无能耗错叠式非机动车停车装置仿真与模型设计

沈孟锋， 何剑敏， 羊荣金， 陈敏捷

（杭州科技职业技术学院机电工程学院，杭州311402）

0 引 言

随着国家大力推动低碳经济发展，缓解道路拥堵，越来越多的家庭采用非机动车代步。在非机动车数量多了之后，尤其是老旧小区和公共场所，出现了各种乱停乱放、私拉电线等现象［1］。现在国家对家用电瓶车停放和充电提出了新的要求，要求各小区应设有集中停放电瓶车并能充电的场所［2］。

老旧小区开发建设之初，规划较为简单，配套设施不齐全［3］，老旧小区停车难问题已成为当今社会的一大“顽疾”［4-5］。由于土地资源的稀缺，人们对空间利用率提出了更高的要求，因此立体式停车库成为前景非常广阔的研究方向［6-7］。但几乎所有的立体停车库都是为机动车设计的，大致可以分为以下几类：升降横移式、多层循环式、水平循环式、垂直循环式及巷道堆垛式等［8-9］，虽然可仿照此类停车库进行非机动车立体停车库的设计，但此类停车库应用在非机动车车库上会出现使用者停取不变、耗能费时等问题［10］。

本文设计了一款无能耗错叠式非机动车停车装置来解决老旧小区电瓶车和自行车停放难以及楼道充电隐患等一系列问题。该装置既能在有限的空间里停放更多的非机动车且装置无能耗，又能轻松方便地实现停、取。装置美观大方、便于长期使用及日常管理［11］，可根据空间大小，灵活改变装置尺寸，可广泛应用于老旧小区、医院、商场等公共场所。

1 主要功能和性能指标

该装置由“之”字形构架、载车平台、移动车架和辅助装置4 部分组成。“之”字形构架可分层焊接或浇筑成型，顶部雨棚上设有太阳能板，可用于普通照明用电；3、4 层的移动车架由滑轨、滑块、双U型槽组成，可实现自行车多方位移动和快速停放；1、2 层的载车平台可对电瓶车车轮进行固定上锁，使其能平稳停入规定位置，平台底部由导轨导向并有弹力绳蓄、放力，使取车更加轻便；辅助装置由充电桩、照明灯、电子锁等组成。停车装置结构如图1 所示。该装置建造方便、无能耗、占地面积小、空间利用率高、使用方便、便于控制和后期物业管理及维护，特别适用于当前老旧小区的改造。

图1 停车装置结构框图

2 设计方案

2.1 结构设计

（1）整体结构。装置整体结构呈现完美的“之”字形，美观又实用，在有限的小区空地可以停放最大量的非机动车，提升老旧小区的生活品质，其中1 层位于地面下方，其余层均在地面［12］。此模型的比例为1∶5，具体如图2 所示。

（2）移动车架结构设计。悬架平台用于自行车停车如图3 所示，使用内外U 型槽，外槽固定，内槽可以进行滑动，使用者只要拉下拉手就可以使内槽下滑，从而轻松地取下自行车。U 型槽下有导轨和滑块，自行车数量过多时，可以左右水平移动，扩大取车空间，减少对其他车辆的影响。

图2 无能耗便民停车系统模型图

图3 移动车架

图4 载车平台

（3）载车平台结构设计。载车平台中间采用合页连接，方便角度调节，能自动适应1、2 层坡度变化，如图4 所示。停车装置1 层用于停放电瓶车，其上有载车平台。模型中该平台由两个不锈钢平面构成，平面之间有合页连接；平面顶部前端有一导车架，其宽度与电瓶车车轮厚度近似；平面底部有一弹力绳，其弹性力与小车下沉端重量保持一致，使其达到动态平衡状态，以实现载车平台能够较为轻松的作直线运动；平台末端有一定位销，定位销可以将载车平台与装置地基固定在一起，实现电瓶车平稳地停放在载车平台上，末端有一个拉手，取车时轻轻拉下拉手，就能使载车平台缓缓移动出来。

2.2 辅助设计

（1）太阳能存储装置。太阳能板安装在雨棚上面，天晴时利用太阳能板进行贮存能量，太阳能板可以为本装置在夜晚停车时提供照明能源，为电子锁提供其所需能源。应用太阳能板来达到节约能源的效果。

（2）安全保障装置。安全保障装置包括电子锁、充电桩和刷卡装置，载车平台上装有一个充电插座，使用者可以在电瓶车停放后插上充电器，当载车平台停入到指定位置时，使用者在刷卡装置上刷一下卡即可使电子锁闭合来对电瓶车进行固定，防止电瓶车失窃，同时充电桩通电，对电瓶车进行充电；取车时刷一下卡即可将电子锁打卡，使用者再拉下拉手就可使载车平台出来。

（3）照明装置。停车库顶部装有一些LED灯，可以为停车装置照明［13］，使1、2 层停车位更加明亮，照明灯的能源来自太阳能存储装置。考虑到老旧小区有些地方的光线问题，安装上照明装置可使停放非机动车更安全。

3 理论设计计算

根据实际测量车辆尺寸，对载车平台和移动车架做出了实际尺寸设计，并对弹力绳的弹性系数取值进行验证。装置模型根据实际测量所得尺寸缩小5 倍验证。

3.1 载车平台

由实际数据得出载车平台的尺寸数据。

考虑到要留有一定空间给行人走动或站立，对众多品牌、规格的电瓶车进行调查、计算得出表1 尺寸，如果尺寸过大会资源浪费，尺寸过小会使人无法安全地站立，同时也必须考虑安装充电插座所需的空间。

表1 载车平台数据

3.2 移动车架

自行车停车架由内、外U 型槽构成，在外槽两侧设有轨道，外槽下面有滑块和导轨，根据模型自行车的车胎宽度，得出内外槽的尺寸大小，如表2。

表2 模型尺寸

为方便自行车停放，U 型槽内槽要比自行车车轮稍微大出一定距离，如果距离过小就不利于自行车的停放，如果这个宽度过大的话会使自行车掉落下来，造成安全隐患，在模型上此宽度正好合适，不会对扣紧装置造成影响。

3.3 弹力绳省力装置

将使用者停放电瓶车的过程的力学关系如图5 所示，以分析出使用者所需的力及弹力绳规格的选择。已知弹力绳的特点是能受拉力，且始终沿绳方向，其微小形变可忽略。

图5 受力分析图

给定弹力绳没有突破拉力极限，弹力绳一直服从胡克定律：

式中：F弹为弹力绳拉力；k为弹力绳弹性系数，弹性系数越大，小车所受的拉力越大；x为弹力绳的拉伸量。

假设将在斜面上的移动载车平台和电瓶车看作一个整体，其质量为m；斜面的倾斜角为θ；在使用者施加额外推力后能缓慢向上直至弹力绳的伸长量为0 时卡住移动载车平台。由此根据牛顿第二定律进行受力分析：沿着斜面方向的重力分力和摩擦力的合力与弹力绳的拉力和使用者施加的力的合力大小一样［14］，且受力在同一连线上：

斜面与滚轮的摩擦力主要与载车平台对斜面的正压力有关，其满足下面关系式：

式中，μ为滚动摩擦系数。可见摩擦系数越大，摩擦力越大。

查阅相关资料获知国家标准简易款式的电瓶车重量为40 kg，普遍款电瓶车的重量在50 ～55 kg，豪华型的在65 ～75 kg。其中已知载车平台重量为25 kg；弹力绳拉伸量x为1.2 m；滚动摩擦系数μ 为0.005；斜面的倾斜角θ为22.5°；取g为10 N/kg。由此可推得使用者所需力与弹簧的弹性系数之间的关系：

对该数学模型进行仿真，寻找合适的弹性系数k的值，取普遍值55 kg的电瓶车重，加上载车平台的重量使m ＝80 kg。代入式（4）中，可知弹性系数k 约为260 N/m时，人为施加力几乎为0，如图6 所示。

图6 人为施加力与k的关系

基于图6，将弹性系数值定为260 N/m，对不同质量的电瓶车进行分析，可知人为施加力最大值为75 N，该力在人的承受范围内，满足使用。

3.4 空间利用率

本装置的实际长度为长4 m，高4 m，宽3.1 m，1、2 层可停放6 辆车，3、4 层可停放10 ～12 辆自行车；传统单层非机动车停车装置在更大一点的尺寸下仅可以停放6 辆电瓶车或8 辆自行车；相较于传统的非机动车装置的停车容量提高2 倍以上，从此数据中可以得出该装置的空间利用率高［15］。

图7 人为施加力与不同质量关系

图8 无能耗错叠式非机动车停车装置

4 模型试验

经过上文的方案设计及相关计算后，采用不锈钢和铝合金型材搭建了本装置的实物。本装置长116 cm，宽61.7 cm，高62 cm，由6 个模拟载车平台、4 根直线导轨、6 个弹簧插销和内、外槽各8 个以及若干零件组成。模拟载车平台采用长20 cm、宽18 cm、厚1 mm的铝板组成，中间用合页进行连接。

通过试验可实现以下功能：

弹力绳可以使小车平稳下坡并到达指定位置；铝合金U型槽可以延伸到地面上，自行车可以很方便地停上去；自行车停车架外槽可以实现左右水平移动，内槽可以实现上下移动；载车平台能够沿着斜坡上升或下滑。

图9 模型实物图

实施表明，该装置在弹力绳的作用下可以使移动载车平台与非机动车平稳地驶入指定的停车位置；装置所用零件互换性强，可以随机更换易损零件；停车装置可根据小区空地空间大小，灵活改变装置长短，方便工程建设与实施。

5 结 语

本装置有如下优点：①“之”字形4 层造型设计。错叠式停放，将现有非机动车车库容量提高近2 ～3倍，空间利用率高；美观大气，提升空间利用率，减少土地资源浪费，缓解老旧小区非机动车停车难问题。②无需外部能耗。使用者自身可轻松停取非机动车，摆脱了对外部能耗的依赖，便于长期使用及日常管理，减少后期维护成本。③可移动车架设计。运用人机工程学原理，方便车辆停放；高可靠性设计，纯机械结构使装置更安全；太阳能供电使装置绿色、环保。④该装置可用于老旧小区与街道的隔断，起到替代小区围墙的作用，装置一侧可用于小区内非机动车停靠，另一侧则可用于小区外街道非机动车停靠，以解决小区停车区域小的问题。