自自行车立体停装置行轮夹紧件的可靠性分析

引言

在人流量较大的公共场所内,因停车位有限而需求量较大引发的自行车乱停乱放现象已严重损害了城市形象,影响人们的正常出行。为缓解自行车停车难问题,本研究小组自主设计了一种操作简便、维护容易、占地面积小的自行车立体停放装置,装置结构如图1所示。停放时推动自行车进入装置,前轮置于支撑架上,支撑架上的车轮夹紧件张开夹紧车轮,依靠滑块在线性导轨上的垂直运动带动自行车上升或下降。

该装置结构简单,操作省力,具有普遍性,可适用于目前大多数的私人自行车和共享单车。前轮夹紧件是停车装置的关键零件,其可靠性将直接影响装置能否正常工作。固定于支撑架上的夹紧件的工作原理类似于普通夹子,当车轮推入夹紧件后迫使其张开发生弹性变形而夹紧车轮。这种设计方案与采用控制系统的夹紧件[1]及机械装置的夹紧件相比,未涉及电动控制,因而大大降低了生产成本,避免了使用过程中的调试及维护工作。夹紧件在张开后应能够依靠夹紧力夹紧车轮,避免由于自行车重力作用产生车轮打滑现象:夹紧件也不能刚性太大,造成前车轮推入困难,以致停车装置不能正常工作。

本文采用ABAQUS软件对车轮夹紧件进行有限元分析,校核其强度。基于自行车停放过程的运动仿真结果,计算并校核夹紧力大小,以保证关键零件满足使用性能要求,为夹紧件的可行性设计提供理论依据。

1自行车动力学受力分析

参考常规车型查取自行车的数据资料:整车质量考虑取15kg,单个车轮质量为1kg,车轮直径为630mm,两轮间的中心距为800mm。采用UG软件对自行车的存放和取用过程进行运动仿真,获得取用时自行车起始下降时刻(此为夹紧件的危险状态)整车架的质心加速度为189mm/s2,前轮加速度为60.5mm/s2。忽略后轮与地面的滚动摩擦,自行车受力如图2所示,其中f为夹紧件夹紧时对前轮的向上静摩擦力。由质心运动定理和动量矩定理得出动力学方程以求解静摩擦力,代入自行车的尺寸和质量数据后得到f=51.43N。

2有限元分析

自行车车轮夹紧件由U形体、夹头和刹车片组成。考虑到刹车片仅起到增大与自行车车轮表面摩擦力的作用,其本身对夹紧件的刚度影响不大,在有限元分析时忽略刹车片,夹紧件的几何构型如图3所示。

夹紧件材料选择聚氯乙烯PVC,因其具有高强度、耐腐蚀、质量轻、加工方便等优点。材料弹性模量为3.0GPa,屈服强度为40MPa,泊松比取为0.33。计算中考虑了构件变形的几何非线性效应,对夹头的两个夹紧面定义耦合约束参考节点,根据车轮宽度考虑在参考节点上分别施加张开位移载荷5mm,并在夹紧件的底面施加固定约束。采用C3D20R(20节点二次六面体)实体单元对夹紧件进行网格离散。

3结果分析

3.1夹紧件Mises应力云图分析

当车轮进入夹紧件迫使夹头张开时,模拟结果显示U形体拐角处出现应力集中现象。U形体与夹头连接处和U形体拐角处应力较大,整体应力小于材料的屈服强度,如图4所示。

结合以上结果,笔者分析认为,夹紧件在工作过程中始终处于弹性变形状态,强度满足使用要求。

3.2校核夹紧力大小

通过ABAQUS计算结果文件获取参考节点所受到的反作用力,此力即为夹紧件对车轮的夹紧力,其值为234N。设车轮与夹紧面之间的摩擦系数为0.4,根据库仑摩擦定律,夹紧件工作时两个夹紧面所能提供的最大静摩擦力为187.2N。此值大于前述自行车动力学受力分析时计算得到的静摩擦力,可以认为夹紧件工作时能够提供足够的夹紧力,满足使用要求。

4结论

综上所述,可得出如下结论:

(1)夹紧件张开工作时发生的变形为弹性变形,强度符合使用要求。

(2)夹紧件张开时能够夹紧车轮,使车轮在竖直停放状态下不会出现车轮打滑的危险情况,符合使用要求。