一种双边自行车停车装置的设计

杨丽新，贾茹沅，李虹，文宗明

(华南理工大学 a. 机械与汽车工程学院，广东 广州 510640； b. 广州学院，广东 广州 510800)

0 引言

随着我国经济社会的高速发展，交通拥堵、环境污染等问题日益严重，2017年国务院印发的《“十三五”现代综合交通运输体系发展规划》中，强调要推动节能低碳发展，优化交通运输结构，完善城市交通运输服务系统，完善自行车等慢行服务系统建设[1-6]。因此，近年来共享单车迅猛发展，然而，大量自行车乱停，严重影响交通秩序，成为城市管理的严峻挑战，迫切需要研发新型自行车停车装置[7-11]。本文基于机械装置的优化方法和控制技术[12-13]，设计了一种“摩天轮”式新型双边立式自行车停车装置。

1 总体方案设计

本文旨在设计一款用在城市各类小区、公共场所，通过刷卡实现存取自行车功能的自动停车装置。通过机械结构与控制模块相结合的方式，实现自行车停放和取出的过程控制，并最终达到空间利用率高、安全、便捷等方面的使用需求。方案设计主要包括两个方面：机械结构设计、控制模块设计。

如图1所示，在保证整体结构强度和稳定性的前提下，单边等间距设置3个停车位，实现一种仿“摩天轮”式的停车结构，双边可提供6个自行车车位。自行车通过夹持机构夹紧固定在圆盘上，通过大转矩步进电机和蜗轮蜗杆减速箱带动圆盘转动，根据需要将自行车转动到合适位置以方便存取。

传统的停车方式一般分三步进行：1) 寻找合适的停放空间；2) 停放并调整位置；3) 锁车。本文所设计的自行车停车装置控制模块采用32位闪存微控制器STM32系列单片机，在停取车的过程中应用RFID无线射频技术刷卡存取，将自行车转到指定位置。该停车装置场地适应能力强，灵活装卸，停车过程人机交互体验良好。

图1 双边自行车停车装置

2 承载能力分析

根据设计的需求，电机作为动力源需要提供整个装置旋转的动力，通过其转动实现自行车的存取，需要选择合适的输出转矩。停放的自行车是电机的主要负载，由于该设计采用对称式结构，因此分析停车装置单侧的受力情况即可。

本装置在设计和样机制作过程中，选用儿童自行车为对象，该儿童自行车车重为3.5kg。如图2所示，夹持机构、连接块及与之相连的连接件质量之和为4.5kg，力臂L为0.6m。从单侧来看，分为停放1辆、2辆、3辆自行车的3种停车情况。如图3所示，虚线表示停放了自行车车位所在转动杆，黑色粗实线表示未停放自行车车位所在转动杆。忽略转动杆的质量，将自行车、夹持机构、连接块及与之相连的连接件看成一个整体，其质量为m。假设质心在转动杆末端，则单侧停放1、2、3辆自行车时，由受力分析可分别建立自行车停车装置单侧的转矩平衡方程：

(1)

(2)

(3)

其中：θ为自行车旋转角度；m1、m2和m3分别为第1、第2和第3辆自行车、夹持机构、连接块及与之相连的连接件的质量之和；g为重力系数；L为力臂。

1—主动轴；2—从动轴；3—夹持机构；4—连接块；5—自行车；6—转动杆。图2 局部结构

图3 单侧停放不同数量自行车时的受力情况分析

由式(1)-式(3)的计算结果发现，当停放1辆车时，其转动所需要的转矩最大为48N·m(θ=90°或270°)；当停放2辆车时，其转动所需要的转矩最大为48N·m(θ=30°或210°)；当停放3辆车时，所需要的转矩最小，几乎可以忽略不计。因此，单边停放情况下，电机需要带动1辆或2辆自行车在某个角度时为电机需要提供的最大转矩。由于采用对称式结构设计，双边停放情况下，电机需要提供的最大转矩为单边停放的2倍，即96N·m。

本文所设计的自行车停车装置选用材料6061合金。如图4所示，从动轴属于转轴，它既承受弯矩又承受转矩。因此，作为重要构件，运用SolidWorks Simulation仿真软件有限元分析对轴进行强度校核，材料参数如表1。

图4 受力分析结果

表1 材料参数表

名称参数值名称参数值质量/kg0.14密度/(kg/m3)2 700体积/ m35.03×105负载/kg100屈服强度/(N/m2)5.51×107张力强度/(N/m2)1.240 84×108弹性模量/(N/m2)6.9×1010泊松比0.33抗剪模量/(N/m2)2.6×1010热扩张系数 /Kelvin2.4×10-5抗拉强度/(N/m2)2.05×108受拉屈服强度/(N/m2)5.52×107弯曲强度/(N/m2)2.28×108

仿真结果如图5和表2所示，最大应力为7.08×107N/m2，最大位移为0.10mm。轴主要承受径向压力，弯曲变形，其最大应力远小于弯曲极限强度，轴的设计满足强度要求。

表2 仿真结果

图5 静应力分析

3 控制系统模块设计

控制系统模块是双边自行车停车装置的核心部分。在运行的过程中，控制系统模块处理用户在存取自行车过程中6个车位的顺畅切换以及定位，记录用户刷卡输入的指令、响应并输出脉冲实现相应动作。本文所设计的自行车停车装置控制系统模块采用32位闪存微控制器STM32系列单片机来处理停车装置运行过程中产生的数据，采用RFID-RC522射频感应模块作为用户与装置之间的交互媒介，缩短用户存取车的时间，操作简单易上手。STM32的硬件定时器经过初始化配置，稳定输出固定频率的脉冲信号，供步进电机工作所用。STM32与RC522无线射频模块通过SPI通讯协议进行相互通信，实现操作过程中数据的解码与转换，实时检测用户是否输入信号。相较于其他控制芯片，STM32系列单片机大大地提高了装置的稳定性。RFID-RC522射频感应模块可通过无线电信号识别特定目标并读写相关数据，而无需识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触，是一种较为成熟的通信技术。

控制系统模块的程序编写基本框架如图6所示。首先对单片机进行系统初始化，分配模块所需的引脚输入输出，RC522模块初始化完成后，整体装置准备工作已经完毕。等待用户使用装置上的钥匙扣形状的卡片进行刷卡，刷卡动作完毕后，装置会自动判断卡号并且将与卡号对应的车位调节至最低点，此时用户便可以进行存车的动作，待用户存车完成后，用户再次刷卡便可告知装置对车位进行复位，同时将用户所存的自行车转移至较高位置，增强安全性。同理，用户取车过程与上述操作一致，至此，完成一整套存取车动作。

图6 工作流程图

4 结语

本文基于机械装置的优化方法和控制技术，设计了一种“摩天轮”式新型双边立式自行车停车装置。该装置由机械执行机构和控制系统两大部分组成，机械执行机构通过大转矩步进电机和蜗轮蜗杆减速箱带动圆盘转动形成旋转执行机构，可提供6个自行车车位；控制系统利用32位闪存微控制器STM32系列单片机来处理小车运行过程中产生的数据，实现用户在存取自行车过程中6个车位顺畅地切换以及定位。该装置具有空间利用率高、存取简便快捷、美观防盗等特点，可在有限空间内存储更多自行车，解决了自行车停放杂乱无章、占地面积大、影响通行的问题，可为大多数城市小区内自行车的管理提供一种可参考的解决方案。