立式可旋转自行车存取装置的设计

刘 旭， 伏梦杰， 袁 涛， 朱学超

(苏州市职业大学 机电工程学院，江苏 苏州 215104)

0 引 言

减少交通工具气体排放量成为当今社会绿色环保的主题之一，为此，各国大力倡导使用自行车作为短途出行的交通工具[1-5]。然而，随着自行车使用量的增加却给城市管理带来了一系列问题，尤其是城市老旧小区停车资源紧缺，存在停放空间狭小、自行车乱停乱放等问题，影响市容市貌，给百姓生活和交通管制带来极大不便。自行车停放带来的问题越来越受到人们的关注[6]。目前市场上的自行车存取装置主要有栏杆式和机械式两种，普遍存在空间利用率低、自动化程度低、不易移动等问题[7-9]。

近年来，自行车使用数量急剧增加，无论是家用自行车还是共享单车都呈现井喷状态。交通部的数据显示，截至2017年底，有77家共享单车企业先后进入市场，累计投放单车2 300万辆，注册用户达到4亿人次，累计服务170亿人次，日最高使用量达到7 000万次，自行车为绿色出行和解决最后1 km发挥了积极作用[10-12]。自行车存取装置发展至今已有30～40年历史，国外发展较早，大多由政府提供支持，其技术也比较成熟，已经具备可靠的传动系统和先进的固定结构。目前日本、德国、荷兰、西班牙等国使用较多的是一种地下圆柱形停车库，这种装置储存量大，存取车方便[13-15]。但由于这种装置设在地下，施工量非常大，结构也比较复杂，造价十分昂贵，很难推广使用。基于此，文中所设计的立式可旋转自行车存取装置通过提升机构将自行车竖立沿圆周摆放，配合底座旋转，实现自行车自动化存取，大大提高空间利用率、缩短存取时间。

1 自行车存取装置整体设计

立式可旋转自行车存取装置主要由举升装置1、圆柱形固定架2、液晶显示屏3、旋转底座4、伺服系统5组成,如图1所示,能同时容纳8辆自行车的同时存储。停车时，在触摸屏上按下停车键，控制系统发出信号，内圈接近开关和转盘中间触点控制伺服电机旋转，将没有自行车的举升装置转动至存取口处。操作者将自行车推进举升装置下的托架并碰撞配重开关，配重弹簧收缩，拉绳拉着滑块上升将自行车提升至竖立，与此同时滑块后的小时针远离底座的接近开关，接近开关发出信号给系统；延时5 s后系统控制底座旋转将自行车存入，当底座外圈接近开关和转盘触点在同一水平线上时底座停止旋转，存车完成。同样在取车时，在触摸屏上按下取车键，控制系统将有自行车的举升装置旋转到取车口处，取车人轻拉后座，利用自行车自重和拉力使弹簧拉伸，自行车前轮着地，配重开关复位，接近开关复位，取车完成。

1.1 举升装置

自行车举升装置是自行车停放和竖立的核心部分，如图2所示，由提升机构、托架机构、举升支架组成，提升机构1是动力来源，可以将自行车提升至竖立状态；托架机构2用来固定自行车前轮，确保自行车成竖立状态时自行车不会掉落；举升支架3用来安装定位机构和原件。

(1) 提升机构如图3所示，主要由机械滑轮、拉绳、导杆、配重弹簧组成，机械滑轮1固定在导杆顶部，升降自行车时滑轮转动，起动力传递作用；拉绳2缠绕在机械滑轮上，拉绳一端连着配重弹簧一端连着滑块在自行车升降过程中起连接作用；导杆3整体呈圆柱状，可供滑块滑动；配重弹簧4固定在机构底部，是举升装置的动力来源，利用配重弹簧可实现自行车升降无能耗。

图2 举升装置

图3 提升机构

(2) 举升支架如图4所示，主要由限位孔1、滑行槽2、滑块卡扣3组成；限位孔1可限制自行车上升的行程；滑行槽2是供托架机构升降来实现自行车提升和下降功能；滑块卡扣3呈楔形可以将托架机构锁住。

图4 举升支架

(3) 托架机构如图5所示，主要由滑块架1、配重弹簧开关2、托架3、滑块4、小时针5组成，配重弹簧开关2呈斜楔形，停车时自行车前轮通过触碰该结构，压下举升支架中的滑块卡扣，滑块在弹簧的拉力作用下沿着导杆上升，直至碰到限位孔；托架3的作用是自行车竖立时固定自行车前轮防止自行车滑落；滑块4设置有两圆孔可在导杆上滑动；小时针5是接近开关的信号源起信号传递作用。

图5 托架机构

1.2 旋转底座

旋转底座如图6所示，主要由转盘、牛眼轮、接近开关、齿轮、伺服电机、底座组成，底座整体形状为圆环形，转盘1通过自身旋转来带动转盘上的自行车旋转完成自动化存取车；牛眼轮2通过螺栓固定在转盘下方，转盘下方均布16个牛眼轮将转盘与底座之间滑动摩擦转变滚动摩擦以减小伺服电机驱动力；接近开关3分布在底座外圈和内圈上，外圈和内圈各有8个接近开关，底座中间有一个转盘触点，外圈8个接近开关和转盘触点控制底座旋转角度；内圈8个接近开关感应自行车是否停好和举升装置上是否有车；齿轮4通过销固定在伺服电机上，通过齿轮传动带动底座旋转，伺服电机5是整个旋转底座的动力来源。

图6 旋转底座

1.3 控制系统

立式可旋转自行车存取装置的自动控制系统由PLC控制系统和伺服驱动系统组成，以三菱 FX3u-8MR/ES 为主控制器，采用接近开关传感器作为控制信号，通过 PLC 控制伺服电机的动作，调整电机转速及转向，其控制程序流程见图7。设备开机后，程序初始化使各功能模块处于初始位置，然后再启动程序，让各动作单元完成相应的动作。当按下取车按钮，系统自动判断位于存取口的车位是否有车，若有车则可以直接取车；若存取口车位无车，系统将发出信号将有车的车位旋转至存取口处；取车完成后设备计数器-1。按下存车按钮，系统自动判断位于存取口的车位是否有车，若无车则可以直接存车；若存取车位有车，系统将发出信号将无车的车位旋转至存取口处；存车完成后设备计数器+1。控制系统由开关电源、液晶显示触摸屏、RS-232通信线、PLC主机、电感式接近开关、中间继电器、电机控制板、伺服电机等元器件组成，其电路图如图8所示，人机界面如图9所示。

图7 控制程序流程图

图8 控制系统电路图

图9 人机界面图

2 举升装置相关计算

2.1 力学分析

所设计的立式可旋转自行车存取装置在实际使用过程中，需要承受自行车重力载荷的作用，有必要对其进行强度和刚度分析，确保所设计的装置在自行车重力载荷作用下的应力场和应变场分布在合理的范围的，从而实现安全可靠地工作。根据装置的受力特征，圆盘上均布的8个自行车举升装置是相互独立的，因此只需要选取其中一个进行分析即可。下面使用有限元分析软件ANSYS对支撑系统进行有限元分析计算，得出举升装置的应力场和应变场分布。使用ANSYS软件建立自行车举升装置的有限元模型，如图10所示。

1-托架机构，2-滑块，3-导杆，4-后盖，5-侧面，6-底面

举升装置在承受自行车重力载荷时，主要的支撑部件是托架机构、滑块以及导杆。在有限元模型中，单元采用三维四节点四面体单元solid45，选用材料为45钢，其密度为7 800 kg/m3，弹性模量为209 GPa，泊松比为0.267。

自行车直接安放在托架机构，目前市场上常有自行车的质量约在10～17 kg，所以在有限元模型的托架机构上施加200 N作用力，基本可满足市场上常用自行车的重量载荷要求。底座的下表面采用固定约束，如图11所示。

图11 自行车支撑系统边界条件

通过有限元计算后，可得出自行车举升装置的应力场分布，如图12所示。从图12可看出，最大应力出现在托架机构上，为68.7 MPa，远小于45钢的强度极限600 MPa，托架结构满足强度要求。

图12 自行车支撑系统应力场分布图

自行车举升装置的应变场分布如图13所示。从图中可看出，最大应变出现在支撑架和导杆上，为0.174 mm，变形基本在功能允许的范围内。

图13 自行车举升装置应变场分布图

从以上分析可以看出，所设计的自行车举升装置满足强度和刚度要求。

2.2 配重弹簧选型

配重弹簧是举升装置的动力来源，也是举升装置的核心部分，配重弹簧的选型需要考虑所提升自行车的重力。目前市场上常见自行车的质量14～17 kg，选用的弹簧尺寸：长度200 mm，最大直径12 mm，弹簧线径1.2 mm，每圈距离5 mm，有效拉伸距离120 mm，取车时需要施加的拉力为：

F=fGd4/(8nD3)=(200-120)×

71 000×1.24/(8×200/5×103)=30.6 N

式中:f为变形量,mm;G为材料的切变模量,MPa(不锈钢71 000);d为钢丝直径,mm;n为弹簧有效圈数;D弹簧中径,mm。经过反复试验，以上弹簧性能以及省力程度均能满足使用要求。

所设计的立式可旋转自行车存取装置创新点在于：

(1) 自行车竖立摆放，大大节约空间，与传统平铺式摆放占地面积节约了近40%(见图14(a)、(b)，同样存储8辆自行车占地面积情况)。

(a) 传统平铺式摆放

(2) 利用机械滑轮原理和配重弹簧机构，实现存取装置的升降无能耗，环保。

(3) 结构简单，容易拆装、维护，方便运输，而且可以自行组装(可以实现三联装，或者四联装，以实际空间区域为准)。

(4) 配合电力驱动，可实现自动化存取，存取时间短。

(5) 顶部可安装太阳能板实现电力自给，并且通过手机二维码实现自动化存取车。

3 结 语

本文所设计的立式可旋转自行车存取装置能同时容纳8辆自行车的同时存储，实物样机如图15所示，在后期的安装使用中，底座与地面齐平，存取车更加方便快捷。经多次试验，实验表明该装置可大大节约占地面积；采用PLC程序控制，自动化程度高，一次存取车最快只需要5 s，大大提高存取效率。

目前该项技术已经申请国家发明专利和实用新型专利，专利(ZL201810194445.6,ZL201820324935.9),可用于住宅小区、地铁口、商业街等自行车用量大的地方，具有广阔的市场前景和推广价值。