自行车立式停放装置的设计

庞小兵 刘 健 李恩会 刘恩震 宋雨情

（长沙学院 机电工程学院，长沙 410022）

1 设计背景

经过长期调研发现，各城市特别是北方大城市，存在自行车堆积拥堵和乱停乱放的现象。尤其是共享单车的出现，使自行车停放混乱问题愈加严重，严重影响市民出行和市容市貌。目前，一些地方的政府部门正在积极建立自行车停放设施，以解决自行车乱停放问题。河北省住建厅在《关于进一步做好互联网租赁自行车有关工作的通知》中提出：轨道交通车站和公共交通换乘枢纽必须设置自行车停车设施；集散量较大的公交车站要尽可能设置自行车停车设施，并为自行车驻车换乘提供良好和方便的条件[1]。长沙市住建委出台了《2018年长沙市“一圈两场三道”轨道站点示范区建设实施方案》指出：要在自行车停车区与站点出入口50 m以内，根据用地条件，在人行道树间或建筑退让地等区域布设自行车停车设施[2]。此外，山东等地也要求加快自行车停车设施建设。可见，自行车停车设施是当下社会公共交通枢纽必不可少的交通设施。

在十几年前，日本、韩国、新加坡以及荷兰等国家大力研究与发展双层横式自行车停车架，设施设备相当完善。双层横式自行车停车架上层车架多采用垂直升降式、抽拉式和直压式等方式，使用比较费力，存取步骤烦琐，安全性差。近几年出现了立式自行车停车架，优点是停放占用空间比横式节省40%，有效减少了自行车停车用地面积。据调研，目前立式自行车停放装置主要采用人力使自行车立起来，有些采用助力装置，但操作步骤烦琐。例如，敬爽设计的一种新型直立式自行车停放装置，停车时先固定前轮，再使自行车立起来，取车需要两步操作。本文设计的自行车立式停放装置存取车只需要一次操作即可完成，操作简单便捷，有效解决了自行车停放难题。

2 停放装置的设计

2.1 设计方案

自行车立式停放装置整体示意图，如图1所示，包括卡位器、拉簧和立轨。如图1（b）所示，立轨上有凹槽，卡位器安装在立轨凹槽处。立轨下部固定两个卡块，用于固定卡位器。本装置采用拉簧助力，拉簧布置在立轨凹槽内，一端连接立轨上端，另一端连接卡位器。

图1 自行车立式停放装置整体示意图

停车时，只需将自行车前轮对准卡位器，并向前推动自行车，使自行车前轮滚上卡位器。卡位器将自动夹住自行车前轮，同时卡位器松开立轨上卡块。在拉簧作用下，卡位器沿立轨导槽上升，并带动自行车前轮随之上升，直到自行车竖立起来，完成停车动作。取车时，用户向后拉动自行车，自行车前轮由于自重作用压下卡位器，使卡位器沿立轨下降。当卡位器下降到立轨底部时，卡位器会被立轨上卡块锁住，同时卡位器释放自行车前轮，用户可将自行车前轮从卡位器拉出，完成取车动作。自行车立式停放装置结构图，如图2所示。

图2 自行车立式停放装置结构图

2.2 卡位器设计

如图3所示，卡位器的作用是夹紧自行车前轮与提升自行车联动、下放行车与释放自行车前轮联动，由基本体、夹紧机构、联动锁止机构和保险机构组成。

图3 卡位器结构示意图

2.2.1 基本体

基本体由基本架、引导架、支撑架和滚轮组成，主要功能是支撑自行车前轮。导向架引导自行车前轮压下压舌，支撑架可托住前轮，安装在基本架两侧的滚轮，使卡位器在立轨上的滑动摩擦变为滚动摩擦。

2.2.2 夹紧机构

夹紧机构由支座、卡夹、压舌、卡夹销轴、压板和压板复位弹簧组成，主要功能为夹紧和释放自行车前轮[3]。支座固定在基本架上，两个卡夹分别通过卡夹销轴安装在支座上，且可绕卡夹销轴转动。扭簧安装在卡夹销轴上，使两个卡夹向两侧张开。压板上短轴插入基本架孔内，短轴另一端连接顶块，短轴上安装压板复位弹簧。压板内表面与两个卡夹短端接触，当压下压板时，两个卡夹绕卡夹销轴转动，两个卡夹长端向中间靠拢夹紧自行车前轮。压板在压板复位弹簧作用下复位时，两个卡夹在扭簧作用下向两侧张开释放自行车前轮。

2.2.3 联动锁止机构

联动锁止机构结构示意图，如图4所示，由顶块、锁块、锁块复位弹簧、导销、杠杆、销轴、锁钩和锁钩复位弹簧组成[4]。顶块为楔形块，楔形块的大端靠近基本架一侧，在卡夹释放状态。楔形块的侧面（即斜面）与锁块贴合。锁块安装在两导销上，且可沿导销滑动。锁块复位弹簧可将锁块推向中间位置。杠杆通过销轴安装在基本架上，可绕销轴转动，一端插在锁块凹槽内。锁钩插入杠杆方形孔内，可在杠杆孔内滑动。锁钩复位弹簧一端连接杠杆，另一端连接锁钩限位销，作用是将锁钩拉回杠杆方形孔内。

图4 联动锁止机构结构示意图

2.2.4 联动锁止机构工作原理

联动锁止机构的主要作用是控制卡夹的开合，同时锁止或解锁卡位器，采用滑块与可变杠杆结构[5]。可变杠杆由杠杆与锁钩组成。由于锁钩可在杠杆孔内伸缩改变长度，故称为可变杠杆[6]。通过改变杠杆长度，保证可靠地锁止或解锁卡位器。

未停车时，卡位器在立轨下端，联动锁止机构的锁钩钩在卡块上。在拉簧的作用下，卡位器沿立轨上移，锁钩从杠杆孔中伸出，直到锁钩限位销顶住杠杆限位槽底部，卡位器被卡块锁止不能上升，如图5所示。

图5 未停车时的结构示意图

停车时，自行车前轮滚到卡位器的支撑架上。由于卡位器受到拉簧向上的较大拉力，卡位器不会沿立轨下降。当自行车前轮压下压舌式，压舌压下压板，会使两个卡夹长端夹紧自行车前轮[7]。压板在下压过程中，通过短轴下压顶块，使顶块通过斜面推动两个锁块分别沿导销向两侧移动，再由两个锁块拨动两个杠杆上端分别绕销轴向两侧转动，同时两个杠杆下端分别拨动两个锁钩向中间移动，如图6所示。

图6 锁钩即将脱开卡块时的结构示意图

当顶块最大截面向下移动到锁块斜面下端的瞬间时，锁钩随杠杆向中间移动并脱离卡块，同时锁钩在锁钩复位弹簧的作用下缩回杠杆孔内，如图7所示。当顶块向下越过锁块后，锁块在锁块复位弹簧的作用下向中间移动，并夹住压板上短轴。此时，顶块被两锁块挡住不能复位，从压板和卡夹也不能复位，两个卡夹长端将夹紧自行车前轮。同时，锁钩脱开卡块，基本架在拉簧的作用下沿立轨导槽上升，并带动自行车前轮随之上升，直到自行车竖立起来，停车动作完成。

图7 锁钩脱开卡块时的结构示意图

如图8所示，取车时，用户向后拉动自行车。自行车前轮受重力作用压下卡位器，使卡位器沿立轨下降。当两个锁钩斜面分别与两个卡块斜面接触时，两个锁钩分别被两个卡块斜面推动向中间移动。两个杠杆下端分别绕销轴向中间转动，同时两个杠杆上端分别绕销轴向两侧转动，从而推动两个锁块沿导销向两侧移动。当锁钩斜面向下移动到卡块斜面最下端时，顶块和压板复位，两卡夹释放自行车前轮。同时，两个锁块在锁块复位弹簧的作用下推动两个杠杆上端向中间移动，同时两个杠杆下端向两侧移动，推动锁钩钩住卡块，从而使卡位器被卡块锁住。当卡位器下降到立轨下端时，卡位器被卡块锁住，同时卡夹释放自行车前轮，用户后拉自行车，可将自行车前轮从卡位器拉出，完成取车动作。

图8 锁钩斜面与卡块斜面接触时的示意图

自行车前轮离开卡位器时，基本架在拉簧的作用力下沿立轨向上移动。同时，锁钩从杠杆孔中伸出，直到锁钩限位销顶住杠杆限位槽底部，卡位器不再移动。

可变杠杆使锁钩在杠杆孔内滑动，杠杆顶端到销轴的距离不变[8]。基本架要脱开卡块上升时，锁钩从杠杆孔中伸出，使得锁钩到销轴的距离变长。锁块移动较小距离可使锁钩移动较大距离，保证锁钩能从卡块处脱开。由于锁钩缩回杠杆孔内，锁钩处于卡块上方，保证顶块压下时锁钩复位不会重新卡住卡块。基本架沿立轨下降时，锁钩处于缩回杠杆孔内的状态，锁钩到销轴的距离变短。锁钩移动较小距离可使锁块移动较大距离，保证顶块能可靠 复位。

2.2.5 保险机构

当用户误碰压块或卡位器损坏时，可能使卡位器解锁并沿立轨上弹，可能会对人员造成人身伤害[9]。为了保证人员的人身安全，设计了保险机构，如图9所示。保险机构由压舌、压舌支座、销轴、自行车刹车皮和扭簧组成。压舌支座固定安装在基本架上，压舌通过销轴安装在压舌支座上，销轴上安装扭簧，压舌短端安装自行车刹车皮。未停车时，在扭簧的作用力下，压舌短端压向立轨，自行车刹车皮与立轨表面产生摩擦力，使卡位器不能沿立轨上移。此外，设计压舌和两卡夹形成三点，锁住车轮，防止车轮晃动，提高了装置的安全性。

图9 保险机构结构示意图

3 实物制造与测试

根据上述设计，制作了该自行车立式停放装置实物样机，如图10所示。

图10 自行车立式停放装置实物样机

立轨和卡位器基本架采用厚度为2 mm的304不锈钢板冲压成型，拉簧线径为1.6 mm，直径为18 mm（含钩长度）。该装置可存放轮胎宽度38～51 mm、最大轮胎直径为61 cm、最高质量达20 kg的自行车。

可通过单个排放、双层排放或伞状排放等形式使用本装置，通过不同角度排列布置，实现了自行车规则、整齐排放，改善了停车环境。

4 结论

通过实物作品加工制造并进行实际测试和应用，证明了该装置操作简单、安全省力以及布置方式灵活，可根据不同场地条件的需求调整车架安装方式，以满足通道宽度需求，减少用地面积。本文的主要创新点有：

（1）联动锁止机构，采用滑块与可调节长度杠杆机构锁止和释放卡夹，实现了夹紧自行车前轮与提升自行车联动、下降自行车与释放自行车前轮联动；

（2）保险机构，采用压舌式，可以防止卡位器上弹伤人，结构简单可靠；

（3）压舌和两卡夹形成三点，锁住车轮，防止车轮晃动，提高安全性；

（4）拉簧助力，停取车轻便省力。