一种全自动通用型立式自行车停放装置的设计

2021-11-22高永祥

机械设计与制造 2021年11期

高永祥

（浙江机电职业技术学院机械技术系，浙江杭州 310053）

1 引言

随着我国现代化建设的发展，城市居民长距离的公共交通已逐步进入地铁轻轨和大公交的时代。自行车具有绿色环保，节约能源，快捷等优点，其一直是国人首选的短途交通工具［1-2］。

在城市人口密集地区，由于自行车的使用频率高、停放量庞大以及停放方式不尽如人意，尤其在地铁站口、商场、学校和医院等人口密集场所，停车难、停车乱、易丢车，甚至占用人行道和机动车道的现象随处可见，既给交通安全带来隐患，同时严重影响了城市治安管理和城市形象［3］。

近年来，为解决城市自行车停放问题，规范自行车停放秩序，提升城市形象，我国出现了种类繁多、形式多样的自行车停放装置。文献［4］中设计了一种纯机械式立式自行车停放装置，该装置主要由固定基桩、收放机构和传动机构组成，自行车竖立停放依靠绳索-滑轮-配重组成的动力机构，利用锁止机构和撞针触发机构实现收放机构的锁止与释放。文献［5］设计了一种由机械执行机构和智能控制系统两大部分组成的智能立式自行车停车装置，实现了自行车的竖直停放与智能识别上锁。文献［6］中设计了一种安装于墙面的悬立式自行车停车架，采用了斜面滚轮和电磁锁分别对自行车进行夹持和锁紧，实现了自行车的竖直停放，提高了自行车的防盗性能。但现有纯机械式自行车停车装置结构复杂，零件较多，停车费时费力，且防盗能力差，停放点盗窃频率高；非纯机械式自行车停放装置自动化程度低，结构复杂，成本高，停车场地适应性差。

根据调研，对现有的自行车停放装置主要从构造、工作原理和空间利用率等方面进行分析，设计一种新型全自动通用型自行车停放装置，该装置将有效解决自行车停车空间占用率高、自动化程度低和盗窃频率高等问题，对全自动自行车停车装置的推广，解决城市自行车停车困难、不规范和提高城市形象有一定的促进作用。

2 自行车停车装置现状与分析

根据自行车停放时车体与地面之间的夹角（立起角度）大小，自行车停放装置分为水平停放的自行车停放装置和立式停放的自行车停放装置两大类［7］。对现有的各类停车装置的工作原理、操作性和空间利用率等进行分析，为全自动通用型立式自行车停放装置的设计提供参考和依据。

2.1 水平停放的自行车停放装置

自行车停车于水平停放的自行车停放装置时，车体与地面平行，立起角度为0°。根据自行车停车时在停放装置上的分布形式，水平停放的自行车停放装置可分为直线形自行车停放装置和圆形自行车停放装置。

2.1.1 直线形自行车停放装置

直线形自行车停放装置是水平停放的自行车停放装置的基本类型，停车单体呈直线形分布于停车装置的一侧，很多其他类型的自行车停放装置都以此为原型进行形式和功能上的改进与优化，如图1所示。

图1 直线形自行车停放装置Fig.1 Linear Parking Device for Bicycle

自行车前轮可沿导向槽运行至夹持机构并被固定，从而实现停车。取车时，自行车前轮退出夹持机构和导向槽即可完成取车。该装置结构简单、成本低、空间适应性好，被广泛应用于狭长空间。但直线形自行车停放装置大多为纯机械式，自动化程度低，且防盗能力差。

2.1.2 圆形自行车停放装置

圆形自行车停放装置的各停车单体以某点为圆心呈辐射状分布，使整个停车装置的外形为圆形。一种停车容量为10辆的圆形自行车停放装置，如图2所示。其停车单体由定位杆4和支杆5组成，且刚性连接于中心支撑板1和底座3。停车时，自行车前轮置于停车单体的两支杆之间，并被推至定位杆位置，依靠两支杆的内侧表面和定位杆的机械锁完成自行车的固定和锁定。该装置结构简单，零件较少，停取车操作简单，但自动化程度低，且停车单体的圆形布局对路面空间的利用率低。

图2 圆形自行车停放装置Fig.2 Circular Parking Device for Bicycle

2.2 直立式停放的自行车停放装置

对于直立式停放的自行车停放装置，自行车车体与地面垂直，立起角度为90°，如图3所示。该装置停车时将自行车前轮沿导向槽推至卡位装置，并带动锁车夹夹住前轮，以卷簧为动力的提升装置将水平状态的自行车提升至竖直状态，使车身与立柱贴合，从而实现自行车的竖直停放［8］。

图3 直立式停放的自行车停放装置Fig.3 Upright Parking Device for Bicycle

该装置以卷簧为动力，节能环保，可轻松安全地实现自行车的竖直停放，且充分利用了竖直空间，占地小，空间利用率高。但该装置为纯机械式，组成和结构复杂，无防盗报警装置。

3 装置总体方案设计

3.1 设计原则

根据对停车装置现状的分析与研究，从实际出发，立式自行车停放装置能有效提高空间利用率并适用于多种路段，必定是将来停车装置的发展趋势。因此，改变了常规的自行车水平停放方式，采用自行车立式停放的实现方式，本着装置停取车操作简单，省时省力，结构简单，成本低，智能化，安全防盗的原则，设计研究一种全自动通用型立式自行车停放装置。

3.2 装置结构组成与功能

全自动通用型立式自行车停放装置由主体结构、夹车装置、提升装置、辅助装置、报警装置和控制系统组成，如图4所示。主体部分作为整个装置的支撑结构，为各分系统提供机械连接，承载装置运行时的工作载荷。停车和取车过程中夹车装置负责夹持自行车前轮并进行固定，并在提升装置的作用下上下移动，从而实现自行车的上升和下降。辅助装置主要是在取车过程中当自行车后轮与地面接触时，辅助其向停车装置外侧退出。报警装置的主要作用是提高装置的防盗性能，降低装置停车盗窃频率。控制系统则是对停车装置的控制信号进行监视、采集和处理，控制各执行装置的动作和运行，保证停车装置的功能实现和停车安全。

图4 自行车停放装置组成Fig.4 Structure of Parking Device for Bicycle

3.3 装置工作原理

3.3.1 停车过程

停车装置运行时，使用者将自行车前轮推入夹车装置，按下控制系统触摸屏上的存车键，夹车装置接受到指令，推杆开始收缩，停车装置和自行车处于如图5（a）所示的水平状态。

当安装于夹车装置推杆末端的光电开关感应到车轮位置时，推杆停止收缩并自锁。随后，夹车装置上端的报警装置机械爪夹住自行车前部轮胎，报警程序运行。接着，安装于主体结构底部的86HB116L4-50KA-B型号步进电机开始正向旋转，通过联轴器带动丝杠旋转，丝杠上的滑块上升。因滑块通过螺栓与夹车装置刚性连接，故夹车装置开始上升离开主体结构下端的光电限位，图5（b）所示。夹车装置上升时，由于自行车前轮固定于夹车装置和报警装置机械爪，车体随夹车装置上升并缓慢旋转。当自行车后轮离开地面时，导轨上滑块到达末端光电感应开关范围内，步进电机停止旋转，上升动作结束，自行车处于直立停放状态，完成车辆的停放，如图5（c）所示。

3.3.2 取车过程

取车时，使用者按下控制系统触摸屏上的取车键。滑块离开上端光电限位开关，步进电机反向旋转，滑块带动夹车装置向下运动，自行车前轮下移。当后轮接触到同步带时，同步带开始运作，车体向后平移。自行车后轮离开同步带后，同步带停止运作。滑块下降到下端光电感应开关范围内，步进电机停止反向旋转，下降停止。随后，报警装置机械爪打开，夹车装置上的推杆升长，直至自行车前轮到达地面。在此过程中，自行车状态由直立状态变为水平状态变，完成取车，如图5所示。

图5 自行车停取过程状态示意图Fig.5 Situations of Bicycle During Parking and Parking Up

3.3.3 防盗报警

报警装置固定于夹车装置上端，当自行车前轮进入夹车装置时，报警装置前端机械爪夹住轮胎，报警装置启动。当装置受到外力强行卸车时，机械爪上的压力传感器发出信号，触发报警系统，发出报警信号。

4 装置机械结构设计

4.1 主体结构设计

主体结构作为装置的主要承力部分，为达到装置结构简单、成本低、重量轻且安全可靠的目的，其设计采用了“骨架+蒙皮”的结构形式，主要材料为铝合金板材和20mm×20mm铝合金型材。

如图6所示，“骨架”由两根梁I、一根梁Ⅱ、顶部安装板、底部框架和背板组成，各部分之间刚性连接。顶部安装板和底部框架分别位于主体结构上端和下端，用以安装丝杠轴承座、停车装置电源和电机安装板，并增强主体结构强度和刚度。两块侧板I和两块侧板Ⅱ则作为“蒙皮”结构，通过8个角板固接于“骨架”上，使装置外观封闭。铝合金板材基座与“骨架”之间螺钉连接，提高装置抗倾倒能力，增强装置工作稳定性。触摸屏安装架则是装置控制系统人机交互界面触摸屏的安装载体。

图6 主体结构示意图Fig.6 Structure of Main Part

4.2 夹车装置设计

如图7所示，夹车装置对自行车采用将前轮半包的方式进行固定。夹车装置主要依靠两根推杆实现夹车功能，推杆由直流电动机提供动力，使推杆伸出长度发生变化，同时使夹车装置获得1000N的拉伸力。两根摇杆分别与车轮定位梁II固接，与夹车装置支架铰接。当推杆在直流电机的驱动下收缩时，车轮定位梁I、车轮定位梁II和车轮定位梁III共同完成对前轮的包络半包和固定。安装底板、滑块和螺母底座作为夹车装置支架与提升装置之间的机械接口，其中滑块可沿提升装置导轨滑动，螺母底座与丝杠螺母连接，从而实现夹车装置沿导轨上下滑动。

图7 夹车装置示意图Fig.7 Fastening Device

由于推杆本身具有自锁功能，使夹车装置对前轮的固定更加安全可靠。同时，在推杆末端设置了限位开关，推杆达到顶点时自动停止，确保电机不会空烧。另外，两推杆之间留有足够的空间，使装置具有一定的容错率，同时在推杆前端装有光电感应开关，通过对车轮大小的感应使得推杆伸出长度得到控制，从而使夹车装置适用于不同尺寸大小的自行车车轮，并具有通用性。

4.3 提升装置设计

由于滚珠丝杠具有传动效率高，摩擦力小，轴线间隙可消除，使用寿命长和可高速进给等优点［9］。同时，丝杠本身具有较高的承载能力，其用于承受较大的自行车车体重量，上升运动相对其他机构更为平缓稳定。因此，提升装置采用了直线滚珠丝杠模组来实现自行车的提升，如图8所示。

图8 提升装置示意图Fig.8 Lifting Device

丝杠由24V 同步电动机提供动力，轴承座、导轨I，II 和同步电机安装于主体结构。装置工作时电机动力通过联轴器驱动丝杠旋转，使丝杠螺母上升或下降，从而带动夹车装置运动。根据机械设计相关标准对同步电机、联轴器、轴承和丝杆进行选型，并对丝杠、联轴器和轴承的工作能力进行校核［10］。由于篇幅有限，此处不再详细阐述选型和校核过程。

4.4 辅助装置设计

由于装置对自行车采用了立式停放的方式，使自行车在装置上完全悬空，并与地面形成近90°夹角，导致自行车下降时会与地面抵住。因此，需要一个辅助装置产生向后的推力使自行车后轮向装置外侧移动，保证自行车顺利退出。由于同步带传动无滑动现象，传动效率高，张紧力小，结构紧凑，因此本文将其应用于辅助装置［10］，如图9所示。辅助装置由支架、电动机、大小带轮、同步带和传送带组成，电动机和大带轮安装于支架。装置工作时，电动机动力经同步带传动，驱动传送带沿装置外侧运动，以辅助完成自行车的取车过程。

图9 辅助装置示意图Fig.9 Auxiliary Device

4.5 报警装置设计

报警装置是提高立式停车装置防盗性能的重要装置，其采用了“卷筒—钢丝绳”的挠性传动方式，结构和组成，如图10 所示。报警装置由钢丝绳及其紧定螺钉、铰链总成、爪I和爪II组成，铰链总成与夹车装置车轮定位梁III连接，爪I和爪II可绕铰链总成转动，且两爪端部均设置有压力传感器。停车时，卷轮由电动机的正向转动驱动，钢丝绳长度变短，带动爪I和爪II绕铰链总成相向转动，从而实现对自行车前轮轮胎的夹持，且压力传感器监测的压力值使报警装置激活。当装置受到外力强行卸车时，爪I和爪II的压力传感器监测的压力值超出设置范围，从而触发报警系统，发出报警信号。

图10 报警装置示意图Fig.10 Warning Device

5 控制系统设计

控制系统是全自动自行车立式停放装置完成停车和取车过程的核心部分，由三菱PLC 可编程控制器FX3U-64MT/ESA、伺服控制模块C200HW-NC113、工业触摸屏GT1020、光电传感器、限位开关、压力传感器和报警器等组成，控制系统框图如图11所示。

图11 控制系统框图Fig.11 Block Diagram of Control System

三菱PLC可编程控制器与伺服控制模块、光电开关、压力传感器、限位开关和触摸屏连接，是自行车立式停车装置的控制核心，可通过PLC编程，接收和处理停车和取车过程中传感器采集输入的位置、转速、压力等信号，实现装置的集成式控制和智能化。伺服控制模块负责对伺服电机I、伺服电机II、伺服电机III和推杆进行控制，使提升装置上下移动，夹车装置推杆长度变化，辅助装置同步带向外运动和停止，报警装置机械爪夹紧和放松。PLC控制器的部分指令如表1所示，整个停取车过程分为121步完成。

表1 部分PLC指令表Tab.1 PLC Orders

6 装置样机与调试

根据机械结构和控制系统设计方案，对该全自动立式自行车停放装置零部件进行详细设计、工程图拟制与加工，并完成装置的组装与调试，装置实物［11］，如图12所示。

图12 全自动直立式自行车停放装置实物图Fig.12 Picture of Automatic Upright Parking Device for Bicycle

为验证设计方案的可行性和实用性，以及停车装置的功能、性能、工作稳定性和可靠性，对该装置的停取车过程和防盗报警等进行了实际测试，测试结果表明：

（1）该装置和自行车的地面接触面积总和约0.1848m2，考虑到自行车车把的影响，装置间距0.4m合适，基本功能单元的占地面积为0.52 m2，相比常规垂直式停放占地面积（2.25 m2）减少了1.73 m2，节约占地面积约70%，装置空间利用率高。装置适用于建筑密度大，公用面积小的社区、商场、校园和其他公共场所。

（2）该装置高效地完成了不同规格尺寸自行车的停取车过程，通用性好。同时，装置人机交互界面美学完整性和一致性好，停取车过程操作简单，无需人为干预，省时省力，方便快捷，自动化程度高。当自行车受到强力拖拽时，报警装置发出警报，装置防盗性能好。

（3）由于该装置结构简单，组装、维修和故障排查方便，因此可将其作为基本功能单元集成于大型自行车停车库。