引言

在人流量較大的公共場所內(nèi),因停車位有限而需求量較大引發(fā)的自行車亂停亂放現(xiàn)象已嚴(yán)重?fù)p害了城市形象,影響人們的正常出行。為緩解自行車停車難問題,本研究小組自主設(shè)計(jì)了一種操作簡便、維護(hù)容易、占地面積小的自行車立體停放裝置,裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示。停放時(shí)推動(dòng)自行車進(jìn)入裝置,前輪置于支撐架上,支撐架上的車輪夾緊件張開夾緊車輪,依靠滑塊在線性導(dǎo)軌上的垂直運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)自行車上升或下降。

該裝置結(jié)構(gòu)簡單,操作省力,具有普遍性,可適用于目前大多數(shù)的私人自行車和共享單車。前輪夾緊件是停車裝置的關(guān)鍵零件,其可靠性將直接影響裝置能否正常工作。固定于支撐架上的夾緊件的工作原理類似于普通夾子,當(dāng)車輪推入夾緊件后迫使其張開發(fā)生彈性變形而夾緊車輪。這種設(shè)計(jì)方案與采用控制系統(tǒng)的夾緊件[1]及機(jī)械裝置的夾緊件相比,未涉及電動(dòng)控制,因而大大降低了生產(chǎn)成本,避免了使用過程中的調(diào)試及維護(hù)工作。夾緊件在張開后應(yīng)能夠依靠夾緊力夾緊車輪,避免由于自行車重力作用產(chǎn)生車輪打滑現(xiàn)象:夾緊件也不能剛性太大,造成前車輪推入困難,以致停車裝置不能正常工作。

本文采用ABAQUS軟件對(duì)車輪夾緊件進(jìn)行有限元分析,校核其強(qiáng)度。基于自行車停放過程的運(yùn)動(dòng)仿真結(jié)果,計(jì)算并校核夾緊力大小,以保證關(guān)鍵零件滿足使用性能要求,為夾緊件的可行性設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1自行車動(dòng)力學(xué)受力分析

參考常規(guī)車型查取自行車的數(shù)據(jù)資料:整車質(zhì)量考慮取15kg,單個(gè)車輪質(zhì)量為1kg,車輪直徑為630mm,兩輪間的中心距為800mm。采用UG軟件對(duì)自行車的存放和取用過程進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真,獲得取用時(shí)自行車起始下降時(shí)刻(此為夾緊件的危險(xiǎn)狀態(tài))整車架的質(zhì)心加速度為189mm/s2,前輪加速度為60.5mm/s2。忽略后輪與地面的滾動(dòng)摩擦,自行車受力如圖2所示,其中f為夾緊件夾緊時(shí)對(duì)前輪的向上靜摩擦力。由質(zhì)心運(yùn)動(dòng)定理和動(dòng)量矩定理得出動(dòng)力學(xué)方程以求解靜摩擦力,代入自行車的尺寸和質(zhì)量數(shù)據(jù)后得到f=51.43N。

2有限元分析

自行車車輪夾緊件由U形體、夾頭和剎車片組成?？紤]到剎車片僅起到增大與自行車車輪表面摩擦力的作用,其本身對(duì)夾緊件的剛度影響不大,在有限元分析時(shí)忽略剎車片,夾緊件的幾何構(gòu)型如圖3所示。

夾緊件材料選擇聚氯乙烯PVC,因其具有高強(qiáng)度、耐腐蝕、質(zhì)量輕、加工方便等優(yōu)點(diǎn)。材料彈性模量為3.0GPa,屈服強(qiáng)度為40MPa,泊松比取為0.33。計(jì)算中考慮了構(gòu)件變形的幾何非線性效應(yīng),對(duì)夾頭的兩個(gè)夾緊面定義耦合約束參考節(jié)點(diǎn),根據(jù)車輪寬度考慮在參考節(jié)點(diǎn)上分別施加張開位移載荷5mm,并在夾緊件的底面施加固定約束。采用C3D20R(20節(jié)點(diǎn)二次六面體)實(shí)體單元對(duì)夾緊件進(jìn)行網(wǎng)格離散。

3結(jié)果分析

3.1夾緊件Mises應(yīng)力云圖分析

當(dāng)車輪進(jìn)入夾緊件迫使夾頭張開時(shí),模擬結(jié)果顯示U形體拐角處出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。U形體與夾頭連接處和U形體拐角處應(yīng)力較大,整體應(yīng)力小于材料的屈服強(qiáng)度,如圖4所示。

結(jié)合以上結(jié)果,筆者分析認(rèn)為,夾緊件在工作過程中始終處于彈性變形狀態(tài),強(qiáng)度滿足使用要求。

3.2校核夾緊力大小

通過ABAQUS計(jì)算結(jié)果文件獲取參考節(jié)點(diǎn)所受到的反作用力,此力即為夾緊件對(duì)車輪的夾緊力,其值為234N。設(shè)車輪與夾緊面之間的摩擦系數(shù)為0.4,根據(jù)庫侖摩擦定律,夾緊件工作時(shí)兩個(gè)夾緊面所能提供的最大靜摩擦力為187.2N。此值大于前述自行車動(dòng)力學(xué)受力分析時(shí)計(jì)算得到的靜摩擦力,可以認(rèn)為夾緊件工作時(shí)能夠提供足夠的夾緊力,滿足使用要求。

4結(jié)論

綜上所述,可得出如下結(jié)論:

(1)夾緊件張開工作時(shí)發(fā)生的變形為彈性變形,強(qiáng)度符合使用要求。

(2)夾緊件張開時(shí)能夠夾緊車輪,使車輪在豎直停放狀態(tài)下不會(huì)出現(xiàn)車輪打滑的危險(xiǎn)情況,符合使用要求。