高永祥

（浙江機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械技術(shù)系，浙江 杭州 310053）

1 引言

隨著我國(guó)現(xiàn)代化建設(shè)的發(fā)展，城市居民長(zhǎng)距離的公共交通已逐步進(jìn)入地鐵輕軌和大公交的時(shí)代。自行車具有綠色環(huán)保，節(jié)約能源，快捷等優(yōu)點(diǎn)，其一直是國(guó)人首選的短途交通工具［1-2］。

在城市人口密集地區(qū)，由于自行車的使用頻率高、停放量龐大以及停放方式不盡如人意，尤其在地鐵站口、商場(chǎng)、學(xué)校和醫(yī)院等人口密集場(chǎng)所，停車難、停車亂、易丟車，甚至占用人行道和機(jī)動(dòng)車道的現(xiàn)象隨處可見，既給交通安全帶來隱患，同時(shí)嚴(yán)重影響了城市治安管理和城市形象［3］。

近年來，為解決城市自行車停放問題，規(guī)范自行車停放秩序，提升城市形象，我國(guó)出現(xiàn)了種類繁多、形式多樣的自行車停放裝置。文獻(xiàn)［4］中設(shè)計(jì)了一種純機(jī)械式立式自行車停放裝置，該裝置主要由固定基樁、收放機(jī)構(gòu)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)組成，自行車豎立停放依靠繩索-滑輪-配重組成的動(dòng)力機(jī)構(gòu)，利用鎖止機(jī)構(gòu)和撞針觸發(fā)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)收放機(jī)構(gòu)的鎖止與釋放。文獻(xiàn)［5］設(shè)計(jì)了一種由機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)和智能控制系統(tǒng)兩大部分組成的智能立式自行車停車裝置，實(shí)現(xiàn)了自行車的豎直停放與智能識(shí)別上鎖。文獻(xiàn)［6］中設(shè)計(jì)了一種安裝于墻面的懸立式自行車停車架，采用了斜面滾輪和電磁鎖分別對(duì)自行車進(jìn)行夾持和鎖緊，實(shí)現(xiàn)了自行車的豎直停放，提高了自行車的防盜性能。但現(xiàn)有純機(jī)械式自行車停車裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，零件較多，停車費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且防盜能力差，停放點(diǎn)盜竊頻率高；非純機(jī)械式自行車停放裝置自動(dòng)化程度低，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，停車場(chǎng)地適應(yīng)性差。

根據(jù)調(diào)研，對(duì)現(xiàn)有的自行車停放裝置主要從構(gòu)造、工作原理和空間利用率等方面進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)一種新型全自動(dòng)通用型自行車停放裝置，該裝置將有效解決自行車停車空間占用率高、自動(dòng)化程度低和盜竊頻率高等問題，對(duì)全自動(dòng)自行車停車裝置的推廣，解決城市自行車停車?yán)щy、不規(guī)范和提高城市形象有一定的促進(jìn)作用。

2 自行車停車裝置現(xiàn)狀與分析

根據(jù)自行車停放時(shí)車體與地面之間的夾角（立起角度）大小，自行車停放裝置分為水平停放的自行車停放裝置和立式停放的自行車停放裝置兩大類［7］。對(duì)現(xiàn)有的各類停車裝置的工作原理、操作性和空間利用率等進(jìn)行分析，為全自動(dòng)通用型立式自行車停放裝置的設(shè)計(jì)提供參考和依據(jù)。

2.1 水平停放的自行車停放裝置

自行車停車于水平停放的自行車停放裝置時(shí)，車體與地面平行，立起角度為0°。根據(jù)自行車停車時(shí)在停放裝置上的分布形式，水平停放的自行車停放裝置可分為直線形自行車停放裝置和圓形自行車停放裝置。

2.1.1 直線形自行車停放裝置

直線形自行車停放裝置是水平停放的自行車停放裝置的基本類型，停車單體呈直線形分布于停車裝置的一側(cè)，很多其他類型的自行車停放裝置都以此為原型進(jìn)行形式和功能上的改進(jìn)與優(yōu)化，如圖1所示。

圖1 直線形自行車停放裝置Fig.1 Linear Parking Device for Bicycle

自行車前輪可沿導(dǎo)向槽運(yùn)行至夾持機(jī)構(gòu)并被固定，從而實(shí)現(xiàn)停車。取車時(shí)，自行車前輪退出夾持機(jī)構(gòu)和導(dǎo)向槽即可完成取車。該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、空間適應(yīng)性好，被廣泛應(yīng)用于狹長(zhǎng)空間。但直線形自行車停放裝置大多為純機(jī)械式，自動(dòng)化程度低，且防盜能力差。

2.1.2 圓形自行車停放裝置

圓形自行車停放裝置的各停車單體以某點(diǎn)為圓心呈輻射狀分布，使整個(gè)停車裝置的外形為圓形。一種停車容量為10輛的圓形自行車停放裝置，如圖2所示。其停車單體由定位桿4和支桿5組成，且剛性連接于中心支撐板1和底座3。停車時(shí)，自行車前輪置于停車單體的兩支桿之間，并被推至定位桿位置，依靠?jī)芍U的內(nèi)側(cè)表面和定位桿的機(jī)械鎖完成自行車的固定和鎖定。該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，零件較少，停取車操作簡(jiǎn)單，但自動(dòng)化程度低，且停車單體的圓形布局對(duì)路面空間的利用率低。

圖2 圓形自行車停放裝置Fig.2 Circular Parking Device for Bicycle

2.2 直立式停放的自行車停放裝置

對(duì)于直立式停放的自行車停放裝置，自行車車體與地面垂直，立起角度為90°，如圖3所示。該裝置停車時(shí)將自行車前輪沿導(dǎo)向槽推至卡位裝置，并帶動(dòng)鎖車夾夾住前輪，以卷簧為動(dòng)力的提升裝置將水平狀態(tài)的自行車提升至豎直狀態(tài)，使車身與立柱貼合，從而實(shí)現(xiàn)自行車的豎直停放［8］。

圖3 直立式停放的自行車停放裝置Fig.3 Upright Parking Device for Bicycle

該裝置以卷簧為動(dòng)力，節(jié)能環(huán)保，可輕松安全地實(shí)現(xiàn)自行車的豎直停放，且充分利用了豎直空間，占地小，空間利用率高。但該裝置為純機(jī)械式，組成和結(jié)構(gòu)復(fù)雜，無防盜報(bào)警裝置。

3 裝置總體方案設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)原則

根據(jù)對(duì)停車裝置現(xiàn)狀的分析與研究，從實(shí)際出發(fā)，立式自行車停放裝置能有效提高空間利用率并適用于多種路段，必定是將來停車裝置的發(fā)展趨勢(shì)。因此，改變了常規(guī)的自行車水平停放方式，采用自行車立式停放的實(shí)現(xiàn)方式，本著裝置停取車操作簡(jiǎn)單，省時(shí)省力，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，智能化，安全防盜的原則，設(shè)計(jì)研究一種全自動(dòng)通用型立式自行車停放裝置。

3.2 裝置結(jié)構(gòu)組成與功能

全自動(dòng)通用型立式自行車停放裝置由主體結(jié)構(gòu)、夾車裝置、提升裝置、輔助裝置、報(bào)警裝置和控制系統(tǒng)組成，如圖4所示。主體部分作為整個(gè)裝置的支撐結(jié)構(gòu)，為各分系統(tǒng)提供機(jī)械連接，承載裝置運(yùn)行時(shí)的工作載荷。停車和取車過程中夾車裝置負(fù)責(zé)夾持自行車前輪并進(jìn)行固定，并在提升裝置的作用下上下移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)自行車的上升和下降。輔助裝置主要是在取車過程中當(dāng)自行車后輪與地面接觸時(shí)，輔助其向停車裝置外側(cè)退出。報(bào)警裝置的主要作用是提高裝置的防盜性能，降低裝置停車盜竊頻率?？刂葡到y(tǒng)則是對(duì)停車裝置的控制信號(hào)進(jìn)行監(jiān)視、采集和處理，控制各執(zhí)行裝置的動(dòng)作和運(yùn)行，保證停車裝置的功能實(shí)現(xiàn)和停車安全。

圖4 自行車停放裝置組成Fig.4 Structure of Parking Device for Bicycle

3.3 裝置工作原理

3.3.1 停車過程

停車裝置運(yùn)行時(shí)，使用者將自行車前輪推入夾車裝置，按下控制系統(tǒng)觸摸屏上的存車鍵，夾車裝置接受到指令，推桿開始收縮，停車裝置和自行車處于如圖5（a）所示的水平狀態(tài)。

當(dāng)安裝于夾車裝置推桿末端的光電開關(guān)感應(yīng)到車輪位置時(shí)，推桿停止收縮并自鎖。隨后，夾車裝置上端的報(bào)警裝置機(jī)械爪夾住自行車前部輪胎，報(bào)警程序運(yùn)行。接著，安裝于主體結(jié)構(gòu)底部的86HB116L4-50KA-B型號(hào)步進(jìn)電機(jī)開始正向旋轉(zhuǎn)，通過聯(lián)軸器帶動(dòng)絲杠旋轉(zhuǎn)，絲杠上的滑塊上升。因滑塊通過螺栓與夾車裝置剛性連接，故夾車裝置開始上升離開主體結(jié)構(gòu)下端的光電限位，圖5（b）所示。夾車裝置上升時(shí)，由于自行車前輪固定于夾車裝置和報(bào)警裝置機(jī)械爪，車體隨夾車裝置上升并緩慢旋轉(zhuǎn)。當(dāng)自行車后輪離開地面時(shí)，導(dǎo)軌上滑塊到達(dá)末端光電感應(yīng)開關(guān)范圍內(nèi)，步進(jìn)電機(jī)停止旋轉(zhuǎn)，上升動(dòng)作結(jié)束，自行車處于直立停放狀態(tài)，完成車輛的停放，如圖5（c）所示。

3.3.2 取車過程

取車時(shí)，使用者按下控制系統(tǒng)觸摸屏上的取車鍵?；瑝K離開上端光電限位開關(guān)，步進(jìn)電機(jī)反向旋轉(zhuǎn)，滑塊帶動(dòng)夾車裝置向下運(yùn)動(dòng)，自行車前輪下移。當(dāng)后輪接觸到同步帶時(shí)，同步帶開始運(yùn)作，車體向后平移。自行車后輪離開同步帶后，同步帶停止運(yùn)作?；瑝K下降到下端光電感應(yīng)開關(guān)范圍內(nèi)，步進(jìn)電機(jī)停止反向旋轉(zhuǎn)，下降停止。隨后，報(bào)警裝置機(jī)械爪打開，夾車裝置上的推桿升長(zhǎng)，直至自行車前輪到達(dá)地面。在此過程中，自行車狀態(tài)由直立狀態(tài)變?yōu)樗綘顟B(tài)變，完成取車，如圖5所示。

圖5 自行車停取過程狀態(tài)示意圖Fig.5 Situations of Bicycle During Parking and Parking Up

3.3.3 防盜報(bào)警

報(bào)警裝置固定于夾車裝置上端，當(dāng)自行車前輪進(jìn)入夾車裝置時(shí)，報(bào)警裝置前端機(jī)械爪夾住輪胎，報(bào)警裝置啟動(dòng)。當(dāng)裝置受到外力強(qiáng)行卸車時(shí)，機(jī)械爪上的壓力傳感器發(fā)出信號(hào)，觸發(fā)報(bào)警系統(tǒng)，發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

4 裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1 主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

主體結(jié)構(gòu)作為裝置的主要承力部分，為達(dá)到裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、重量輕且安全可靠的目的，其設(shè)計(jì)采用了“骨架+蒙皮”的結(jié)構(gòu)形式，主要材料為鋁合金板材和20mm×20mm鋁合金型材。

如圖6所示，“骨架”由兩根梁I、一根梁Ⅱ、頂部安裝板、底部框架和背板組成，各部分之間剛性連接。頂部安裝板和底部框架分別位于主體結(jié)構(gòu)上端和下端，用以安裝絲杠軸承座、停車裝置電源和電機(jī)安裝板，并增強(qiáng)主體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度。兩塊側(cè)板I和兩塊側(cè)板Ⅱ則作為“蒙皮”結(jié)構(gòu)，通過8個(gè)角板固接于“骨架”上，使裝置外觀封閉。鋁合金板材基座與“骨架”之間螺釘連接，提高裝置抗傾倒能力，增強(qiáng)裝置工作穩(wěn)定性。觸摸屏安裝架則是裝置控制系統(tǒng)人機(jī)交互界面觸摸屏的安裝載體。

圖6 主體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 Structure of Main Part

4.2 夾車裝置設(shè)計(jì)

如圖7所示，夾車裝置對(duì)自行車采用將前輪半包的方式進(jìn)行固定。夾車裝置主要依靠?jī)筛茥U實(shí)現(xiàn)夾車功能，推桿由直流電動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，使推桿伸出長(zhǎng)度發(fā)生變化，同時(shí)使夾車裝置獲得1000N的拉伸力。兩根搖桿分別與車輪定位梁II固接，與夾車裝置支架鉸接。當(dāng)推桿在直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下收縮時(shí)，車輪定位梁I、車輪定位梁II和車輪定位梁III共同完成對(duì)前輪的包絡(luò)半包和固定。安裝底板、滑塊和螺母底座作為夾車裝置支架與提升裝置之間的機(jī)械接口，其中滑塊可沿提升裝置導(dǎo)軌滑動(dòng)，螺母底座與絲杠螺母連接，從而實(shí)現(xiàn)夾車裝置沿導(dǎo)軌上下滑動(dòng)。

圖7 夾車裝置示意圖Fig.7 Fastening Device

由于推桿本身具有自鎖功能，使夾車裝置對(duì)前輪的固定更加安全可靠。同時(shí)，在推桿末端設(shè)置了限位開關(guān)，推桿達(dá)到頂點(diǎn)時(shí)自動(dòng)停止，確保電機(jī)不會(huì)空燒。另外，兩推桿之間留有足夠的空間，使裝置具有一定的容錯(cuò)率，同時(shí)在推桿前端裝有光電感應(yīng)開關(guān)，通過對(duì)車輪大小的感應(yīng)使得推桿伸出長(zhǎng)度得到控制，從而使夾車裝置適用于不同尺寸大小的自行車車輪，并具有通用性。

4.3 提升裝置設(shè)計(jì)

由于滾珠絲杠具有傳動(dòng)效率高，摩擦力小，軸線間隙可消除，使用壽命長(zhǎng)和可高速進(jìn)給等優(yōu)點(diǎn)［9］。同時(shí)，絲杠本身具有較高的承載能力，其用于承受較大的自行車車體重量，上升運(yùn)動(dòng)相對(duì)其他機(jī)構(gòu)更為平緩穩(wěn)定。因此，提升裝置采用了直線滾珠絲杠模組來實(shí)現(xiàn)自行車的提升，如圖8所示。

圖8 提升裝置示意圖Fig.8 Lifting Device

絲杠由24V 同步電動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，軸承座、導(dǎo)軌I，II 和同步電機(jī)安裝于主體結(jié)構(gòu)。裝置工作時(shí)電機(jī)動(dòng)力通過聯(lián)軸器驅(qū)動(dòng)絲杠旋轉(zhuǎn)，使絲杠螺母上升或下降，從而帶動(dòng)夾車裝置運(yùn)動(dòng)。根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)同步電機(jī)、聯(lián)軸器、軸承和絲桿進(jìn)行選型，并對(duì)絲杠、聯(lián)軸器和軸承的工作能力進(jìn)行校核［10］。由于篇幅有限，此處不再詳細(xì)闡述選型和校核過程。

4.4 輔助裝置設(shè)計(jì)

由于裝置對(duì)自行車采用了立式停放的方式，使自行車在裝置上完全懸空，并與地面形成近90°夾角，導(dǎo)致自行車下降時(shí)會(huì)與地面抵住。因此，需要一個(gè)輔助裝置產(chǎn)生向后的推力使自行車后輪向裝置外側(cè)移動(dòng)，保證自行車順利退出。由于同步帶傳動(dòng)無滑動(dòng)現(xiàn)象，傳動(dòng)效率高，張緊力小，結(jié)構(gòu)緊湊，因此本文將其應(yīng)用于輔助裝置［10］，如圖9所示。輔助裝置由支架、電動(dòng)機(jī)、大小帶輪、同步帶和傳送帶組成，電動(dòng)機(jī)和大帶輪安裝于支架。裝置工作時(shí)，電動(dòng)機(jī)動(dòng)力經(jīng)同步帶傳動(dòng)，驅(qū)動(dòng)傳送帶沿裝置外側(cè)運(yùn)動(dòng)，以輔助完成自行車的取車過程。

圖9 輔助裝置示意圖Fig.9 Auxiliary Device

4.5 報(bào)警裝置設(shè)計(jì)

報(bào)警裝置是提高立式停車裝置防盜性能的重要裝置，其采用了“卷筒—鋼絲繩”的撓性傳動(dòng)方式，結(jié)構(gòu)和組成，如圖10 所示。報(bào)警裝置由鋼絲繩及其緊定螺釘、鉸鏈總成、爪I和爪II組成，鉸鏈總成與夾車裝置車輪定位梁III連接，爪I和爪II可繞鉸鏈總成轉(zhuǎn)動(dòng)，且兩爪端部均設(shè)置有壓力傳感器。停車時(shí)，卷輪由電動(dòng)機(jī)的正向轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)，鋼絲繩長(zhǎng)度變短，帶動(dòng)爪I和爪II繞鉸鏈總成相向轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)自行車前輪輪胎的夾持，且壓力傳感器監(jiān)測(cè)的壓力值使報(bào)警裝置激活。當(dāng)裝置受到外力強(qiáng)行卸車時(shí)，爪I和爪II的壓力傳感器監(jiān)測(cè)的壓力值超出設(shè)置范圍，從而觸發(fā)報(bào)警系統(tǒng)，發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

圖10 報(bào)警裝置示意圖Fig.10 Warning Device

5 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)是全自動(dòng)自行車立式停放裝置完成停車和取車過程的核心部分，由三菱PLC 可編程控制器FX3U-64MT/ESA、伺服控制模塊C200HW-NC113、工業(yè)觸摸屏GT1020、光電傳感器、限位開關(guān)、壓力傳感器和報(bào)警器等組成，控制系統(tǒng)框圖如圖11所示。

圖11 控制系統(tǒng)框圖Fig.11 Block Diagram of Control System

三菱PLC可編程控制器與伺服控制模塊、光電開關(guān)、壓力傳感器、限位開關(guān)和觸摸屏連接，是自行車立式停車裝置的控制核心，可通過PLC編程，接收和處理停車和取車過程中傳感器采集輸入的位置、轉(zhuǎn)速、壓力等信號(hào)，實(shí)現(xiàn)裝置的集成式控制和智能化。伺服控制模塊負(fù)責(zé)對(duì)伺服電機(jī)I、伺服電機(jī)II、伺服電機(jī)III和推桿進(jìn)行控制，使提升裝置上下移動(dòng)，夾車裝置推桿長(zhǎng)度變化，輔助裝置同步帶向外運(yùn)動(dòng)和停止，報(bào)警裝置機(jī)械爪夾緊和放松。PLC控制器的部分指令如表1所示，整個(gè)停取車過程分為121步完成。

表1 部分PLC指令表Tab.1 PLC Orders

6 裝置樣機(jī)與調(diào)試

根據(jù)機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，對(duì)該全自動(dòng)立式自行車停放裝置零部件進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)、工程圖擬制與加工，并完成裝置的組裝與調(diào)試，裝置實(shí)物［11］，如圖12所示。

圖12 全自動(dòng)直立式自行車停放裝置實(shí)物圖Fig.12 Picture of Automatic Upright Parking Device for Bicycle

為驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的可行性和實(shí)用性，以及停車裝置的功能、性能、工作穩(wěn)定性和可靠性，對(duì)該裝置的停取車過程和防盜報(bào)警等進(jìn)行了實(shí)際測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明：

（1）該裝置和自行車的地面接觸面積總和約0.1848m2，考慮到自行車車把的影響，裝置間距0.4m合適，基本功能單元的占地面積為0.52 m2，相比常規(guī)垂直式停放占地面積（2.25 m2）減少了1.73 m2，節(jié)約占地面積約70%，裝置空間利用率高。裝置適用于建筑密度大，公用面積小的社區(qū)、商場(chǎng)、校園和其他公共場(chǎng)所。

（2）該裝置高效地完成了不同規(guī)格尺寸自行車的停取車過程，通用性好。同時(shí)，裝置人機(jī)交互界面美學(xué)完整性和一致性好，停取車過程操作簡(jiǎn)單，無需人為干預(yù)，省時(shí)省力，方便快捷，自動(dòng)化程度高。當(dāng)自行車受到強(qiáng)力拖拽時(shí)，報(bào)警裝置發(fā)出警報(bào)，裝置防盜性能好。

（3）由于該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，組裝、維修和故障排查方便，因此可將其作為基本功能單元集成于大型自行車停車庫。

7 結(jié)論

（1）通過對(duì)現(xiàn)有的多種自行車停放裝置從結(jié)構(gòu)形式、工作原理和空間利用率等方面的調(diào)研分析，確定了新型全自動(dòng)通用型自行車停放裝置的停放方式為空間利用率更高的立式停放。

（2）根據(jù)設(shè)計(jì)原則，對(duì)全自動(dòng)通用型直立式自行車停放裝置進(jìn)行了總體方案設(shè)計(jì)，分析了裝置組成、停取車過程和防盜報(bào)警工作原理。對(duì)裝置的主體結(jié)構(gòu)、夾車裝置、提升裝置、輔助裝置、報(bào)警裝置以及控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，分析了組成與工作原理，完成了裝置的結(jié)構(gòu)方案和控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)。

（3）完成了裝置的加工制造和組裝調(diào)試，并進(jìn)行了實(shí)際測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明：該裝置空間利用率高，通用性好，停取車過程操作簡(jiǎn)單，省時(shí)省力，自動(dòng)化程度高，防盜性能好。

（4）該裝置有效解決了自行車停車空間占用率高、自動(dòng)化程度低和防盜性能差等問題，對(duì)全自動(dòng)自行車停車裝置的推廣和解決城市自行車停車?yán)щy、不規(guī)范和提高城市形象具有一定的促進(jìn)作用。