自行車立式停放裝置的設計

龐小兵 劉 健 李恩會 劉恩震 宋雨情

（長沙學院 機電工程學院，長沙 410022）

1 設計背景

經過長期調研發現，各城市特別是北方大城市，存在自行車堆積擁堵和亂停亂放的現象。尤其是共享單車的出現，使自行車停放混亂問題愈加嚴重，嚴重影響市民出行和市容市貌。目前，一些地方的政府部門正在積極建立自行車停放設施，以解決自行車亂停放問題。河北省住建廳在《關于進一步做好互聯網租賃自行車有關工作的通知》中提出：軌道交通車站和公共交通換乘樞紐必須設置自行車停車設施；集散量較大的公交車站要盡可能設置自行車停車設施，并為自行車駐車換乘提供良好和方便的條件[1]。長沙市住建委出臺了《2018年長沙市“一圈兩場三道”軌道站點示范區建設實施方案》指出：要在自行車停車區與站點出入口50 m以內，根據用地條件，在人行道樹間或建筑退讓地等區域布設自行車停車設施[2]。此外，山東等地也要求加快自行車停車設施建設。可見，自行車停車設施是當下社會公共交通樞紐必不可少的交通設施。

在十幾年前，日本、韓國、新加坡以及荷蘭等國家大力研究與發展雙層橫式自行車停車架，設施設備相當完善。雙層橫式自行車停車架上層車架多采用垂直升降式、抽拉式和直壓式等方式，使用比較費力，存取步驟煩瑣，安全性差。近幾年出現了立式自行車停車架，優點是停放占用空間比橫式節省40%，有效減少了自行車停車用地面積。據調研，目前立式自行車停放裝置主要采用人力使自行車立起來，有些采用助力裝置，但操作步驟煩瑣。例如，敬爽設計的一種新型直立式自行車停放裝置，停車時先固定前輪，再使自行車立起來，取車需要兩步操作。本文設計的自行車立式停放裝置存取車只需要一次操作即可完成，操作簡單便捷，有效解決了自行車停放難題。

2 停放裝置的設計

2.1 設計方案

自行車立式停放裝置整體示意圖，如圖1所示，包括卡位器、拉簧和立軌。如圖1（b）所示，立軌上有凹槽，卡位器安裝在立軌凹槽處。立軌下部固定兩個卡塊，用于固定卡位器。本裝置采用拉簧助力，拉簧布置在立軌凹槽內，一端連接立軌上端，另一端連接卡位器。

圖1 自行車立式停放裝置整體示意圖

停車時，只需將自行車前輪對準卡位器，并向前推動自行車，使自行車前輪滾上卡位器。卡位器將自動夾住自行車前輪，同時卡位器松開立軌上卡塊。在拉簧作用下，卡位器沿立軌導槽上升，并帶動自行車前輪隨之上升，直到自行車豎立起來，完成停車動作。取車時，用戶向后拉動自行車，自行車前輪由于自重作用壓下卡位器，使卡位器沿立軌下降。當卡位器下降到立軌底部時，卡位器會被立軌上卡塊鎖住，同時卡位器釋放自行車前輪，用戶可將自行車前輪從卡位器拉出，完成取車動作。自行車立式停放裝置結構圖，如圖2所示。

圖2 自行車立式停放裝置結構圖

2.2 卡位器設計

如圖3所示，卡位器的作用是夾緊自行車前輪與提升自行車聯動、下放行車與釋放自行車前輪聯動，由基本體、夾緊機構、聯動鎖止機構和保險機構組成。

圖3 卡位器結構示意圖

2.2.1 基本體

基本體由基本架、引導架、支撐架和滾輪組成，主要功能是支撐自行車前輪。導向架引導自行車前輪壓下壓舌，支撐架可托住前輪，安裝在基本架兩側的滾輪，使卡位器在立軌上的滑動摩擦變為滾動摩擦。

2.2.2 夾緊機構

夾緊機構由支座、卡夾、壓舌、卡夾銷軸、壓板和壓板復位彈簧組成，主要功能為夾緊和釋放自行車前輪[3]。支座固定在基本架上，兩個卡夾分別通過卡夾銷軸安裝在支座上，且可繞卡夾銷軸轉動。扭簧安裝在卡夾銷軸上，使兩個卡夾向兩側張開。壓板上短軸插入基本架孔內，短軸另一端連接頂塊，短軸上安裝壓板復位彈簧。壓板內表面與兩個卡夾短端接觸，當壓下壓板時，兩個卡夾繞卡夾銷軸轉動，兩個卡夾長端向中間靠攏夾緊自行車前輪。壓板在壓板復位彈簧作用下復位時，兩個卡夾在扭簧作用下向兩側張開釋放自行車前輪。

2.2.3 聯動鎖止機構

聯動鎖止機構結構示意圖，如圖4所示，由頂塊、鎖塊、鎖塊復位彈簧、導銷、杠桿、銷軸、鎖鉤和鎖鉤復位彈簧組成[4]。頂塊為楔形塊，楔形塊的大端靠近基本架一側，在卡夾釋放狀態。楔形塊的側面（即斜面）與鎖塊貼合。鎖塊安裝在兩導銷上，且可沿導銷滑動。鎖塊復位彈簧可將鎖塊推向中間位置。杠桿通過銷軸安裝在基本架上，可繞銷軸轉動，一端插在鎖塊凹槽內。鎖鉤插入杠桿方形孔內，可在杠桿孔內滑動。鎖鉤復位彈簧一端連接杠桿，另一端連接鎖鉤限位銷，作用是將鎖鉤拉回杠桿方形孔內。

圖4 聯動鎖止機構結構示意圖

2.2.4 聯動鎖止機構工作原理

聯動鎖止機構的主要作用是控制卡夾的開合，同時鎖止或解鎖卡位器，采用滑塊與可變杠桿結構[5]。可變杠桿由杠桿與鎖鉤組成。由于鎖鉤可在杠桿孔內伸縮改變長度，故稱為可變杠桿[6]。通過改變杠桿長度，保證可靠地鎖止或解鎖卡位器。

未停車時，卡位器在立軌下端，聯動鎖止機構的鎖鉤鉤在卡塊上。在拉簧的作用下，卡位器沿立軌上移，鎖鉤從杠桿孔中伸出，直到鎖鉤限位銷頂住杠桿限位槽底部，卡位器被卡塊鎖止不能上升，如圖5所示。

圖5 未停車時的結構示意圖

停車時，自行車前輪滾到卡位器的支撐架上。由于卡位器受到拉簧向上的較大拉力，卡位器不會沿立軌下降。當自行車前輪壓下壓舌式，壓舌壓下壓板，會使兩個卡夾長端夾緊自行車前輪[7]。壓板在下壓過程中，通過短軸下壓頂塊，使頂塊通過斜面推動兩個鎖塊分別沿導銷向兩側移動，再由兩個鎖塊撥動兩個杠桿上端分別繞銷軸向兩側轉動，同時兩個杠桿下端分別撥動兩個鎖鉤向中間移動，如圖6所示。

圖6 鎖鉤即將脫開卡塊時的結構示意圖

當頂塊最大截面向下移動到鎖塊斜面下端的瞬間時，鎖鉤隨杠桿向中間移動并脫離卡塊，同時鎖鉤在鎖鉤復位彈簧的作用下縮回杠桿孔內，如圖7所示。當頂塊向下越過鎖塊后，鎖塊在鎖塊復位彈簧的作用下向中間移動，并夾住壓板上短軸。此時，頂塊被兩鎖塊擋住不能復位，從壓板和卡夾也不能復位，兩個卡夾長端將夾緊自行車前輪。同時，鎖鉤脫開卡塊，基本架在拉簧的作用下沿立軌導槽上升，并帶動自行車前輪隨之上升，直到自行車豎立起來，停車動作完成。

圖7 鎖鉤脫開卡塊時的結構示意圖

如圖8所示，取車時，用戶向后拉動自行車。自行車前輪受重力作用壓下卡位器，使卡位器沿立軌下降。當兩個鎖鉤斜面分別與兩個卡塊斜面接觸時，兩個鎖鉤分別被兩個卡塊斜面推動向中間移動。兩個杠桿下端分別繞銷軸向中間轉動，同時兩個杠桿上端分別繞銷軸向兩側轉動，從而推動兩個鎖塊沿導銷向兩側移動。當鎖鉤斜面向下移動到卡塊斜面最下端時，頂塊和壓板復位，兩卡夾釋放自行車前輪。同時，兩個鎖塊在鎖塊復位彈簧的作用下推動兩個杠桿上端向中間移動，同時兩個杠桿下端向兩側移動，推動鎖鉤鉤住卡塊，從而使卡位器被卡塊鎖住。當卡位器下降到立軌下端時，卡位器被卡塊鎖住，同時卡夾釋放自行車前輪，用戶后拉自行車，可將自行車前輪從卡位器拉出，完成取車動作。

圖8 鎖鉤斜面與卡塊斜面接觸時的示意圖

自行車前輪離開卡位器時，基本架在拉簧的作用力下沿立軌向上移動。同時，鎖鉤從杠桿孔中伸出，直到鎖鉤限位銷頂住杠桿限位槽底部，卡位器不再移動。

可變杠桿使鎖鉤在杠桿孔內滑動，杠桿頂端到銷軸的距離不變[8]。基本架要脫開卡塊上升時，鎖鉤從杠桿孔中伸出，使得鎖鉤到銷軸的距離變長。鎖塊移動較小距離可使鎖鉤移動較大距離，保證鎖鉤能從卡塊處脫開。由于鎖鉤縮回杠桿孔內，鎖鉤處于卡塊上方，保證頂塊壓下時鎖鉤復位不會重新卡住卡塊。基本架沿立軌下降時，鎖鉤處于縮回杠桿孔內的狀態，鎖鉤到銷軸的距離變短。鎖鉤移動較小距離可使鎖塊移動較大距離，保證頂塊能可靠 復位。

2.2.5 保險機構

當用戶誤碰壓塊或卡位器損壞時，可能使卡位器解鎖并沿立軌上彈，可能會對人員造成人身傷害[9]。為了保證人員的人身安全，設計了保險機構，如圖9所示。保險機構由壓舌、壓舌支座、銷軸、自行車剎車皮和扭簧組成。壓舌支座固定安裝在基本架上，壓舌通過銷軸安裝在壓舌支座上，銷軸上安裝扭簧，壓舌短端安裝自行車剎車皮。未停車時，在扭簧的作用力下，壓舌短端壓向立軌，自行車剎車皮與立軌表面產生摩擦力，使卡位器不能沿立軌上移。此外，設計壓舌和兩卡夾形成三點，鎖住車輪，防止車輪晃動，提高了裝置的安全性。

圖9 保險機構結構示意圖

3 實物制造與測試

根據上述設計，制作了該自行車立式停放裝置實物樣機，如圖10所示。

圖10 自行車立式停放裝置實物樣機

立軌和卡位器基本架采用厚度為2 mm的304不銹鋼板沖壓成型，拉簧線徑為1.6 mm，直徑為18 mm（含鉤長度）。該裝置可存放輪胎寬度38～51 mm、最大輪胎直徑為61 cm、最高質量達20 kg的自行車。

可通過單個排放、雙層排放或傘狀排放等形式使用本裝置，通過不同角度排列布置，實現了自行車規則、整齊排放，改善了停車環境。

4 結論

通過實物作品加工制造并進行實際測試和應用，證明了該裝置操作簡單、安全省力以及布置方式靈活，可根據不同場地條件的需求調整車架安裝方式，以滿足通道寬度需求，減少用地面積。本文的主要創新點有：

（1）聯動鎖止機構，采用滑塊與可調節長度杠桿機構鎖止和釋放卡夾，實現了夾緊自行車前輪與提升自行車聯動、下降自行車與釋放自行車前輪聯動；

（2）保險機構，采用壓舌式，可以防止卡位器上彈傷人，結構簡單可靠；

（3）壓舌和兩卡夾形成三點，鎖住車輪，防止車輪晃動，提高安全性；

（4）拉簧助力，停取車輕便省力。