自行车停车桩夹紧机构设计与分析*

许绪君，秦 涛，高成慧，胡浩男

(湖北文理学院 机械工程学院，湖北 襄阳 441053)

0 引言

随着绿色环保时代的到来和可持续发展观念的深入人心，越来越多的人将绿色环保的自行车作为出行的交通工具，然而自行车使用量的增加使其在停放方面存在困难，自行车停放带来的问题越来越引起人们的关注[1,2]。我国自行车的数量较大，但自行车停放设施和场所还相对紧缺，布局比较混乱，部分停放场所过于简陋，缺乏基本的自行车固定设施，很容易造成车辆的无序停放[3]。在小区或私人家庭，人们则更愿意把自行车停放在自己方便存取的地方，例如楼道中。上述情况造成了以下问题：车辆停放杂乱无序，占用公共通道，车辆存取不便[4,5]。为了解决目前存在的这些问题，本文设计了一种节省空间的立式停车装置，以提供更便捷、节能的停车方式，在公共场所也能改善当前共享单车滥停滥放现象，有效缓解人行道拥挤、杂乱等问题。

1 自行车停车桩结构设计

1.1 总体结构方案设计

自行车停车桩总体结构如图1所示，此装置主要依靠巧妙的机械结构将自行车竖立停放。它主要由提升机构1、夹紧机构2、外框架3和立桩4等组成。停车时，自行车前车轮进入外框架，前轮轻触杠杆机构卡扣，使其脱离立桩上的槽，与此同时夹紧机构在扭簧作用下夹紧前轮，然后提升机构的弹簧作用将自行车缓慢沿着立桩升起，直至车身竖立到一定角度利用自身重力防止自行车下滑；取车时，只需轻拉自行车坐垫，弹簧便会缓慢将自行车下放，直至最低端，卡扣再次与立桩底端的槽扣紧，夹紧机构将竖直运动转化为旋转运动打开橡胶膜锁头，车被取走的同时，杠杆机构卡扣将弹簧扣在立桩上，等待下一次存车。

1-提升机构;2-夹紧机构;3-外框架;4-立桩;5-自行车

该停车桩结构简单、成本低廉、人工操作方便、占地面积小、安装方便，且便于模块化拓展进行多样式集成，如可根据地理环境自由组合，设计成圆柱形排列或者并排排列等，可集中停放多辆自行车，适用于狭窄小区或者人行道两侧。

1.2 夹紧机构结构设计

夹紧机构安装在外框架内与外框架一起在提升机构的作用下沿立桩上下运动，是该停车桩的关键部分，如图2所示，它主要由楔形限位9、上拨杆3、下拨杆7、转杆8、转杆上固定架4、转杆下固定架6、夹紧扭簧5等组成。

如图2所示，转杆下固定架6用螺栓安装在外卡扣背面的中间位置，转杆8下端插进转杆固定架上的孔，下端方形柱与下拨杆7的方形孔配合用螺钉连接，下拨杆7与立桩正面垂直。将夹紧扭簧套入转杆，并一端与转杆下固定架6连接、另一端与转杆上端的孔连接。转杆上固定架穿进转杆，并用螺栓固定在外卡扣背面的上端，转杆8就可以在转杆上、下固定架之间转动。

1-车轮;2-闸皮;3-上拨杆;4-转杆上固定架;5-夹紧扭簧 6-转杆下固定架;7-下拨杆;8-转杆;9-楔形限位

停车时，夹紧机构带动自行车前车轮在提升弹簧的拉力作用下开始向上滑动，从开始上滑到下拨杆7与楔形限位9脱离接触过程的极小位移内，转杆在夹紧扭簧5的扭矩作用下逆时针转动复位，转杆将扭矩传递给上拨杆，上拨杆向里转动夹紧前车轮，如图2(a)所示。前车轮滑动到停车桩上端限位位置时，上拨杆的拨柱进入放松限位孔以限制上拨杆顺时针转动，确保上拨杆始终夹紧前车轮。

取车时，夹紧机构随前车轮下滑，在下拨杆7刚接触楔形限位9到完全打开的过程中，下拨杆在楔形限位的挤压作用下将整个机构向下的运动转变为转杆的转动，即下拨杆顺时针转动一定角度。下拨杆将扭矩传递给转杆，转杆8带动上拨杆向外转动相同的角度，夹紧机构被打开，如图2(b)所示。此过程中夹紧扭簧5扭转变形，取车后又驱动转杆复位，为下一次夹紧准备。

2 夹紧机构理论分析

考虑到实际中自行车车轮有各种尺寸，为保证夹紧机构能够适应各种尺寸的车轮，从而实现夹紧机构的夹紧与释放，保证能够顺利存取自行车，需确定夹紧机构张合角度范围，即上拨杆、转杆、下拨杆的转角范围，以及夹紧扭簧的设计。

2.1 夹紧机构张合角度范围分析

夹紧机构张开平面示意图如图3所示，根据外卡扣的尺寸，考虑转杆上固定架安装孔所在位置的宽度，设对称布置的上拨杆旋转中心的距离L0=67.5 mm，车轮横截面长度U=48 mm、宽度W=30 mm,车轮与内卡扣表面接触。基于车轮横截面长度U来确定拨杆悬臂梁长度H，以保证悬臂梁长度足以将车轮卡入，同时考虑闸皮和内卡扣宽度，最后设定悬臂梁长度H=54 mm。基于车轮宽度W来确定夹紧状态时两悬臂梁最小距离Lmin=38 mm，以保证能够夹住车轮。

图3 夹紧机构张开平面示意图

为尽量增加上拨杆的两悬臂梁张开范围，设张开时两悬臂梁夹角α=8°，张开位置最大距离为：

Lmax=L0+2×H×sin4°=75 mm.

(1)

即Lmax=75 mm时完全可以通过任意型号的自行车，故以上假设满足张开的条件。

夹紧机构夹紧平面示意图如图4所示，考虑闸皮宽度和挤压变形，设夹紧时两悬臂梁最小距离Lmin=38 mm，已知上拨杆的悬臂长H=54 mm,可以计算此时两悬臂梁夹角2α′：

图4 夹紧机构夹紧平面示意图

(2)

2.2 夹紧扭簧的设计

如图2所示，夹紧扭簧在车轮上升过程中对其起固定的作用，夹紧扭簧有两个，套在转杆上，一端固连转杆，一端固连转杆下固定架。下拨杆没有对转杆施加扭矩时，转杆在扭簧预紧力的作用下夹紧车轮。原始条件：最小工作扭矩T1=385 N·mm，最大工作扭矩Tn=400 N·mm，工作扭转角Ψ=20°，弹簧类别碳素弹簧钢丝C级，端部结构为外臂扭转，自由角度为120°。

根据要求为Ⅲ类弹簧，选用碳素弹簧钢丝C级，初步假设弹簧直径d=1 mm～2 mm，查弹簧钢丝的抗拉极限强度表，得σb=1 710 MPa～1 960 MPa，取σb=1 800 MPa，根据压缩、拉伸、扭转弹簧材料的许用应力值表[6]，则许用应力：

σBp=0.8σb=0.8×1 800=1 440 MPa.

(3)

为使结构紧凑，根据弹簧直径d暂定旋绕比C=10，曲度系数K1为：

(4)

钢丝的直径d为：

(5)

对照弹簧钢丝的抗拉极限强度表[6]，d=1.4 mm，C级，则σb=1 860 MPa，大于原暂定值，故安全。优先采用第一系列，取中径标准值D=12 mm，则旋绕比C：

(6)

弹簧圈数n：

(7)

其中：E为弹性模量，查表获得[6]。

取标准值n=25，弹簧刚度T′:

(8)

弹簧节距t=d+δ，无特殊要求时钢丝间距取δ=0.5 mm，则t=1.9 mm。

自由长度H0：

H0=nt+d=25×1.9+1.4=48.9 mm.

(9)

螺旋角φ：

(10)

展开长度L：

(11)

经计算本设计方案所需弹簧的技术参数如下：

(1)有效圈数n=25。

(2)旋向为右旋。

(3)展开长度L=943+L0。

(4)硬度45HBC～50HBC。

3 结束语

本文设计了一种新型自行车停车桩，其夹紧机构采用对称拨杆和夹紧扭簧相配合实现停车和取车时对车轮的夹紧与张开，不仅结构简单，而且解决了夹紧不稳定、晃动大的问题，确保了使用者在存取车时停车桩的安全可靠性。对夹紧机构张合角度范围和夹紧扭簧进行了详细设计和理论分析，为自行车停车桩的样机制造提供了理论依据。此夹紧机构为现有自行车停车装置及设施的创新改进提供了新思路。