基于有限元分析的电动自行车双层停车机构的设计研究

张 雨 王素芹 于志宏 刘泽帅

（衡水职业技术学院，河北 衡水 053000）

0 引言

随着我国对节能环保、绿色出行的大力倡导，电动自行车作为一种短途交通工具，已经渗透到居民日常代步、中短途配送、共享出行等各个领域。据统计，2021年我国电动自行车保有量已经达到3.4亿辆。未来几年，在节能减排、碳达峰等政策引导下，电动自行车数量仍会处于一个稳步增长的阶段。但是电动自行车数量的增加也带来了很多亟待解决的问题，如电动自行车停放难、乱停放等问题日渐凸显，占用了大量公共土地资源，如何借助电动自行车停放装置降低其在居民区的占地面积成为重要的研究方向之一。目前大部分的电动自行车停放装置功能较多，带有充电和雨棚等多种设施[1]，机械结构较为复杂，成本较高，不适用于老旧小区或者居民用户单独使用。该文采用滑轮组、连杆等简单的机械结构设计了一种双层电动自行车停车装置，操作简单，成本低，单组使用时可用于居民室内使用，多组使用时可在小区使用。

1 总体设计

电动自行车双层停车机构的结构示意图如图1所示。该置主要由滑轮、拉杆、线轴、钢丝绳、顶板、推板以及电动自行车固定装置组成。当电动机正转，钢丝绳缠起长度缩短，此时电动自行车被缓缓提起。在钢丝绳靠近电动自行车固定位置有一尺寸很小的顶板，顶板随钢丝绳一起运动。当顶板到达推板位置，将推板顶起，进而将拉杆抬起，直到电动自行车到达规定高度，限位动作，电机停止转动。此时可实现双层电动自行车的排放，且上一层电动自行车的取、放并不影响底层电动自行车。相反，电动自行车反转，钢丝绳伸长，电动自行车缓缓下降。拉杆恢复到水平位置后，由于挡板不再旋转，顶板不再对推板施力，而是随钢丝绳一起继续下降，直到电动自行车平稳着地，停止转动，工作停止。

图1 电动自行车双层停车机构的结构示意图

2 线轴的尺寸计算以及滑轮组相对位置的确定

2.1 选择电动机和减速器

已知数据包括电动自行车的质量G=40 kg，线轴的转速n=50 r/min，线轴的半径R=11 mm。

线轴上所需要的功率P=Fv/1000=9.8GπR·n/30000=45.13W。其中P为线轴所需功率，F为线轴受到的钢丝绳的拉力，v为线轴线速度，G为电动自行车的质量，R为线轴中间位置的直径，n为线轴的转速。

查表可得深沟球轴承的效率η1=0.98（1对），减速器齿轮效率η2=0.97，联轴器效率η3=0.98，线轴工作效率η4=0.97。

可求得传动过程中的总效率η=η1×η2×η3×η4=0.98×0.97×0.97×0.98×0.97=0.88。其中η1为深沟球轴承的效率，η2为减速器齿轮效率，η3为联轴器效率，η4为线轴工作效率。

电机所需要的功率Pd=P/η=45.13/0.88=51.3 W。其中Pd为电机功率，P为线轴所需功率，η为总功率。

由计算结果可知，电机所需功率为51.3 W，通过查询技术手册，选择了稍大于此值的电机，即交流电动机功率60W，220 V。

通过试验可知线轴的转速选择50 r/min，所以需要注意的是，在购买电机时应选择对应的减速器。另外，当电车被提升道最高位置，即连杆旋转到极限位置时，电机应停止转动，且不可在电动自行车重力作用下产生反转现象，所以购买的电机还应具有断电刹车功能。

2.2 线轴的尺寸计算

线轴主轴的最小直径如公式（1）所示。

式中：C为由轴的材料和受载情况决定的系数，此处通过查表取值为118；P为线轴功率；n为线轴转速。

因最细处有键槽，所以取线轴主轴的最小直径为15 mm。

线轴结构如图2所示。

图2 H线轴主轴结构图

H段的直径为ø15 mm。A段和F段为轴承位，选择6304的深沟球轴承，孔径20 mm，外径52 mm，宽度15 mm。D段是线轴缠绕部分。该装置采用ø4 mm的钢丝绳，为了在2.5 m的墙高范围内可以容纳2辆电动自行车上、下双层排布，绳轴上至少要缠绕3.5 m钢丝绳，由此推算出D段直径为ø22 mm，长度30 mm。B段轴和E段轴虽然都是起轴承定位的作用，但是在设计过程中考虑B段轴处要安装钢丝绳的固定销，所以B段轴的长度要稍长一些，以防固定销与其他相邻部件相互干涉。综上所述，线轴设计的尺寸如图3所示。

图3 线轴尺寸（图中尺寸单位均为mm）

2.3 滑轮组相对位置的确定

该装置拉杆就地选材，选用了1寸铁管，即外径D=33.5mm，内径d=25mm。

对旋转后的拉杆进行受力分析，如图4所示。

图4 旋转后拉杆的受力分析

拉杆的总长度为L，拉杆自身重力为G，A处受到的钢丝绳拉力为FT1、FT2，其中FT1等于一辆电动自行车的重力。因为由一根钢丝绳作用，所以FT1、FT2大小相同。B处受到支点的作用力为Fx、Fy。

已知FT1=FT2=392N，G=15.7NL=655.5mm。

X方向受力平衡如公式（2）所示。

Y方向受力平衡如公式（3）所示。

当电车被提升到最高点时，支点B力矩平衡如公式（4）所示。

通过计算公式（2）～公式（4）得α=30°。

如图4所示，有公式（5）～公式7）。

通过计算（5）～公式（7）得两滑轮之间的相对距离c=381mm。

根据公式（5）～公式（7）可知，如果c越大，L不变，则b越小，a不变，FT2与水平方向的夹角α越小。根据公式（2）～公式（3），支点受到的分力Fx、Fy变小。综上所述，在提起同一质量电动自行车，拉杆质量和长度不变的前提下，适当增加两滑轮的相对距离c，可以降低拉杆在支点B的受力，并提高安全系数。所以在设计时，两滑轮的距离应大于等于381 mm。

3 对拉杆进行有限元分析

有限元分析是随着电子计算机的发展而迅速发展起来的一种现代计算方法[2]。它可以在很大程度上缩短设计周期，提升产品的质量。下面对拉杆进行有限元分析。

3.1 单位设定

在新建算例中对单位进行设定，方便后续的建模以及系统计算。具体的单位设定见表1。

表1 单位设定

3.2 材料设定

在运行一个算例前，必须对所用材料的属性进行设定，拉杆采用的是1寸铁管，所以要在材料属性对话框里输入其对应的参数，见表2。

表2 材料属性的设定

3.3 建立约束施加载荷

根据图4的力学分析，在软件中对拉杆模型建立约束并施加载荷，如图5所示，拉杆A端作为约束元素，B、C受到的载荷即钢丝绳的拉力。

图5 载荷和边界条件

3.4 结果分析

对拉杆进行有限元分析的数据结果如图6所示。从分析结果可以看出，最大位移为0.25 mm，最大应力为7.8 MPa，需用应力均满足要求。如果刚度允许，可以适当减少管的壁厚，在低端外部贴板。

图6 拉杆的有限元分析结果

4 其他机械结构的设计

电动自行车双层停车机构的装配图如图7所示。该设计将滑轮组固定于墙面，设计了独特结构的线轴，可以作为容线器使用，通过联轴器与电动机相连；在拉杆固定端设计了水平挡板，防止拉杆转动到水平位置后继续动作；在拉杆的自由端设计有如图7所示的推板，推板被顶板作用，连同连杆一起运动；在拉杆上设计有L形限位压杆，当提起电动自行车时，连杆旋转至60度，限位压杆触碰到限位开关，电动机停止转动。

图7 电动自行车双层停车机构的装配图

5 样机测验

现场样机测试如图8所示。该设计对电动自行车双层停车机构的零部件进行了加工、组装，最后通过对样机进行测试来检验其功能性是否达标。通过上百次现场测试，拉杆部分可以顺利吊起电车，并未发生变形，强度符合要求。滑轮安装位置计算合理，室内安装时，上层电动自行车不影响下层电动自行车的停放和移动，通过遥控控制电动机正、反转，限位控制停止动作，均满足使用要求。

图8 现场样机测试

6 结论

该文针对目前电动自行车双层停车机构存在的问题，在考虑充分利用高度空间的前提下，设计了一种结构更简单、成本更低的停车装置。在设计过程中，该文充分考虑了安全性能，进行了充分的强度校核，并利用有限元分析对结构进行了进一步验证。设计的电动自行车双层停车机构加工成样机后也进行了多次测验，均满足使用要求。另外，在应用方面，考虑充电方便和防止丢失，该停车装置单个使用时占地极小，可在居民家中或者储藏间使用。对小区，可搭建一定尺寸的车棚，多单元使用。