摘 要

中国是自行车大国，近年来随着共享单车的发展，使得自行车停放问题成为困扰城市管理的严重问题。

本文设计了一种圆塔式立体单车库结构，通过采用立体化停车的方式，提高停车效率，减少自行车停放时的占地面积，并有效地对自行车进行集中管理，解决城市自行车停放难题。

并对驱动轴的受力情况进行有限元分析，验证其可靠性。

关键词： 单车库；有限元分析；自行车停放

Abstract

There are a large number of bicycles in China. In recent years, with the development of shared bicycles, the issue of bicycle parking has become a serious problem that has plagued urban management. This article through the solidworks software, designed a smart bicycle parking structure of the three-dimensional model, through smart and three-dimensional parking, improve parking efficiency, reduce the parking space when the bicycle, and effectively manage the bicycle, to solve City bike parking puzzle.

This paper mainly studies the structure of the round tower type three-dimensional bicycle parking, and carries out the finite element analysis on the stress of key components to verify its reliability.

The research results show that the structure design of the round tower intelligent three-dimensional bicycle parking is reasonable, and it can effectively improve the bicycle parking efficiency and reduce the bicycle parking area, and can solve urban parking problems to some extent.

The characteristics of this article: The use of solidworks to establish a three-dimensional model of a round tower smart three-dimensional bicycle parking, and the key components of the finite element analysis, the structure is reasonable and complete.

Key Words：bicycle parking；finite element analysis;the parking of bicycle

目录

摘 要 I

Abstract II

目录 III

第1章 绪论 1

1.1课题研究的背景 1

1.3 国内外研究现状 2

1.4课题研究内容 4

第2章 圆塔式智能单车库机械系统设计 5

2.1单车库设计要求 5

2.2单车库功能分析及方案确定 6

2.2.1单车库功能分析 6

2.2.2单车库的整体方案 7

2.3各子系统方案确定 9

2.3.1机械手推拉子系统 9

2.3.2升降子系统 12

2.3.3旋转子系统 13

2.3.5外部钢架结构 14

2.3.4自行车托架子系统 15

第3章 电机选型及关键零部件设计及有限元分析 18

3.1机械手推拉子系统电机选型 18

3.2旋转子系统电机选型 19

3.3机械手车轮夹板设计 21

3.4推拉部分 21

3.5驱动轴的有限元分析 24

第4章 总结与展望 27

4.1总结 27

4.2 展望 27

参考文献 28

致谢 30

第1章 绪论

1.1课题研究的背景

自行车是日常生活中主要的交通工具之一。现代城市道路交通拥堵，能源消耗严重，随之带来了环境污染、城市环境恶化等问题，直接影响城市居民的居住生活环境。自行车交通具有节能、环保的优势，是城市内部短距离交通发展的重要方向。

随着共享单车浪潮席卷全国，摩拜、ofo等品牌的共享单车遍布全国各大中城市，在为我们的生活带来便利的同时，也使得本来就较为混乱的城市自行车停放及管理问题更加突出。乱停乱放的自行车占据了大量的道路空间，影响了城市环境，造成了交通拥堵问题，甚至产生了一系列的安全问题。同时，共享单车和私人自行车的丢失问题一直突出，而且自行车一旦丢失也难以找回，给个人和共享单车企业造成了不小的经济损失。

2015 年全国自行车产量达到8030 万辆，随共享经济兴起，各大共享单车企业投放了大量单车，截至2017年7月，共享单车投放量超过1600万辆。单车的管理问题日益突出，北京、上海等城市纷纷约谈共享单车企业，试图解决单车乱停乱放的问题，单车企业研究和推进“电子围栏”技术，通过技术手段和共享单车的定位系统约束乱停乱放的问题。深圳市试点采用行政手段，建立单车停放区，对违停的市民采取罚款措施。杭州、天津等城市发展立体式自行车库，通过减小每辆自行车的占地面积的方式解决自行车停放问题。

然而目前面临的自行车乱停乱放问题，还没有能够彻底解决的方案，大多数城市还是通过人工管理的方式，缓解自行车乱停乱放的问题，以求减少对城市正常交通和市容的影响。以武汉为例，主要的交通路口摆放了大量的共享单车，虽然摆放比较整齐，但是仍然占用了大量的人行道面积，给行人带来了诸多不便。

1.2 课题研究的目的及意义

为了解决单车停放占地面积过大问题，本文希望设计一款圆塔式智能立体单车库的结构，占地面积30平方米左右，总数量可以停放80-100辆单车。需要停车时，用户将自行车放在指定的位置后，用户将获得一张ID卡，机械手将自行车抓入，车库将自行车自动放在托架上存放。取车时，用户刷ID卡后，车库自动将自行车从托架上取下，送到指定位置，用户取走自行车即可。

该设计相比与传统的停车方式，该新型单车库有以下优势：

1.单车库采用了立体存放的方式，仅需30 m²左右即可停放80多辆自行车，并可以根据实际需求加高，大量减少每辆自行车的占地面积，提高土体使用率，对于寸土寸金的城市而言意义重大。

2.统一智能化管理解决了困扰市容市貌的自行车乱停乱放的问题，自行车被存放在封闭建筑物内，同时美化了环境。

3.全自动自行车存取过程，不需要管理人员参与，节省了大量的管理费用，存在停车点的自行车没有被盗风险，避免了自行车被盗的现象出现，解决了中国自行车丢失率居高不下的现实情况。

1.3 国内外研究现状

目前城市中的自行车停放方式比较简单，主要是为自行车用户提供一块停放自行车的专用场地和锁车使用的固定桩。主要的停放方式有三种。

第一种是只提供一块画线的空地供自行车用户自由停放自行车，主要出现在商场门口和商圈附近。这种方法停放自行车管理粗放，用户停放非常不整齐，丢失率很高。

图1.1 画线停车场

第二种停车方式是对画线停车场的改进，加装了锁车桩，用户直接将自行车停放在固定的停车桩上，改善了乱停放和丢失问题。但是占地面积比较大。

图1.2 自行车停车桩

第三种停车方式是建设停车库，车库建设在空地上，周围有围栏，停车处有遮雨棚。有些城市对于这种停车库进行了改进，车库分为2层，提高了土地使用效率。这种停车方式属于集中管理，虽然解决了乱停放的问题，丢失率也会降低，但是占用了很大的面积，在地价昂贵的城市中心区这种方法成本很高。

图1.3 自行车停车桩

智能停车场应用还很少，目前处于起步阶段，下面主要介绍日本和天津的立体智能自行车停车库。

日本技研制作所有限公司在日本东京品川区品川车站建设了一个自行车库，该车库建设在地下，最深处达到11 m，地上部分占地极小，由于其时尚的外观，为城市景色增色不少。

2017年，天津职业技术师范大学的全自动智能单车库投入使用，用户只需要将自行车放置在指定为之后，刷ID完成存取车，不需要人工管理。

由于自能化自行车库在世界范围内普及程度很低，随着城市土地价格不断上涨和城市管理要求的不断提高，发展前景广阔。

1.4课题研究内容

设计圆塔式智能立体单车库的结构，要求占地30平方米左右，高度不超过6米，每层停放20-24辆单车，总数量可以停放80-100辆单车，停车式单车放到入口处，自动存入车库。存车过程为机械手拖拉单车到中心位置，然后由提升装置提升到指定层，旋转到指定车位，然后推入指定车位。设计的内容主要包括，单车库的外形设计，单车输送装置设计，抓取单车的机械手设计，升降旋转装置设计，存放单车的托架设计。

设计采用Solidworks 2010软件，该软件操作方便，功能强大丰富，与其他软件的兼容性好，可以缩短设计周期，在机械设计领域被各大公司广泛使用，市场占有率很高。软件交互设计合理，对使用者非常友好。同时具有三维数字模型建立功能和二维工程图出图功能，给设计者带来了很多便利。

第2章 圆塔式智能单车库机械系统设计

单车库要求是全自动存取自行车，所以单车库各个子系统的设计必须适应自动化的操作方式，对机械设计工作提出了更高的要求，各个子系统协作且不能有干涉。本章的主要工作就是确定单车库整体设计方案。

2.1单车库设计要求

因为该单车库建设在地面上，所以在设计单车库时必须考虑单车库的外形尺寸，包括占地面积和高度。同时还需考虑单车库的适用性、成本、安装难度等。毕业设计要求单车库占地面积30 m²左右，高度6 m左右。单车库内部需要考虑单车容量，单车尺寸，根据容量和单车确定内部空间各部分尺寸。

此外还应该遵循以下原则式单车库的整体设计更合理：

（1）实现预定的功能，满足运动和动力性能要求。

单车库的设计应该以实用性为首要目标，在用户将自行车停到指定位置之后，自行车必须被自动地存入车库，在此过程中，自行车不能倾覆，不能坠落，更不能被损坏。驱动车库完成存车动作的电机、电动缸等部件选型合适，能保证完成指定动作，并达到一定的使用寿命。各机构设计合理，不能存在干涉等问题。

（2）可靠性和安全性

车库材料的选择，机构的设计等必须确保可靠，不能在使用过程中出现安全事故。

（3）市场需要和经济性要求

在产品设计中，产品设计、销售及制造三方面自始至终都应该作为一个整体考虑^[3]。

自行车行业大致按照车圈尺寸对自行车进行尺寸划分，城市中自行车多为26寸，ofo共享单车和膜拜单车等也多为26寸，所以26寸自行车是城市中自行车的主流尺寸。只有个别公路赛车、老式自行车有28寸，在城市中比较少见，所以26寸同时也是单车库设计的自行车最大尺寸。不同尺寸自行车的主要外形尺寸特征见下表。

表2.1主流自行车关键尺寸

2.2单车库功能分析及方案确定

2.2.1单车库功能分析

为了确定单车库的设计方案，首先要明确单车库总功能，总功能贯穿整个机械设计流程，是总体方案确定和关键零部件设计的依据。明确总功能之后，化整为零，分成多个子子系统，各个子子系统之间相互协作，共同完成总功能。各个子子系统一般有多种方案，需要验证各个子系统的合理性之后，选择最合适的子系统，达到最终设计的效果^[1]。

单车库采取的是全自动化管理，用户存自行车的流程如下：

机械手将自行车抓入单车库

用户将自行车放在指定位置

自行车固定在该位置，用户获张ID卡，离开

机械手将自行车推入空停车位

升降装置提升自行车到指定空停车位

升降装置提升自行车到指定空停车位

存车完成，进入待机状态

机械手将自行车推入空停车位

图2.1 ********

图2.1用户存车流程图

用户取车的流程与存车类似，流程如下：

升降装置将自行车送到门口

机械手将自行车抓出车位

用户刷ID卡

机械手进入待机状态

用户取走自行车

机械手将自行车推出车库，固定在指定位置

图

图2.2用户取车流程图

2.2.2单车库的整体方案

综合总功能和毕业设计的要求，首先确定总体布局，由于停车库是圆塔式的，可以将自行车抓取和升降的部分布置在圆塔中心，自行车停车位分布在圆塔圆周的钢结构上。圆塔中心的抓取和升降部分可以旋转。

我们可以将子子系统分为：

1. 机械手推拉子系统

该子系统有一个机械手抓住自行车车轮，可以将自行车固定，保证自行车不会倾倒，提供的摩擦力可以以一定的加速度推拉自行车。机械手安装在一条导轨上，可以在电机的驱动下在导轨上前后滑动，完成推和拉的动作。该子系统主要完成将自行车从固定位置抓入车库的工作。

1. 升降子系统

机械手推拉子系统通过导轨安装在升降子系统上，升降子系统负责将自行车提升或下降到某一指定位置，来完成存车或者取车过程。同时升降子系统也起到固定和支撑作用，在圆塔中心，连接棚顶和地面。

1. 旋转子系统

旋转子系统应该布置在升降子系统底部，地面之上，负责将升降子系统旋转一定的角度，使机械手推拉子系统对准某一特定的车位，完成自行车推或拉的动作。

4.自行车托架子系统

自行车需要存放在指定位置，该车库是立体的，自行车必须分层停放在不同的高度，自行车托架子系统可以安装在建筑物上，固定和存放自行车。该子系统要求自行车由机械手推入后，自行车保持直立状态不能倾覆，位置固定不能发生滑动。

5．钢结构部分

该智能单车库的主体结构采用钢结构。因为相对与混凝土等其他结构而言，钢结构具有良好的延展性，抗震性能好，城市建筑的建设有一定的抗震性能要求；钢结构建筑建设过程比较灵活，钢结构构建一般可以在工厂中制造，施工现场比较整洁，主要完成切割和焊接工作；钢结构可以设计成大跨度，对于设计工作而言，灵活性更大；除此之外，钢结构还有自重低、成本低等特点^[2]。

自行车托架子系统固定在钢结构上，钢结构是车库的主体，负责承载整个建筑物的所有重量。由于自行车重量比较小，所以该结构的强度要求并不苛刻。

方案示意图如下：

机械手推拉平台

钢结构部分

图2.3车库主视图

图2.4车库俯视图

2.3各子系统方案确定

2.3.1机械手推拉子系统

机械手推拉平台的作用是将自行车抓住后拉入车库，或者将自行车推入自行车托架。所以机械手推拉平台有2个动作，抓住自行车和推拉自行车。所以将该子子系统细化成机械手部分和推拉部分。

2.3.1.1机械手部分

不同品牌的自行车往往尺寸不同，如果抓取的位置比较特殊，需要复杂的定位系统，可靠性不高。比如抓取车把，不同的自行车的车把高度不同，车把的宽度和车把钢管的直径都不同，所以对抓取机构定位的准确性提出了很大的挑战。所以选择前车轮作为抓取的目标，将自行车放在车库指定停车位置后，前车轮的位置相对固定，通过良好的设计，不需要很复杂的定位系统就可以适应不同型号的车轮。

图2.5机械手俯视图 图2.6机械手主视图

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