机械设计大赛说明书：垂直循环式自行车停车装置

垂直循环式自行车停车装置

设计说明书参赛单位:指导老师:设计成员:目录TOC\o"1-5"\h\z作品简介-2-\o"CurrentDocument"1设计背景及意义-3-\o"CurrentDocument"2垂直循环式停车装置设计-4-\o"CurrentDocument"2.1传动装置的设计-4-\o"CurrentDocument"2.2车架组与轨道的配合设计-4-\o"CurrentDocument"2.3车架组的优化设计-5-\o"CurrentDocument"3停车装置工作原理-6-\o"CurrentDocument"3.1分流存取车设计-6-\o"CurrentDocument"3.2链条定位轨道设计-7-\o"CurrentDocument"3.3半封闭式轨道设计-7-\o"CurrentDocument"3.4车架组优化设计-8-\o"CurrentDocument"3.5斜拉杆组的应用-9-\o"CurrentDocument"3.6电机联轴驱动设计-9-3.7程序设计-10-\o"CurrentDocument"4停车装置设计计算-11-\o"CurrentDocument"4.1车架组的承重分析-11-\o"CurrentDocument"4.2斜拉杆组的受力分析-11-\o"CurrentDocument"4.3链条和链轮尺寸的选取-12-\o"CurrentDocument"4.4电机的规格选取-13-\o"CurrentDocument"4.5轨道的尺寸设计-13-\o"CurrentDocument"4.6旋转时间计算-14-5装置成本核算-15-6发展前景-16-7参考文献-17-作品简介摘要垂直循环式自行车停车装置主要依靠链轮链条的驱动，同时考虑空间利用率、经济效益、设计合理性、整体安全性、操作便捷性等因素进行创新设计。停车装置设计为四层，每一层可无遮挡停放14辆自行车，高度约为6米左右，且每层高度与自行车高度相仿，降低了重心，提高了整体安全性，避免空间浪费，将空间的利用率提高到5倍以上。为加强整体结构的稳定性，在装置的前后框架组之间设计了斜拉杆连接组，可通过调节调节杆组来提供拉力或支持力，同时装置与墙体相连，最大限度保证了整体的稳定性和安全性。存车时，用户不需要进入车架组内部，选定车位后，只需从一侧出入口将自行车车头放入车位凹槽中，用手轻推车身，便可将自行车停放到指定位置，在车架组的后方，由舵机带动横梁将自行车卡在车位中去，实现自锁，防止自行车后滑和丢失。当一层车位停满后，会顺时针移动至下一层车架组供新用户停放，退车时步骤与之相反，通过选择取车的车位，会选择最短的运动路径将车位移动至用户面前，停稳后，舵机锁会打开，用户可以取回自己的自行车。当车架组运动时，半封闭式轨道与车架组运动轨迹完美配合，保证了车架组可以在轨道内流畅运动。同时轨道也起到限制车架组的晃动，在运动过程中始终有两个及以上的滑轮在轨道内部，使之不需要通过复杂的机构和程序控制就能够实现车架组的运动恒为水平。同时系统内部还拥有防盗提醒系统，当自行车停放后用户没有放下横杆时会发出警报声提醒用户;以及断电记忆功能，当装置异常断电时，系统内部依然会保留断电之前的数据，在装置重新启动后不影响正常的使用。停车装置通过智能控制与机械结构相结合，使空间利用率更高、使用更安全、更便捷、更智能化，并且结构简单、维护方便，适合各年龄层及各性别人士使用，能很好的缓解老旧小区停车难、停车乱的问题，适合大批量投入生产，具有社会效益和经济效益！关键词：垂直循环自行车停车装置1设计背景及意义现如今，一些老旧小区道路普遍相对狭窄，不少自行车停放在路边，堵塞了安全通道，即使在小区内的公共区域或相对宽敞的道路边新规划了一些车位，也是杯水车薪，当原本并不宽敞的道路被疯狂占用后，给小区行人以及车辆的正常通行造成了诸多不便［1-3］。除了自行车停车架及停车棚这种方式外，国内外都有关于自行车停放装置的设计，其中适合老旧小区使用的装置有以下几种［4-6］。双层自行车停放装置及直立式自行车停车架：上层车架采用垂直升降式、抽拉式、直压式等方式，下层采用固定式、水平移动式等方式，材质有普通Q235钢材镀锌喷塑、铝合金氧极氧化处理的。目前垂直升降式使用最为方便，适合老人、女性、小童，结构也精巧、外形美观、使用轻便、安全系数高，抽拉式和直压式相比前者使用费力，安全性差，但造价便宜、经济。悬挂式自行车停放装置：围绕立柱设置多个车位，并将自行车悬空放置，不仅减少了停车占地面积，而且悬吊的车架易于从侧部或下部设置遮挡面进行隐蔽，减少对人们的视觉污染，遮挡面还可用于作广告宣传或美化环境。我们设计的垂直循环式自行车停车装置，通过智能控制与机械结构相结合，使空间利用率更高、使用更安全、更便捷、更智能化，并且结构简单、维护方便，适合各年龄层及各性别人士使用，能很好的缓解老旧小区停车难、停车乱的问题，适合大批量投入生产，具有社会效益和经济效益！2垂直循环式停车装置设计2.1传动装置的设计图3为传动装置。其中1为上方的链轮，2为链条，3为下方的链轮，4为光轴，5为电机，6为链条定位轨道，7为上方链轮支撑架。供电之后，5开始转动，并会带动3和4同步转动，其中4与另一侧的链轮相连。由于1、2、3的配合关系，3为主动，1为从动，当3转动时会通过2带动1同步转动，其中1与7共同起到支撑2的功能，同时2的运动轨迹由1、3、6共同限制，保证了传动和运动的稳定性。图1传动装置2.2车架组与轨道的配合设计图2为车架组与轨道配合，其中8为初始位置的车架组，9为半封闭式轨道组，10为运动到任意位置的车架组。当用户存取车时，8的初始位置如图所示，在下方与地面平行，同时8的滑轮与9的凹槽内壁相切，当车架组进行运动交替时，8会完美的沿着9的凹槽进行运动，保证运动的恒水平，可以运动至10的位置，同时可接着运动回8的初始位置，并始终水平。

图2车架组与轨道的配合2.3车架组的优化设计图1所示为装置车架组，其中11为自行车，12为整体车架组，13为单个车位的防倾倒凹槽，14为自锁装置。用户停车时，只需轻推11，将11推进12的任意一个13中，当11的前轮触碰到13的前挡板后，11后轮与13的后边沿水平，此时，可以触发14，将11固定在13中，防止11后滑和丢失。图3车架组优化设计3.1分流存取车设计3停车装置工作原理图4双出入口双出入口的设计可以将人群分流，避免拥堵，加快存取车的效率，同时也是配合自行车双朝向的停放方式而设计，如图4。图5交替放置的车架组由于每次底层并列两个车架组，且需要双出入口存取车，则每相邻两车架组自行车朝向不同，交替变换，完成一个循环，与双出入口设计配合达到完美的分流作用，如图5。3.2链条定位轨道设计整体框架较大，使用链轮过大时会导致偏心影响过大，造成不安全因素，所以采用小型号链轮进行替换，减缓偏心影响，为使链条保持原运动路径，设计了链条定位轨道。其中分为内外两层轨道设计，内侧轨道与链条的链条辊套直接接触，起引导链条运动路径的作用，外侧轨道限制链条整体的偏移，缓解偏心带来的影响如图6。图6链条定位轨道3.3半封闭式轨道设计图6链条定位轨道半封闭式轨道与车架组运动轨迹完美配合，保证了车架组可以在轨道内流畅运动。同时轨道起到限制车架组在运动过程中收到外界不稳定因素而导致得晃动，在运动过程中始终有两个及以上的滑轮在轨道内部，使之不需要通过复杂的机构和程序控制就能够实现车架组运动恒水平，如图7。

图7半封闭式轨道配合3.4车架组优化设计一个车车架组可以停放多辆自行车，提高单个车架组的利用率，可实现单车架组容多车。如图8所示。图8车架组一个车架组高度约一辆自行车高，使用者不需要进入车架组，只需手轻推即可，防倾倒凹槽轨道的设计使自行车停放和拿取更加方便和省力。如图9所示。车架组支撑梁形状为两个三角形构成，提高了车架组的稳定性。如图10所示。

停车后，会有横杆卡住自行车，实现自锁，防止自行车后滑的危险和自行车丢失的可能。如图11所示。图9防倾倒凹槽轨道图10三角支撑梁图11自锁装置3.5斜拉杆组的应用图9防倾倒凹槽轨道图10三角支撑梁图11自锁装置应用了斜拉杆组，可以通过调节调节杆组缓解前后框架组受到的影响，同时前后由横梁连接，提高了整体结构的稳定性和安全性，如图12所示。图12斜拉杆连接组3.6电机联轴驱动设计为保证两侧链轮同步运动，用固定式联轴器将连杆与电机轴相连，并在两侧放置立式轴承座，最大限度地去除掉各个方向的相对位移，保证电机轴与连杆在同一轴线上，如图13所示。

图13电机联轴驱动3.7程序设计实时记录车位情况：系统内部可以记录当前车位状况，若有空车位时，系统会根据记录的情况，提供给用户选择。同时系统内部可以根据底层车位与用户选择的车位之间的位置选择最节省时间的运动路径。防盗提醒系统：当自行车停放后用户没有放下横杆会发出警报声提醒用户。断电记忆功能：当装置异常断电时，系统内部依然会保留断电之前的数据，在装置重新启动后不影响正常的使用。4停车装置设计计算4.1车架组的承重分析图14车架组受力简化图单个车架组在空载时重15以，假设一辆自行车的重量约为13kg4停车装置设计计算图14车架组受力简化图单个车架组在空载时重15以，假设一辆自行车的重量约为13kg，一个车架组可停放五辆自行车，当满载时，共重80kg，光轴直径为d=3cm，卡板厚度t=10cm。车架组的受力可简化为下图14所示。光轴所受剪力和挤压力分别为:F=0.5F=0.5x80x10/2=200NF^=F=80x10/2=400N光轴的剪切面积和挤压面积分别为:,兀d23.14x32A===7.065cm2s44A^=t•d=3x10=30cm2t=—=200X10=283.085MpaAs7.065Fbs400x105=—bsAbs=5=—bsAbs4.2斜拉杆组的受力分析由于斜拉杆组的四个分支结构相同，受力方式相同，所以以其中一个分支为例进行受力分析，可将其简化为下图15所示

一侧框架组重40一侧框架组重40kg,轴销直径d=1.5cm，钢板厚t=1.5cm轴销受到的剪力和挤压力分别为：F=F/6=0.5x40x10/6=33.3NF^=F/3=0.5x40x10/3=66.7N光轴的剪切面积和挤压面积分别为a兀d23.14x1.52A===1.766cm2sA=t-d=1.5x10=15cm2…竺=33^=188.54MpaAs1.7665bsAbsFbs66.7x5bsAbs~——=44.4Mpa4.3链条和链轮尺寸的选取由于模型制作是以实物为基础进行的缩放，在材料、形状、受力方式上相同，体积与质量也可近似当做比例缩减，所以在这里以模型的设计为例：车机组简化成尺寸平面矩形，由于要保证在旋转过程中车架组之间无碰撞，以矩形表示车

架组，圆形表示链轮，则由图示可知两相邻车架组位置关系及尺寸标注见图16。当(h-b)<h时，若使相邻两个车架组不发生碰撞，则有x-—>x+-212212即Rcos(兀一以一。)-—>-RcosP+—22当式子中R或a越大时，两车越能避免相撞。同时考虑设计的美观性，a至少为攵，水平间距至少为dmm,则R>土^，因为有832个车架组且间距相同，链板个数应该为偶数个，所以所需一条链条长度约为L=8Ra.根据模型尺寸，配合链条及链轮的尺寸规格表查询，采用试凑法，反代入上述式子中验证，最终选定160链节08B型号的链条及27齿08B型号的链轮配合较为合适。图16相邻车架组位置关系及尺寸4.4电机的规格选取由于模型制作是以实物为基础进行的缩放，在材料、形状、受力方式上相同，体积与质量也可近似当做比例缩减，所以在这里以模型的设计为例：根据上述所选链条型号两条链条质量约为m1=2x160x12.700/1000x0.69=2.80^g链轮质量约为m2=4x0.4=1.6kg空车架组质量约为m3=6x0.5=3.0kg光轴质量约为m4=8x0.394x(506/1000)=1.196kg总重量约为M=m1+m2+m3+m4=8.60kg所选27齿直径为114mm的链轮转矩约为T=MR=8.60x(11.4/2)=49.02kg-cm根据整体模型所选电机为额定电压为DC12V1280的GW4058-31ZY涡轮蜗杆减速电机，查表选择额定转矩为60kg-cm，最大转矩为70kg-cm的电机4.5轨道的尺寸设计由于模型制作是以实物为基础进行的缩放，在材料、形状、受力方式上相同，体积与质量也可近似当做比例缩减，以模型的设计为例：根据上述所选链条及链轮型号可知：链条轨道直径d=230mm，链条节距P=12.700mm，内链板高度h2=11.80mm，链扣孔

至链板孔的圆心距C=25.35mm根据以上数据画出车架组的运动简图17,将车架组滑轮位置简化成178mmx135mm的矩形，小滑轮直径为17mm,可画出小滑轮圆心运动轨迹所在的圆上，直径经测量为280.35mm。图17运动简图4.6旋转时间计算由于模型制作是以实物为基础进行的缩放，在材料、形状、受力方式上相同，体积与质量也可近似当做比例缩减，以模型的设计为例：选取电机额定转速为乃］=30r/min，拟给定转速约为n2=20r/min选取链轮直径为d=114mm，链条总长为L=160x12.7=2032mm电机每转一圈移动的线距离为x=nd旋转一周需要电机转动L/x=5.67圈则旋转一周用时T=5.67/20x60=17.01s则从最底层车架组运动到最顶层车架组只需要旋转半周，用时T为17.01/2=8.5055,在用户可接受的时间范围内。

5装置成本核算垂直循环自行车停车装置所有材料成本核算如下:序号品名单价/元数量总价/元11515铝材83024021515铝材角件0.81301043L型连接板2.520504T型螺母0.35001505六角螺母0.04300126螺丝0.081000807垫片0.021000208滑轮1.6701126滚针0.580409光轴15812010花篮螺丝361811拉杆764212立式轴承座3.61243.213涡轮蜗杆减速电机6916914联轴器8-842815铝板40280164mm透明亚克力板154060017链条4529018链轮28411219小车52