愛車公寓創新設計與制造

劉婷婷，孫亮波，郜依然，許潤昊，嚴明威，武金亮

愛車公寓創新設計與制造

劉婷婷，孫亮波*，郜依然，許潤昊，嚴明威，武金亮

（武漢輕工大學 機械工程學院，湖北 武漢 430048）

針對現有小區非機動車隨意停放、占用人行道、缺少安全規范等問題，設計了一款停放電動車、自行車的立體停車庫。針對電動車設計九桿自重夾持機構，同時配備安全充電裝置，實現電動車的夾持和充電功能；針對自行車停放設計空間七桿夾持機構，使其穩定停放；針對自行車推送設計雙絲杠機構，能推送自行車移動至同層任意停車位。該車庫具有使用方便、存取效率高、防火安全性能強、適用地形廣的特點，具有良好地應用前景和推廣意義。

非機動車車庫；自重夾持機構；空間七桿夾持機構；模塊化；電動車充電

隨著綠色出行理念的深入，越來越多的人將非機動車作為出行工具。共享單車的出現給廣大市民的出行帶來了極大的便利，可是共享單車的隨意停放、占用人行道等問題嚴重阻塞了小區交通，同時，缺少安全規范的電動車充電裝置也成為小區消防的隱患和車主頭疼的問題[1-4]。

目前市場上非機動車停車庫的類別主要是雙層式和圓桶式，如圖1所示。雙層式非機動車停車庫裝置結構簡單，空間利用率高達85%，制造成本低，但存取自行車全過程需人工操作，不適用于老人小孩等人群，智能化程度低[5]。圓筒式非機動車停車庫存取完全自動化，操作簡單，同時利用了地下的空間，減少了占地面積，但建造成本較高，改變了地下結構，且一個出入口的設計降低了車庫存取效率[6]。

由分析可知，現有非機動車車庫存在如下問題：①純機械式車庫需要人工操作，不適合所有人群；②大型車庫不適合國內小區環境；③鮮有針對電動車設計的、配備安全充電設備的車庫[7]。

1 一體式車庫

基于上述分析，本文設計了“愛車公寓”電單車－自行車一體式車庫，其具有自動化存取、安全充電、保護防盜等功能。該車庫的設計思路如圖2所示。

基于該設計思路，針對車輛被盜和損壞等問題，整體采用封閉結構，并上下劃分為電單車和自行車兩個存取模塊，構成立體停車車庫。如圖3所示。

電動車存取模塊中，電動車通過載車板上的自重夾持機構固定，電機作為動力驅動載車板進出，并聯動門的開閉，且于車庫內部設置定時充電裝置。自行車存取模塊中，自行車載車板設有夾持機構穩固自行車，通過升降平移裝置移動到指定位置后，利用車庫內的T型推送臺推出或拉回自行車載車板，實現自行車的存取。

圖1 市場上非機動車停車庫

圖2 車庫設計思路

圖3 整體車庫實物圖

2 模塊功能的設計與實現

2.1 電動車進出充電載車板

電動車存放時，為簡化其停放流程和實現自動化存取，采用電機驅動帶動同步皮帶輪，皮帶帶動載車板沿滑軌出庫。由門板、開門桿，載車板組成的曲柄滑塊機構，將電動車載車板與車門聯動，實現門開板出的功能。載車板上設計了一種自重式九桿夾持機構，實現了電動車前輪左右夾持。整體如圖4所示。

1.電動車；2.載車板；3.前輪載重板；4.充電插座；5.自重夾持機構。

如圖5所示，自重夾持機構由一個載重板電動車通過自身重力，產生向下的壓力，壓下前輪載重板，通過連桿帶動夾持板運動。夾持板由直線軸承平滑銜接受力向中間運動，實現夾持功能，載重板下的彈簧為取車提供了復位的動力。該機構活動構件數為9，低副數為13，故自由度為1。

車庫同時設有電動車充電功能。小區居民將電動車停放穩固后，將電動車充電插頭插至電動車載車板上充電插座位置，當載車板進入后，通過充電插頭和充電插座的接合，充電系統連通通電，當充電系統檢測到電動車充滿電后亮綠燈。在載車板的推出過程中，插口與插口分離，充電系統斷電，亮紅燈[8-9]。

2.2 電動車自重夾持計算

自重夾持機構是根據電動車前輪尺寸、電動車質量等數據，來滿足電動車的穩定停放。如圖5（b）所示，機構在點受到向下的外力移動后，和'向中間水平運動，機構中左右夾持板通過桿件運動實現電動車前輪固定。

圖5 電動車自重夾持機構

本文采用一維優化方法對機構進行優化設計，通過競爭選擇算法找出極值。機構設計變量為：

式中：x、x、x、x為桿、、、的長度，mm。

目標函數為：

分析可知，當目標函數值取到最大，且桿件長度取到極小值時，自行車前輪夾持最穩固。

在機構運動且不超出夾持范圍限制的條件下，找出函數約束邊界為：

為限制機構的水平方向的工作范圍，滿足：

|X－X|＜90 （4）

式中：X為點橫坐標；X為點橫坐標。

為防止夾持板與直線導軌干涉，滿足：

30＜|X－X|＜32 （5）

式中：X為點初位置橫坐標。

設步數為（＝1,2,3…），有

由式（6）可知，當(n)－(n-1)＜0.1時，停止迭代，可得達到裝配精度要求的結果*。

解得：*＝6.173。

此時機構各桿長度如表1所示。

表1 機構各桿長度

為驗證機構提供的夾持力，認為在自重夾持機構處于夾持狀態時，、兩點近似垂直共線。通過計算得到關系式：

將表1數據代入式（7），得：

綜合分析上述數據結果，可得出，自重夾持機構能夠滿足要求，防止電動車搖晃。

2.3 自行車夾持載車板

自行車在升降過程中為穩定停放，自行車載車板上設計了空間連桿機構對自行車進行夾持，如圖6（a）所示。

自行車夾持分為限位和夾持兩個過程。自行車前輪利用平行四邊形結構形狀變化，改變了前輪左右空間；自行車后輪則是通過曲柄滑塊機構中的限位桿卡住。前后兩個機構通過一根球銷桿銜接，機構的夾持力由彈簧提供。

此夾持方式操作簡單，適用于大多數車型。空間夾持機構在無外力作用下處于夾持狀態，當需要存自行車時，借助外力下壓限位桿解除夾持狀態將車存入。

圖6 自行車空間夾持機構

空間連桿機構選取如表2所示尺寸，通過模擬運動分析，此機構符合夾持要求。

表2 自行車夾持各桿長

該機構的空間自由度為：

＝6－55－44－33－22－1（9）

式中：為自由度數量；為總構件數；1～5為1～5級的構件數。

根據文獻[10]，計算得：＝1。

2.4 自行車載車板推送系統

如圖7所示，自行車載車板推送系統設計了自行車推送模塊和平移裝置兩個部分。平移裝置控制推送模塊移動到同層任意停車位置，使載車板進出車庫[11]。

自行車推送模塊中，自行車載車板向外運動通過電機工作帶動的絲杠螺母推出車庫，向內運動通過電磁鐵吸住載車板并使電機反轉利用絲杠螺母拖進車庫。同步開關門由曲柄滑塊機構實現，載車板向外、向內運動時通過滑塊傳動控制車門的開啟和關閉。平移裝置為滿足精確定位需求，采用絲杠滑臺帶動整個自行車推送模塊左右移動，使其可到達同層任意一個車位處[12]。

此系統通過一套裝置控制一層的載車板進出，降低了控制難度并可以獨立控制，提升了系統的容錯率。同步開門將兩個動作通過機械結構相結合，減少了電機數量，降低了車庫制造成本。

2.5 自行車升降平移裝置

綜合考慮車庫容量、存（取）車時間、車庫所服務的區域環境、車庫占地面積、技術難度等因素[13]，自行車的升降平移模塊由一個電機垂直升降機、一個水平絲杠滑臺和一個可折疊平臺組成。此模塊可以穩定、精準地將自行車載車板運動到指定的自行車車庫位置[14]。

如圖8所示，當車庫處于閑置狀態時，配送臺采用電機驅動變為折疊形態，有效節省了空間[15]。

圖7 自行車載車板推送系統

圖8 升降配送平臺

3. 結論

設計的“愛車公寓”電單車－自行車一體式車庫具有以下特點：

（1）提供了一款適用于小區的電單車－自行車一體式存取車庫。采用封閉式結構，具有防盜、操作便利、存取效率高、結構緊湊、空間利用率高等特點，很好地解決了當前小區內電單車和自行車無序停放、小區停放空間狹窄、電單車充電等問題。結合手機APP研發，可借助互聯網更高效地利用存儲資源。

（2）多處采用機構創新設計，包括自重式電單車夾持機構、空間七桿機構實現自行車的前后左右夾持固定、基于尺寸優化后的自行車門與載車板的開閉和推出機構、電動車門與載車板的開閉和推出機構，及配送板折疊機構。

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Innovative Design and Manufacturing of Non-motor Vehicle Garage in Residential Areas

LIU Tingting，SUN Liangbo，GAO Yiran，XU Runhao，YAN Mingwei，WU Jinliang

( School of Mechanical Engineering, Wuhan Polytechnic University, Wuhan 430048, China )

Aiming at the problems of improper parking of non-motor vehicles, sidewalk occupancy and lack of safety standards in existing residential areas, a three-dimensional parking garage for electric vehicles and bicycles is designed. A nine-rod self-weight clamping mechanism is designed for the electric vehicles, and a safety charging device is equipped to realize the clamping and charging functions of the electric vehicles; a space seven-rod mechanism is designed for the bicycle parking, so that the bicycle can be stably parked; and a double-screw mechanism is designed for bicycle pushing, so that the bicycle can be pushed to any parking space on the same floor. The garage has the characteristics of convenient use, high access efficiency, strong fire safety performance and wide application terrain, and has good application prospect and popularization significance.

non-motor vehicle garage；self-weight clamping mechanism；spatial seven-bar mechanism；modularization；electric vehicle charging

TM732

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2023.01.007

1006-0316 (2023) 01-0042-06

2022-03-24

國家自然科學基金（51875418）

劉婷婷（2001－），女，重慶人，主要研究方向為機械設計制造及其自動化，E-mail：2653041315@qq.com。*通訊作者：孫亮波（1979－），男，湖北天門人，博士，教授，主要研究方向為機械設計及理論、機械創新設計、機構學，E-mail：4117449@qq.com。