引言

在人流量較大的公共場所內,因停車位有限而需求量較大引發(fā)的自行車亂停亂放現象已嚴重損害了城市形象,影響人們的正常出行。為緩解自行車停車難問題,本研究小組自主設計了一種操作簡便、維護容易、占地面積小的自行車立體停放裝置,裝置結構如圖1所示。停放時推動自行車進入裝置,前輪置于支撐架上,支撐架上的車輪夾緊件張開夾緊車輪,依靠滑塊在線性導軌上的垂直運動帶動自行車上升或下降。

該裝置結構簡單,操作省力,具有普遍性,可適用于目前大多數的私人自行車和共享單車。前輪夾緊件是停車裝置的關鍵零件,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。這種設計方案與采用控制系統的夾緊件[1]及機械裝置的夾緊件相比,未涉及電動控制,因而大大降低了生產成本,避免了使用過程中的調試及維護工作。夾緊件在張開后應能夠依靠夾緊力夾緊車輪,避免由于自行車重力作用產生車輪打滑現象: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軟件對車輪夾緊件進行有限元分析,校核其強度?；谧孕熊囃７胚^程的運動仿真結果,計算并校核夾緊力大小,以保證關鍵零件滿足使用性能要求,為夾緊件的可行性設計提供理論依據。

1自行車動力學受力分析

參考常規(guī)車型查取自行車的數據資料:整車質量考慮取15kg,單個車輪質量為1kg,車輪直徑為630mm,兩輪間的中心距為800mm。采用UG軟件對自行車的存放和取用過程進行運動仿真,獲得取用時自行車起始下降時刻(此為夾緊件的危險狀態(tài))整車架的質心加速度為189mm/s2,前輪加速度為60.5mm/s2。忽略后輪與地面的滾動摩擦,自行車受力如圖2所示,其中f為夾緊件夾緊時對前輪的向上靜摩擦力。由質心運動定理和動量矩定理得出動力學方程以求解靜摩擦力,代入自行車的尺寸和質量數據后得到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,其本身對夾緊件的剛度影響不大,在有限元分析時忽略剎車片,夾緊件的幾何構型如圖3所示。

夾緊件材料選擇聚氯乙烯PVC,因其具有高強度、耐腐蝕、質量輕、加工方便等優(yōu)點。材料彈性模量為3.0GPa,屈服強度為40MPa,泊松比取為0.33。計算中考慮了構件變形的幾何非線性效應,對夾頭的兩個夾緊面定義耦合約束參考節(jié)點,根據車輪寬度考慮在參考節(jié)點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)點二次六面體)實體單元對夾緊件進行網格離散。

3結果分析

3.1夾緊件Mises應力云圖分析

當車輪進入夾緊件迫使夾頭張開時,模擬結果顯示U形體拐角處出現應力集中現象。U形體與夾頭連接處和U形體拐角處應力較大,整體應力小于材料的屈服強度,如圖4所示。

結合以上結果,筆者分析認為,夾緊件在工作過程中始終處于彈性變形狀態(tài),強度滿足使用要求。

3.2校核夾緊力大小

通過ABAQUS計算結果文件獲取參考節(jié)點所受到的反作用力,此力即為夾緊件對車輪的夾緊力,其值為234N。設車輪與夾緊面之間的摩擦系數為0.4,根據庫侖摩擦定律,夾緊件工作時兩個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力學受力分析時計算得到的靜摩擦力,可以認為夾緊件工作時能夠提供足夠的夾緊力,滿足使用要求。

4結論

綜上所述,可得出如下結論:

(1)夾緊件張開工作時發(fā)生的變形為彈性變形,強度符合使用要求。

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