CN103394194A

CN103394194A - 一种以重力势能驱动的可绕八字形路线行走的自行小车

Info

Publication number: CN103394194A
Application number: CN2013103037785A
Authority: CN
Inventors: 黄海; 郝昱宇; 常智豪; 桑迪; 尚长春; 田俊峰; 王嵩
Original assignee: Xian University of Science and Technology
Current assignee: Xian University of Science and Technology
Priority date: 2013-07-18
Filing date: 2013-07-18
Publication date: 2013-11-20
Anticipated expiration: 2033-07-18
Also published as: CN103394194B

Abstract

本发明涉及一种以重力势能驱动的可绕八字形路线行走的自行小车，包括带有后行走轮的底架以及安装在底架上的驱动部分和转向机构，其中的驱动部分由重锤支架、重锤、驱动轴、绕线轮、连接绳、传动齿轮组及主动轴组成，转向机构由一副与驱动轴连接的空间四连杆导向机构和一个装设于空间四连杆导向机构末段摆杆下方的前导轮组成。实际行走过程中，通过调节空间四连杆导向机构，控制小车前导论按照既定方向旋转，带动小车行走方向使其可以绕八字形路线行走，通过改变曲柄连杆各项参数，进而使得小车行走距离与行走轨迹发生改变。产品具有结构简单合理、操作控制方便、效率高、小车行走轨迹准确、稳定性好等优点。

Description

一种以重力势能驱动的可绕八字形路线行走的自行小车

技术领域

本发明属于实验或玩具用行走工具技术领域，涉及一种通过重力势能转换成动能并以此来驱动小车绕八字形路线行走的自行小车。

背景技术

自行小车也称无碳小车，是一种不需要消耗燃料和电池存储的能源，仅仅依靠重锤下落过程中产生的机械势能产生动力而驱动小车前进，近年来已经作为大学生科技创新竞赛的指定制作题目。其基本结构可参见图1。在图中，重锤3上引挂的连接绳2通过绕线轮1将重力作用到驱动轴6上，利用连接绳通过该轴上的导线轮将重锤3下落产生的位移转化成驱动轴的旋转运动，驱动轴6与主动轴4通过传动齿轮组5带动小车后轮(驱动轮)9旋转，进而驱动小车前行。目前本领域公知的自行小车存在的主要问题是：小车的传动机构主要采用凸轮连杆方案，其能耗过大，效率低等原因影响小车行走距离；小车绕线轴与后轮驱动轴之间的传动比更改困难，导致小车在轨迹调整过程中更改困难，轨迹更改参数无法为小车各项微调参数提供直接修改指导等。另外，目前无碳小车其传动机构传动比主要由经验与导向机构估算得出，无法获取更加准确并由于其理论计算大多采用理想状况下进行计算，容易忽视外界条件对其产生的影响。

发明内容

本发明的目的在于对现有技术存在的问题加以改进，提供一种结构简单合理、操作控制方便、效率高、小车行走轨迹准确、稳定性好的以重力势能驱动的可绕八字形路线行走的自行小车。

为解决上述技术问题，本发明的实现方案是这样的：

一种以重力势能驱动的可绕八字形路线行走的自行小车，包括带有后行走轮的底架以及安装在底架上的驱动部分和转向机构，所说的驱动部分由重锤支架、重锤、驱动轴、绕线轮、连接绳、传动齿轮组及主动轴组成，连接绳的一端连接在重锤上，另一端绕过设在重锤支架顶部的绕线轮后缠绕在设于重锤支架下部的驱动轴上，驱动轴与传动齿轮组中一个齿轮的转动轴同轴设置，传动齿轮组中另一个齿轮的中心通过主动轴与后行走轮中心固定连接，其特征在于所说的转向机构由一副与驱动轴连接的空间四连杆导向机构和一个装设于空间四连杆导向机构末段摆杆下方的前导轮组成。

本发明的实现方案还在于：空间四连杆导向机构中的结合连杆由通过一副调节螺栓相连接的前段连杆和后段连杆组成。

本发明的实现方案还在于：空间四连杆导向机构中的结合连杆的长度x与小车行走轨迹偏移量y之间满足二次曲线关系式

y＝ax²+bx+c

式中，a＝0.1～0.5，b＝0～1，c＝0～1。

本发明的实现方案还在于：空间四连杆导向机构中的曲柄、结合连杆和摆杆的长度比为25～35:120～140:34～36。

本发明的实现方案还在于：空间四连杆导向机构中的结合连杆的杆长L与摆杆的最大摆角振幅α之间满足关系式

L＝a₁sinα+b₁cosα

式中，a₁＝50～60，b₁＝60～120。

本发明的实现方案还在于：小车前导轮旋转周期t与小车绕八字形路线单圈行走距离s之间满足关系式

s＝gｔ+h

式中，g＝5～10，h＝3～7。

实际行走过程中，小车通过调节前端曲柄连杆机构(空间四连杆导向机构)，控制小车前导论按照既定方向旋转，带动小车行走方向使其可以绕八字形(“8”)路线行走，通过改变曲柄连杆各项参数，进而使得小车行走距离与行走轨迹发生改变。

本发明的有益效果如下所述。

1、本发明结合小车行走距，通过与多次测量小车绕一圈导向机构旋转周期变化率进行比较计算，进而改变小车传动机构传动比，实现小车正常绕8字转向。为了保证驱动机构与导向机构周期一样，本发明将导向机构中曲柄与绕线轴使用同一根轴进行驱动，以此保证导向周期与齿轮传动机构中原动齿轮旋转周期吻合，使得测量数据更加准确。

2、在空间四连杆导向机构中曲柄旋转周期即为导向机构变化周期，使其可以作为空间四连杆导向机构变化周期进行计算。本发明通过将其与绕线轴连接，相当于将其周期与绕线轴周期相互吻合，使得传动机构中原齿旋转周期可以代表导向机构旋转周期。

3、本发明所述自行小车的设计可以有效解决小车驱动传动比选择问题，利于小车行走轨迹更加准确，增加有效距离。

4、本发明的结构设计合理、操作控制方便、成本低廉、运行平稳、行走距离较长。

5、本发明为小车日后机构各项参数设计提供了有效计算方法，简化了设计过程中的各项参数的繁杂计算量。

6、曲柄连杆的使用，提高小车的能量利用效率，使得小车行走距离更加长远，简单的机构，也使得小车行走更加的稳定。

附图说明

图1是本发明一个具体实施例的结构示意图。

图2是图1所示实施例的侧视向结构示意图。

图3是该自行小车中驱动轴、传动齿轮组及空间四连杆导向机构部分的结构示意图。

图4是空间四连杆导向机构中结合连杆的示意图。

图5是该自行小车中重锤支架的结构示意图。

图6是该自行小车运行的8字轨迹图。

图中各数字标记的名称分别是：1－绕线轮，2－连接绳，3－重锤，4－主动轴，5－传动齿轮组，6－驱动轴，7－转向结构，71－曲柄，72－结合连杆，72a－前段连杆，72b－调节螺栓，72c－后段连杆，73－摆杆，74－前导轮，8－重锤支架，9－后行走轮。

具体实施方式

参见图1和图2，本发明所述的以重力势能驱动的可绕八字形路线行走的自行小车包括带有后行走轮9的底架以及安装在底架上的驱动部分和转向机构7。其中的驱动部分由重锤支架8、重锤3、带有绕线轴的驱动轴6、绕线轮1、连接绳2、传动齿轮组5及主动轴4组成。连接绳2的一端连接在重锤3上，另一端绕过设在重锤支架8顶部的绕线轮1后缠绕在设于立杆支架8下部的驱动轴的绕线轴6上，驱动轴6与传动齿轮组5中一个齿轮的转动轴同轴设置，传动齿轮组5中另一个齿轮的中心通过主动轴4与后行走轮9的中心固定连接。转向机构7的结构参见图1-4，它由一副与驱动轴6连接的空间四连杆导向机构和一个装设于空间四连杆导向机构的摆杆73下方的前导轮74组成。在空间四连杆导向机构中，结合连杆72由通过一副调节螺栓72b相连接的前段连杆72a和后段连杆72c组成，其做为小车的微调机构，主要对小车空间四连杆导向机构中的连杆长度进行调节，使其可以符合小车行走要求。空间四连杆导向机构中的结合连杆的长度x与小车行走轨迹偏移量y之间满足二次曲线关系式y＝ax²+bx+c，式中的a＝0.1～0.5，b＝0～1，c＝0～1。实际工作中，重锤3上的连接绳2通过绕线轮1将重力作用到被绳线缠绕的驱动轴6上，随之通过该轴上的导线轮将重锤3下落产生的位移转化成驱动轴的旋转运动，驱动轴6与主动轴4通过传动齿轮组5的配带动小车后行走轮9旋转，进而驱动小车前行；行走过程中，小车通过调节前端的转向机构，控制小车前导论按照既定方向旋转，带动小车行走方向使其可以绕8字行走，通过改变曲柄连杆各项参数，进而使得小车行走距离与行走轨迹发生改变。

该自行小车的重锤支架8的结构如图5所示，采用两点固定方式，利用第三杆对其形成进行限制，可避免小车在行走过程中左右摇晃导致的重锤来回晃荡并最终导致小车翻车等现象的发生。

图6为自行小车运行的8字轨迹图，图中小车运行轨迹可以看成是两个半圆与两条直线组成。由于小车为三轮机构，其转向由其前导轮74方向的改变而进行旋转。以左半圆为例，从图中可以看出其速度变化随着时间变化逐步向其反方向进行过度，当到达结束方向时，其前导轮方向与起始方向相反。为保证以上运行方式，本发明选取了空间四连杆导向机构进行实现。利用SolidWorks进行运动仿真，通过仿真确定其可以实现前导轮74的按照既定分析规则旋转，即通过导向机构实现前导轮74的正负转换，可以保证一段时间持续向一边转向，当前导轮74经过8字中点时，其转向幅度发生变化向另一方向进行转换，如此即最终实现了方向的转变。

在实际设计中，可先利用最初的8字轨迹图，找寻出摆杆73最适合的摆角变化范围，并以此不停改变仿真模型中的各项数值，以获取角度变化图谱，并与事先确定好的8字轨迹图进行对比。以小车绕8字行走起点为起点，小车绕8字行走终点为终点，获取小车行走距离变化规律。利用仿行法设计原理，通过人为驱动小车绕8字行走，进而判断出小车行走前导轮角度变化范围，以此为依据设计小车锥形转向机构。通过对小车行走距离与小车行走前导轮旋转周期进行统计，建立小车行走方程，一次推导出小车导向轮转向周期大小，构建小车前导向轮角度变化周期与单圈小车行走距离对应函数，s＝gｔ+h(ｔ为小车前导轮旋转周期，s为单圈小车行走距离，g＝5～10，h＝3～7)。利用1次方程构建的小车齿轮传动传动比，提高了小车行走轨迹的确定性，进而再以此确定小车导向机构绕线轴与后轮驱动机构传动比，实现小车绕8字的稳定行走。按照结合连杆72长度L和摆杆73的最大摆角振幅α间的关系式L＝a₁sinα+b₁cosα(式中的a₁＝50～60，b₁＝60～120)，根据积累多个连杆与摆角振幅的关系建立数学模型，采用反求法，设定α值的合理范围，最后求出结合连杆长度L的大小。通过反复计算与实验，本发明得出空间四连杆导向机构中的曲柄71、结合连杆72和摆杆73的长度比值为25～35:120～140:34～36为理想数值，最终选取曲柄长度为30、结合连杆长度为127、摆杆长度为35为最佳数字。

Claims

1.一种以重力势能驱动的可绕八字形路线行走的自行小车，包括带有后行走轮(9)的底架以及安装在底架上的驱动部分和转向机构(7)，所说的驱动部分由重锤支架(8)、重锤(3)、驱动轴(6)、绕线轮(1)、连接绳(2)、传动齿轮组(5)及主动轴(4)组成，连接绳(2)的一端连接在重锤(3)上，另一端绕过设在重锤支架(8)顶部的绕线轮(1)后缠绕在设于重锤支架(8)下部的驱动轴(6)上，驱动轴(6)与传动齿轮组(5)中一个齿轮的转动轴同轴设置，传动齿轮组(5)中另一个齿轮的中心通过主动轴(4)与后行走轮(9)中心固定连接，其特征在于：所说的转向机构(7)由一副与驱动轴(6)连接的空间四连杆导向机构和一个装设于空间四连杆导向机构末段摆杆(73)下方的前导轮(74)组成。

2.根据权利要求1所述的以重力势能驱动的可绕八字形路线行走的自行小车，其特征在于：空间四连杆导向机构中的结合连杆(72)由通过一副调节螺栓(72b)相连接的前段连杆(72a)和后段连杆(72c)组成。

3.根据权利要求1所述的以重力势能驱动的可绕八字形路线行走的自行小车，其特征在于：空间四连杆导向机构中的结合连杆(72)的长度x与小车行走轨迹偏移量y之间满足二次曲线关系式

y＝ax²+bx+c

式中，a＝0.1～0.5，b＝0～1，c＝0～1。

4.根据权利要求1所述的以重力势能驱动的可绕八字形路线行走的自行小车，其特征在于：空间四连杆导向机构中的曲柄(71)、结合连杆(72)和摆杆(73)的长度比为25～35:120～140:34～36。

5.根据权利要求1所述的以重力势能驱动的可绕八字形路线行走的自行小车，其特征在于：空间四连杆导向机构中的结合连杆(72)的杆长L与摆杆(73)的最大摆角振幅α之间满足关系式

L＝a₁sinα+b₁cosα

式中，a₁＝50～60，b₁＝60～120。

6.根据权利要求1所述的以重力势能驱动的可绕八字形路线行走的自行小车，其特征在于：小车前导轮(74)旋转周期t与小车绕八字型路线单圈行走距离s之间满足关系式

s＝gｔ+h

式中，g＝5～10，h＝3～7。