自行車停車樁夾緊機構設計與分析*

許緒君，秦 濤，高成慧，胡浩男

(湖北文理學院 機械工程學院，湖北 襄陽 441053)

0 引言

隨著綠色環(huán)保時代的到來和可持續(xù)發(fā)展觀念的深入人心，越來越多的人將綠色環(huán)保的自行車作為出行的交通工具，然而自行車使用量的增加使其在停放方面存在困難，自行車停放帶來的問題越來越引起人們的關注[1,2]。我國自行車的數(shù)量較大，但自行車停放設施和場所還相對緊缺，布局比較混亂，部分停放場所過于簡陋，缺乏基本的自行車固定設施，很容易造成車輛的無序停放[3]。在小區(qū)或私人家庭，人們則更愿意把自行車停放在自己方便存取的地方，例如樓道中。上述情況造成了以下問題：車輛停放雜亂無序，占用公共通道，車輛存取不便[4,5]。為了解決目前存在的這些問題，本文設計了一種節(jié)省空間的立式停車裝置，以提供更便捷、節(jié)能的停車方式，在公共場所也能改善當前共享單車濫停濫放現(xiàn)象，有效緩解人行道擁擠、雜亂等問題。

1 自行車停車樁結構設計

1.1 總體結構方案設計

自行車停車樁總體結構如圖1所示，此裝置主要依靠巧妙的機械結構將自行車豎立停放。它主要由提升機構1、夾緊機構2、外框架3和立樁4等組成。停車時，自行車前車輪進入外框架，前輪輕觸杠桿機構卡扣，使其脫離立樁上的槽，與此同時夾緊機構在扭簧作用下夾緊前輪，然后提升機構的彈簧作用將自行車緩慢沿著立樁升起，直至車身豎立到一定角度利用自身重力防止自行車下滑；取車時，只需輕拉自行車坐墊，彈簧便會緩慢將自行車下放，直至最低端，卡扣再次與立樁底端的槽扣緊，夾緊機構將豎直運動轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)運動打開橡膠膜鎖頭，車被取走的同時，杠桿機構卡扣將彈簧扣在立樁上，等待下一次存車。

1-提升機構;2-夾緊機構;3-外框架;4-立樁;5-自行車

該停車樁結構簡單、成本低廉、人工操作方便、占地面積小、安裝方便，且便于模塊化拓展進行多樣式集成，如可根據(jù)地理環(huán)境自由組合，設計成圓柱形排列或者并排排列等，可集中停放多輛自行車，適用于狹窄小區(qū)或者人行道兩側(cè)。

1.2 夾緊機構結構設計

夾緊機構安裝在外框架內(nèi)與外框架一起在提升機構的作用下沿立樁上下運動，是該停車樁的關鍵部分，如圖2所示，它主要由楔形限位9、上撥桿3、下?lián)軛U7、轉(zhuǎn)桿8、轉(zhuǎn)桿上固定架4、轉(zhuǎn)桿下固定架6、夾緊扭簧5等組成。

如圖2所示，轉(zhuǎn)桿下固定架6用螺栓安裝在外卡扣背面的中間位置，轉(zhuǎn)桿8下端插進轉(zhuǎn)桿固定架上的孔，下端方形柱與下?lián)軛U7的方形孔配合用螺釘連接，下?lián)軛U7與立樁正面垂直。將夾緊扭簧套入轉(zhuǎn)桿，并一端與轉(zhuǎn)桿下固定架6連接、另一端與轉(zhuǎn)桿上端的孔連接。轉(zhuǎn)桿上固定架穿進轉(zhuǎn)桿，并用螺栓固定在外卡扣背面的上端，轉(zhuǎn)桿8就可以在轉(zhuǎn)桿上、下固定架之間轉(zhuǎn)動。

1-車輪;2-閘皮;3-上撥桿;4-轉(zhuǎn)桿上固定架;5-夾緊扭簧 6-轉(zhuǎn)桿下固定架;7-下?lián)軛U;8-轉(zhuǎn)桿;9-楔形限位

停車時，夾緊機構帶動自行車前車輪在提升彈簧的拉力作用下開始向上滑動，從開始上滑到下?lián)軛U7與楔形限位9脫離接觸過程的極小位移內(nèi)，轉(zhuǎn)桿在夾緊扭簧5的扭矩作用下逆時針轉(zhuǎn)動復位，轉(zhuǎn)桿將扭矩傳遞給上撥桿，上撥桿向里轉(zhuǎn)動夾緊前車輪，如圖2(a)所示。前車輪滑動到停車樁上端限位位置時，上撥桿的撥柱進入放松限位孔以限制上撥桿順時針轉(zhuǎn)動，確保上撥桿始終夾緊前車輪。

取車時，夾緊機構隨前車輪下滑，在下?lián)軛U7剛接觸楔形限位9到完全打開的過程中，下?lián)軛U在楔形限位的擠壓作用下將整個機構向下的運動轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)桿的轉(zhuǎn)動，即下?lián)軛U順時針轉(zhuǎn)動一定角度。下?lián)軛U將扭矩傳遞給轉(zhuǎn)桿，轉(zhuǎn)桿8帶動上撥桿向外轉(zhuǎn)動相同的角度，夾緊機構被打開，如圖2(b)所示。此過程中夾緊扭簧5扭轉(zhuǎn)變形，取車后又驅(qū)動轉(zhuǎn)桿復位，為下一次夾緊準備。

2 夾緊機構理論分析

考慮到實際中自行車車輪有各種尺寸，為保證夾緊機構能夠適應各種尺寸的車輪，從而實現(xiàn)夾緊機構的夾緊與釋放，保證能夠順利存取自行車，需確定夾緊機構張合角度范圍，即上撥桿、轉(zhuǎn)桿、下?lián)軛U的轉(zhuǎn)角范圍，以及夾緊扭簧的設計。

2.1 夾緊機構張合角度范圍分析

夾緊機構張開平面示意圖如圖3所示，根據(jù)外卡扣的尺寸，考慮轉(zhuǎn)桿上固定架安裝孔所在位置的寬度，設對稱布置的上撥桿旋轉(zhuǎn)中心的距離L0=67.5 mm，車輪橫截面長度U=48 mm、寬度W=30 mm,車輪與內(nèi)卡扣表面接觸。基于車輪橫截面長度U來確定撥桿懸臂梁長度H，以保證懸臂梁長度足以將車輪卡入，同時考慮閘皮和內(nèi)卡扣寬度，最后設定懸臂梁長度H=54 mm。基于車輪寬度W來確定夾緊狀態(tài)時兩懸臂梁最小距離Lmin=38 mm，以保證能夠夾住車輪。

圖3 夾緊機構張開平面示意圖

為盡量增加上撥桿的兩懸臂梁張開范圍，設張開時兩懸臂梁夾角α=8°，張開位置最大距離為：

Lmax=L0+2×H×sin4°=75 mm.

(1)

即Lmax=75 mm時完全可以通過任意型號的自行車，故以上假設滿足張開的條件。

夾緊機構夾緊平面示意圖如圖4所示，考慮閘皮寬度和擠壓變形，設夾緊時兩懸臂梁最小距離Lmin=38 mm，已知上撥桿的懸臂長H=54 mm,可以計算此時兩懸臂梁夾角2α′：

圖4 夾緊機構夾緊平面示意圖

(2)

2.2 夾緊扭簧的設計

如圖2所示，夾緊扭簧在車輪上升過程中對其起固定的作用，夾緊扭簧有兩個，套在轉(zhuǎn)桿上，一端固連轉(zhuǎn)桿，一端固連轉(zhuǎn)桿下固定架。下?lián)軛U沒有對轉(zhuǎn)桿施加扭矩時，轉(zhuǎn)桿在扭簧預緊力的作用下夾緊車輪。原始條件：最小工作扭矩T1=385 N·mm，最大工作扭矩Tn=400 N·mm，工作扭轉(zhuǎn)角Ψ=20°，彈簧類別碳素彈簧鋼絲C級，端部結構為外臂扭轉(zhuǎn)，自由角度為120°。

根據(jù)要求為Ⅲ類彈簧，選用碳素彈簧鋼絲C級，初步假設彈簧直徑d=1 mm～2 mm，查彈簧鋼絲的抗拉極限強度表，得σb=1 710 MPa～1 960 MPa，取σb=1 800 MPa，根據(jù)壓縮、拉伸、扭轉(zhuǎn)彈簧材料的許用應力值表[6]，則許用應力：

σBp=0.8σb=0.8×1 800=1 440 MPa.

(3)

為使結構緊湊，根據(jù)彈簧直徑d暫定旋繞比C=10，曲度系數(shù)K1為：

(4)

鋼絲的直徑d為：

(5)

對照彈簧鋼絲的抗拉極限強度表[6]，d=1.4 mm，C級，則σb=1 860 MPa，大于原暫定值，故安全。優(yōu)先采用第一系列，取中徑標準值D=12 mm，則旋繞比C：

(6)

彈簧圈數(shù)n：

(7)

其中：E為彈性模量，查表獲得[6]。

取標準值n=25，彈簧剛度T′:

(8)

彈簧節(jié)距t=d+δ，無特殊要求時鋼絲間距取δ=0.5 mm，則t=1.9 mm。

自由長度H0：

H0=nt+d=25×1.9+1.4=48.9 mm.

(9)

螺旋角φ：

(10)

展開長度L：

(11)

經(jīng)計算本設計方案所需彈簧的技術參數(shù)如下：

(1)有效圈數(shù)n=25。

(2)旋向為右旋。

(3)展開長度L=943+L0。

(4)硬度45HBC～50HBC。

3 結束語

本文設計了一種新型自行車停車樁，其夾緊機構采用對稱撥桿和夾緊扭簧相配合實現(xiàn)停車和取車時對車輪的夾緊與張開，不僅結構簡單，而且解決了夾緊不穩(wěn)定、晃動大的問題，確保了使用者在存取車時停車樁的安全可靠性。對夾緊機構張合角度范圍和夾緊扭簧進行了詳細設計和理論分析，為自行車停車樁的樣機制造提供了理論依據(jù)。此夾緊機構為現(xiàn)有自行車停車裝置及設施的創(chuàng)新改進提供了新思路。