一种轮转式自行车停放装置的设计

文国富 李震宇

摘要：随着人们环保意识的不断提高，越来越多的人选择自行车出行，自行车停放难、停放乱等问题引起人们的关注。根据现有自行车的结构、功能特点，并根据不同心等大双圆环上对应点之间的距离处处相等的原理，构建空间三角形，设计出一种轮转式自行车停车装置，运用SolidWorks软件对装置进行运动仿真与静力学分析，以泊车总占地面积与装置占地面积之比作为评价指标。结果表明，在保证装置可靠性与安全性的前提下，装置占地面积1125 m2，单面可停放24辆自行车，停放相同数量的自行车面积利用率达到192%。

关键词：自行车；停放装置；轮转式

中图分类号：U491文献标识码：A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2018.11.001

0引言

近年来，鉴于机动车辆排放的尾气对环境所造成的破坏[1]，各国都极力倡导绿色出行、低碳出行，自行车成为越来越多的人们绿色出行、上下班的交通工具。由于城市小区既定规划，停车空间严重不足，自行车停放问题日趋严重，诸多小区自行车停放难、停放乱、无地停放、占用电梯间等问题[2]急需解决。以及共享单车迅速推广，给人们带来诸多便利和低碳生活的同时，在一定程度上给城市管理带来阻碍。不仅影响城市美观而且影响行人出行安全以及道路的畅通，给人们的生活带来一定的影响。

1整体方案设计

1.1总体尺寸设计

该装置最大特点在于车辆停放在底部支撑架之后，通过驱动电机与六轮支架對所停放车辆支撑架进行旋转抬升，而合理、精确的尺寸是该装置实现预定运动及其他动作的前提，因此对该装置部分尺寸进行合理设计、初步运算以及软件分析。其主要尺寸如下：

（1）六轮支架外形尺寸。为更好与整体外形尺寸配合，故六轮支架半径取25 m，为保证车辆停放之后的稳定性与安全性，根据受力分析支架厚度取008 m。

（2）支撑架尺寸。根据车辆尺寸考虑，支撑架的长度取18 m，宽取2 m，考虑停放安全性与稳固性，根据受力分析支撑架厚度取01 m。

（3）整体外形尺寸。为保证整体性能可靠性、运行稳定性，最大限度利用有限场地，根据机械设计可取整个外形尺寸长为55 m、高为5 m。

1.2旋转支架方案确定

为保证停车稳定性与安全性，根据材料承重能力与受力分析，故旋转支架选择半径为25 m的六轮支架。采用六轮支架并在支架之间设计加强筋，支架厚度为008 m，支架自重明显减少。且加强筋能够更好保证支架的可靠性与安全性。

1.3导轨方案确定

以改善支撑架受力情况和减少其纵向尺寸为出发点，采用两个等大、不同心圆弧导轨[3]，使圆弧导轨分担支撑架整体重力，改善支撑架与旋转支架配合处的受力情况，从而保证支撑架受力更加均匀，提高支撑架的稳定性。

1.4支撑架方案确定

支撑架的作用旨在停放并固定自行车，保证自行车停放稳定性和整个装置安全性。由此，支撑架根据自行车宽度一般为04 m，设计4个“L”型锁死机构沿径向横排于支撑架上，从而将自行车锁死在支撑架上（如图所示）。取支撑架长18 m、宽2 m，该支撑架采用直径为003 m的空心铝合金焊接而成，其质量轻、加工简单、稳定性好，且一个支撑架可一次性停放4辆自行车，停放车辆可以自由增减，受力均匀，停放方便快捷。

图支撑架示意图

2局部强度计算及校核

普通自行车重量在8～15 kg，高档定制自行车重量会达到20 kg，故停车位承受重量极限应在20 kg左右；自行车长度尺寸达到18 m，停车位总长度应达到2 m，宽度尺寸达到045 m，一个停车位停放四辆自行车，则总宽度应达到18 m，高度达到1 m，停车装置在运转时，两停车位间距控制在12 m左右。结合装置与实际情况考虑，综合分析后在理论计算中取每辆自行车自重20 kg。

2.1六棱支架的强度校核

装置运行到右端时，六棱支架的受力情况最为明显。

选用Q235，其弹性模量E=19×1011 Pa[4]，屈服强度δs=185 MPa，采用矩形截面， 安全系数S=12。

（1）最大弯矩M

M=F×L（1）

式中：F=750 N，L=25 m，代入（1）得M=375×106 N·mm。

（2）抗弯截面系数W

W=hb312÷h2=b36（2）

式中：b=210 mm， 代入（2）得W=15435 ×106 mm3。

（3）弯曲应力

δs=MW（3）

式中：M=375×106 N·mm，W=15435×106 mm3，代入（3）得δs=243 N/m2=243×106 N/mm2=243 MPa

（4）许用弯曲应力

[δs]=δss（4）

式中：s=12，代入（4）得[δs]=154 MPa。

可知：δs<[δs]，满足强度条件。

2.2六棱支架的刚度校核

由以上简化模型以及相关参数，可求出在水平方向的变形量（最大挠度）

yx=FL33EI（5）

式中：L=25 m，E=19×1011Pa，I=008×0210312，代入（5）得yx=0666 mm，0666250011000。

故在水平方向满足刚度要求。

由以上简化模型以及相关参数，可求出在垂直方向的变形量（最大挠度）为挠度yy。

设F为六轮支架处于水平位置时端点处力，查《机械设计手册》[5]矩形截面抗扭截面系数I

I=bh312（6）

式中：b=021 m，h=008 m，代入（6）得I=896×106 mm4。

yy=FL33EI（7）

式中：F=1500 N，I=896×106 mm4，L=25 m，代入（7）得yy=459 mm，經计算

45925001100

故在垂直方向满足刚度要求。

综上所述，六棱支架满足强度、刚度要求，停放在上方的自行车不会发生倾覆，故使用安全。

3创新点及应用

3.1创新点

（1）采用双圆环不同心的结构，利用两等大圆环上对应点的距离处处相等的原理，在空间上构建空间三角形，保证停放自行车的平面时刻处于水平位置。

（2）装置实际占地面积1125 m2，设计“旋转六轮支架”配合六个停车架，可停放24辆自行车，最大程度上利用有限的场地。

3.2应用

（1）可以广泛应用于共享单车停放点的停放与存贮。

（2）导轨支撑板中间区域可应用于广告位，供广告商广告宣传。

（3）导轨支撑板中间区域可悬挂花盆，绿化小区。

（4）可满足不同型号自行车停放，能够应用于小区、写字楼等不同领域。

4结论

针对自行车停放难、乱停放的问题，设计了一种轮转式自行车停车装置，以泊车总占地面积与装置占地面积之比作为评价指标。利用等大、不同心圆上对应点距离处处相等的原理构建空间三角形，从而构建一个停车平面。经过计算与软件有限元分析，设计结构满足使用要求。为城市、小区等自行车停放点提供了一种可行方案。

参考文献：

[1]党龙，翟银焕，付喜军.机动车尾气污染物对环境影响的探讨[J].科技视界，2012（15）：236-236.

[2]刘春春.旧住宅小区的停车问题与场地规划[J].建材与装饰（中旬刊），2008（05）：34-35.

[3]朱理.机械原理[M].北京：高等教育出版社，2003.

[4]倪红军，黄明宇.工程材料[M].南京：东南大学出版社，2016.

[5]成大仙.机械设计手册[M].5版.北京：化学工业出版社，2008.

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