曹宇， 陳江進(jìn)

(荊州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，湖北荊州434000)

0 引 言

自行車(chē)已被國(guó)內(nèi)外看作是發(fā)展低碳交通的重要方式之一，也是未來(lái)城市的發(fā)展方向，在環(huán)保、便捷出行、緩解交通壓力、健身等方面可起到積極作用。中國(guó)是一個(gè)自行車(chē)王國(guó)，擁有自行車(chē)的人很多，截至2018年中國(guó)自行車(chē)產(chǎn)量為4038.04萬(wàn)輛[1-4]。

目前市面上的自行車(chē)停車(chē)架結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高、占地面積大，所以國(guó)內(nèi)大多數(shù)小區(qū)的自行車(chē)都停放在車(chē)棚、樓道或是通過(guò)電梯將車(chē)輛停放至家中，從而導(dǎo)致樓道隨處可見(jiàn)亂停的車(chē)輛[5-7]、人車(chē)混乘電梯、停車(chē)難找車(chē)位，取車(chē)時(shí)又難找到車(chē)。針對(duì)上述問(wèn)題，設(shè)計(jì)一種自行車(chē)旋轉(zhuǎn)停車(chē)架，向上向下立體空間停放，這樣一方面可以大大減少占地面積；另一方面停車(chē)架始終與地面齊平，可從兩側(cè)存取自行車(chē)，操作安全、平穩(wěn)、便捷，老舊小區(qū)使用此停車(chē)裝置后，一車(chē)一位停放整齊，減小了占地面積、改善了樓道停車(chē)及車(chē)輛進(jìn)電梯的現(xiàn)象，不僅自行車(chē)停放得到有效管理，也使得小區(qū)環(huán)境整體提升，更是對(duì)城市美化建設(shè)的一種貢獻(xiàn)，為創(chuàng)建環(huán)保社會(huì)做貢獻(xiàn)。

1 整體結(jié)構(gòu)和工作過(guò)程

1.1 整體結(jié)構(gòu)

圖1 自行車(chē)旋轉(zhuǎn)停車(chē)架結(jié)構(gòu)示意圖

自行車(chē)旋轉(zhuǎn)停車(chē)架由旋轉(zhuǎn)裝置、固定裝置、傳動(dòng)裝置及支撐裝置組成（見(jiàn)圖1）：1）旋轉(zhuǎn)裝置由停車(chē)板、中心轉(zhuǎn)軸和深溝球軸承組成；2）固定裝置由含多定位孔的固定 槽、前輪卡槽及定位銷(xiāo)組成；3）傳動(dòng)裝置由轉(zhuǎn)動(dòng)手輪、蝸輪蝸桿減速器組成；4）支撐裝置由安裝支架、軸承座組成。蝸輪蝸桿減速器的傳動(dòng)方式屬于蝸桿傳動(dòng)，蝸桿傳動(dòng)又相當(dāng)于螺旋傳動(dòng)，正是由于這樣的傳動(dòng)方式，當(dāng)蝸輪蝸桿達(dá)到一定的減速比，同時(shí)蝸桿的導(dǎo)程角小于嚙合輪齒間的當(dāng)量摩擦角時(shí)，機(jī)構(gòu)具有自鎖性[8]，可實(shí)現(xiàn)反向自鎖，即只能由蝸桿帶動(dòng)蝸輪，而不能由蝸輪帶動(dòng)蝸桿。利用蝸桿傳動(dòng)的這一特性，使我們能安全、平穩(wěn)、便捷、省力地將自行車(chē)固定在旋轉(zhuǎn)架的固定槽內(nèi)或是將自行車(chē)從旋轉(zhuǎn)架的固定槽內(nèi)取出。采用高低錯(cuò)位式停車(chē)法，可減少單輛自行車(chē)的占地面積，大大減少對(duì)小區(qū)空間的占用。同時(shí)，采用埋地停車(chē)裝置，地下設(shè)置矩形溝槽，避免破壞老舊小區(qū)的已有環(huán)境[9]。

1.2 工作過(guò)程

當(dāng)使用者在停放自行車(chē)時(shí)，施加作用力于轉(zhuǎn)動(dòng)手輪，使停車(chē)板轉(zhuǎn)動(dòng)至與地面平齊，然后將所需存放的自行車(chē)推入固定槽（固定槽包括交替設(shè)置的第一固定子槽和第二固定子槽），使自行車(chē)前輪卡入前輪卡槽中，最后將前后定位銷(xiāo)插入到合適的定位孔內(nèi)，即完成自行車(chē)的停放。

當(dāng)使用者在取用自行車(chē)時(shí)，將所取的自行車(chē)通過(guò)手輪搖動(dòng)至與地面齊平，接著拔出前后定位銷(xiāo)，最后將自行車(chē)沿固定槽推出，即完成自行車(chē)取用。

2 詳細(xì)設(shè)計(jì)方案

2.1 旋轉(zhuǎn)裝置

旋轉(zhuǎn)裝置包括中心轉(zhuǎn)軸、與中心轉(zhuǎn)軸連接的多個(gè)停車(chē)板及深溝球軸承，任一停車(chē)板相對(duì)的兩個(gè)表面設(shè)有多個(gè)用于固定自行車(chē)的固定裝置，使用者將停車(chē)板旋轉(zhuǎn)至合適的位置，然后將自行車(chē)固定在停車(chē)板的表面。由于自行車(chē)停車(chē)架設(shè)置有多個(gè)停車(chē)板，且停車(chē)板的兩個(gè)表面都設(shè)置有多個(gè)固定裝置，所以每一個(gè)自行車(chē)旋轉(zhuǎn)停車(chē)架可以停放較多的自行車(chē)。相對(duì)于將自行車(chē)直接停放在地面，本設(shè)計(jì)可以充分利用三維空間，在使用同樣的占地面積的情況下，停放數(shù)量較多的自行車(chē)，極大地提高空間的利用率。

顯然設(shè)置越多的停車(chē)板，能夠停放的自行車(chē)數(shù)量越多。在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)需要可設(shè)置2個(gè)、3個(gè)或者4個(gè)以上的停車(chē)板。不過(guò)，自行車(chē)停放需占用一定的空間，多輛自行車(chē)停放會(huì)發(fā)生相互干涉。同時(shí)，采用停車(chē)板的數(shù)量越多，對(duì)中心轉(zhuǎn)軸及安裝支架的力學(xué)強(qiáng)度要求也越高。經(jīng)過(guò)反復(fù)研究、計(jì)算和實(shí)驗(yàn)得出：采用4個(gè)停車(chē)板，不僅可使自行車(chē)的停放數(shù)量和占用空間達(dá)到更好的配比，實(shí)現(xiàn)更高的配置率，而且對(duì)中心轉(zhuǎn)軸和安裝支架的力學(xué)強(qiáng)度沒(méi)有過(guò)高的要求，且易于生產(chǎn)、制造。此外，使任一夾角為90°設(shè)置，即4個(gè)停車(chē)板沿中心轉(zhuǎn)軸的外周均勻排布，停車(chē)空間均勻分布，使自行車(chē)的停放數(shù)量和占用空間達(dá)到最佳配比。

2.2 固定裝置

固定裝置包括含多定位孔的固定槽、前輪卡槽及定位銷(xiāo)，固定槽設(shè)置于停車(chē)板的表面，且沿背離中心轉(zhuǎn)軸的方向延伸設(shè)置，固定槽由兩個(gè)相對(duì)的固定板設(shè)于停車(chē)板表面形成，定位孔設(shè)置于固定板上。固定板沿長(zhǎng)度方向的側(cè)壁設(shè)有多個(gè)供固定件穿過(guò)的定位孔，使用者根據(jù)不同大小規(guī)格的自行車(chē)，選擇不同間距的定位孔，從而將自行車(chē)的前后輪分別固定，保證自行車(chē)的穩(wěn)固停放。

在本設(shè)計(jì)中，采用定位銷(xiāo)穿過(guò)定位孔及自行車(chē)車(chē)輪，以固定自行車(chē)輪，由于定位銷(xiāo)平行于旋轉(zhuǎn)軸線安裝，故在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中并不會(huì)脫落，且定位銷(xiāo)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便。此外，還可將定位銷(xiāo)換為U形鎖。

固定裝置中的前輪卡槽設(shè)于固定槽靠近轉(zhuǎn)軸的一端，并與固定板連接。前輪卡槽設(shè)有供自行車(chē)的車(chē)輪部分穿過(guò)的開(kāi)口，在停車(chē)板轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，自行車(chē)車(chē)頭會(huì)發(fā)生晃動(dòng)，通過(guò)設(shè)置前輪卡槽，使自行車(chē)的車(chē)輪部分穿過(guò)前輪卡槽的開(kāi)口，前輪卡槽固定自行車(chē)的車(chē)頭，使得自行車(chē)停放更加安全。

固定槽包括交替設(shè)置的第一固定子槽和第二固定子槽，第一固定子槽的槽底貼合停車(chē)板的表面設(shè)置，第二固定子槽的槽底靠近中心轉(zhuǎn)軸的一端相對(duì)于停車(chē)板的表面向上翹起。自行車(chē)在停放后，自行車(chē)頭于上下方向錯(cuò)開(kāi)，不會(huì)發(fā)生干涉，提高空間利用率。

2.3 傳動(dòng)裝置

傳動(dòng)裝置包括轉(zhuǎn)動(dòng)手輪和蝸輪蝸桿減速器。蝸輪蝸桿減速器傳動(dòng)連接中心轉(zhuǎn)軸和轉(zhuǎn)動(dòng)手輪，通過(guò)人工施加作用力于傳動(dòng)手輪，驅(qū)動(dòng)蝸輪蝸桿減速器帶動(dòng)中心轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，以使停車(chē)板轉(zhuǎn)動(dòng)。為了便于操作轉(zhuǎn)動(dòng)手輪，可于轉(zhuǎn)動(dòng)手輪上設(shè)置手柄。

傳動(dòng)裝置也可采用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的方式，如電動(dòng)機(jī)與蝸輪蝸桿減速器傳動(dòng)連接，通過(guò)控制電動(dòng)機(jī)，驅(qū)動(dòng)中心轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)以使停車(chē)板轉(zhuǎn)動(dòng)。采用電動(dòng)機(jī)的方式，具有自動(dòng)化、控制精確的優(yōu)點(diǎn)。

蝸輪蝸桿減速器采用蝸輪蝸桿傳動(dòng)，當(dāng)蝸輪與蝸桿達(dá)到一定的減速比，蝸桿的導(dǎo)程角小于蝸輪蝸桿接觸的當(dāng)量摩擦角時(shí)，蝸輪蝸桿傳動(dòng)具有自鎖性，可實(shí)現(xiàn)反向自鎖。也就是說(shuō)，只能由蝸桿帶動(dòng)蝸輪，而不能由蝸輪帶動(dòng)蝸桿。利用這一特性，使用者在停取自行車(chē)時(shí)，停車(chē)板不會(huì)自行轉(zhuǎn)動(dòng)，操作更加安全、便捷。

2.4 支撐裝置

支撐裝置包括安裝支架和軸承座。安裝支架相對(duì)設(shè)置有兩個(gè)安裝板，每個(gè)安裝板設(shè)有一個(gè)安裝槽，每個(gè)安裝槽內(nèi)安裝有一個(gè)軸承座和一個(gè)滾動(dòng)軸承，中心轉(zhuǎn)軸的一端穿過(guò)滾動(dòng)軸承與安裝板螺紋連接，另一端穿過(guò)滾動(dòng)軸承與驅(qū)動(dòng)裝置傳動(dòng)連接。

為了保障使用安全，安裝支架上設(shè)置護(hù)欄，以加強(qiáng)對(duì)旋轉(zhuǎn)裝置、自行車(chē)及周?chē)h(huán)境的安全保護(hù)。自行車(chē)旋轉(zhuǎn)停車(chē)架還可設(shè)置頂棚和若干支撐桿（見(jiàn)圖2），支撐桿的一端與頂棚連接，支撐桿的另一端與安裝支架連接，頂棚蓋設(shè)于旋轉(zhuǎn)裝置的上方，對(duì)旋轉(zhuǎn)裝置進(jìn)行遮擋，可避免停放的自行車(chē)受到日曬和雨淋，實(shí)現(xiàn)對(duì)自行車(chē)的保護(hù)。

在實(shí)際應(yīng)用中，該自行車(chē)旋轉(zhuǎn)停車(chē)架可采用地下安裝的方式，在地面開(kāi)設(shè)地槽，安裝支架部分位于地槽內(nèi)，轉(zhuǎn)動(dòng)旋轉(zhuǎn)裝置時(shí)，停車(chē)板交替出現(xiàn)于地面下和地面上，有利于節(jié)約空間資源。同時(shí)，通過(guò)旋轉(zhuǎn)停車(chē)板，使停車(chē)板與地面平齊，便于將自行車(chē)從地面直接推入停車(chē)板上固定停放。另外，還可于地面上先設(shè)置凸臺(tái)，使地槽自凸臺(tái)的上端面沿深度方向向下延伸，凸臺(tái)可以增加自行車(chē)旋轉(zhuǎn)停車(chē)架的高度，避免雨水灌入地槽，影響自行車(chē)旋轉(zhuǎn)停車(chē)架的使用。

圖2 自行車(chē)旋轉(zhuǎn)停車(chē)架整體安裝示意圖

3 創(chuàng)新點(diǎn)

本設(shè)計(jì)具有如下創(chuàng)新點(diǎn)：1）停取車(chē)時(shí)，停車(chē)板始終與地面齊平，同時(shí)可從兩側(cè)存取自行車(chē)，操作安全、便捷；2）充分利用蝸輪蝸桿傳動(dòng)的反向自鎖性（停放自行車(chē)后不會(huì)因載重后而自行轉(zhuǎn)動(dòng)），安全、可靠停放，大減速比降低轉(zhuǎn)動(dòng)手輪所需力矩，保證轉(zhuǎn)動(dòng)省力輕松；3）利用向上向下立體空間停車(chē)，解決自行車(chē)停放占地大、存放少的問(wèn)題，改進(jìn)后原有停放6輛自行車(chē)場(chǎng)地，現(xiàn)可停放24輛自行車(chē)；4）利用高低錯(cuò)位停放，解決因?yàn)樽孕熊?chē)車(chē)把手相互影響的問(wèn)題，能在原來(lái)停2輛自行車(chē)的場(chǎng)地，現(xiàn)在可停放3輛車(chē)。

4 結(jié) 論

自行車(chē)旋轉(zhuǎn)停車(chē)架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作便捷、安全可靠、制造成本低、維修方便[10]，可用于小區(qū)、商場(chǎng)等場(chǎng)地有限的公共場(chǎng)所，主要功能是在保證操作安全、便捷的前提下，可利用較少的場(chǎng)地停放較多的自行車(chē)（適用于24～28英寸自行車(chē)），因此具有較好的市場(chǎng)應(yīng)用場(chǎng)景。