CN115123430B - 基于物联网共享单车的定点还车自锁系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于物联网共享单车的定点还车自锁系统，包括两轮共享单车，两轮共享单车的车架上安装有轮圈自锁单元，轮圈自锁单元上的止动部件与两轮共享单车的钢圈的外侧环面摩擦配合；将两轮共享单车向前行驶时的钢圈的旋转记为钢圈的前进旋转；轮圈自锁单元包括X状态和Y状态，两轮共享单车到达预定还车区域后轮圈自锁单元进入X状态，用户从预定还车区域取车时轮圈自锁单元进入Y状态；摩擦锁定的压力是基于钢圈的前进旋转来实现的，不直接来自状态变换电机的扭矩，因此状态变换电机的输出扭矩可以很小，从而降低能耗。
Description
技术领域
本发明属于共享单车车锁领域。
背景技术
共享单车在国内产生之初，定点还车时的锁定过程必须依靠人工进行对机械密码锁进行锁定，这种需要人工来辅助锁定的模式需要大量用户普遍的自觉性，然而现实生活中不自觉的现象时有发生，因此在实践中是行不通的：
现有的共享单车已经出现了到点自动锁定的自锁装置了，但一般都是刚性锁定，一旦进入锁定状态，钢圈立刻无法旋转，这样如果系统出故障时，共享单车在高速行驶过程中，一旦系统错误进入锁定状态，造成自行车急停，骑行人员因惯性飞出的安全隐患；
下文不一定属于现有技术：
因此有必要设计一种基于摩擦力的非刚性锁定装置，这种基于摩擦力的非刚性锁定装置在锁定过程中不会导致自行车急停，由于基于摩擦力的锁定装置需要对止转部件施加一定的压力，因此锁定过程存在较大的能源损耗，这也是需要解决的问题。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于物联网共享单车的定点还车自锁系统，这种基于摩擦力的非刚性锁定装置在锁定过程中不会导致自行车急停。
技术方案：为实现上述目的，本发明的基于物联网共享单车的定点还车自锁系统，包括两轮共享单车，两轮共享单车的车架上安装有轮圈自锁单元，轮圈自锁单元上的止动部件与两轮共享单车的钢圈的外侧环面摩擦配合；将两轮共享单车向前行驶时的钢圈的旋转记为钢圈的前进旋转；轮圈自锁单元包括X状态和Y状态，两轮共享单车到达预定还车区域后轮圈自锁单元进入X状态，用户从预定还车区域取车时轮圈自锁单元进入Y状态；
在X状态下：钢圈的前进旋转带动轮圈自锁单元上的止动部件，使轮圈自锁单元上的止动部件与钢圈的外侧环面之间的滚动摩擦转变为静摩擦或滑动摩擦；
在Y状态下：钢圈的前进旋转带动轮圈自锁单元上的止动部件，使轮圈自锁单元上的止动部件与钢圈的外侧环面之间的滚动摩擦转变为相互分离。
进一步的，轮圈自锁单元位于共享单车后轮的钢圈的上端侧部。
进一步的，轮圈自锁单元的止动部件包括涡旋止动轮，涡旋止动轮的外周为轮廓为涡旋线状的涡线轮面；涡旋止动轮的涡线轮面与钢圈的外侧环面相切并摩擦配合。
进一步的，涡旋止动轮的涡旋中心处的轴承孔通过轴承同轴心设置有止动轮轴；涡旋止动轮绕止动轮轴转动，无论在X状态还是Y状态，止动轮轴的轴线均与所对应的共享单车的钢圈轴线垂直相交。
进一步的，轮圈自锁单元还包括状态变换机构，存在一个虚拟轴S，虚拟轴S与共享单车后轮的钢圈轴线平行，且虚拟轴S经过涡旋止动轮的涡线轮面与钢圈的外侧环面相切的切点；状态变换机构能带动止动轮轴和涡旋止动轮一同绕虚拟轴S转动。
进一步的，俯视视角的X状态下：涡旋止动轮的涡线轮面沿涡线顺时针方向逐渐远离涡线中心，将X状态下的涡线轮面记为顺旋状态；在X状态的基础上状态变换机构带动止动轮轴和涡旋止动轮一同绕虚拟轴S转动°后变为Y状态；俯视视角的Y状态下：涡旋止动轮的涡线轮面沿涡线顺时针方向逐渐靠近涡线中心，将Y状态下的涡线轮面记为反旋状态。
进一步的，状态变换机构包括外壳体，外壳体通过连接架固定连接在自行车车架上；外壳体内设置有一个轴线与虚拟轴S重合的中心转盘，驱动机构能驱动中心转盘绕轴线转动；中心转盘，中心转盘通过两连接件固定连接止动轮轴的两端；中心转盘远离涡旋止动轮的一侧同轴心一体化连接有内螺纹套，内螺纹套内的螺纹孔中同轴心螺纹传动连接有外螺纹柱，外螺纹柱远离内螺纹套的一端固定连接有竖向的浮动条，浮动条的上下端均设置有轴线与外螺纹柱轴线平行的导孔，两导孔内分别活动穿过有两导柱，两导柱远离浮动条的一端固定在导柱支架上；导柱支架的上下端分别固定连接两浮动条限位座，两浮动条限位座分别固定在外壳体的上壁.和下壁.上；导柱外套有拉力弹簧，拉力弹簧的两端分别固定连接导柱支架和浮动条，拉力弹簧对浮动条形成拉力；浮动条限位座上靠近浮动条的一侧设置有第一限位壁和第二限位壁，第一限位壁和第二限位壁之间为浮动条活动区间，在第一限位壁和第二限位壁的限位下，浮动条只能在浮动条活动区间内左右浮动。
进一步的，涡旋止动轮的涡线轮面最远离涡线中心的一端固定设置有磁性限位头，中心转盘上固定连接有永磁限位条；涡旋止动轮能使磁性限位头转动到限位接触永磁限位条的一端。
进一步的，涡旋止动轮的涡线轮面存在一个A点和一个B点，A点与涡线轮面的涡线中心的距离为L，B点与涡线轮面的涡线中心的距离为L；满足L＞L；在Y状态下，当涡线轮面的磁性限位头限位接触永磁限位条时，第一限位壁右侧限位接触浮动条，涡线轮面上的B点与钢圈的外侧环面之间形成间隙；如果内螺纹套相对外螺纹柱正转°，在螺纹传动作用下涡旋止动轮更加靠近涡线轮面，并使涡线轮面上的B点相切到钢圈的外侧环面，与此同时止动轮轴和涡旋止动轮一同绕虚拟轴S正转180°，从而进入X状态。
有益效果：本发明的利用了涡线轮面的几何特性，X状态下，涡线轮面上的A点与钢圈上的外侧环面相切时，第二限位壁限位接触浮动条，使浮动条无法继续右移，从而使涡旋止动轮无法继续逆时针转动，从而使涡旋止动轮与钢圈的外侧环面之间的滚动摩擦转变为静摩擦或滑动摩擦，进而起到锁定或抑制钢圈转动的作用，这种摩擦锁定的方式比刚性锁定更加安全，避免骑行时的急停造成的安全事故，同时摩擦锁定的压力是基于钢圈的前进旋转来实现的，不直接来自状态变换电机的扭矩，因此状态变换电机的输出扭矩可以很小，从而降低能耗。
附图说明
附图1为后轮钢圈示意图；
附图2为附图1的标记3处的放大示意图；
附图3为外壳体内部结构的第一视角示意图；
附图4为外壳体内部结构的第二视角示意图；
附图5为附图3的拆卸示意图；
附图6为齿轮柱与外齿轮配合示意图；
附图7为附图3的侧视图；
附图8为共享单车在正常骑行的过程中，轮圈自锁单元与钢圈的配合示意图；
附图9为在附图8的Y状态基础上转换成X状态的示意图；
附图10为在附图9的X状态的基础上进一步锁止钢圈的示意图；
附图11为在附图10的基础上转换成Y状态的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如附图1至11所示的基于物联网共享单车的定点还车自锁系统，包括两轮共享单车，两轮共享单车的车架上安装有轮圈自锁单元3，轮圈自锁单元3上的止动部件与两轮共享单车的钢圈1的外侧环面2摩擦配合；
如图1，将两轮共享单车向前行驶时的钢圈1的旋转记为钢圈1的前进旋转；轮圈自锁单元3包括X状态和Y状态，两轮共享单车到达预定还车区域后轮圈自锁单元3进入X状态，用户从预定还车区域取车时轮圈自锁单元3进入Y状态；
在X状态下：钢圈1的前进旋转带动轮圈自锁单元3上的止动部件，使轮圈自锁单元3上的止动部件与钢圈1的外侧环面2之间的滚动摩擦转变为静摩擦或滑动摩擦；
在Y状态下：钢圈1的前进旋转带动轮圈自锁单元3上的止动部件，使轮圈自锁单元3上的止动部件与钢圈1的外侧环面2之间的滚动摩擦转变为相互分离。
如图1，本装置的轮圈自锁单元3位于共享单车后轮的钢圈1的上端侧部。
如图3，轮圈自锁单元3的止动部件包括涡旋止动轮4，涡旋止动轮4的外周为轮廓为涡旋线状的涡线轮面6；涡旋止动轮4的涡线轮面6与钢圈1的外侧环面2相切并摩擦配合。
涡旋止动轮4的涡旋中心处的轴承孔通过轴承9同轴心设置有止动轮轴7；涡旋止动轮4绕止动轮轴7转动，无论在X状态还是Y状态，止动轮轴7的轴线均与所对应的共享单车的钢圈1轴线垂直相交。
轮圈自锁单元3还包括状态变换机构，如图7；存在一个虚拟轴S，虚拟轴S与共享单车后轮的钢圈1轴线平行，且虚拟轴S经过涡旋止动轮4的涡线轮面6与钢圈1的外侧环面2相切的切点；状态变换机构能带动止动轮轴7和涡旋止动轮4一同绕虚拟轴S转动；状态变换机构后文中有详细介绍：
如图8和11；俯视视角的X状态下：涡旋止动轮4的涡线轮面6沿涡线顺时针方向逐渐远离涡线中心，将X状态下的涡线轮面6记为顺旋状态；
在X状态的基础上状态变换机构带动止动轮轴7和涡旋止动轮4一同绕虚拟轴S转动180°后变为Y状态；
如图9和10；俯视视角的Y状态下：涡旋止动轮4的涡线轮面6沿涡线顺时针方向逐渐靠近涡线中心，将Y状态下的涡线轮面6记为反旋状态。
状态变换机构包括外壳体50，外壳体50通过连接架60固定连接在自行车车架上；外壳体50内设置有一个轴线与虚拟轴S重合的中心转盘10，驱动机构能驱动中心转盘10绕轴线转动；中心转盘10，中心转盘10通过两连接件5固定连接止动轮轴7的两端；
中心转盘10远离涡旋止动轮4的一侧同轴心一体化连接有内螺纹套13，内螺纹套13内的螺纹孔35中同轴心螺纹传动连接有外螺纹柱14，外螺纹柱14远离内螺纹套13的一端固定连接有竖向的浮动条16，浮动条16的上下端均设置有轴线与外螺纹柱14轴线平行的导孔15，两导孔15内分别活动穿过有两导柱17，两导柱17远离浮动条16的一端固定在导柱支架36上；导柱支架36的上下端分别固定连接两浮动条限位座19，两浮动条限位座19分别固定在外壳体50的上壁50.1和下壁50.2上；导柱17外套有拉力弹簧21，拉力弹簧21的两端分别固定连接导柱支架36和浮动条16，拉力弹簧21对浮动条16形成拉力，使浮动条16有做靠近导柱支架36运动的趋势；浮动条限位座19上靠近浮动条16的一侧设置有第一限位壁20和第二限位壁18，第一限位壁20和第二限位壁18之间为浮动条活动区间56，在第一限位壁20和第二限位壁18的限位下，浮动条16只能在浮动条活动区间56内左右浮动。
驱动机构包括同轴心一体化连接在中心转盘10外的外齿轮12，还包括固定在导柱支架36上的状态变换电机80，状态变换电机80的输出轴81上同轴心固定连接有轴向轮廓为齿轮轮廓的齿轮柱82，齿轮柱82与外齿轮12啮合，齿轮柱82上涂有润滑脂，使的齿轮柱82对外齿轮12沿轴线方向的运动阻力很小，可以忽略不计，使齿轮柱82与外齿轮12在啮合的同时还能沿轴线方向相对滑移；
涡旋止动轮4的涡线轮面6最远离涡线中心的一端固定设置有磁性限位头8，中心转盘10上固定连接有永磁限位条11；在Y状态下，涡旋止动轮4的逆时针转动能使磁性限位头8转动到限位接触永磁限位条11的一端，使涡旋止动轮4无法继续逆时针转动，同时永磁限位条11磁吸磁性限位头8，使涡旋止动轮4进入稳定状态。
涡旋止动轮4的涡线轮面6存在一个A点和一个B点，A点与涡线轮面6的涡线中心的距离为L1，B点与涡线轮面6的涡线中心的距离为L2；满足L1＞L2；
在Y状态下，涡线轮面6为反旋状态，当涡线轮面6的磁性限位头8限位接触永磁限位条11时，如图8，第一限位壁20限位接触浮动条16，避免浮动条16向左位移，这时拉力弹簧21对浮动条16仍然形成向左的拉力，涡线轮面6上的B点与钢圈1的外侧环面2之间形成间隙100，从而使涡旋止动轮4与钢圈1处于分离的状态；如果这时内螺纹套13相对外螺纹柱14正转180°，在螺纹传动作用下涡旋止动轮4更加靠近涡线轮面6，并使涡线轮面6上的B点相切到钢圈1的外侧环面2，与此同时止动轮轴7和涡旋止动轮4一同绕虚拟轴S正转180°，从而进入X状态，如图9，且涡线轮面6为正旋状态；如果这时钢圈1开始前进旋转，则钢圈1上的外侧环面2带动与之相切的涡旋止动轮4逆时针转动，直至涡线轮面6上的A点与钢圈1上的外侧环面2相切时，如图10，第二限位壁18限位接触浮动条16，如图7，从而使涡旋止动轮4无法继续逆时针转动，从而使涡旋止动轮4与钢圈1的外侧环面2之间的滚动摩擦转变为静摩擦或滑动摩擦，进而起到锁定或抑制钢圈1转动的作用；如果这时内螺纹套13相对外螺纹柱14反转180°，在螺纹传动作用下涡旋止动轮4和浮动条16会相互靠近一段距离，这时在拉力弹簧21的拉力下，浮动条16向左适应性位移一段，使涡线轮面6上的A点仍然与钢圈1上的外侧环面2相切，如图11；与此同时止动轮轴7和涡旋止动轮4一同绕虚拟轴S反转180°，从而进入Y状态，且涡线轮面6为反旋状态；如果这时钢圈1开始前进旋转，则钢圈1上的外侧环面2带动与之相切的涡旋止动轮4逆时针转动，直至涡线轮面6脱离的外侧环面2，这时第一限位壁20限位接触浮动条16，涡旋止动轮4在惯性作用下继续逆时针转动，直至涡线轮面6的磁性限位头8限位接触并磁吸永磁限位条11，使涡旋止动轮4进入稳定状态，涡线轮面6上的B点与钢圈1的外侧环面2之间形成间隙100，从而使涡旋止动轮4与钢圈1处于分离的状态；
详细工作过程：
共享单车在正常骑行的过程中，如图8，轮圈自锁单元3处于Y状态，涡线轮面6为反旋状态，涡线轮面6的磁性限位头8限位接触并磁吸永磁限位条11，使涡旋止动轮4进入不能转动的稳定状态，一般的颠簸不会使磁性限位头8与永磁限位条11分离，与此同时第一限位壁20限位接触浮动条16，避免浮动条16向左位移，这时拉力弹簧21对浮动条16仍然形成拉力，涡线轮面6上的B点与钢圈1的外侧环面2之间形成间隙100，从而使涡旋止动轮4与钢圈1处于分离的状态；
共享单车在到达预定的停车区域停车时，状态变换电机80控制齿轮柱82并带动外齿轮12正转180°，从而使内螺纹套13相对外螺纹柱14正转180°，在螺纹传动作用下涡旋止动轮4更加靠近涡线轮面6，并使涡线轮面6上的B点相切到钢圈1的外侧环面2，与此同时止动轮轴7和涡旋止动轮4也跟着一同绕虚拟轴S正转180°，从而进入X状态，如图9，且涡线轮面6变为正旋状态；如果共享单车继续向前，使钢圈1前进旋转，则钢圈1上的外侧环面2带动与之相切的涡旋止动轮4逆时针转动，由于涡线轮面6的几何特性，浮动条16会逐渐右移，直至涡线轮面6上的A点与钢圈1上的外侧环面2相切时，如图10，第二限位壁18限位接触浮动条16，使浮动条16无法继续右移，如图7，从而使涡旋止动轮4无法继续逆时针转动，从而使涡旋止动轮4与钢圈1的外侧环面2之间的滚动摩擦转变为静摩擦或滑动摩擦，进而起到锁定或抑制钢圈1转动的作用，这种摩擦锁定的方式比刚性锁定更加安全，避免骑行时的急停造成的安全事故，同时摩擦锁定的压力是基于钢圈1的前进旋转来实现的，不直接来自状态变换电机80的扭矩，因此状态变换电机80的输出扭矩可以很小，从而降低能耗；
当有新的用户使用共享单车时，需要解除锁定状态，状态变换电机80控制齿轮柱82并带动外齿轮12反转180°，从而使内螺纹套13相对外螺纹柱14反转180°，在螺纹传动作用下涡旋止动轮4和浮动条16会相互靠近一段距离，这时在拉力弹簧21的拉力下，浮动条16向左适应性位移一段，使涡线轮面6上的A点仍然与钢圈1上的外侧环面2相切；与此同时止动轮轴7和涡旋止动轮4也一同跟着绕虚拟轴S反转180°，从而进入Y状态，如图11，这时涡线轮面6进入反旋状态；如果共享单车继续向前，使钢圈1开始前进旋转，则钢圈1上的外侧环面2带动与之相切的涡旋止动轮4逆时针转动，直至涡线轮面6脱离的外侧环面2，这时浮动条16已经向左位移至限位接触第一限位壁20，涡旋止动轮4在惯性作用下继续逆时针转动，直至涡线轮面6的磁性限位头8限位接触并磁吸永磁限位条11，使涡旋止动轮4进入稳定状态，涡线轮面6上的B点与钢圈1的外侧环面2之间形成间隙100，从而使涡旋止动轮4与钢圈1处于分离的状态，之后用户自行骑车。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (4)
1.基于物联网共享单车的定点还车自锁系统，包括两轮共享单车，其特征在于：所述两轮共享单车的车架上安装有轮圈自锁单元(3)，所述轮圈自锁单元(3)上的止动部件与两轮共享单车的钢圈(1)的外侧环面(2)摩擦配合；将两轮共享单车向前行驶时的钢圈(1)的旋转记为钢圈(1)的前进旋转；所述轮圈自锁单元(3)包括X状态和Y状态，两轮共享单车到达预定还车区域后轮圈自锁单元(3)进入X状态，用户从预定还车区域取车时轮圈自锁单元(3)进入Y状态；
在X状态下：所述钢圈(1)的前进旋转带动轮圈自锁单元(3)上的止动部件，使轮圈自锁单元(3)上的止动部件与钢圈(1)的外侧环面(2)之间的滚动摩擦转变为静摩擦或滑动摩擦；
在Y状态下：所述钢圈(1)的前进旋转带动轮圈自锁单元(3)上的止动部件，使轮圈自锁单元(3)上的止动部件与钢圈(1)的外侧环面(2)之间的滚动摩擦转变为相互分离；
所述轮圈自锁单元(3)的止动部件包括涡旋止动轮(4)，所述涡旋止动轮(4)的外周为轮廓为涡旋线状的涡线轮面(6)；涡旋止动轮(4)的涡线轮面(6)与所述钢圈(1)的外侧环面(2)相切并摩擦配合；
所述涡旋止动轮(4)的涡旋中心处的轴承孔通过轴承(9)同轴心设置有止动轮轴(7)；所述涡旋止动轮(4)绕止动轮轴(7)转动，无论在X状态还是Y状态，所述止动轮轴(7)的轴线均与所对应的共享单车的钢圈(1)轴线垂直相交；
所述轮圈自锁单元(3)还包括状态变换机构，存在一个虚拟轴(S)，所述虚拟轴(S)与共享单车后轮的钢圈(1)轴线平行，且虚拟轴(S)经过涡旋止动轮(4)的涡线轮面(6)与所述钢圈(1)的外侧环面(2)相切的切点；所述状态变换机构能带动所述止动轮轴(7)和涡旋止动轮(4)一同绕所述虚拟轴(S)转动；
俯视视角的X状态下：涡旋止动轮(4)的涡线轮面(6)沿涡线顺时针方向逐渐远离涡线中心，将X状态下的涡线轮面(6)记为顺旋状态；在X状态的基础上状态变换机构带动止动轮轴(7)和涡旋止动轮(4)一同绕虚拟轴(S)转动180°后变为Y状态；俯视视角的Y状态下：涡旋止动轮(4)的涡线轮面(6)沿涡线顺时针方向逐渐靠近涡线中心，将Y状态下的涡线轮面(6)记为反旋状态。
2.根据权利要求1所述的基于物联网共享单车的定点还车自锁系统，其特征在于：所述状态变换机构包括外壳体(50)，外壳体(50)通过连接架(60)固定连接在自行车车架上；外壳体(50)内设置有一个轴线与虚拟轴(S)重合的中心转盘(10)，驱动机构能驱动中心转盘(10)绕轴线转动；中心转盘(10)，中心转盘(10)通过两连接件(5)固定连接止动轮轴(7)的两端；中心转盘(10)远离涡旋止动轮(4)的一侧同轴心一体化连接有内螺纹套(13)，内螺纹套(13)内的螺纹孔(35)中同轴心螺纹传动连接有外螺纹柱(14)，外螺纹柱(14)远离内螺纹套(13)的一端固定连接有竖向的浮动条(16)，浮动条(16)的上下端均设置有轴线与外螺纹柱(14)轴线平行的导孔(15)，两导孔(15)内分别活动穿过有两导柱(17)，两导柱(17)远离浮动条(16)的一端固定在导柱支架(36)上；导柱支架(36)的上下端分别固定连接两浮动条限位座(19)，两浮动条限位座(19)分别固定在外壳体(50)的上壁(50.1)和下壁(50.2)上；导柱(17)外套有拉力弹簧(21)，拉力弹簧(21)的两端分别固定连接导柱支架(36)和浮动条(16)，拉力弹簧(21)对浮动条(16)形成拉力；浮动条限位座(19)上靠近浮动条(16)的一侧设置有第一限位壁(20)和第二限位壁(18)，第一限位壁(20)和第二限位壁(18)之间为浮动条活动区间(56)，在第一限位壁(20)和第二限位壁(18)的限位下，浮动条(16)只能在浮动条活动区间(56)内左右浮动。
3.根据权利要求2所述的基于物联网共享单车的定点还车自锁系统，其特征在于：所述涡旋止动轮(4)的涡线轮面(6)最远离涡线中心的一端固定设置有磁性限位头(8)，所述中心转盘(10)上固定连接有永磁限位条(11)；涡旋止动轮(4)能使磁性限位头(8)转动到限位接触所述永磁限位条(11)的一端。
4.根据权利要求3所述的基于物联网共享单车的定点还车自锁系统，其特征在于：所述涡旋止动轮(4)的涡线轮面(6)存在一个A点和一个B点，A点与涡线轮面(6)的涡线中心的距离为L1，B点与涡线轮面(6)的涡线中心的距离为L2；满足L1＞L2；在Y状态下，当涡线轮面(6)的磁性限位头(8)限位接触永磁限位条(11)时，第一限位壁(20)右侧限位接触浮动条(16)，涡线轮面(6)上的B点与钢圈(1)的外侧环面(2)之间形成间隙(100)；如果内螺纹套(13)相对外螺纹柱(14)正转180°，在螺纹传动作用下涡旋止动轮(4)更加靠近涡线轮面(6)，并使涡线轮面(6)上的B点相切到钢圈(1)的外侧环面(2)，与此同时止动轮轴(7)和涡旋止动轮(4)一同绕所述虚拟轴(S)正转180°，从而进入X状态。
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