.05×108受拉屈服強度/(N/m2)5.52×107彎曲強度/(N/m2)2.28×108

仿真結果如圖5和表2所示，最大應力為7.08×107N/m2，最大位移為0.10mm。軸主要承受徑向壓力，彎曲變形，其最大應力遠小于彎曲極限強度，軸的設計滿足強度要求。

表2 仿真結果

圖5 靜應力分析

3 控制系統模塊設計

控制系統模塊是雙邊自行車停車裝置的核心部分。在運行的過程中，控制系統模塊處理用戶在存取自行車過程中6個車位的順暢切換以及定位，記錄用戶刷卡輸入的指令、響應并輸出脈沖實現相應動作。本文所設計的自行車停車裝置控制系統模塊采用32位閃存微控制器STM32系列單片機來處理停車裝置運行過程中產生的數據，采用RFID-RC522射頻感應模塊作為用戶與裝置之間的交互媒介，縮短用戶存取車的時間，操作簡單易上手。STM32的硬件定時器經過初始化配置，穩定輸出固定頻率的脈沖信號，供步進電機工作所用。STM32與RC522無線射頻模塊通過SPI通訊協議進行相互通信，實現操作過程中數據的解碼與轉換，實時檢測用戶是否輸入信號。相較于其他控制芯片，STM32系列單片機大大地提高了裝置的穩定性。RFID-RC522射頻感應模塊可通過無線電信號識別特定目標并讀寫相關數據，而無需識別系統與特定目標之間建立機械或光學接觸，是一種較為成熟的通信技術。

控制系統模塊的程序編寫基本框架如圖6所示。首先對單片機進行系統初始化，分配模塊所需的引腳輸入輸出，RC522模塊初始化完成后，整體裝置準備工作已經完畢。等待用戶使用裝置上的鑰匙扣形狀的卡片進行刷卡，刷卡動作完畢后，裝置會自動判斷卡號并且將與卡號對應的車位調節至最低點，此時用戶便可以進行存車的動作，待用戶存車完成后，用戶再次刷卡便可告知裝置對車位進行復位，同時將用戶所存的自行車轉移至較高位置，增強安全性。同理，用戶取車過程與上述操作一致，至此，完成一整套存取車動作。

圖6 工作流程圖

4 結語

本文基于機械裝置的優化方法和控制技術，設計了一種“摩天輪”式新型雙邊立式自行車停車裝置。該裝置由機械執行機構和控制系統兩大部分組成，機械執行機構通過大轉矩步進電機和蝸輪蝸桿減速箱帶動圓盤轉動形成旋轉執行機構，可提供6個自行車車位；控制系統利用32位閃存微控制器STM32系列單片機來處理小車運行過程中產生的數據，實現用戶在存取自行車過程中6個車位順暢地切換以及定位。該裝置具有空間利用率高、存取簡便快捷、美觀防盜等特點，可在有限空間內存儲更多自行車，解決了自行車停放雜亂無章、占地面積大、影響通行的問題，可為大多數城市小區內自行車的管理提供一種可參考的解決方案。