Z字型斜轨道双层公共自行车车架的创新设计

张淳，钟金，孔祥恩，董宇晨，张晓青

上海电机学院机械学院

Z字型斜轨道双层公共自行车车架的创新设计

张淳，钟金，孔祥恩，董宇晨，张晓青

上海电机学院机械学院

目前许多城市早已大力推广和实施公共自行车系统，但是占地面积较大的驻车站点只能停放寥寥十几辆自行车成了一大难题，使得市民不仅借车难，停车也难。根据绿色节能环保、提高土地利用率的设计理念，设计制造双层公共自行车架。本文主要讨论了双层公共自行车架的结构设计特点以及各部件的受力情况等。该双层公共自行车架结合实际情况，具有标准化规范化、稳定可靠性高、易于维护和实用性能强等优点。

双层停车；Z型斜轨道；方便快捷

1 引言

近些年来，随着环保观念的深入人心，公共自行车系统在国内很多城市都得到普及。由于公共自行车不存在大气和噪音污染，可为居民和游客提供便捷的绿色出行方式，提高城市的绿色竞争力；同时可以解决公交出行“最后一公里”难题，成为目前城市交通系统中不可或缺的一部分。但是目前在驻车站点使用的公共自行车停车架均为单层放置，数量非常有限，不能适应广大市民的出行需求。因此我们采用Z式斜轨道的双层放置自行车的方式以此来解决在有效的占地面积上双倍增加公共自行车的停放数量。Z式斜轨道双层公共自行车架在结合目前实际情况下，对双层停车架的结构进行了合理的设计和受力的分析，力争为租车人提供最方便快捷、省时省力的取放车的方式。

2 Z字型斜轨道公共自行车架结构设计

目前大部分公共自行车的停放方式由一个简单的锁紧装置构成，将前车头固定住起到停放自行车的功能。在沿用了目前自行车停放方式的优点后，我们又设计采用Z字型的斜轨道双层公共自行车车架的设计方案。

首先Z字型斜轨道车架的Z型角度为53°。选择这个角度的原因是考虑这么几点。第一，角度越大所需要使用的力也越大，经过计算发现角度为53°时所用的力基本可满足所有人群；第二，目前一个公共自行车车架的占地面积约为170×60（cm2），

然而安装了Z型车架后占地面积约为200×60（cm2），虽然占地面积增加到了原来的1.17倍，但是停车效率却是原来的两倍。

此外，整个车架还包括了传动省力部分、公共自行车部分和防盗锁止器部分。每一个Z型斜轨道自行车停车位的工作原理如下：

水平地面轨道可直接停放自行车，之后将金属杆推至防盗锁止器内即可，如想取车，刷卡即可。

Z型斜轨道需把自行车先推上斜轨道，由于轨道上安装一些圆头三角桩以及两个车把定位防护栏，自行车可固定在轨道上。之后利用摇杆滑轮挂钩装置，将挂钩置于车把两侧后，利用手摇杆器将自行车摇至防盗锁止器处，将车座下的金属杆推进锁止器中即可。如想取车，先刷卡开锁，推出自行车即可。

Z字型双层公共自行车车架的整体结构完整、设计紧凑、停放方式合理安全。

3 公共自行车的尺寸设计

我们参考了目前市场上众多的公共自行车产品的设计方案，决定采用杭州市西湖景区的公共自行车原型，并且在原有的基础上作一些细节调整，以满足Z字型双层公共自行车架的停车要求。

在材质上采用新型铝合金，以此可以减轻自行车的重量，骑车时更加省力。车身使用了醒目的橙色，车长约165厘米，车轮直径约长65厘米，两车轴间距约为145厘米，车把距离地面约100厘米。

公共自行车的功能分为三部分：在车头部分，原来只有一根金属杆用来锁紧方式不能满足要求，因此我们在车座下又增加了一根金属杆，以满足车头、车尾两个方向都可以锁紧。在车篮部分，目前众多公共自行车并没有考虑到车篮的设计，我们在车头前面安装了一款可以存放空间较大的金属车篮。在车把部分，给自行车安装了一个档位调节转盘，位置在右把手附近。骑车人可以在骑行过程中选择1,2,3共3个档位。其中1档是上坡档，2、3挡则是正常骑行挡；根据骑车人的需求在不同路段可以自行调节，这样的设计也可以让不同身体条件的市民都能使用。

4 传动设计

考虑到在斜轨道上停放自行车时比较费力，我们在Z字型斜轨道的顶端位置设计添加了一个带传动的传动方式。由动滑轮、定滑轮、挂钩以及手柄摇杆器组成，由细长皮带连接各个组件，其目的是为了让借车人在停放时能够省力。

一个定滑轮固定焊接于顶架上，一个动滑轮与车把手挂钩固定，并且顶架是安装在Z字型车架的顶端上。所述的滑轮机构、手柄摇杆器是利用连接皮带全部衔接在一起，用来调节自行车停放时的高度。考虑到Z字型公共自行车架长时间暴露于各种极端天气之下，因此连接皮带我们采用了特殊的加强皮带，以保障使用时的易维护性，经济性和持久性。设计Z字型斜轨道与底面、顶面间的夹角为53°；定滑轮直径为30mm，动滑轮直径为40mm；挂钩能够承载重量为20至30 kg。以在斜坡上停放公共自行车，斜坡角度为53°，加速度为0.5m/s2为例：

（由于自行车采用新型铝合金材质，因此重量较轻，约为12千克，计算时按安全裕度15千克计算）

自行车重量：M自=15kg；

动滑轮受力：F动-M自g-f=M自a；

定滑轮受力：F定=sin53° F动=34.84N；

由力臂受力平衡得：F定L定=F手摇器L手摇器；

通过计算得出的数据我们可以看到，当利用手柄摇杆器停放自行车时，我们所需要用到的力相当于托起一千克的物品，远比自己推着自行车上轨道少的多。并且在保证了自行车停放时不会摔倒的前提下，整个停放过程方便、快捷和省力。

参考附传动机构图。

5 总结

Z字型双层公共自行车架的设计已经完成，在结合理论数据分析受力情况，进行运动仿真和有限元分析实验等后，在相应的细节上作了进一步修改。通过摇杆滑轮装置、可调速的公共自行车和刷卡即解锁的防盗锁止器等使得租车的市民和游客在借车和停车时，更加省时省力、方便快捷。

参考图一

[1]王知行，邓宗全，主编.机械原理；高等教育出版社；第2版2006年5月。

[2]王树才，吴晓，主编.机械创新设计；华中科技大学出版社；2013年。

[3]博创设计坊，组编，钟日铭，主编.UG NX7.5完全自学手册；机械工业出版社；2010年11月。

[4]张昊，主编.于UG NX4.0高级教程；电子工业出版社；2007年07月。