自行車立體停放裝置車輪夾緊件的可靠性分析

摘

要：研究了一種新型自行車立體停放裝置的關(guān)鍵零件——車輪夾緊件的使用性能問(wèn)題。采用ABAQUS軟件對(duì)車輪夾緊件進(jìn)行有限元分析，應(yīng)力分析結(jié)果表明：夾緊件工作時(shí)處于彈性變形狀態(tài)?；谧孕熊囃７胚^(guò)程的運(yùn)動(dòng)仿真結(jié)果，結(jié)合動(dòng)力學(xué)分析計(jì)算并校核了夾緊力，為夾緊件的可行性設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。關(guān)鍵詞：停放裝置；夾緊件；彈性變形；ABAQUS0

引言在人流量較大的公共場(chǎng)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(wèn)題，本研究小組自主設(shè)計(jì)了一種操作簡(jiǎn)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(kāi)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(jiǎn)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(kāi)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(guò)程中的調(diào)試及維護(hù)工作。夾緊件在張開(kāi)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?；谧孕熊囃７胚^(guò)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(guò)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(kāi)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(kāi)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(guò)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(guò)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(kù)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