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題。采用ABAQUS軟件對車輪夾緊件進行有限元分析，應力分析結(jié)果表明：夾緊件工作時處于彈性變形狀態(tài)?；谧孕熊囃７胚^程的運動仿真結(jié)果，結(jié)合動力學分析計算并校核了夾緊力，為夾緊件的可行性設計提供理論依據(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(jié)構(gòu)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(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(tǒng)的夾緊件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(chǎn)成本，避免了使用過程中的調(diào)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(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軟件對車輪夾緊件進行有限元分析，校核其強度。基于自行車停放過程的運動仿真結(jié)果，計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計提供理論依據(jù)。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(shù)據(jù)資料：整車質(zhì)量考慮取15kg，單個車輪質(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(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(zhì)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(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(gòu)型如圖3所示。夾緊件材料選擇聚氯乙烯PVC，因其具有高強度、耐腐蝕、質(zhì)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(gòu)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(jù)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(wǎng)格離散。3

結(jié)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(jié)果顯示U形體拐角處出現(xiàn)應力集中現(xiàn)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(jié)合以上結(jié)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(jié)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(shù)為0.4，根據(jù)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(jié)論綜上所述，可得出