一种立体循环式自行车停车装置的设计优化

谭嘉 吴启舟 毕仁贵 陈正刚

摘要：设计了一种立体循环式自行车停车装置，主要由三角形支撑框架、环形承载框架、自行车停放框架、棘轮止动装置和动力装置等五部分组成，对其各部分均从结构上进行了一定的优化;同时在机械结构设计优化的基础上，结合电控装置，实现了半自动停取车。

关键词：自行车;优化设计;电控装置

0    引言

本设计主要是为了解决目前大部分小区和街道自行车乱停乱放问题，在原有自行车停放装置的基础上，基于Pro/E软件绘制设计优化模型，以更好地满足结构工艺性要求，保障自行车停取安全[1]。主要从以下几种结构进行设计优化：（1）三角形支撑框架;（2）环形承载框架;（3）自行车停放框架;（4）棘轮止动装置[2]。该款优化设计的自行车停放装置具备安全性高、结构工艺性好和实用性强等特点。

1    结构设计

该装置主要由以下五大部分组成：（1）三角形支撑框架;（2）环形承载框架;（3）自行车停放框架;（4）棘轮止动装置;（5）动力装置。该装置主体框架结构主要是以槽钢、Q235板材、棒料等拼组焊而成，主轴作为主要受力部件，选取力学性能较好的40Cr材料。为使整体结构工艺性得到加强，对三角形支撑框架在其高度方向增焊一根横梁，以增加整体结构强度并作为棘轮止动装置的扣环安装位置;对环形承载框架分别在5根梁上增焊一根短梁，连接左右环形承载框架以形成一个整体，增加其结构强度;对自行车停放框架在其底部增焊一块3 mm厚的网板，并在其5个错位摆放车位上增焊后轮止退座，前端位置增焊一根和停车位对应的自行车龙头卡位锁横梁，以确保自行车停取时在风载、振动和不确定人为因素下的安全性;考虑到停取车时电机故障，主轴因装置惯性而旋转的不安全性，在动力装置主轴处左右各安装一个棘轮止动装置，通过棘爪和棘轮的相互配合，防止主轴向顺时针或逆时针旋转，以达到双重保护的作用;该装置的动力部分主要是采用减速电机驱动，以同步带将动力传递到链轮直至主轴上，并设电控装置，以实现停取车的半自动。该自行车停车装置整体外形尺寸为（长×宽×高）：6 600 mm×3 034 mm×5 900 mm[3]。

在停取车时，因左右各增加了一个棘轮止动机械装置，正常情况下棘爪是卡住棘轮的，可以锁死主轴。在停放自行车时，需先将左右棘轮止动装置的手杆向下拉，卡住第二个或第三个卡扣，使棘爪脱离棘轮，压缩板簧，棘轮和主轴作为一个整体共同旋转。这时再去观察停车架上自行车停放的满与空的情况，通过按动控制面板上对应的有空位停车架的序号，使减速电机驱动同步带，带动链轮，使主轴和棘轮一同旋转，将有空位停车架转到最低位，将自行车顺着停放轨道推至自行车前龙头卡位于挡杆卡槽上，并通过自行车锁进行二次锁死。停好后，需再次将左右棘轮止动装置的手杆向上提起，卡住第一个卡扣，使棘爪在板簧作用力下卡住棘轮，二次锁死主轴。取车时，根据停放时的停车架号进行，取车方式与存车过程相反。部分结构图如图1、图2、图3所示。

2    电控装置设计

2.1    控制器输入端

（1）共8个按键（1～6号按键为车库位置），7号按键取、停车，8号按键确定输入;

（2）一体红外检测器：在一块设定的安全区域内检测是否有人在内，若有人则蜂鸣器报警且断电，若无人则正常工作;

（3）2路车位最低位置检测：查看停车位是否在最低位置。

2.2    控制器输出端

（1）4位七段数码管：用于显示当前车库及调试;

（2）一个蜂鸣器：用于报警;

（3）一个红灯警示灯;

（4）一个绿灯安全灯;

（5）用灯带画出的安全区域。

2.3    硬件设计

EEPROM存储当前车库位置，38 kHz红外信号发生器，PWM产生，反射式;发送、接收头做到一块电路板上，VCC、GND、PWM、IR与主板连接;PWM加两个限流电阻，IR连接P32、P33外部中断;用12 V 2811芯片灯带，系统用12 V开关电源供电，单片机用5 V供电。

2.4    停取车电控流程

（1）在确保棘爪和棘輪脱离的前提下，先按取、停车键7，响铃回应输入，同时数码显示器显示“----”，等待输入车库编号（还有空位的车库编号或需要取的车所在车库的编号1～6）。

（2）输入后，显示该车库编号，如果输入错误，直接再输入即可，按8确定输入的车库编号，红灯闪亮，区域红灯闪亮，蜂鸣器连续报警音，2 s后检测红外安全区域有无遮挡，有遮挡持续等待，没有遮挡可按就近原则（顺时针或逆时针）旋转车库，如果意外遮挡立即停止旋转，直到遮挡解除才继续旋转，使输入编号的车库停到最低位置，停稳后，区域灯带转换为绿灯，蜂鸣器停止，显示当前车库编号。如果取车，此时可将车取走;如果停车，当前车库有空位，即可将车停入车库。

3    结语

该优化设计的停车装置不仅在结构工艺性上更加完善，而且在停取车的安全性上也有很大的提高，能够更好地融合自然环境以利用合理的占地空间去停放更多的车辆，为解决小区、街道等自行车乱停乱放问题提供了一种可行的方案。

[参考文献]

[1] 王龙飞.基于Pro/E的自行车停车装置设计与分析[J].轻工科技，2019，35（3）：48-49.

[2] 王琳，刘军.用于爬楼小车的端面棘轮机构的设计与性能研究[J].机械制造与自动化，2015（3）：113-115.

[3] 成大先.机械设计手册[M].5版.北京：化学工业出版社，2008.

收稿日期：2020-07-06

作者简介：谭嘉（2000—），男，湖南衡阳人，研究方向：机械设计制造及其自动化。

通信作者：吴启舟（1989—），男，湖南湘西人，讲师，从事机械工程方面的科研与教学工作。