CN103463812A - 一种具有换向功能的无碳自行小车 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有换向功能的无碳自行小车,采用四连杆机构与关节轴承部件准确控制导向轮叉的摆动,实现导向轮的转向,具有扭矩小、磨损小,摆动准确的特点;同时使用四根轨道杆来限制重锤的摆动,可以有效避免小车转向、上下坡时倾翻。无碳自行小车通过将重力势能转化为动能来驱动小车运动,不需要燃料或电能源,不排放二氧化碳等温室效应气体,低碳环保,使用简单;操作人员只需要通过反转小车驱动轮吊起重物,即将机械能转换为重力势能。无碳自行小车可作为中小学的物理演示实验器材,通过具体的实例让学生更好的理解实验能量之间的转换及应用。

Description

一种具有换向功能的无碳自行小车
技术领域
[0001] 本发明涉及一种自行小车,具体地说,涉及一种具有换向功能的无碳自行小车。背景技术
[0002] 无碳自行小车是通过将重力势能转化为动能来驱动小车运动,不需要燃料或电等能源,不排放二氧化碳等温室效应气体。自行小车一般都是通过电池或卷簧存储的弹性势能提供驱动能,但是由于电池需要经常更换,使用成本高,同时涉及到废旧处理问题,不可避免的会造成环境污染;蓄电池充放电达到一定次数后需要更换或维修,缩短自行小车的使用寿命以及提高维修成本。通过卷簧存储的弹性势能提供驱动的自行小车,受卷簧体积的制约运动距离非常短;受卷簧不可修复性的制约,小车使用寿命有限。
[0003] 中国专利CN102279601中公开了一种以重力势能驱动的具有方向控制功能的自行小车的发明,该自行小车使用重力势能驱动,具有低碳环保的优点。但是由于使用偏心圆与橡皮筋控制方向,转向不准确;小车在上下坡时,其重块前后摆动,容易造成小车倾翻。
[0004] 在专利CN102266671A中公开了一种名称为“…”形行走的无碳小车,该无碳小车使用重力势能驱动、两对齿轮减速机构,具有低碳环保、运动稳定的优点。但是由于国内小模数齿轮加工设备少,造成该小车的加工难度大、成本高;同时由于换向机构中使用铰链,使转向不准确;没有重块下落稳定装置,小车在拐弯换向、上下坡时,其重块会前后左右摆动,容易造成小车倾翻。
发明内容
[0005] 为了避免现有技术存在的不足,克服其无碳小车转向不准确、容易造成小车倾翻的问题,本发明提出一种具有换向功能 的无碳自行小车,采用四连杆机构与关节轴承部件准确控制导向轮叉的摆动,实现导向轮的转向,具有扭矩小、磨损小,摆动准确的特点;同时使用四根轨道杆来限制重锤的摆动,可以有效避免小车转向、上下坡时倾翻。
[0006] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:包括底盘、动力转换机构、四连杆机构、导向轮组件,动力转换机构固定在底盘的后端中部,带传动部分位于底盘的中部,四连杆机构安装在底盘的前部,导向轮组件突出于底盘的前端中部,带传动部分、四连杆机构和导向轮组件组成换向机构;所述底盘包括底板、导向轮横支架、导向轮竖支架、带轮支架,带轮支架相互对称平行安装在底板中部位于导向轮支架后端,后轮支架为二个,对称安装在重锤支架与带轮支架之间;导向轮支架放置在底板的前端,导向轮支架为两块L形板件,两部分之间通过两组螺栓螺母连接;重锤支架位于底板的后端中部,重锤支架横梁与重锤支架通过两个螺栓螺母连接;所述动力转换机构包括滑轮、重锤、线绳、轨道杆、驱动轴、重锤支架横梁、后轮,驱动轴的两端为螺纹端,中间部分为带轮槽、变速锥体段,线绳的一端固定在重锤上,线绳的另一端绕过两个滑轮缠绕在驱动轴上锥体段相连,重锤沿四根轨道杆轨迹下落,重锤支架横梁上有两个滑轮,滑轮轮轴分别通过螺母与重锤支架横梁固定连接,驱动轴安装在后轮支架上,左后轮与驱动轴固连,右后轮绕驱动轴旋转,左后轮与驱动轴采用过盈配合,右后轮与驱动轴采用间隙配合;所述四连杆机构由带轮轴、曲柄盘、连杆、摆杆、关节轴承、连接销、定位销组成;带轮轴上安装有曲柄盘,曲柄盘通过套筒与轴承的内圈进行轴向定位,曲柄盘上有四个不同方位并且距盘心距离不等的销孔,销子插入任一个销孔,实现前轮不同角度大小的换向;销子的两端有轴肩,通过轴肩与曲柄盘和关节轴承轴向定位;连杆的两端与关节轴承的伸出段通过螺纹连接;所述导向轮组件由导向轮、导向轮轮叉、导向轮轮轴组成,导向轮轮叉上安装有导向轮轮轴,导向轮绕导向轮轮轴转动,两端通过弹性挡圈轴向定位,导向轮轮叉通过导向轮横支架与摆杆连接。
[0007] 有益效果
[0008] 本发明提出的一种具有换向功能的无碳自行小车,采用四连杆机构与关节轴承部件准确控制导向轮叉的摆动,实现导向轮的转向;同时使用四根轨道杆来限制重锤的摆动,有效避免小车转向、上下坡时倾翻,具有扭矩小、磨损小,摆动准确的特点。无碳自行小车通过将重力势能转化为动能来驱动小车运动,不需要燃料或电能源,不排放二氧化碳等温室效应气体,低碳环保,使用简单;操作人员只需要通过反转小车驱动轮吊起重物,将机械能转换为重力势能。无碳自行小车可作为中小学的物理演示实验器材,通过具体的实例让学生更好的理解实验能量之间的转换及应用。
附图说明
[0009] 下面结合附图和实施方式对本发明一种具有换向功能的无碳自行小车作进一步详细说明。
[0010] 图1为本发明无碳自行小车结构示意图。
[0011] 图2为无碳自行小车的重力转换机构上部示意图。
[0012] 图3为无碳自行小车的底盘轴测图。
[0013] 图4为无碳自行小车的滑轮装配示意图。
[0014] 图5为无碳自行小车的驱动轴示意图。
[0015] 图6为无碳自行小车的换向机构示意图。
[0016] 图7为无碳自行小车的曲柄盘示意图。
[0017] 图8为本发明无碳自行小车右转弯时状态图。
[0018] 图中:
[0019] 1.导向轮 2.导向轮轮轴 3.连杆 4.关节轴承 5.摆杆 6.导向轮轮叉
7.带轮轴8.深沟球轴承9.驱动轴10.带轮11.圆带12.曲柄盘13.销子14.底板15.导向轮竖支架16.导向轮横支架17.重锤支架18.后轮支架19.带轮支架20.轨道杆21.重锤22.重锤上板23.滑轮轮轴24.滑轮25.重锤支架横梁26.线绳27.后轮
具体实施方式
[0020] 本实施例是一种具有换向功能的无碳自行小车。
[0021] 参阅图1-图8,本发明具有换向功能的无碳自行小车,主要包括底盘动力转换机构、带传动部分、四连杆机构和导向轮组件,带传动部分、四连杆机构和导向轮部分组成换向机构。动力转换机构是自行小车的动力来源,将重锤下落的重力势能通过线绳缠绕在驱动轴上,转换为小车前进的动能。换向机构是小车实现预定运动方式的关键,驱动轴通过皮带与皮带轮将运动传递给皮带轴,皮带轴带动曲柄连杆机构运动,将旋转运动转化为摆杆的前后往复运动,从而实现导向轮的左右摆动。底盘主要包括底板和各个支架;从左向右依次为导向轮支架15,带轮左、右支架19,后轮左、右支架18,重锤支架17。底板14采用工程塑料制作,各个支架采用铝合金制作。导向轮支架15放置在底板的前端,距离底板14前端25mm,两个孔关于底板左右中心线对称,两孔之间距离为18mm,通过两个M4螺栓螺母与底板连接。前轮支架做成两部分,两部分之间通过两个M4螺栓螺母连接。带轮支架19为左、右两部分对称结构;四个孔距离底板左右两边为38mm,距底板前端120mm,邻近两孔之间距离为24_,分别通过两个M4螺栓螺母与底板连接。后轮支架18为左右两部分对称结构;四个孔距离底板左右两边为14mm,距底板后端75mm,邻近两孔之间距离为17mm,分别通过两个M4螺栓螺母与底板连接。重锤支架19放置在底板的后端,距底板后端19mm,孔与孔左右距离为35mm,前后距离为17mm,通过四个M6螺栓螺母与底板连接。重锤支架横梁与重锤支架通过两个M8螺栓螺母连接。动力转换机构包括重锤21、轨道杆20、线绳26、重锤支架横梁25、滑轮24、驱动轴9、后轮27。重锤采用直径为40mm的圆球,材料为45钢。球形重锤21的下落轨迹通过四根直径为1.5mm刚性轨道杆20来确定,其长度由重锤支架横梁25的高度确定。在小车的底板和重锤上板22上打四个孔,成正方点阵分布,通过M3螺母将四根轨道杆与上面的重锤上板和底板固定。线绳一端固定一个挂环,挂环的作用是与重锤上的挂钩相连;线绳的另一端缠绕在驱动轴的变速锥上,经过两个滑轮改变线绳的拉力方向从而带动驱动轴转动。开始运动时,线绳拉动变速锥的尾部,能产生大的力矩,使小车克服较大的启动力矩,顺利启动。开始运动后力矩不断减小,小车运动速度则不断提高。由于变速锥的锥度不大,启动速度与最终速度不会差距太大。另外缠绕的线绳足够长,当球形重锤到达其行程,就会停在底板上。此时小车失去动力,自由滑动,直至停止。重锤支架横梁25与重锤支架17通过两个M8螺栓螺母连接,采用铝合金式四方管,与底盘之间的高度为600_。在重锤支架的横梁上装有两个直径为30mm的滑轮,两个滑轮之间存在140mm的间距,如图4滑轮的转动轴通过两个M6螺母与支架横梁固定连接,滑轮在转动轴上转动。滑轮的左端通过轴肩轴向固定,另一端通过孔与开口销配合的方式实现轴向固定。
[0022] 如图6所示,驱动轴9安装在后轮27的两个支架上,驱动轴的两端各有15_的螺纹段,变速锥体长度为71mm,锥体尾部直径为12mm,锥体顶部为6mm,与带轮通过圆带11连接的带轮槽直径为IOmm,宽3mm,深1_。驱动轴两端各安装有一个深沟球轴承8,轴承轴向定位通过驱动轴上的轴肩和弹性挡圈来实现。驱动方式采用后轮单轮驱动,即只利用一个轮子作为驱动轮,一个为导向轮。从动轮与驱动轮间的差速依靠与地面的运动约束确定。其选择左后轮为驱动轮,右后轮为从动轮。左后轮通过螺纹螺母和驱动轴固连,左后轮与驱动轴采用过盈配合,外部通过M6螺母轴向定位,内部采用钻孔插销方式定位。右后轮则可以绕驱动轴旋转,右后轮与驱动轴采用间隙配合,轴向固定外部通过M6螺母实现,内部固定采用钻孔插销方式。采用大的驱动轮,滚阻系数小,行走距离远。后轮直径取为180_,外部加有橡胶圈。
[0023] 小车换向机构包括带传动、四连杆机构和导向轮部分。带传动的带轮槽是在驱动轴9上直径为12mm的轴径车出的,宽度为3mm,深度为1mm。带轮轴7通过两个外径为16mm、内径为8mm的深沟球轴承8装在带轮左右支架19上。带轮10位于带轮轴上,与带轮轴过盈连接,带轮左端通过轴肩轴向定位,右端用弹性挡圈进行轴向固定。带轮与带轮槽的直径比为4:1,它们之间用皮革制圆带11连接,当重锤下落时带动线绳移动,线绳带动驱动轴转动,通过带传动就可以为换向机构提供动力。在带轮轴上的左端装有曲柄盘12,直径为35mm,其上有四个间隔90°的直径为4mm的销孔,它们的圆心距曲柄盘的圆心分别10mm、llmm、12mm和13mm。这四个不同方位的销孔可以使销子13有四个不同的运动轨迹,经过运动的传递,就可以实现导向轮四种不同角度的换向。曲柄盘与带轮轴是过盈连接。曲柄盘的右端是通过套筒与轴承的内圈进行轴向定位,曲柄盘的左端用M6螺母来固定。在曲柄盘上的销孔上,插入一个销子,销子的两端都有轴肩,通过轴肩与曲柄盘和关节轴承4轴向定位;销子与曲柄盘和关节轴承连接处外端,通过钻孔插入铁丝的方式固定。销子与后关节轴承内圈通过螺纹连接,后关节轴承的伸出端通过螺纹与连杆连接,连杆与前关节轴承的伸出端通过螺纹连接。前关节轴承的内圈与摆杆螺纹连接。连杆3的长度为105_。连杆3和摆杆5之间也是通过与关节轴承连接的。摆杆的长度是130_,直径为7_,中间开有螺纹孔,与导向轮轮叉6上部的螺纹轴端通过螺纹连接。导向轮轮叉的上端是通过M6的螺母进行轴向固定的,导向轮轮叉6与导向轮横支架16连接处装有内径为8_的深沟球轴承8,轴承内圈的下部通过轴肩与导向轮轮叉轴向定位,上部通过套筒与摆杆5的下部进行轴向定位。导向轮轮叉6上装有导向轮轴2,它的两端设置有对称的轴肩,里端通过轴肩与导向轮轮叉轴向定位,外端通过两个M6螺母固定。导向轮I绕导向轮轮轴转动,两端通过弹性挡圈轴向定位。
[0024]当带传动把驱动轴上的动力传到带轮轴上时,带轮轴带动曲柄盘转动,连杆随着曲柄盘的转动实现前后的运动;当连杆后移时,就可以带动摆杆向左摆动,与摆杆相连并具有相同运动的导向轮轮叉带动小车左转;当连杆前移时,带动摆杆向右摆动,与摆杆相连并具有相同运动的导向轮轮叉就可以带动小车右转。实现了小车的左、右转向,由于曲柄盘12是在做旋转运动,所以连杆3做周期性的前后摆动,实现小车的周期性左、右转向运动。
[0025] 安装时,第一步将导向轮支架15,带轮左右支架19,后轮左右支架18,重锤支架17分别固定在底板14上,从而构成小车的底盘。第二步将导向轮部分安装在导向轮横支架16上。具体实施时先将导向轮装在导向轮轮轴2上,两端安装弹性挡圈固定其轴向移动,再将导向轮轮轴从导向轮轮叉6下端安装上去,然后通过圆螺母将其固定。接着给导向轮轮叉6的上端套上套筒,然后和轴承一起从导向轮横支架16下端装上去,再将摆杆5套在导向轮横支架16的上端,然后装上圆螺母,关节轴承4的内圈与摆杆螺纹连接后再将其固定。第三步将带传动部分安装在带轮支架19上,具体实施时先将带轮10先装到带轮轴7上,带轮与带轮轴过盈连接。带轮左端通过轴肩轴向定位,另一端通过弹性挡圈定位。将带轮轴及一对深沟球轴承8安装在带轮左右支架上,将圆带11套在带轮的轮槽上,右边轴承的轴向定位左端通过带轮轴的轴肩,给其右端装上圆螺母,再给左边轴承的右端装上弹性挡圈,另一端安装套筒。接着在带轮轴左端轴承外端的伸出部分装上曲柄盘,曲柄盘12与带轮轴过盈连接。在曲柄盘的左端装圆螺母。第四步安装四连杆机构,先将销子13与后边关节轴承内圈通过螺纹拧紧,然后将销子插入曲柄盘的某一个销孔。将销子两端的销孔插上铁丝固定,再将后边关节轴承4的伸出端通过螺纹与连杆3拧紧,接着将连杆与前边关节轴承的伸出端通过螺纹拧紧。再将前边关节轴承的内圈与的摆杆5通过螺纹拧紧。第五步安装滑轮24到重锤支架横梁25上,具体操作为:将滑轮轮轴穿过滑轮中心孔安装到重锤支架横梁上,给滑轮左右两端装上弹性挡圈,再用圆螺母将两端固定,另一只滑轮采用类似方法。第六步将轨道杆20安装在重锤上板22及底板14上,用圆螺母拧紧。将驱动轴9装到后轮左右支架18上,同时将圆带11套在驱动轴轮槽上,接着将驱动轴和一对深沟球轴承8装到驱动轮的左右支架上,在两个轴承的外侧分别装上弹性挡圈,接着将后轮装到驱动轴上,内侧加上销子,外侧用圆螺母固定。第七步将线绳缠绕到驱动轴锥体上,穿过两个滑轮与重锤连接。

Claims (1)

1.一种具有换向功能的无碳自行小车,其特征在于:包括底盘、动力转换机构、四连杆机构、导向轮组件,动力转换机构固定在底盘的后端中部,带传动部分位于底盘的中部,四连杆机构安装在底盘的前部,导向轮组件突出于底盘的前端中部,带传动部分、四连杆机构和导向轮组件组成换向机构;所述底盘包括底板、导向轮横支架、导向轮竖支架、带轮支架,带轮支架相互对称平行安装在底板中部位于导向轮支架后端,后轮支架为二个,对称安装在重锤支架与带轮支架之间;导向轮支架放置在底板的前端,导向轮支架为两块L形板件,两部分之间通过两组螺栓螺母连接;重锤支架位于底板的后端中部,重锤支架横梁与重锤支架通过两个螺栓螺母连接;所述动力转换机构包括滑轮、重锤、线绳、轨道杆、驱动轴、重锤支架横梁、后轮,驱动轴的两端为螺纹端,中间部分为带轮槽、变速锥体段,线绳的一端固定在重锤上,线绳的另一端绕过两个滑轮缠绕在驱动轴上锥体段相连,重锤沿四根轨道杆轨迹下落,重锤支架横梁上有两个滑轮,滑轮轮轴分别通过螺母与重锤支架横梁固定连接,驱动轴安装在后轮支架上,左后轮与驱动轴固连,右后轮绕驱动轴旋转,左后轮与驱动轴采用过盈配合,右后轮与驱动轴采用间隙配合;所述四连杆机构由带轮轴、曲柄盘、连杆、摆杆、关节轴承、连接销、定位销组成;带轮轴上安装有曲柄盘,曲柄盘通过套筒与轴承的内圈进行轴向定位,曲柄盘上有四个不同方位并且距盘心距离不等的销孔,销子插入任一个销孔,实现前轮不同角度大小的换向;销子的两端有轴肩,通过轴肩与曲柄盘和关节轴承轴向定位;连杆的两端与关节轴承的伸出段通过螺纹连接;所述导向轮组件由导向轮、导向轮轮叉、导向轮轮轴组成,导向轮轮叉上安装有导向轮轮轴,导向轮绕导向轮轮轴转动,两端通过弹性挡圈轴向定位,导向轮轮叉通过导向轮横支架与摆杆连接。
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