一種自行車停放裝置的設(shè)計(jì)

郭家偉，王 佐，張宏強(qiáng)，顧柯悅

(馬鞍山學(xué)院 大阪醫(yī)工學(xué)院，安徽 馬鞍山 243100)

自行車作為短途綠色出行的典型代表，正慢慢恢復(fù)其在交通體系中的地位，并改變著公共交通布局。國家統(tǒng)計(jì)局的數(shù)據(jù)表明，截至2019年底，我國兩輪腳踏自行車產(chǎn)量達(dá)到4 978萬輛[1]。自行車保有量的爆炸式增長也引發(fā)了一系列問題，例如隨意占用城市、社區(qū)及校園的人行道。亂停亂放不僅搶占了公共資源，而且有礙交通，有損地區(qū)形象[2-3]。

與自行車停放相關(guān)的問題可以通過兩種途徑來解決。一是政策引導(dǎo)。政府施劃停車空間，設(shè)置自行車停放引導(dǎo)員、運(yùn)維員來規(guī)范停車行為。這些舉措雖在一定程度上規(guī)范了自行車停放行為，但投入的人力物力較大[4-6]。二是開發(fā)有效的自行車停放裝置。停放裝置主要有橫列插槽式、垂直懸掛式、空間多層式三種類型[7-9]。橫列插槽式停放裝置可將整排自行車前輪固定放置于插槽中，這種停放裝置構(gòu)造簡單、安裝方便，但會占用狹長的公共面積，空間利用率低，且單車間距較小，很容易倒成一片而剮蹭到行人和車輛，影響交通安全?？臻g多層式停放裝置[10]采用抽拉的方式停放單車，用戶按照存取程序?qū)⒆孕熊囃品诺街付ㄎ恢?。這類裝置自動化程度和空間利用率高，但成本也較高，且一般只有一個(gè)存取端口，易造成取放擁堵。垂直懸掛式停放裝置[11]需要用戶先將自行車停放至固定裝置上，然后將固定裝置垂直懸掛。此類裝置操作簡單，提高了空間利用率，但取放過程費(fèi)時(shí)費(fèi)力。綜上，解決自行車停放問題需要綜合考慮兩個(gè)方面：一是需要充分利用地面；二是停放裝置結(jié)構(gòu)及操作簡單，停取便利。

本研究在現(xiàn)有自行車停放裝置的基礎(chǔ)上，提出了一種由多組連桿機(jī)構(gòu)組成的收攏式自行車停放裝置。該裝置結(jié)構(gòu)簡單，取放輕便，占地面積小，單次停放自行車數(shù)量多，可擺放于城市、社區(qū)及校園道路旁。

1 自行車停放裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 自行車形態(tài)物理模型

大多數(shù)自行車結(jié)構(gòu)類似，只是尺寸略有差別。本研究以市場上占有率較高的某自行車品牌作為停放研究對象，建立了如圖1所示的自行車形態(tài)物理模型。

圖1 自行車形態(tài)物理模型Fig.1 The physical model of bicycle morphological

基于自行車形態(tài)物理模型，測量了該款自行車的形態(tài)特征值，測量結(jié)果見表1。將測量所得的形態(tài)特征值作為自行車停放裝置功能尺寸計(jì)算的輸入?yún)?shù)，以此完成整個(gè)裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

表1 自行車形態(tài)特征測量結(jié)果Tab.1 The measurement results of bicycle morphological characteristics

1.2 自行車停放裝置結(jié)構(gòu)

自行車停放裝置如圖2所示。該裝置主要由圓盤、磁力鎖及6組連桿機(jī)構(gòu)組成，6組連桿機(jī)構(gòu)均勻分布在圓盤上，圓盤可圍繞自身軸線旋轉(zhuǎn)。每組連桿機(jī)構(gòu)均由前輪支架、后輪支架、氣彈簧、承載連桿及搖桿構(gòu)成，前輪支架及后輪支架安裝在承載連桿兩端，用于固定自行車前輪和后輪。搖桿一端通過鉸鏈與承載連桿相連，另一端鉸接在圓盤上。氣彈簧一端通過鉸鏈與搖桿相連，另一端鉸鏈在圓盤上。每組搖桿上端配置有磁力鎖頭，可與圓盤圓周方向均勻分布的磁力鎖座相配合。

圖2 自行車停放裝置Fig.2 The bicycle parking device

1.3 自行車停放裝置工作原理

當(dāng)用戶需要停放自行車時(shí)，首先沿著圓盤徑向拉動后輪支架，直至磁力鎖頭與磁力鎖座吸合，此時(shí)承載連桿、搖桿及氣彈簧貼合在圓盤表面，其狀態(tài)如圖2(a)所示；然后將自行車前輪及后輪固定在前輪支架和后輪支架上，完成自行車擺放；最后沿著圓盤軸向輕提后輪支架，直至磁力鎖頭與磁力鎖座分離，此時(shí)氣彈簧釋放壓力，搖桿在氣彈簧的助力下擺動，推動承載連桿緩慢上升至指定位置，完成自行車停放，其狀態(tài)如圖2(b)所示。

2 自行車停放裝置結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)

自行車停放裝置運(yùn)動功能尺寸決定了用戶能否順利完成自行車取放，故本節(jié)主要將自行車形態(tài)特征值作為輸入?yún)?shù)完成停放裝置運(yùn)動功能尺寸設(shè)計(jì)。

2.1 運(yùn)動功能尺寸設(shè)計(jì)

自行車停放裝置功能尺寸見圖3。圖3中：AO、DB及CE為承載連桿、搖桿和氣彈簧初始時(shí)的位置；A1O1、DB1及C1E為承載連桿、搖桿和氣彈簧終止時(shí)的位置；θ為承載連桿由初始位置AO旋轉(zhuǎn)至終止位置A1O1時(shí)所轉(zhuǎn)過的角度，且規(guī)定θ=60°；γ為搖桿DB和氣彈簧CE的夾角，且為保證力傳遞的有效性，令γ=90°；h為后輪支架高度，且規(guī)定后輪支架高度h為后輪直徑d的一半，即h=d/2=365 mm；L2為搖桿DB的長度。

圖3 自行車停放裝置功能尺寸Fig.3 The function size of the bicycle parking device

依據(jù)自行車形態(tài)特征測量結(jié)果可知：

L1=s+d/2，

(1)

式中：L1為承載連桿AO的長度；s為自行車前、后車輪轉(zhuǎn)軸中心距。由式(1)計(jì)算可得L1=1 675 mm。

在直角△ADO中：

S2=L1·cosθ=837.5 mm，

(2)

式中：S2為搖桿DB1的長度。承載連桿由初始位置AO轉(zhuǎn)動角度θ至終止位置A1O1，可得L2=S2=837.5 mm。

由此，可以計(jì)算出圓盤占地面積

(3)

在直角△CDE中結(jié)合運(yùn)動關(guān)系可知：

(4)

式中：S3為鉸點(diǎn)C與D之間的距離，且根據(jù)運(yùn)動變換關(guān)系得L3=S3；a為氣彈簧安裝位置與圓盤邊緣距離；S1為氣彈簧伸展長度；l為氣彈簧行程。由γ=90°及θ=60°可知∠CDE=60°?；喪?4)可得

2(S1-l)=837.5-a。

(5)

式(5)表示了氣彈簧伸展長度S1、行程l及安裝位置a之間的關(guān)系。查閱相關(guān)文獻(xiàn)[12]，初選YQL023支撐型氣彈簧，該型號氣彈簧主要參數(shù)為S1=510 mm、l=210 mm及最小伸展力為130 N。將氣彈簧參數(shù)代入式(5)計(jì)算可得S3=L3=300 mm、a=237.5 mm。

2.2 停放效能仿真實(shí)驗(yàn)

在不影響計(jì)算精度的情況下，運(yùn)用ADAMS動力學(xué)仿真軟件[13]建立了如圖4所示的自行車停放裝置仿真模型。圖4中t為活塞桿頂部端點(diǎn)，θ為承載連桿轉(zhuǎn)角，F(xiàn)為活塞桿受力。以氣彈簧安裝位置為坐標(biāo)原點(diǎn)，在圖4建立直角坐標(biāo)系。設(shè)置各構(gòu)件材料及質(zhì)量屬性，添加各構(gòu)件間運(yùn)動副，并在活塞桿處添加驅(qū)動力，進(jìn)行動力學(xué)仿真實(shí)驗(yàn)。

圖4 自行車停放裝置仿真模型Fig.4 The simulation model of the bicycle parking device

活塞桿頂部端點(diǎn)t位移隨轉(zhuǎn)角θ變化曲線見圖5。由圖5可知，在轉(zhuǎn)角θ=0°時(shí)t點(diǎn)與缸體底部距離為78 mm，當(dāng)轉(zhuǎn)角θ=60°時(shí)t點(diǎn)與缸體底部距離為285 mm，計(jì)算可得活塞桿行程為207 mm，與所選YQL023支撐型氣彈簧理論行程基本一致，表明停放裝置運(yùn)動特性滿足設(shè)計(jì)要求。

圖5 活塞桿行程變化曲線Fig.5 The trip curve of piston rod

活塞桿受力F隨轉(zhuǎn)角θ變化曲線見圖6。由圖6可知，隨著轉(zhuǎn)角θ逐漸增至60°，活塞桿所受力F由15 N增至160 N，表明YQL023支撐型氣彈簧伸展力滿足活塞桿受力要求。由圖6的曲線變化趨勢還可知，轉(zhuǎn)角θ逐漸增至45°后，活塞桿受力趨于平緩，有利于保持自行車在收攏停放過程中的穩(wěn)定性。

圖6 活塞桿受力變化曲線Fig.6 The force variation curve of piston rod

收攏停放過程中自行車質(zhì)心角加速度隨轉(zhuǎn)角θ變化曲線見圖7。由圖7可知，隨著轉(zhuǎn)角θ由0°逐漸增至60°，自行車質(zhì)心角加速度最大值為0.14 r/s2，表明自行車在收攏停放過程中穩(wěn)定性較好。

圖7 自行車質(zhì)心角加速度變化曲線Fig.7 The variation curve of angular acceleration of bicycle centroid

3 結(jié)論

(1)本研究所設(shè)計(jì)的可收攏式停放裝置可以實(shí)現(xiàn)自行車停放，結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，在占地面積為2.2 m2的情況下，可以完成多輛自行車停放。

(2)在收攏停放過程中，自行車質(zhì)心處最大角加速度為0.14 r/s2，表明停放過程中自行車穩(wěn)定性較好。