一種全自動通用型立式自行車停放裝置的設計

高永祥

（浙江機電職業技術學院機械技術系，浙江 杭州 310053）

1 引言

隨著我國現代化建設的發展，城市居民長距離的公共交通已逐步進入地鐵輕軌和大公交的時代。自行車具有綠色環保，節約能源，快捷等優點，其一直是國人首選的短途交通工具［1-2］。

在城市人口密集地區，由于自行車的使用頻率高、停放量龐大以及停放方式不盡如人意，尤其在地鐵站口、商場、學校和醫院等人口密集場所，停車難、停車亂、易丟車，甚至占用人行道和機動車道的現象隨處可見，既給交通安全帶來隱患，同時嚴重影響了城市治安管理和城市形象［3］。

近年來，為解決城市自行車停放問題，規范自行車停放秩序，提升城市形象，我國出現了種類繁多、形式多樣的自行車停放裝置。文獻［4］中設計了一種純機械式立式自行車停放裝置，該裝置主要由固定基樁、收放機構和傳動機構組成，自行車豎立停放依靠繩索-滑輪-配重組成的動力機構，利用鎖止機構和撞針觸發機構實現收放機構的鎖止與釋放。文獻［5］設計了一種由機械執行機構和智能控制系統兩大部分組成的智能立式自行車停車裝置，實現了自行車的豎直停放與智能識別上鎖。文獻［6］中設計了一種安裝于墻面的懸立式自行車停車架，采用了斜面滾輪和電磁鎖分別對自行車進行夾持和鎖緊，實現了自行車的豎直停放，提高了自行車的防盜性能。但現有純機械式自行車停車裝置結構復雜，零件較多，停車費時費力，且防盜能力差，停放點盜竊頻率高；非純機械式自行車停放裝置自動化程度低，結構復雜，成本高，停車場地適應性差。

根據調研，對現有的自行車停放裝置主要從構造、工作原理和空間利用率等方面進行分析，設計一種新型全自動通用型自行車停放裝置，該裝置將有效解決自行車停車空間占用率高、自動化程度低和盜竊頻率高等問題，對全自動自行車停車裝置的推廣，解決城市自行車停車困難、不規范和提高城市形象有一定的促進作用。

2 自行車停車裝置現狀與分析

根據自行車停放時車體與地面之間的夾角（立起角度）大小，自行車停放裝置分為水平停放的自行車停放裝置和立式停放的自行車停放裝置兩大類［7］。對現有的各類停車裝置的工作原理、操作性和空間利用率等進行分析，為全自動通用型立式自行車停放裝置的設計提供參考和依據。

2.1 水平停放的自行車停放裝置

自行車停車于水平停放的自行車停放裝置時，車體與地面平行，立起角度為0°。根據自行車停車時在停放裝置上的分布形式，水平停放的自行車停放裝置可分為直線形自行車停放裝置和圓形自行車停放裝置。

2.1.1 直線形自行車停放裝置

直線形自行車停放裝置是水平停放的自行車停放裝置的基本類型，停車單體呈直線形分布于停車裝置的一側，很多其他類型的自行車停放裝置都以此為原型進行形式和功能上的改進與優化，如圖1所示。

圖1 直線形自行車停放裝置Fig.1 Linear Parking Device for Bicycle

自行車前輪可沿導向槽運行至夾持機構并被固定，從而實現停車。取車時，自行車前輪退出夾持機構和導向槽即可完成取車。該裝置結構簡單、成本低、空間適應性好，被廣泛應用于狹長空間。但直線形自行車停放裝置大多為純機械式，自動化程度低，且防盜能力差。

2.1.2 圓形自行車停放裝置

圓形自行車停放裝置的各停車單體以某點為圓心呈輻射狀分布，使整個停車裝置的外形為圓形。一種停車容量為10輛的圓形自行車停放裝置，如圖2所示。其停車單體由定位桿4和支桿5組成，且剛性連接于中心支撐板1和底座3。停車時，自行車前輪置于停車單體的兩支桿之間，并被推至定位桿位置，依靠兩支桿的內側表面和定位桿的機械鎖完成自行車的固定和鎖定。該裝置結構簡單，零件較少，停取車操作簡單，但自動化程度低，且停車單體的圓形布局對路面空間的利用率低。

圖2 圓形自行車停放裝置Fig.2 Circular Parking Device for Bicycle

2.2 直立式停放的自行車停放裝置

對于直立式停放的自行車停放裝置，自行車車體與地面垂直，立起角度為90°，如圖3所示。該裝置停車時將自行車前輪沿導向槽推至卡位裝置，并帶動鎖車夾夾住前輪，以卷簧為動力的提升裝置將水平狀態的自行車提升至豎直狀態，使車身與立柱貼合，從而實現自行車的豎直停放［8］。

圖3 直立式停放的自行車停放裝置Fig.3 Upright Parking Device for Bicycle

該裝置以卷簧為動力，節能環保，可輕松安全地實現自行車的豎直停放，且充分利用了豎直空間，占地小，空間利用率高。但該裝置為純機械式，組成和結構復雜，無防盜報警裝置。

3 裝置總體方案設計

3.1 設計原則

根據對停車裝置現狀的分析與研究，從實際出發，立式自行車停放裝置能有效提高空間利用率并適用于多種路段，必定是將來停車裝置的發展趨勢。因此，改變了常規的自行車水平停放方式，采用自行車立式停放的實現方式，本著裝置停取車操作簡單，省時省力，結構簡單，成本低，智能化，安全防盜的原則，設計研究一種全自動通用型立式自行車停放裝置。

3.2 裝置結構組成與功能

全自動通用型立式自行車停放裝置由主體結構、夾車裝置、提升裝置、輔助裝置、報警裝置和控制系統組成，如圖4所示。主體部分作為整個裝置的支撐結構，為各分系統提供機械連接，承載裝置運行時的工作載荷。停車和取車過程中夾車裝置負責夾持自行車前輪并進行固定，并在提升裝置的作用下上下移動，從而實現自行車的上升和下降。輔助裝置主要是在取車過程中當自行車后輪與地面接觸時，輔助其向停車裝置外側退出。報警裝置的主要作用是提高裝置的防盜性能，降低裝置停車盜竊頻率。控制系統則是對停車裝置的控制信號進行監視、采集和處理，控制各執行裝置的動作和運行，保證停車裝置的功能實現和停車安全。

圖4 自行車停放裝置組成Fig.4 Structure of Parking Device for Bicycle

3.3 裝置工作原理

3.3.1 停車過程

停車裝置運行時，使用者將自行車前輪推入夾車裝置，按下控制系統觸摸屏上的存車鍵，夾車裝置接受到指令，推桿開始收縮，停車裝置和自行車處于如圖5（a）所示的水平狀態。

當安裝于夾車裝置推桿末端的光電開關感應到車輪位置時，推桿停止收縮并自鎖。隨后，夾車裝置上端的報警裝置機械爪夾住自行車前部輪胎，報警程序運行。接著，安裝于主體結構底部的86HB116L4-50KA-B型號步進電機開始正向旋轉，通過聯軸器帶動絲杠旋轉，絲杠上的滑塊上升。因滑塊通過螺栓與夾車裝置剛性連接，故夾車裝置開始上升離開主體結構下端的光電限位，圖5（b）所示。夾車裝置上升時，由于自行車前輪固定于夾車裝置和報警裝置機械爪，車體隨夾車裝置上升并緩慢旋轉。當自行車后輪離開地面時，導軌上滑塊到達末端光電感應開關范圍內，步進電機停止旋轉，上升動作結束，自行車處于直立停放狀態，完成車輛的停放，如圖5（c）所示。

3.3.2 取車過程

取車時，使用者按下控制系統觸摸屏上的取車鍵。滑塊離開上端光電限位開關，步進電機反向旋轉，滑塊帶動夾車裝置向下運動，自行車前輪下移。當后輪接觸到同步帶時，同步帶開始運作，車體向后平移。自行車后輪離開同步帶后，同步帶停止運作。滑塊下降到下端光電感應開關范圍內，步進電機停止反向旋轉，下降停止。隨后，報警裝置機械爪打開，夾車裝置上的推桿升長，直至自行車前輪到達地面。在此過程中，自行車狀態由直立狀態變為水平狀態變，完成取車，如圖5所示。

圖5 自行車停取過程狀態示意圖Fig.5 Situations of Bicycle During Parking and Parking Up

3.3.3 防盜報警

報警裝置固定于夾車裝置上端，當自行車前輪進入夾車裝置時，報警裝置前端機械爪夾住輪胎，報警裝置啟動。當裝置受到外力強行卸車時，機械爪上的壓力傳感器發出信號，觸發報警系統，發出報警信號。

4 裝置機械結構設計

4.1 主體結構設計

主體結構作為裝置的主要承力部分，為達到裝置結構簡單、成本低、重量輕且安全可靠的目的，其設計采用了“骨架+蒙皮”的結構形式，主要材料為鋁合金板材和20mm×20mm鋁合金型材。

如圖6所示，“骨架”由兩根梁I、一根梁Ⅱ、頂部安裝板、底部框架和背板組成，各部分之間剛性連接。頂部安裝板和底部框架分別位于主體結構上端和下端，用以安裝絲杠軸承座、停車裝置電源和電機安裝板，并增強主體結構強度和剛度。兩塊側板I和兩塊側板Ⅱ則作為“蒙皮”結構，通過8個角板固接于“骨架”上，使裝置外觀封閉。鋁合金板材基座與“骨架”之間螺釘連接，提高裝置抗傾倒能力，增強裝置工作穩定性。觸摸屏安裝架則是裝置控制系統人機交互界面觸摸屏的安裝載體。

圖6 主體結構示意圖Fig.6 Structure of Main Part

4.2 夾車裝置設計

如圖7所示，夾車裝置對自行車采用將前輪半包的方式進行固定。夾車裝置主要依靠兩根推桿實現夾車功能，推桿由直流電動機提供動力，使推桿伸出長度發生變化，同時使夾車裝置獲得1000N的拉伸力。兩根搖桿分別與車輪定位梁II固接，與夾車裝置支架鉸接。當推桿在直流電機的驅動下收縮時，車輪定位梁I、車輪定位梁II和車輪定位梁III共同完成對前輪的包絡半包和固定。安裝底板、滑塊和螺母底座作為夾車裝置支架與提升裝置之間的機械接口，其中滑塊可沿提升裝置導軌滑動，螺母底座與絲杠螺母連接，從而實現夾車裝置沿導軌上下滑動。

圖7 夾車裝置示意圖Fig.7 Fastening Device

由于推桿本身具有自鎖功能，使夾車裝置對前輪的固定更加安全可靠。同時，在推桿末端設置了限位開關，推桿達到頂點時自動停止，確保電機不會空燒。另外，兩推桿之間留有足夠的空間，使裝置具有一定的容錯率，同時在推桿前端裝有光電感應開關，通過對車輪大小的感應使得推桿伸出長度得到控制，從而使夾車裝置適用于不同尺寸大小的自行車車輪，并具有通用性。

4.3 提升裝置設計

由于滾珠絲杠具有傳動效率高，摩擦力小，軸線間隙可消除，使用壽命長和可高速進給等優點［9］。同時，絲杠本身具有較高的承載能力，其用于承受較大的自行車車體重量，上升運動相對其他機構更為平緩穩定。因此，提升裝置采用了直線滾珠絲杠模組來實現自行車的提升，如圖8所示。

圖8 提升裝置示意圖Fig.8 Lifting Device

絲杠由24V 同步電動機提供動力，軸承座、導軌I，II 和同步電機安裝于主體結構。裝置工作時電機動力通過聯軸器驅動絲杠旋轉，使絲杠螺母上升或下降，從而帶動夾車裝置運動。根據機械設計相關標準對同步電機、聯軸器、軸承和絲桿進行選型，并對絲杠、聯軸器和軸承的工作能力進行校核［10］。由于篇幅有限，此處不再詳細闡述選型和校核過程。

4.4 輔助裝置設計

由于裝置對自行車采用了立式停放的方式，使自行車在裝置上完全懸空，并與地面形成近90°夾角，導致自行車下降時會與地面抵住。因此，需要一個輔助裝置產生向后的推力使自行車后輪向裝置外側移動，保證自行車順利退出。由于同步帶傳動無滑動現象，傳動效率高，張緊力小，結構緊湊，因此本文將其應用于輔助裝置［10］，如圖9所示。輔助裝置由支架、電動機、大小帶輪、同步帶和傳送帶組成，電動機和大帶輪安裝于支架。裝置工作時，電動機動力經同步帶傳動，驅動傳送帶沿裝置外側運動，以輔助完成自行車的取車過程。

圖9 輔助裝置示意圖Fig.9 Auxiliary Device

4.5 報警裝置設計

報警裝置是提高立式停車裝置防盜性能的重要裝置，其采用了“卷筒—鋼絲繩”的撓性傳動方式，結構和組成，如圖10 所示。報警裝置由鋼絲繩及其緊定螺釘、鉸鏈總成、爪I和爪II組成，鉸鏈總成與夾車裝置車輪定位梁III連接，爪I和爪II可繞鉸鏈總成轉動，且兩爪端部均設置有壓力傳感器。停車時，卷輪由電動機的正向轉動驅動，鋼絲繩長度變短，帶動爪I和爪II繞鉸鏈總成相向轉動，從而實現對自行車前輪輪胎的夾持，且壓力傳感器監測的壓力值使報警裝置激活。當裝置受到外力強行卸車時，爪I和爪II的壓力傳感器監測的壓力值超出設置范圍，從而觸發報警系統，發出報警信號。

圖10 報警裝置示意圖Fig.10 Warning Device

5 控制系統設計

控制系統是全自動自行車立式停放裝置完成停車和取車過程的核心部分，由三菱PLC 可編程控制器FX3U-64MT/ESA、伺服控制模塊C200HW-NC113、工業觸摸屏GT1020、光電傳感器、限位開關、壓力傳感器和報警器等組成，控制系統框圖如圖11所示。

圖11 控制系統框圖Fig.11 Block Diagram of Control System

三菱PLC可編程控制器與伺服控制模塊、光電開關、壓力傳感器、限位開關和觸摸屏連接，是自行車立式停車裝置的控制核心，可通過PLC編程，接收和處理停車和取車過程中傳感器采集輸入的位置、轉速、壓力等信號，實現裝置的集成式控制和智能化。伺服控制模塊負責對伺服電機I、伺服電機II、伺服電機III和推桿進行控制，使提升裝置上下移動，夾車裝置推桿長度變化，輔助裝置同步帶向外運動和停止，報警裝置機械爪夾緊和放松。PLC控制器的部分指令如表1所示，整個停取車過程分為121步完成。

表1 部分PLC指令表Tab.1 PLC Orders

6 裝置樣機與調試

根據機械結構和控制系統設計方案，對該全自動立式自行車停放裝置零部件進行詳細設計、工程圖擬制與加工，并完成裝置的組裝與調試，裝置實物［11］，如圖12所示。

圖12 全自動直立式自行車停放裝置實物圖Fig.12 Picture of Automatic Upright Parking Device for Bicycle

為驗證設計方案的可行性和實用性，以及停車裝置的功能、性能、工作穩定性和可靠性，對該裝置的停取車過程和防盜報警等進行了實際測試，測試結果表明：

（1）該裝置和自行車的地面接觸面積總和約0.1848m2，考慮到自行車車把的影響，裝置間距0.4m合適，基本功能單元的占地面積為0.52 m2，相比常規垂直式停放占地面積（2.25 m2）減少了1.73 m2，節約占地面積約70%，裝置空間利用率高。裝置適用于建筑密度大，公用面積小的社區、商場、校園和其他公共場所。

（2）該裝置高效地完成了不同規格尺寸自行車的停取車過程，通用性好。同時，裝置人機交互界面美學完整性和一致性好，停取車過程操作簡單，無需人為干預，省時省力，方便快捷，自動化程度高。當自行車受到強力拖拽時，報警裝置發出警報，裝置防盜性能好。

（3）由于該裝置結構簡單，組裝、維修和故障排查方便，因此可將其作為基本功能單元集成于大型自行車停車庫。

7 結論

（1）通過對現有的多種自行車停放裝置從結構形式、工作原理和空間利用率等方面的調研分析，確定了新型全自動通用型自行車停放裝置的停放方式為空間利用率更高的立式停放。

（2）根據設計原則，對全自動通用型直立式自行車停放裝置進行了總體方案設計，分析了裝置組成、停取車過程和防盜報警工作原理。對裝置的主體結構、夾車裝置、提升裝置、輔助裝置、報警裝置以及控制系統進行了設計，分析了組成與工作原理，完成了裝置的結構方案和控制系統方案設計。

（3）完成了裝置的加工制造和組裝調試，并進行了實際測試，測試結果表明：該裝置空間利用率高，通用性好，停取車過程操作簡單，省時省力，自動化程度高，防盜性能好。

（4）該裝置有效解決了自行車停車空間占用率高、自動化程度低和防盜性能差等問題，對全自動自行車停車裝置的推廣和解決城市自行車停車困難、不規范和提高城市形象具有一定的促進作用。