家居多用式杂物及自行车存放装置

赖志洋，刘璐，张茜



家居多用式杂物及自行车存放装置

赖志洋，刘璐，张茜

（武汉理工大学机电工程学院，湖北 武汉 430070）

针对目前家居存放物品空间不足、部分空间利用率低等问题，设计了一款家居多用式杂物及自行车存放装置，该装置通过对齿轮机构的合理运用、配合，对传动比的合理设计，考虑到使用群体和使用地点，巧妙利用绳索进行传动，使装置更加便捷、省力，实现了物品的轻松存放和置顶。同时，充分利用了储存间、阳台、私人车库等空余的顶部空间，减少了杂物的占用空间，解决了自行车停放空间不足以及乱停放的问题。通过软件仿真证明了本装置具有合理性、可行性，具有广泛的应用前景。

自行车；置顶存放；机械结构；电梯

1 项目背景

目前，随着房价的不断增加，城市房屋空间可谓是“寸土寸金”，每一块空间都十分宝贵。一般的家庭都会有一个储物间用于存放家中杂物，但往往储物间的空间不大，无法存放过多的物品。通常情况下，当杂物太多但储物间空间不够时，住户只能使用纵向空间，但纵向空间往往因其房屋结构设计而不容易被利用，特别是顶部经常存在较大空间无法被利用，往往因为顶部空间的空余而导致空间利用率不足，因此，储存空间不足问题也困扰着广大住户。

同时，随着城市的车辆越来越多，用户对停车位的需求逐渐增大，如今住户经常反映会感到街道变得拥挤，一些住户因为没有空间停放，而且出于物品安全性的原因将自行车停放在家中，消除露天停车被盗的风险，但对于高层住户，将自行车停放于家中会面临自行车上高楼的问题，即使有电梯的运送，也会带来一些不必要的麻烦。部分条件较好的住户也会把自行车停放至私人车库，但是调查显示，目前绝大多数的车库只能停放一辆轿车，直接导致车库的空间利用率不高。

基于上述问题，我们设计了“家居多用式杂物及自行车存放装置”，使得有限的储存空间能够高效利用，实现了将杂物的置顶存放以及自行车和小轿车同时停放的功能，节省了家居物品储存空间，将家中以及车库中的顶部空间最大化利用。

2 系统设计

2.1 系统整体组成及操作流程

该多用式物品存放装置由纯机械结构组成，其分为三大模块：动力模块，联动模块和存储固定模块。将三个模块相结合，通过简单的拉和抬动作，完成取物品和存物品的过程。同时，底部设置可伸缩托槽，托槽折叠时用于放置自行车，充分利用车库的存储空间，托槽拉伸时，如图1所示，可用于放置较大的杂物，提高家中存储物品的空间利用率。整个装置操作简单，可适应家中车库、储存间、阳台等多种家居场所。

图1 装置整体图

根据总体设计要求，本装置主要实现自行车以及较大杂物的存放功能，便捷、省力而高效。装置的使用流程分为存物品和取物品过程，互为逆过程，通过各模块配合，用户可以在两步操作内完成取物品或存物品的动作。存物品时，首先将物品固定在储存模块上，轻拉握把解除装置自锁，按照装置固定的运动轨迹推至水平状态，实现置顶存放。取物品时，轻拉握把使装置越过平衡点，装置进入自锁状态，此时，可解除固定装置，将物品取出来。

2.2 机械部分设计

2.2.1 动力模块

动力模块主要由拉伸气弹簧、压缩气弹簧、支撑杆组成，其主要功能是为整体装置提供主动力。本装置为纯机械装置，相较于普通弹簧其有着很大的优势：速度相对缓慢、动态力变化不大气、容易控制。但其体积相对较大、寿命较短。气弹簧具有较为平缓的弹性曲线，这一特性可为装置提供恒定的动力。

利用气弹簧上述特性，设计了装置的动力机构，两气弹簧一端铰接在机架上，另一端铰接在支撑杆上，支撑杆绕心轴转动。在运动的过程中，由于气弹簧一端位置的改变，其施力的方向也随之改变，施加在主轴的总力矩方向改变，通过限位块配合作用，在力矩由正变为负和由负变为正时，机构均进入自锁状态。

取物品时，从把手施力使支撑杆运动，支撑杆与水平线的夹角逐渐增大，待此夹角大于一定角度时，气弹簧产生的力矩小于等于载荷力矩，机构开始按预定轨迹运动，角度进一步增大，气弹簧产生的力矩变为反向阻力矩，机构达到自锁状态。

存物品时，从底部施加向外的拉力，连杆运动轨迹相反，此时，支撑杆与固定杆间的夹角逐渐减小，当角度减小至自锁位置后，机构便可按照预定轨迹运动，无需人力控制，操作方便、简单、省力。

最终动力模块达到提升助力、存取自锁的效果。

2.2.2 联动模块

联动模块由齿轮齿条、带轮、同步带、伸缩套杆、滑块和定长杆等组成。

联动模块的主要功能是将主干的转动与装置的平移进行复合，使存放物品按照预定且唯一的轨迹提升，避开下方摆放的物品，安全存取。

运动过程中，推动或拉动支撑杆时，主动齿轮在齿条的作用下转动，带动主动带轮，主动带轮和从动带轮与另外一套主动带轮和从动带轮之间1∶1传动，从而带动从动齿轮，由于主动齿轮与从动齿轮的模数相同，齿数比为4∶3，从而使两齿轮的位移比为4∶3，在固定杆、滑块和伸缩套杆的共同作用下，使主杆的运动轨迹固定，使本装置可以避免在用户存取物品时碰到下方存放的物品或车辆。最终联动模块实现了确定轨迹、安全存取的效果。

2.2.3 储存固定模块

存储固定模块主要由夹持块、夹紧棒、固定棒、可伸缩托槽、带网孔底盘等组成。

存储固定模块的功能为固定和存放杂物及自行车，保证物品在存取过程中的安全。

用户需要放置自行车时，将托槽置于折叠状态，车轮放置于托槽中，夹持块上附有固定棒和夹紧棒，固定棒限制车座的5个自由度，夹紧棒上设有弹簧，固定车座最后一个自由度，夹持块可在主干上滑动调节位置，以适应不同高度的自行车；托槽主要用于承载自行车的质量。当可伸缩托槽处于拉伸状态，可存放的空间增大，此时托槽可用于存放较大型的杂物，将物品放置于托槽中，缓慢将装置推向顶部存放，设置的带网孔底板用于装置置顶时承载杂物，同时，使得物品在顶部存放时可视化，为用户取用物品时提供便利。

最终存储固定模块达到存放多类型杂物以及适应并固定不同尺寸自行车的效果。

3 可行性分析

部分重要零件机械结构强度仿真分析如下。

3.1 主杆强度仿真分析

为了确保主杆有足够的强度和刚度来抬升物品，使装置能够安全、可靠运行，本项目组使用ANSYS软件对主杆进行静力学分析。

把本装置的模型导入到ANSYS的环境中，添加结构静力学类型，选取单元类型为Solid186，添加弹性模量EX为7.0×1011Pa，泊松比PRXY为0.3，密度Density为2.7×103kg/m3的硬质铝合金材料，然后进行网格划分，对相应部位施加相应的载荷并进行求解，得到了主杆的等效应力云图。由主杆的等效应力云图可知，主杆的最大应力为33.158 MPa，应力主要集中在的主杆与架子的连接孔处，与本装置选用的材质进行比较，满足设计设计要求。

3.2 主轴强度分析

为了确保装置能够安全可靠地运行，主轴必须要有足够的强度和刚度来抬升所存放的物品，为此本项目组使用ANSYS软件对主轴进行静力学分析。

把本装置的模型导入到ANSYS的环境中，添加结构静力学类型，选取单元类型为Solid186，添加弹性模量EX为7.0×1011Pa，泊松比PRXY为0.3，密度Density为.7×103kg/m3的硬质铝合金材料，然后进行网格划分，对相应部位施加相应的载荷并进行求解，得到了主轴的等效应力云图。

由主杆的等效应力云图可知，在载荷的作用下，主轴的最大应力为8.821 5 MPa，应力主要集中在的主轴与主杆的连接面处，与本装置选用的材质进行比较，满足设计要求。

通过软件仿真我们可以得知装置的各方面强度是满足设计要求的，本装置能够在存放不同物品的时候保持较高的稳定性和安全性，在选材和设计方面具有较高的可行性。

4 结束语

随着房屋价格的提高，家中可利用的存储空间变得非常珍贵，在房屋内往往对顶部结构设计有一定的要求，这就导致部分的顶部空间无法被利用，而本装置顶部固定结构较为简单，能够较好地适应室内顶部空间，可以结合房屋在设计和装修的过程中直接安装，对储物间、阳台等区域在顶部无法使用的空间充分利用，储存杂物。同时，现在私人车库普遍存在，车库的需求也越来越多，可以直接在车库顶部安装本装置，存在顶部杂物及自行车，有效解决自行车停放混乱、道路拥挤等问题。

本作品在不对原有使用场合结构进行改造的前提下，实现了顶部空间和底部空间同时储存的功能，且顶部的物品存、取不会影响到底部物品的存放，使用方便，充分利用了顶部空间，市场前景广阔。

2095－6835（2019）03－0076－02

U491.71

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.03.076

〔编辑：张思楠〕