作品名稱：便攜式旋轉自行車停車機械裝置
學校名稱：西安思源學院
參賽隊伍：工業工程幺
參賽學生：范旭浩 張昊
指導老師：陳保國 郭潤平
隨著綠色出行，共享單車的觀念深入人心，自行車和電動車行業得到了空前發展。而“停車難”便是小型代步車迅速增長帶來的突出問題。針對汽車的停放，立體車庫以其占地面積小，停車效率高等優勢在社會上得到了很大認可。仿照立體車庫的設計,占地面積小、存取方便的立體自行車庫也隨之出現，這對自行車的存放有著重大意義。
當我們騎行自行車上班、購物、游玩時都需存放自行車,而現在基本就是在指定地點順序存放，如下圖1所示。這樣存放雖然方便,但是很不安全，且占地面積較大，所以設計一種占地面積小,存放方便而且安全的自行車車庫是很有必要的。目前我國進行環保建設,自行車停車產業市場前景廣闊。機械式自行車停車裝置的設計既可以大面積使用,也可以見縫插針設置,還能與地面停車場、地下車庫和停車樓組合實施,是解決城市停放自行車難的最有效的手段, 也是停車產業發展的必由之路。伴隨人類社會從高碳向低碳的轉型,自行車和共享單車的使用日漸頻繁,故而實現自行車的方便存放是必須的，而且可以通過自行車機械停車裝置的設置節約更多的空間來進行其余的建設。
圖1 現階段大部分的自行車停車場
現階段,國內外常見的大多都是立體車庫,針對自行車停車機械裝置基本沒有出現。如下圖2所示，是日本為自行車設計的停車庫，這個立體自行車庫就給我們提供了一種很好的設計思路,它的空間都位于地下,采用全自動的設計,只需將自行車放到平臺上,按下按鈕,自行車就會被存儲到地下車庫。而需要取車的時候只需將特定的取車卡在掃描儀上刷一下,自行車就會在半分鐘內被自動調出。一套這樣的車庫可以存儲9400輛自行車,每部車每天的花費也僅需100日元。
圖2 日本立體自行車庫
而對于我國，現在的自行車停放狀況都是雜亂無章,而且占用空間大，自行車安全也沒有保障,遇到陰天下雨的情況自行車還容易損壞。雖然現在有專門看管自行車的場所,也有一些自行車棚,但是仍然改變不了停自行車不方便的現狀。因此，本課題設計了一種旋轉半基坑式的自行車機械停車裝置，旨在解決我國作為自行車王國，在停放上出現的一些列問題。
一、 研究的方法或解決問題的方法
1總體方案的設計
本項目主要研究內容包括:結構設計，傳動系統，控制系統三方面。此設計主要先通過計算來確定自行車庫各運行機構正常工作時所承受的負載和扭力，通過結構的力學分析選擇步進電機的相關參數和型號，以及其他運行機構的控制元件相關參數。
由于設計內容要滿足停車裝置的要求,要完成的自行車庫主要是通過電控和傳動系統的相互配合，從而達到正常的功能運轉。通過人們按下存、取車功能按鈕,電控系統接到指令后按照內部設定程序一步步運行，將信息傳送給驅動器,利用驅動器的變頻調速控制各執行機構的平移、旋轉等功能,并且可以通過驅動器的反接相線控制電機正反轉改變各機構運行方向，控制驅動器對電機轉速的細分功能改變各執行機構
的運行速度，設計方案如圖3所示。
圖3自行車機械裝置
2旋轉機構的方案選擇
旋轉機構的方案選擇主要通過電動機帶動圓盤轉動，圓盤上配合傳送帶，電動機與圓盤之間的傳動方式選用兩種方案履帶傳動和輪齒傳動。
2.1履帶傳動
最初設計靈感來源于坦克履帶的傳動原理,如圖4所示。履帶行走結構應用條件惡劣，要求該行走機構具有足夠的強度和剛度，并具有良好的進行能力，可以克服足夠大的外界阻力。
圖4 坦克履帶傳動原理圖
1、履帶的結構
履帶是由主動輪驅動、圍繞著主動輪、負重輪、誘導輪和托帶輪的柔性鏈環。履帶由履帶板和履帶銷等組成，履帶銷將各履帶板連接起來構成履帶鏈環。
2、履帶工作原理
各履帶板的兩端有孔，通過與連接片配合，構成一個完整的履帶鏈，與主動輪嚙合，中部有誘導齒，用來規正履帶，并防止運行時履帶脫落，在與齒輪接觸時連接板之間的空隙與齒輪嚙合，以提高履帶傳動的平順和穩定。主、從動輪以及支撐結構用來支撐履帶鏈重量和規正履帶。
電動機的動力傳到主動輪上時,主動輪按順、逆時針方向轉動履帶,于是接地履帶和齒輪之間生產了相互作用力。根據力的作用與反作用原理,履帶沿水平方向給齒輪一個作用力,而齒輪給履帶一個反作用力,這個反作用力使履帶鏈運動,稱為履帶鏈的牽引力。
2.2輪齒傳動
輪齒傳動的特點：
（1）保證瞬時傳動比恒定,平穩性較高,傳遞運動準確可靠；
（2）傳遞的功率和速度范圍較大；
（3）結構緊湊、工作可靠,可實現較大的傳動比；
（4）傳動效率高,使用壽命長。
在輪齒中主動輪是帶動其他輪轉動的驅動輪，是將動力傳給其他輪。從動輪是被動的轉動。主動輪是直接連接電機的驅動系統（電機+調速器+傳動履帶等為電機傳動系統），傳遞電機上的扭矩，主動輪依靠與履帶鏈內側相接觸產生的咬合力來驅動履帶。而從動輪不直接傳動動力，只起到結構支撐及改變履帶方向的作用，其隨履帶一起運動。
圖5 主動輪結構
3電機參數
表1 電機型號及相關參數
產品類型 | 634JSX634-31ZY直流電動機 | 級數 | 3級 |
額定功率 | 15W | 額定電壓 | 12V |
額定轉速 | 1750 | 產品認證 | CCC |
圖6 電機
圖7 實物模型
3、相關理論計算
3.1模型結構尺寸參數：
表2 模型結構主要尺寸參數
| 長（cm） | 寬（cm） | 高/厚（cm） |
模型總體結構 | 82 | 27 | 43 |
停車板 | 20 | 8 | 2 |
自行車模型 | 17 | / | 11 |
連接片 | 7 | 1 | 0.4 |
U型鎖 | / | 2.2 | 7.5 |
圖8 停車板主視圖
圖9 連接片主視圖
圖10 U型鎖三視圖
4、工作原理
4.1 停車裝置的轉動原理
用電動機通過減速器減速，把高轉速低扭矩的轉為高扭矩低轉速的機械動力，使主動輪轉動，由主動輪和從動輪相互配合，實現停車帶的轉動。停車帶與兩轉動輪的配合利用了類似坦克車履帶的傳動原理，停車帶由停車板和銷等組成，銷將停車板聯接起來構成停車帶，停車板的兩端有孔，與主動輪嚙合，中間有支撐體系，用來規正和輔助支撐停車帶，使機構的傳動更加高效平穩。
4.2 停車裝置的停車原理
停車帶分為若干個停車板，每個停車板上停放一輛自行車，停車板上設有鎖緊裝置，用來防止自行車的水平及垂直方向上的移動。
鎖緊裝置分為兩部分，一部分是由U型鋼架構成，用來鎖緊自行車防止其水平移動，另一部分是由停車板上的固定鎖構成，防止其垂直方向的移動。
二、 結論
傳統的停車場如自行車停車架或停車棚存在太多缺點,建造成本雖然低廉，但只適合少量的自行車停放，若存放同樣多的自行車，傳統的停車場將會占用大范圍的土地面積，本次設計的自行車庫充分參考了其他自行車庫的設計理念，充分利用三維空間，有效地緩解了亂停亂放的問題。本車庫內設有的停車板，有效的防止車輛之間的碰撞，立體車庫不但美化城市，而且還具有防盜功能。當今世界的智能化越來越普及，智能化帶給人們高生活水平，節省人力、物力，智能化的立體自行車庫在未來的大都市中將具有重大作用。
本設計的自行車車庫機構簡單，利用了簡單的旋轉以及平移機構，加工簡單，安裝方便，存放簡單,只需要20多秒就可以存取成功，省時省力。適合應用在各種自行車停車場所。還具有以下優勢：
1）適用于所有類型的兩輪車停放。
2）便于維修，裝置由若干個停車板組成，便于更換維修。
3）節約空間，采用半基坑式停車裝置，可以更好的利用地下空間，節約地上空間。
4）占地面積小，提高空間利用率。一般情況下，其占地面積為平面停車場的1/3，空間利用率比自走式停車庫提高了70％。
5）管理方便，避免自行車亂擺放的問題，節省了不必要的人力，管理人員不需要二次擺放自行車。
6）操作簡單，車庫的旋轉是由一個電機帶動，電機由一個可逆開關來控制，操作人員可以通過車庫外面的開關來旋轉車庫，直到找到空余車位。
7）保護性好，為自行車提供可靠的庇護所，防止車輛暴露在外界環境下及具有一定的防盜功能。
8）智能化程度高，目前在國內存放自行車的裝置大多都是固定式框架或者固定的存放地點，這個裝置由電機控制元件帶動履帶旋轉，來改變車輛的位置，比現有的停車方式更加方便智能。
三、 可推廣應用的領域
（1）市政交通
（2）大中院校
（3）醫療機構
（4）企業單位
（5）住宅物業
（6）公園景區
（7）商業地產
四、參考文獻
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