劉 旭， 伏夢杰， 袁 濤， 朱學超

(蘇州市職業(yè)大學 機電工程學院，江蘇 蘇州 215104)

0 引 言

減少交通工具氣體排放量成為當今社會綠色環(huán)保的主題之一，為此，各國大力倡導使用自行車作為短途出行的交通工具[1-5]。然而，隨著自行車使用量的增加卻給城市管理帶來了一系列問題，尤其是城市老舊小區(qū)停車資源緊缺，存在停放空間狹小、自行車亂停亂放等問題，影響市容市貌，給百姓生活和交通管制帶來極大不便。自行車停放帶來的問題越來越受到人們的關注[6]。目前市場上的自行車存取裝置主要有欄桿式和機械式兩種，普遍存在空間利用率低、自動化程度低、不易移動等問題[7-9]。

近年來，自行車使用數(shù)量急劇增加，無論是家用自行車還是共享單車都呈現(xiàn)井噴狀態(tài)。交通部的數(shù)據(jù)顯示，截至2017年底，有77家共享單車企業(yè)先后進入市場，累計投放單車2 300萬輛，注冊用戶達到4億人次，累計服務170億人次，日最高使用量達到7 000萬次，自行車為綠色出行和解決最后1 km發(fā)揮了積極作用[10-12]。自行車存取裝置發(fā)展至今已有30～40年歷史，國外發(fā)展較早，大多由政府提供支持，其技術也比較成熟，已經(jīng)具備可靠的傳動系統(tǒng)和先進的固定結構。目前日本、德國、荷蘭、西班牙等國使用較多的是一種地下圓柱形停車庫，這種裝置儲存量大，存取車方便[13-15]。但由于這種裝置設在地下，施工量非常大，結構也比較復雜，造價十分昂貴，很難推廣使用?；诖?，文中所設計的立式可旋轉自行車存取裝置通過提升機構將自行車豎立沿圓周擺放，配合底座旋轉，實現(xiàn)自行車自動化存取，大大提高空間利用率、縮短存取時間。

1 自行車存取裝置整體設計

立式可旋轉自行車存取裝置主要由舉升裝置1、圓柱形固定架2、液晶顯示屏3、旋轉底座4、伺服系統(tǒng)5組成,如圖1所示,能同時容納8輛自行車的同時存儲。停車時，在觸摸屏上按下停車鍵，控制系統(tǒng)發(fā)出信號，內(nèi)圈接近開關和轉盤中間觸點控制伺服電機旋轉，將沒有自行車的舉升裝置轉動至存取口處。操作者將自行車推進舉升裝置下的托架并碰撞配重開關，配重彈簧收縮，拉繩拉著滑塊上升將自行車提升至豎立，與此同時滑塊后的小時針遠離底座的接近開關，接近開關發(fā)出信號給系統(tǒng)；延時5 s后系統(tǒng)控制底座旋轉將自行車存入，當?shù)鬃馊咏_關和轉盤觸點在同一水平線上時底座停止旋轉，存車完成。同樣在取車時，在觸摸屏上按下取車鍵，控制系統(tǒng)將有自行車的舉升裝置旋轉到取車口處，取車人輕拉后座，利用自行車自重和拉力使彈簧拉伸，自行車前輪著地，配重開關復位，接近開關復位，取車完成。

1.1 舉升裝置

自行車舉升裝置是自行車停放和豎立的核心部分，如圖2所示，由提升機構、托架機構、舉升支架組成，提升機構1是動力來源，可以將自行車提升至豎立狀態(tài)；托架機構2用來固定自行車前輪，確保自行車成豎立狀態(tài)時自行車不會掉落；舉升支架3用來安裝定位機構和原件。

(1) 提升機構如圖3所示，主要由機械滑輪、拉繩、導桿、配重彈簧組成，機械滑輪1固定在導桿頂部，升降自行車時滑輪轉動，起動力傳遞作用；拉繩2纏繞在機械滑輪上，拉繩一端連著配重彈簧一端連著滑塊在自行車升降過程中起連接作用；導桿3整體呈圓柱狀，可供滑塊滑動；配重彈簧4固定在機構底部，是舉升裝置的動力來源，利用配重彈簧可實現(xiàn)自行車升降無能耗。

圖2 舉升裝置

圖3 提升機構

(2) 舉升支架如圖4所示，主要由限位孔1、滑行槽2、滑塊卡扣3組成；限位孔1可限制自行車上升的行程；滑行槽2是供托架機構升降來實現(xiàn)自行車提升和下降功能；滑塊卡扣3呈楔形可以將托架機構鎖住。

圖4 舉升支架

(3) 托架機構如圖5所示，主要由滑塊架1、配重彈簧開關2、托架3、滑塊4、小時針5組成，配重彈簧開關2呈斜楔形，停車時自行車前輪通過觸碰該結構，壓下舉升支架中的滑塊卡扣，滑塊在彈簧的拉力作用下沿著導桿上升，直至碰到限位孔；托架3的作用是自行車豎立時固定自行車前輪防止自行車滑落；滑塊4設置有兩圓孔可在導桿上滑動；小時針5是接近開關的信號源起信號傳遞作用。

圖5 托架機構

1.2 旋轉底座

旋轉底座如圖6所示，主要由轉盤、牛眼輪、接近開關、齒輪、伺服電機、底座組成，底座整體形狀為圓環(huán)形，轉盤1通過自身旋轉來帶動轉盤上的自行車旋轉完成自動化存取車；牛眼輪2通過螺栓固定在轉盤下方，轉盤下方均布16個牛眼輪將轉盤與底座之間滑動摩擦轉變滾動摩擦以減小伺服電機驅(qū)動力；接近開關3分布在底座外圈和內(nèi)圈上，外圈和內(nèi)圈各有8個接近開關，底座中間有一個轉盤觸點，外圈8個接近開關和轉盤觸點控制底座旋轉角度；內(nèi)圈8個接近開關感應自行車是否停好和舉升裝置上是否有車；齒輪4通過銷固定在伺服電機上，通過齒輪傳動帶動底座旋轉，伺服電機5是整個旋轉底座的動力來源。

圖6 旋轉底座

1.3 控制系統(tǒng)

立式可旋轉自行車存取裝置的自動控制系統(tǒng)由PLC控制系統(tǒng)和伺服驅(qū)動系統(tǒng)組成，以三菱 FX3u-8MR/ES 為主控制器，采用接近開關傳感器作為控制信號，通過 PLC 控制伺服電機的動作，調(diào)整電機轉速及轉向，其控制程序流程見圖7。設備開機后，程序初始化使各功能模塊處于初始位置，然后再啟動程序，讓各動作單元完成相應的動作。當按下取車按鈕，系統(tǒng)自動判斷位于存取口的車位是否有車，若有車則可以直接取車；若存取口車位無車，系統(tǒng)將發(fā)出信號將有車的車位旋轉至存取口處；取車完成后設備計數(shù)器-1。按下存車按鈕，系統(tǒng)自動判斷位于存取口的車位是否有車，若無車則可以直接存車；若存取車位有車，系統(tǒng)將發(fā)出信號將無車的車位旋轉至存取口處；存車完成后設備計數(shù)器+1。控制系統(tǒng)由開關電源、液晶顯示觸摸屏、RS-232通信線、PLC主機、電感式接近開關、中間繼電器、電機控制板、伺服電機等元器件組成，其電路圖如圖8所示，人機界面如圖9所示。

圖7 控制程序流程圖

圖8 控制系統(tǒng)電路圖

圖9 人機界面圖

2 舉升裝置相關計算

2.1 力學分析

所設計的立式可旋轉自行車存取裝置在實際使用過程中，需要承受自行車重力載荷的作用，有必要對其進行強度和剛度分析，確保所設計的裝置在自行車重力載荷作用下的應力場和應變場分布在合理的范圍的，從而實現(xiàn)安全可靠地工作。根據(jù)裝置的受力特征，圓盤上均布的8個自行車舉升裝置是相互獨立的，因此只需要選取其中一個進行分析即可。下面使用有限元分析軟件ANSYS對支撐系統(tǒng)進行有限元分析計算，得出舉升裝置的應力場和應變場分布。使用ANSYS軟件建立自行車舉升裝置的有限元模型，如圖10所示。

1-托架機構，2-滑塊，3-導桿，4-后蓋，5-側面，6-底面

舉升裝置在承受自行車重力載荷時，主要的支撐部件是托架機構、滑塊以及導桿。在有限元模型中，單元采用三維四節(jié)點四面體單元solid45，選用材料為45鋼，其密度為7 800 kg/m3，彈性模量為209 GPa，泊松比為0.267。

自行車直接安放在托架機構，目前市場上常有自行車的質(zhì)量約在10～17 kg，所以在有限元模型的托架機構上施加200 N作用力，基本可滿足市場上常用自行車的重量載荷要求。底座的下表面采用固定約束，如圖11所示。

圖11 自行車支撐系統(tǒng)邊界條件

通過有限元計算后，可得出自行車舉升裝置的應力場分布，如圖12所示。從圖12可看出，最大應力出現(xiàn)在托架機構上，為68.7 MPa，遠小于45鋼的強度極限600 MPa，托架結構滿足強度要求。

圖12 自行車支撐系統(tǒng)應力場分布圖

自行車舉升裝置的應變場分布如圖13所示。從圖中可看出，最大應變出現(xiàn)在支撐架和導桿上，為0.174 mm，變形基本在功能允許的范圍內(nèi)。

圖13 自行車舉升裝置應變場分布圖

從以上分析可以看出，所設計的自行車舉升裝置滿足強度和剛度要求。

2.2 配重彈簧選型

配重彈簧是舉升裝置的動力來源，也是舉升裝置的核心部分，配重彈簧的選型需要考慮所提升自行車的重力。目前市場上常見自行車的質(zhì)量14～17 kg，選用的彈簧尺寸：長度200 mm，最大直徑12 mm，彈簧線徑1.2 mm，每圈距離5 mm，有效拉伸距離120 mm，取車時需要施加的拉力為：

F=fGd4/(8nD3)=(200-120)×

71 000×1.24/(8×200/5×103)=30.6 N

式中:f為變形量,mm;G為材料的切變模量,MPa(不銹鋼71 000);d為鋼絲直徑,mm;n為彈簧有效圈數(shù);D彈簧中徑,mm。經(jīng)過反復試驗，以上彈簧性能以及省力程度均能滿足使用要求。

所設計的立式可旋轉自行車存取裝置創(chuàng)新點在于：

(1) 自行車豎立擺放，大大節(jié)約空間，與傳統(tǒng)平鋪式擺放占地面積節(jié)約了近40%(見圖14(a)、(b)，同樣存儲8輛自行車占地面積情況)。

(a) 傳統(tǒng)平鋪式擺放

(2) 利用機械滑輪原理和配重彈簧機構，實現(xiàn)存取裝置的升降無能耗，環(huán)保。

(3) 結構簡單，容易拆裝、維護，方便運輸，而且可以自行組裝(可以實現(xiàn)三聯(lián)裝，或者四聯(lián)裝，以實際空間區(qū)域為準)。

(4) 配合電力驅(qū)動，可實現(xiàn)自動化存取，存取時間短。

(5) 頂部可安裝太陽能板實現(xiàn)電力自給，并且通過手機二維碼實現(xiàn)自動化存取車。

3 結 語

本文所設計的立式可旋轉自行車存取裝置能同時容納8輛自行車的同時存儲，實物樣機如圖15所示，在后期的安裝使用中，底座與地面齊平，存取車更加方便快捷。經(jīng)多次試驗，實驗表明該裝置可大大節(jié)約占地面積；采用PLC程序控制，自動化程度高，一次存取車最快只需要5 s，大大提高存取效率。

目前該項技術已經(jīng)申請國家發(fā)明專利和實用新型專利，專利(ZL201810194445.6,ZL201820324935.9),可用于住宅小區(qū)、地鐵口、商業(yè)街等自行車用量大的地方，具有廣闊的市場前景和推廣價值。