賴志洋，劉璐，張茜

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家居多用式雜物及自行車存放裝置

賴志洋，劉璐，張茜

（武漢理工大學機電工程學院，湖北 武漢 430070）

針對目前家居存放物品空間不足、部分空間利用率低等問題，設計了一款家居多用式雜物及自行車存放裝置，該裝置通過對齒輪機構的合理運用、配合，對傳動比的合理設計，考慮到使用群體和使用地點，巧妙利用繩索進行傳動，使裝置更加便捷、省力，實現(xiàn)了物品的輕松存放和置頂。同時，充分利用了儲存間、陽臺、私人車庫等空余的頂部空間，減少了雜物的占用空間，解決了自行車停放空間不足以及亂停放的問題。通過軟件仿真證明了本裝置具有合理性、可行性，具有廣泛的應用前景。

自行車；置頂存放；機械結構；電梯

1 項目背景

目前，隨著房價的不斷增加，城市房屋空間可謂是“寸土寸金”，每一塊空間都十分寶貴。一般的家庭都會有一個儲物間用于存放家中雜物，但往往儲物間的空間不大，無法存放過多的物品。通常情況下，當雜物太多但儲物間空間不夠時，住戶只能使用縱向空間，但縱向空間往往因其房屋結構設計而不容易被利用，特別是頂部經(jīng)常存在較大空間無法被利用，往往因為頂部空間的空余而導致空間利用率不足，因此，儲存空間不足問題也困擾著廣大住戶。

同時，隨著城市的車輛越來越多，用戶對停車位的需求逐漸增大，如今住戶經(jīng)常反映會感到街道變得擁擠，一些住戶因為沒有空間停放，而且出于物品安全性的原因將自行車停放在家中，消除露天停車被盜的風險，但對于高層住戶，將自行車停放于家中會面臨自行車上高樓的問題，即使有電梯的運送，也會帶來一些不必要的麻煩。部分條件較好的住戶也會把自行車停放至私人車庫，但是調(diào)查顯示，目前絕大多數(shù)的車庫只能停放一輛轎車，直接導致車庫的空間利用率不高。

基于上述問題，我們設計了“家居多用式雜物及自行車存放裝置”，使得有限的儲存空間能夠高效利用，實現(xiàn)了將雜物的置頂存放以及自行車和小轎車同時停放的功能，節(jié)省了家居物品儲存空間，將家中以及車庫中的頂部空間最大化利用。

2 系統(tǒng)設計

2.1 系統(tǒng)整體組成及操作流程

該多用式物品存放裝置由純機械結構組成，其分為三大模塊：動力模塊，聯(lián)動模塊和存儲固定模塊。將三個模塊相結合，通過簡單的拉和抬動作，完成取物品和存物品的過程。同時，底部設置可伸縮托槽，托槽折疊時用于放置自行車，充分利用車庫的存儲空間，托槽拉伸時，如圖1所示，可用于放置較大的雜物，提高家中存儲物品的空間利用率。整個裝置操作簡單，可適應家中車庫、儲存間、陽臺等多種家居場所。

圖1 裝置整體圖

根據(jù)總體設計要求，本裝置主要實現(xiàn)自行車以及較大雜物的存放功能，便捷、省力而高效。裝置的使用流程分為存物品和取物品過程，互為逆過程，通過各模塊配合，用戶可以在兩步操作內(nèi)完成取物品或存物品的動作。存物品時，首先將物品固定在儲存模塊上，輕拉握把解除裝置自鎖，按照裝置固定的運動軌跡推至水平狀態(tài)，實現(xiàn)置頂存放。取物品時，輕拉握把使裝置越過平衡點，裝置進入自鎖狀態(tài)，此時，可解除固定裝置，將物品取出來。

2.2 機械部分設計

2.2.1 動力模塊

動力模塊主要由拉伸氣彈簧、壓縮氣彈簧、支撐桿組成，其主要功能是為整體裝置提供主動力。本裝置為純機械裝置，相較于普通彈簧其有著很大的優(yōu)勢：速度相對緩慢、動態(tài)力變化不大氣、容易控制。但其體積相對較大、壽命較短。氣彈簧具有較為平緩的彈性曲線，這一特性可為裝置提供恒定的動力。

利用氣彈簧上述特性，設計了裝置的動力機構，兩氣彈簧一端鉸接在機架上，另一端鉸接在支撐桿上，支撐桿繞心軸轉動。在運動的過程中，由于氣彈簧一端位置的改變，其施力的方向也隨之改變，施加在主軸的總力矩方向改變，通過限位塊配合作用，在力矩由正變?yōu)樨摵陀韶撟優(yōu)檎龝r，機構均進入自鎖狀態(tài)。

取物品時，從把手施力使支撐桿運動，支撐桿與水平線的夾角逐漸增大，待此夾角大于一定角度時，氣彈簧產(chǎn)生的力矩小于等于載荷力矩，機構開始按預定軌跡運動，角度進一步增大，氣彈簧產(chǎn)生的力矩變?yōu)榉聪蜃枇?，機構達到自鎖狀態(tài)。

存物品時，從底部施加向外的拉力，連桿運動軌跡相反，此時，支撐桿與固定桿間的夾角逐漸減小，當角度減小至自鎖位置后，機構便可按照預定軌跡運動，無需人力控制，操作方便、簡單、省力。

最終動力模塊達到提升助力、存取自鎖的效果。

2.2.2 聯(lián)動模塊

聯(lián)動模塊由齒輪齒條、帶輪、同步帶、伸縮套桿、滑塊和定長桿等組成。

聯(lián)動模塊的主要功能是將主干的轉動與裝置的平移進行復合，使存放物品按照預定且唯一的軌跡提升，避開下方擺放的物品，安全存取。

運動過程中，推動或拉動支撐桿時，主動齒輪在齒條的作用下轉動，帶動主動帶輪，主動帶輪和從動帶輪與另外一套主動帶輪和從動帶輪之間1∶1傳動，從而帶動從動齒輪，由于主動齒輪與從動齒輪的模數(shù)相同，齒數(shù)比為4∶3，從而使兩齒輪的位移比為4∶3，在固定桿、滑塊和伸縮套桿的共同作用下，使主桿的運動軌跡固定，使本裝置可以避免在用戶存取物品時碰到下方存放的物品或車輛。最終聯(lián)動模塊實現(xiàn)了確定軌跡、安全存取的效果。

2.2.3 儲存固定模塊

存儲固定模塊主要由夾持塊、夾緊棒、固定棒、可伸縮托槽、帶網(wǎng)孔底盤等組成。

存儲固定模塊的功能為固定和存放雜物及自行車，保證物品在存取過程中的安全。

用戶需要放置自行車時，將托槽置于折疊狀態(tài)，車輪放置于托槽中，夾持塊上附有固定棒和夾緊棒，固定棒限制車座的5個自由度，夾緊棒上設有彈簧，固定車座最后一個自由度，夾持塊可在主干上滑動調(diào)節(jié)位置，以適應不同高度的自行車；托槽主要用于承載自行車的質(zhì)量。當可伸縮托槽處于拉伸狀態(tài)，可存放的空間增大，此時托槽可用于存放較大型的雜物，將物品放置于托槽中，緩慢將裝置推向頂部存放，設置的帶網(wǎng)孔底板用于裝置置頂時承載雜物，同時，使得物品在頂部存放時可視化，為用戶取用物品時提供便利。

最終存儲固定模塊達到存放多類型雜物以及適應并固定不同尺寸自行車的效果。

3 可行性分析

部分重要零件機械結構強度仿真分析如下。

3.1 主桿強度仿真分析

為了確保主桿有足夠的強度和剛度來抬升物品，使裝置能夠安全、可靠運行，本項目組使用ANSYS軟件對主桿進行靜力學分析。

把本裝置的模型導入到ANSYS的環(huán)境中，添加結構靜力學類型，選取單元類型為Solid186，添加彈性模量EX為7.0×1011Pa，泊松比PRXY為0.3，密度Density為2.7×103kg/m3的硬質(zhì)鋁合金材料，然后進行網(wǎng)格劃分，對相應部位施加相應的載荷并進行求解，得到了主桿的等效應力云圖。由主桿的等效應力云圖可知，主桿的最大應力為33.158 MPa，應力主要集中在的主桿與架子的連接孔處，與本裝置選用的材質(zhì)進行比較，滿足設計設計要求。

3.2 主軸強度分析

為了確保裝置能夠安全可靠地運行，主軸必須要有足夠的強度和剛度來抬升所存放的物品，為此本項目組使用ANSYS軟件對主軸進行靜力學分析。

把本裝置的模型導入到ANSYS的環(huán)境中，添加結構靜力學類型，選取單元類型為Solid186，添加彈性模量EX為7.0×1011Pa，泊松比PRXY為0.3，密度Density為.7×103kg/m3的硬質(zhì)鋁合金材料，然后進行網(wǎng)格劃分，對相應部位施加相應的載荷并進行求解，得到了主軸的等效應力云圖。

由主桿的等效應力云圖可知，在載荷的作用下，主軸的最大應力為8.821 5 MPa，應力主要集中在的主軸與主桿的連接面處，與本裝置選用的材質(zhì)進行比較，滿足設計要求。

通過軟件仿真我們可以得知裝置的各方面強度是滿足設計要求的，本裝置能夠在存放不同物品的時候保持較高的穩(wěn)定性和安全性，在選材和設計方面具有較高的可行性。

4 結束語

隨著房屋價格的提高，家中可利用的存儲空間變得非常珍貴，在房屋內(nèi)往往對頂部結構設計有一定的要求，這就導致部分的頂部空間無法被利用，而本裝置頂部固定結構較為簡單，能夠較好地適應室內(nèi)頂部空間，可以結合房屋在設計和裝修的過程中直接安裝，對儲物間、陽臺等區(qū)域在頂部無法使用的空間充分利用，儲存雜物。同時，現(xiàn)在私人車庫普遍存在，車庫的需求也越來越多，可以直接在車庫頂部安裝本裝置，存在頂部雜物及自行車，有效解決自行車停放混亂、道路擁擠等問題。

本作品在不對原有使用場合結構進行改造的前提下，實現(xiàn)了頂部空間和底部空間同時儲存的功能，且頂部的物品存、取不會影響到底部物品的存放，使用方便，充分利用了頂部空間，市場前景廣闊。

2095－6835（2019）03－0076－02

U491.71

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.03.076

〔編輯：張思楠〕