爱车公寓创新设计与制造

刘婷婷，孙亮波，郜依然，许润昊，严明威，武金亮

爱车公寓创新设计与制造

刘婷婷，孙亮波*，郜依然，许润昊，严明威，武金亮

（武汉轻工大学 机械工程学院，湖北 武汉 430048）

针对现有小区非机动车随意停放、占用人行道、缺少安全规范等问题，设计了一款停放电动车、自行车的立体停车库。针对电动车设计九杆自重夹持机构，同时配备安全充电装置，实现电动车的夹持和充电功能；针对自行车停放设计空间七杆夹持机构，使其稳定停放；针对自行车推送设计双丝杠机构，能推送自行车移动至同层任意停车位。该车库具有使用方便、存取效率高、防火安全性能强、适用地形广的特点，具有良好地应用前景和推广意义。

非机动车车库；自重夹持机构；空间七杆夹持机构；模块化；电动车充电

随着绿色出行理念的深入，越来越多的人将非机动车作为出行工具。共享单车的出现给广大市民的出行带来了极大的便利，可是共享单车的随意停放、占用人行道等问题严重阻塞了小区交通，同时，缺少安全规范的电动车充电装置也成为小区消防的隐患和车主头疼的问题[1-4]。

目前市场上非机动车停车库的类别主要是双层式和圆桶式，如图1所示。双层式非机动车停车库装置结构简单，空间利用率高达85%，制造成本低，但存取自行车全过程需人工操作，不适用于老人小孩等人群，智能化程度低[5]。圆筒式非机动车停车库存取完全自动化，操作简单，同时利用了地下的空间，减少了占地面积，但建造成本较高，改变了地下结构，且一个出入口的设计降低了车库存取效率[6]。

由分析可知，现有非机动车车库存在如下问题：①纯机械式车库需要人工操作，不适合所有人群；②大型车库不适合国内小区环境；③鲜有针对电动车设计的、配备安全充电设备的车库[7]。

1 一体式车库

基于上述分析，本文设计了“爱车公寓”电单车－自行车一体式车库，其具有自动化存取、安全充电、保护防盗等功能。该车库的设计思路如图2所示。

基于该设计思路，针对车辆被盗和损坏等问题，整体采用封闭结构，并上下划分为电单车和自行车两个存取模块，构成立体停车车库。如图3所示。

电动车存取模块中，电动车通过载车板上的自重夹持机构固定，电机作为动力驱动载车板进出，并联动门的开闭，且于车库内部设置定时充电装置。自行车存取模块中，自行车载车板设有夹持机构稳固自行车，通过升降平移装置移动到指定位置后，利用车库内的T型推送台推出或拉回自行车载车板，实现自行车的存取。

图1 市场上非机动车停车库

图2 车库设计思路

图3 整体车库实物图

2 模块功能的设计与实现

2.1 电动车进出充电载车板

电动车存放时，为简化其停放流程和实现自动化存取，采用电机驱动带动同步皮带轮，皮带带动载车板沿滑轨出库。由门板、开门杆，载车板组成的曲柄滑块机构，将电动车载车板与车门联动，实现门开板出的功能。载车板上设计了一种自重式九杆夹持机构，实现了电动车前轮左右夹持。整体如图4所示。

1.电动车；2.载车板；3.前轮载重板；4.充电插座；5.自重夹持机构。

如图5所示，自重夹持机构由一个载重板电动车通过自身重力，产生向下的压力，压下前轮载重板，通过连杆带动夹持板运动。夹持板由直线轴承平滑衔接受力向中间运动，实现夹持功能，载重板下的弹簧为取车提供了复位的动力。该机构活动构件数为9，低副数为13，故自由度为1。

车库同时设有电动车充电功能。小区居民将电动车停放稳固后，将电动车充电插头插至电动车载车板上充电插座位置，当载车板进入后，通过充电插头和充电插座的接合，充电系统连通通电，当充电系统检测到电动车充满电后亮绿灯。在载车板的推出过程中，插口与插口分离，充电系统断电，亮红灯[8-9]。

2.2 电动车自重夹持计算

自重夹持机构是根据电动车前轮尺寸、电动车质量等数据，来满足电动车的稳定停放。如图5（b）所示，机构在点受到向下的外力移动后，和'向中间水平运动，机构中左右夹持板通过杆件运动实现电动车前轮固定。

图5 电动车自重夹持机构

本文采用一维优化方法对机构进行优化设计，通过竞争选择算法找出极值。机构设计变量为：

式中：x、x、x、x为杆、、、的长度，mm。

目标函数为：

分析可知，当目标函数值取到最大，且杆件长度取到极小值时，自行车前轮夹持最稳固。

在机构运动且不超出夹持范围限制的条件下，找出函数约束边界为：

为限制机构的水平方向的工作范围，满足：

|X－X|＜90 （4）

式中：X为点横坐标；X为点横坐标。

为防止夹持板与直线导轨干涉，满足：

30＜|X－X|＜32 （5）

式中：X为点初位置横坐标。

设步数为（＝1,2,3…），有

由式（6）可知，当(n)－(n-1)＜0.1时，停止迭代，可得达到装配精度要求的结果*。

解得：*＝6.173。

此时机构各杆长度如表1所示。

表1 机构各杆长度

为验证机构提供的夹持力，认为在自重夹持机构处于夹持状态时，、两点近似垂直共线。通过计算得到关系式：

将表1数据代入式（7），得：

综合分析上述数据结果，可得出，自重夹持机构能够满足要求，防止电动车摇晃。

2.3 自行车夹持载车板

自行车在升降过程中为稳定停放，自行车载车板上设计了空间连杆机构对自行车进行夹持，如图6（a）所示。

自行车夹持分为限位和夹持两个过程。自行车前轮利用平行四边形结构形状变化，改变了前轮左右空间；自行车后轮则是通过曲柄滑块机构中的限位杆卡住。前后两个机构通过一根球销杆衔接，机构的夹持力由弹簧提供。

此夹持方式操作简单，适用于大多数车型。空间夹持机构在无外力作用下处于夹持状态，当需要存自行车时，借助外力下压限位杆解除夹持状态将车存入。

图6 自行车空间夹持机构

空间连杆机构选取如表2所示尺寸，通过模拟运动分析，此机构符合夹持要求。

表2 自行车夹持各杆长

该机构的空间自由度为：

＝6－55－44－33－22－1（9）

式中：为自由度数量；为总构件数；1～5为1～5级的构件数。

根据文献[10]，计算得：＝1。

2.4 自行车载车板推送系统

如图7所示，自行车载车板推送系统设计了自行车推送模块和平移装置两个部分。平移装置控制推送模块移动到同层任意停车位置，使载车板进出车库[11]。

自行车推送模块中，自行车载车板向外运动通过电机工作带动的丝杠螺母推出车库，向内运动通过电磁铁吸住载车板并使电机反转利用丝杠螺母拖进车库。同步开关门由曲柄滑块机构实现，载车板向外、向内运动时通过滑块传动控制车门的开启和关闭。平移装置为满足精确定位需求，采用丝杠滑台带动整个自行车推送模块左右移动，使其可到达同层任意一个车位处[12]。

此系统通过一套装置控制一层的载车板进出，降低了控制难度并可以独立控制，提升了系统的容错率。同步开门将两个动作通过机械结构相结合，减少了电机数量，降低了车库制造成本。

2.5 自行车升降平移装置

综合考虑车库容量、存（取）车时间、车库所服务的区域环境、车库占地面积、技术难度等因素[13]，自行车的升降平移模块由一个电机垂直升降机、一个水平丝杠滑台和一个可折叠平台组成。此模块可以稳定、精准地将自行车载车板运动到指定的自行车车库位置[14]。

如图8所示，当车库处于闲置状态时，配送台采用电机驱动变为折叠形态，有效节省了空间[15]。

图7 自行车载车板推送系统

图8 升降配送平台

3. 结论

设计的“爱车公寓”电单车－自行车一体式车库具有以下特点：

（1）提供了一款适用于小区的电单车－自行车一体式存取车库。采用封闭式结构，具有防盗、操作便利、存取效率高、结构紧凑、空间利用率高等特点，很好地解决了当前小区内电单车和自行车无序停放、小区停放空间狭窄、电单车充电等问题。结合手机APP研发，可借助互联网更高效地利用存储资源。

（2）多处采用机构创新设计，包括自重式电单车夹持机构、空间七杆机构实现自行车的前后左右夹持固定、基于尺寸优化后的自行车门与载车板的开闭和推出机构、电动车门与载车板的开闭和推出机构，及配送板折叠机构。

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Innovative Design and Manufacturing of Non-motor Vehicle Garage in Residential Areas

LIU Tingting，SUN Liangbo，GAO Yiran，XU Runhao，YAN Mingwei，WU Jinliang

( School of Mechanical Engineering, Wuhan Polytechnic University, Wuhan 430048, China )

Aiming at the problems of improper parking of non-motor vehicles, sidewalk occupancy and lack of safety standards in existing residential areas, a three-dimensional parking garage for electric vehicles and bicycles is designed. A nine-rod self-weight clamping mechanism is designed for the electric vehicles, and a safety charging device is equipped to realize the clamping and charging functions of the electric vehicles; a space seven-rod mechanism is designed for the bicycle parking, so that the bicycle can be stably parked; and a double-screw mechanism is designed for bicycle pushing, so that the bicycle can be pushed to any parking space on the same floor. The garage has the characteristics of convenient use, high access efficiency, strong fire safety performance and wide application terrain, and has good application prospect and popularization significance.

non-motor vehicle garage；self-weight clamping mechanism；spatial seven-bar mechanism；modularization；electric vehicle charging

TM732

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2023.01.007

1006-0316 (2023) 01-0042-06

2022-03-24

国家自然科学基金（51875418）

刘婷婷（2001－），女，重庆人，主要研究方向为机械设计制造及其自动化，E-mail：2653041315@qq.com。*通讯作者：孙亮波（1979－），男，湖北天门人，博士，教授，主要研究方向为机械设计及理论、机械创新设计、机构学，E-mail：4117449@qq.com。