CN103847511B - 一种小型仿地形自动差高动力行走机器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种小型仿地形自动差高动力行走机器，包括动力装置和分别与动力装置连接的安全离合装置、差高执行装置，其特征是：还包括仿地形差高控制装置，分别与发动机和安全离合装置连接；仿地形差高控制装置通过其内部的蜗轮与差高执行装置中的连杆动力轴连接，为差高执行装置的连杆摆动梁机构和滑杆套筒限位机构输入动力，实现机器两侧的驱动轮差高。本发明结构简单，操作简便，可根据山地、丘陵等作业地面的凹凸状况，自动识别车身倾斜程度并调节两侧驱动轮相对高度，使行走机器机身保持平稳，不易侧翻。

Description

一种小型仿地形自动差高动力行走机器

技术领域

本发明涉及农业机械，具体是一种可自动调整两侧驱动轮相对高度差的小型仿地形自动差高动力行走机器。

背景技术

我国部分地区农作物耕作在山坡地和山区丘陵地带，其地面常有一定坡度或凹凸起伏，导致许多农业机械因存在侧翻危险或运行不稳定的情况而无法作业。为了提高山区农业生产机械化水平，开发出一种在坡面或凹凸起伏面上横向行走时能自动识别路面变化情况并能自动调整左、右驱动轮差高而使机身处于平衡状态的动力行走机器具有一定现实意义和实用价值。

中国专利CN1579121A公开了一种山地拖拉机，其左、右驱动轮安装在左、右摇臂上，并经设在摇臂内的链条与套设在左、右连接管内的左、右动力输出半轴连接。变速箱的动力经左、右动力输出半轴并通过链传动来驱动拖拉机前进。机身上设置有差高控制器和差高器，当路面凹凸不平时，操作人员手动控制差高控制器，控制左、右连接管以相反方向转动，分别带动左、右摇臂做相应方向的转动，左、右驱动轮以同侧摇臂为半径绕连接管轴线作相应方向转动产生高度差。

中国专利CN101041326A公开了一种改进的拖拉机驱动轮差高装置，设置了左、右摇臂，还包括一根伸向拖拉机两侧的杠杆和一个液压缸。液压缸一端与杠杆铰接另一端与机架铰接。控制液压缸，驱动杠杆两端产生差高，分别通过连杆带动左、右摇臂旋转，使驱动轮差高。

中国专利CN201082670Y公开了一种山地拖拉机的液压差高与控制系统，其设置有一控制器和转换开关，拖拉机倾斜时，重力平衡板受重力作用摆动并控制转换开关，使得左、右两液压缸做相反方向伸缩运动，并带动两侧摇臂相反方向旋转产生差高。

中国专利CN103552437A公开了一种四轮拖拉机，其前方转向轮由一被动的平行四杆机构悬挂。后方驱动轮设置在分别带有液压缸的左、右摇臂上。两侧液压缸一端与机体连接，伸缩时另一端分别带动摇臂相反方向转动，产生差高。

目前公开的差高技术存在以下问题或技术缺陷：

（1）差高执行的基本原理主要是通过左、右摇臂绕两侧输出半轴反向旋转，会导致差高后两侧驱动轮轴线在水平面上与输出半轴轴线距离不等，车辆重心会向前或向后偏移，使机身易前后倾倒；还有一种平行四杆自由悬挂系统，通过车轮接触地面后被动控制平行四杆机构变化，差高后左、右轮的中心距会发生变化，这些差高形式均会影响机身平稳性和安全性；

（2）差高控制的原理一种是通过人工识别坡度变化并手动控制差高，结构复杂且差高的有效性和实时性较差；另一种是采用重力平衡板的摆动原理来控制液压装置的转换开关的方式，在田间复杂工作环境下，这种触碰转换开关的控制方式的稳定性难以保证；

（3）没有设置对差高幅度和安全性进行有效控制和过载保护的机构。

发明内容

本发明针对现有技术不足和功能欠缺，提供一种通过仿地形坡度变化自动调节左、右驱动轮相对差高来保持机身平稳的小型动力行走机器。

实现本发明目的的技术方案是：

一种小型仿地形自动差高动力行走机器，包括动力装置和分别与动力装置连接的安全离合装置、差高执行装置和仿地形差高控制装置，其中：动力装置包括机架、发动机和与发动机连接的变速箱；与现有技术不同的是：

除了设计一种新型结构的仿地形差高控制装置和差高执行装置外，还增设有安全离合装置；

仿地形差高控制装置通过其内部的蜗轮与差高执行装置中的连杆动力轴连接，为差高执行装置输入动力，带动差高执行装置的连杆摆动梁机构和滑杆套筒限位机构，实现机器两侧的驱动轮竖直上下运动，产生差高。

安全离合装置内部凸轮推杆机构的凸轮安装在差高执行装置的连杆动力轴上，受连杆动力轴驱动，获取差高反馈，通过凸轮推杆机构的离合拨叉控制离合机构接通或断开发动机与变速箱之间的动力连接。

所述差高执行装置包括设置在机架上的滑杆套筒限位机构、连杆摆动梁机构、与变速箱连接的差速器和两个车轮传动机构。

所述发动机固定在机架前方，变速箱固定在机架后方，其输入端和输出端的轴线分别与发动机输出端轴线呈垂直和平行状态。

所述安全离合装置包括壳体、离合机构、与离合机构连接的凸轮推杆机构、与发动机连接的传动部件和齿轮传动组件；安全离合装置位于变速箱的上方，通过壳体固定在机架上。

所述的离合机构包括离合皮带轮、离合输入轴、离合传动轴和离合输出轴，离合输入轴、离合传动轴和离合输出轴呈一字水平排列，轴线重合并垂直于发动机输出端轴线。离合输入轴轴心开有通孔，一端端面上开有凸牙，另一端为圆轴，并通过轴承固定安装于壳体一侧孔内，且一部分伸出壳体外并通过平键装有锥齿轮，通过锥齿轮啮合从主传动轴获取动力。离合输入轴中部圆轴处通过平键安装有离合皮带轮，通过皮带为仿地形差高控制装置输入动力。离合传动轴一端为花键轴，另一端端面上开有可与离合输入轴凸牙嵌合的凸牙槽，且端面上开有圆孔，孔内安装有一个用于固定凸轮推杆机构的离合拨叉的双向推力轴承。离合输出轴一端开有可与离合传动轴的花键套合的花键孔，另一端为圆轴，通过轴承固定安装在壳体另一侧孔内，且一部分伸出壳体外并装有离合输出直齿轮，为变速箱输入动力。在轴线方向上，离合传动轴两端分别与离合输入轴和离合输出轴预设有一定距离的安装间隙。

所述的凸轮推杆机构包括凸轮和离合拨叉。所述的凸轮推杆机构位于离合机构中离合输入轴轴线延长线方向。开有凸轮槽的凸轮通过平键安装在连杆摆动梁机构中连杆动力轴的中部。离合拨叉一端通过圆柱滚轮在凸轮槽内滑动，另一端为圆轴，穿过离合输入轴轴心通孔，与离合传动轴圆孔内安装的双向推力轴承的内圈固定连接。凸轮跟随连杆动力轴转动时驱动离合拨叉在离合输入轴的轴线方向上移动，并通过双向推力轴承带动离合传动轴一起沿轴线滑动。

所述的传动部件包括主传动轴和动力皮带轮，动力皮带轮通过皮带与发动机连接，主传动轴轴线与发动机输出端轴线平行，其一端通过动力皮带轮从发动机获取动力，另一端通过锥齿轮将动力传给离合机构。

所述的齿轮传动组件包括离合输出直齿轮和一对锥齿轮。

所述的差高执行装置位于发动机的后方和仿地形差高控制装置的前方，包括滑杆套筒限位机构、连杆摆动梁机构、差速器和两个车轮传动机构。所述的滑杆套筒限位机构由两个车轮座、两个驱动轮、四个圆形套筒和四个滑杆组成。所述的连杆摆动梁机构包括连杆动力轴、曲柄、连杆、两个差高摆动梁和两个支撑杆。所述的两个车轮传动机构均由滑键槽套筒、滑键轴、滑键和两个球笼式同步万向节组成。

所述的滑杆套筒限位机构，其圆形套筒一端有法兰，垂直固定在机架上。行走机器的两侧对称位置各分布有两个圆形套筒，在同一侧的两个圆形套筒的轴线相对于连杆摆动梁机构中曲柄的摆动所在的垂直平面对称分布。每一个圆形套筒内套合有一根可沿轴线上下滑动的滑杆。滑杆呈台阶圆柱形，主体为长圆柱，主要在圆形套筒内滑动，底部为一小直径带螺纹短圆柱，用于固定车轮座。位于一侧的车轮座通过螺母同时与该侧的两根滑杆底部固定连接，其顶部的销孔与处于同一侧的支撑杆铰接。驱动轮通过轴和轴承安装在车轮座上。另一侧具有对称的结构和配合。

所述的连杆摆动梁机构的连杆动力轴轴线平行于发动机输出端轴线，并通过轴承安装在机架上。连杆动力轴朝向发动机的一端通过平键与曲柄连接，另一端置于仿地形差高控制装置的箱体内并与蜗轮配合，中部与安全离合装置中的凸轮配合，构成共同旋转体。蜗轮为连杆动力轴输入动力，同时带动凸轮和曲柄旋转。曲柄一端与连杆动力轴配合，另一端开有轴线平行于发动机输出端轴线的销孔。连杆两端和中部共有三个销孔，轴线均平行于发动机输出端轴线。连杆中部的销孔与曲柄另一端的销孔铰接。差高摆动梁呈L型，分别在位于弯角处、长臂末端和短臂末端共开有三个轴线平行于发动机输出端轴线的销孔。在曲柄两侧各设置一个差高摆动梁，短臂朝上，且分别通过短臂末端的销孔与连杆两端的销孔铰接，长臂分别伸向行走机器两侧。两个差高摆动梁弯角处的销孔均通过轴承与机架铰接，差高摆动梁可以绕该固定铰转动。曲柄两侧差高摆动梁的短臂和连杆以及曲柄构成一个平行四杆机构。在行走机器的两侧对称位置各设有一个支撑杆。一侧的支撑杆其顶部通过销与同侧差高摆动梁长臂末端的销孔铰接，其底部与同侧车轮座顶部铰接，两处铰接处轴线均平行于发动机输出端轴线。另一侧支撑杆具有对称的结构和配合。

所述的差速器固定在行走机器机架上的中间位置，位于连杆摆动梁机构中曲柄的下方。差速器输入端朝向后方且轴线平行于发动机输出端轴线，并通过联轴器与变速箱输出端连接。差速器两个输出端分别朝向行走机器的两侧。

所述的车轮传动机构在机器两侧对称位置各分布一组。每组车轮传动机构包括滑键、滑键槽套筒、滑键轴和两个球笼式同步万向节。一侧的车轮传动机构位于差速器和同侧的驱动轮之间。其中，差速器该侧的输出端与一个球笼式同步万向节的输入端固定连接，其输出端与滑键轴一端固定连接。滑键轴另一端开有键槽并安装有滑键，套合在滑键槽套筒内。滑键槽套筒上开有长键槽供滑键在其内部滑动，使得滑键轴能在滑键槽套筒内部伸缩。滑键槽套筒另一端与另一个球笼式同步万向节的输入端固定连接，该球笼式同步万向节输出端通过轴与同侧驱动轮固定连接。另一侧车轮传动机构具有相同的结构和配合。

所述的仿地形差高控制装置包括箱体、动力换向机构、蜗轮蜗杆机构和重力仿形机构。仿地形差高控制装置位于机架后方中间位置，通过箱体固定在机架上，动力换向机构和蜗轮蜗杆机构安装在箱体内，蜗轮蜗杆机构位于动力换向机构的前方，重力仿形机构位于箱体外，在箱体的后方。

所述的动力换向机构包括正向旋转摩擦离合器、反向旋转摩擦离合器、输入皮带轮、动力输入轴、动力传递轴、同向转轴、反向转轴、双向输出轴和齿轮传动组件。所述的齿轮组件由八个直齿轮组成。所述的蜗轮蜗杆机构包括蜗轮和蜗杆。所述的重力仿形机构包括重力摆、控制拨叉、气缸、活塞、空气过滤器和活塞连杆。所述的正向和反向旋转摩擦离合器均包括输入端、输出端和离合控制环，输出端在离合控制环的控制下可以接通或者切断与输入端的连接。

所述的动力换向机构中同向转轴、反向转轴和双向输出轴的轴线共线且垂直于发动机输出端轴线，位于前方，动力传递轴位于中间，动力输入轴位于后方，轴线相互平行。其中，同向转轴和反向转轴位于双向输出轴两侧。反向转轴和动力输入轴与变速箱同在行走机器一侧，同向转轴与动力传递轴则位于另一侧。正向和反向旋转摩擦离合器为径向杠杆式多片摩擦离合器，均由离合输入端、离合输出端和离合控制环组成。离合控制环外圆柱面上开有环型槽，套在离合输入端外部，轴线共线。离合控制环在其轴线上滑动时，通过摩擦离合器的内部的杠杆结构控制摩擦离合器的接通或断开状态。正向旋转摩擦离合器安装在同向转轴和双向输出轴之间，轴线共线。反向旋转摩擦离合器安装在反向转轴和双向输出轴之间，轴线共线。所述的动力输入轴一端安装在箱体内部，另一端伸出箱体外部并通过平键装有输入皮带轮，从安全离合装置中的离合皮带轮获得动力，实现仿地形差高控制装置的动力输入。动力输入轴在靠近输入皮带轮的一侧和另一端上分别安装有两个直齿轮。所述的动力传递轴一端通过一对直齿轮啮合从动力输入轴获得动力，另一端通过一对直齿轮啮合与同向转轴一端连接，使其转动方向与动力输入轴上的输入皮带轮一致。同向转轴另一端朝向输入皮带轮并与正向旋转摩擦离合器的输入端通过胀紧套连接。同向旋转摩擦离合器输出端朝向输入皮带轮，并通过平键与中部固定安装有一个直齿轮的双向输出轴对应的一端配合。双向输出轴另一端指向输入皮带轮，并通过平键与反向旋转摩擦离合器输出端配合。反向旋转摩擦离合器输入端朝向输入皮带轮，并通过胀紧套与反向转轴对应的一端连接。反向转轴另一端靠近输入皮带轮，并通过直齿轮与动力输入轴上靠近输入皮带轮处的直齿轮啮合。

所述的蜗轮蜗杆机构，其蜗杆轴线与动力换向机构中动力输入轴轴线平行，蜗杆一端安装有直齿轮并与双向输出轴中部的直齿轮啮合，获得动力。蜗轮通过平键安装在连杆动力轴朝向机器后方的一端上并通过啮合从蜗杆获取动力。

所述的重力仿形机构，其重力摆呈阶梯圆柱形，上、中两部分为圆杆，底部为圆锤，轴线重合，圆锤底部端面开有轴线与圆杆轴线垂直的销孔。圆杆接近顶部处有平行于底部销孔轴线的销孔。圆杆中部开有两个螺纹孔。重力摆通过销孔与机架铰接，且铰接处轴线平行于发动机输出端轴线。机器行走过程中向两侧倾斜时，重力摆在重力作用下绕该铰接处摆动。控制拨叉通过螺钉固定在重力摆上，两端分别装有圆柱滚轮，可同时在动力换向机构中正向和反向旋转摩擦离合器的离合控制环外圆柱面上的凹槽内滑动。重力摆向行走机器两侧摆动时通过控制拨叉同时控制两个摩擦离合器的接通或断开状态。气门处安装有空气过滤器的气缸固定在变速箱上，缸体轴线垂直于发动机输出端轴线，缸口朝向重力仿形机构。重力摆和活塞均与活塞连杆的两端铰接。

与现有技术相比，本发明达到的效果在于：

（1）本发明设计的连杆摆动梁机构和滑杆套筒限位机构配合可以实现两侧驱动轮差高时做竖直的相对上下运动，避免差高后驱动轮在水平方向产生偏移，提高机器运行的稳定性；

（2）本发明采用重力仿形机构控制动力换向机构的输出动力，实现差高的自动控制，机器操作简便；动力换向机构的齿轮传动形式具有稳定性，且其与重力仿形机构的机械连接有可靠性；

（3）本发明通过连杆摆动梁机构驱动凸轮推杆机构来控制离合机构，根据差高的幅度来控制由发动机与变速箱间动力的接通或断开；实现机器差高过载保护，差高幅度恢复正常后动力路线自动恢复接通，起安全保护作用。

附图说明

图1为行走机器的轴侧图；

图2为安全离合装置隐藏部分壳体后的轴侧图；

图3为离合机构以及凸轮推杆机构在离合输入轴轴线上的剖视图；

图4为差高执行装置的轴侧图；

图5为差高执行装置结构简图；

图6为位于行走机器一侧的车轮传动机构的正视图；

图7为动力换向机构和蜗轮蜗杆机构的轴侧图；

图8为重力仿形机构的轴测图；

图9为行走机器整机动力传动路径图；

图10为机器行走于水平路面的安全离合装置工作原理图；

图11为机器行走于安全倾斜范围路面时安全离合装置工作原理图；

图12为机器行走于危险路面时安全离合装置过载保护工作原理图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对发明内容作进一步说明，但不是对本发明的限定。

实施例：

如图1所示，一种小型仿地形自动差高动力行走机器，主要包括安全离合装置1、差高执行装置2、仿地形差高控制装置3和动力装置4。其中，动力装置4包括发动机4-1、机架4-2和变速箱4-3。机架4-2对整机的零部件起到支撑和固定作用，其前方中间位置固定有输出端朝向后方的发动机4-1。安全离合装置1在变速箱4-3上方，两者均安装在机架4-2后方一侧。仿地形差高控制装置3安装在机架4-2后方中间位置。差高执行装置2位于发动机4-1和仿地形差高控制装置3之间。

如图2所示，安全离合装置1由壳体1-1、离合机构1-2、凸轮推杆机构1-3、传动部件1-4和齿轮传动组件1-5组成。其中，传动部件1-4包括动力皮带轮1-4-1和主传动轴1-4-2。主传动轴1-4-2通过轴承安装在机架4-2上，其两端通过平键安装有动力皮带轮1-4-1和第二锥齿轮1-5-2，构成共同旋转体。第一锥齿轮1-5-1和离合皮带轮1-2-4通过平键与离合输入轴1-2-1配合，构成共同旋转体。离合传动轴1-2-2通过花键套合在离合输出轴1-2-3的花键孔中，且能在花键孔内进行轴向伸缩，构成共同旋转体。离合输出轴1-2-3通过平键与离合输出直齿轮1-5-3配合，构成共同旋转体。动力皮带轮1-4-1通过皮带从发动机4-1获取动力。离合输入轴1-2-1通过第一锥齿轮1-5-1和第二锥齿轮1-5-2啮合，并从主传动轴1-4-2获得动力，其一端端面上的凸牙与离合传动轴1-2-2对应端端面上的凸牙槽嵌合。离合传动轴1-2-2可沿轴线在预留的安装间隙内相对离合输入轴1-2-1和离合输出轴1-2-3滑动，滑向离合输入轴1-2-1侧时凸牙与凸牙槽嵌合，获得动力，再经离合输出轴1-2-3为变速箱4-3输入动力。反之，离合传动轴1-2-2滑向离合输出轴1-2-3一侧时凸牙与凸牙槽脱离嵌合，无动力输入，切断变速箱4-3的输入动力。离合皮带轮1-2-4通过皮带为仿地形差高控制装置3输入动力。

如图2所示，凸轮1-3-1通过平键与连杆动力轴2-2-1配合，构成共同旋转体。连杆动力轴2-2-1通过轴承安装在机架4-2上，驱动凸轮1-3-1旋转。离合拨叉1-3-2一端安装有可在凸轮槽内滑动的圆柱滚轮，并在凸轮1-3-1驱动下沿离合输入轴1-2-1的轴线方向平移。

如图3所示，离合拨叉1-3-2的圆柱端穿过离合输入轴1-2-1中心通孔，并通过螺母1-2-7与双向推力轴承1-2-6的内圈固定连接。限位套筒1-2-5通过螺钉与离合传动轴1-2-2固定连接，将双向推力轴承1-2-6限位在孔内。离合拨叉1-3-2在凸轮1-3-1推动作用下滑移时，带动离合传动轴1-2-2在轴线方向上滑移。离合传动轴1-2-2滑向离合输入轴1-2-1时，凸牙槽与凸牙嵌合；滑向离合输出轴1-2-3时，嵌合脱离。在滑移过程中，离合传动轴1-2-2的花键端始终与离合输出轴1-2-3花键孔套合。

如图4所示，差速器2-3位于连杆摆动梁机构2-2下方，并安装在机架4-2上。差速器输入端2-3-1朝向后方并通过联轴器与变速箱4-3的输出端连接，获取动力。差速器2-3的第一输出端2-3-2和第二输出端2-3-3分别朝向两侧，并分别通过第一车轮传动机构2-4和第二车轮传动机构2-5将动力传给第一驱动轮2-1-1和第二驱动轮2-1-2。

如图4所示，滑杆套筒限位机构2-1的第一圆形套筒2-1-5、第二圆形套筒2-1-6、第三圆形套筒2-1-7和第四圆形套筒2-1-8分别固定在机架4-2上，其内部分别对应套合第一滑杆2-1-9、第二滑杆2-1-10、第三滑杆2-1-11和第四滑杆2-1-12。第一车轮座2-1-3通过螺母同时与第一滑杆2-1-9和第二滑杆2-1-10固定，可沿滑杆轴线上下平移。另一侧的第二车轮座2-1-4具有相同的结构和配合形式。第一驱动轮2-1-1和第二驱动轮2-1-2分别通过轴和轴承安装在第一车轮座2-1-3和第二车轮座2-1-4上。

如图4和图5所示，一端安装有蜗轮3-3-2的连杆动力轴2-2-1通过轴承安装在机架4-2上，从蜗轮3-3-2获取动力，其另一端通过平键与曲柄2-2-2的一端配合，为连杆摆动梁机构2-2输入动力。曲柄2-2-2的另一端与连杆2-2-3中部的销孔铰接。第一差高摆动梁2-2-4弯角处通过轴承和第一固定销2-2-8与机架4-2铰接。第一差高摆动梁2-2-4短臂末端与连杆2-2-3的一端铰接。曲柄2-2-2、连杆2-2-3和第一差高摆动梁2-2-4的短臂构成平行四杆机构。第一支撑杆2-2-6的一端与第一差高摆动梁2-2-4的长臂末端铰接，另一端与第一车轮座2-1-3的顶部铰接。另一侧具有对称的结构和配合。当连杆动力轴2-2-1获得动力时，带动曲柄2-2-2旋转，驱动连杆2-2-3平移，并带动第一差高摆动梁2-2-4和第二差高摆动梁2-2-5分别绕第一固定销2-2-8和第二固定销2-2-9的轴线同向旋转，使得第一差高摆动梁2-2-4和第二差高摆动梁2-2-5的两个长臂末端出现差高，并分别通过第一支撑杆2-2-6和第二支撑杆2-2-7驱动第一车轮座2-1-3和第二车轮座2-1-4，并带动对应的第一驱动轮2-1-1和第二驱动轮2-1-2产生高度差。在差高的同时，第一车轮座2-1-3和第二车轮座2-1-4各自对应固定的第一滑杆2-1-9、第二滑杆2-1-10和第三滑杆2-1-11、第四滑杆2-1-12只能在对应固定在机架4-2上的第一圆形套筒2-1-5、第二圆形套筒2-1-6、第三圆形套筒2-1-7和第四圆形套筒2-1-8内沿轴线上下滑动，保证两侧的第一驱动轮2-1-1和第二驱动轮2-1-2只能有上下位置差高，没有前后位置偏移。

如图4和6所示，位于行走机器一侧的车轮传动机构2-4包含第一球笼式同步万向节2-4-1和第二球笼式同步迈向节2-4-2。第一球笼式同步万向节2-4-1的输入端2-4-1-1与差速器2-3的第一输出端2-3-2固定连接，其输出端2-4-1-2与滑键轴2-4-3的一端固定连接。滑键轴2-4-3带有键槽并安装滑键2-4-4的另一端套在开有供滑键2-4-4滑动的长键槽的滑键槽套筒2-4-5内，滑键轴2-4-3可在滑键槽套筒2-4-5内部伸缩。滑键槽套筒2-4-5的另一端与第二球笼式同步万向节2-4-2的输入端2-4-2-1固定连接，第二球笼式同步万向节2-4-2的输出端2-4-2-2轴线与第一驱动轮2-1-1轴线共线，并通过轴与第一驱动轮2-1-1固定连接，将动力输送给第一驱动轮2-1-1。差高过程中，第二球笼式同步万向节2-4-2的输出端2-4-2-2跟随第一驱动轮2-1-1一起运动，而第一球笼式同步万向节2-4-1的输入端2-4-1-1则与差速器2-3的第一输出端2-3-2固定，不产生位移。第一球笼式同步万向节2-4-1和第二球笼式同步万向节2-4-2的上下高度差的变化，使其轴线间距离发生变化，同时滑键轴2-4-3轴线分别与第一驱动轮2-1-1和差速器2-3的第一输出端2-3-2间夹角也变化。上述的距离的变化由滑键轴2-4-3在滑键槽套筒2-4-5内部伸缩来补偿，夹角的变化由万向节转动来补偿。差高造成的该角度和距离补偿后，差速器2-3的第一输出端2-3-2输出的动力仍能平稳的传送至第一驱动轮2-1-1。位于另一侧的车轮传动机构2-5具有相同的结构、配合和运动形式。

如图7所示，动力换向机构3-1中动力输入轴3-1-2、动力传递轴3-1-3、同向转轴3-1-4、双向输出轴3-1-6和反向转轴3-1-8均通过轴承和箱体固定连接。与安全离合装置1中的离合皮带轮1-2-4连接的输入皮带轮3-1-1、第二直齿轮3-1-10和第七直齿轮3-1-15通过平键和动力输入轴3-1-2配合，构成共同旋转体，且第二直齿轮3-1-10安装在靠近输入皮带轮3-1-1的一侧。第六直齿轮3-1-14和第八直齿轮3-1-16通过平键安装在动力传递轴3-1-3的两端，构成共同旋转体。正向旋转第一摩擦离合器3-1-5的输入端3-1-5-1和第五直齿轮3-1-13分别通过胀紧套和平键安装在同向转轴3-1-4的两端，构成共同旋转体。反向旋转第二摩擦离合器3-1-7的输入端3-1-7-1和第一直齿轮3-1-9分别通过胀紧套和平键安装在反向转轴3-1-8的两端，构成共同旋转体。正向旋转第一摩擦离合器3-1-5的输出端3-1-5-3和反向旋转摩擦离合器3-1-7的输出端3-1-7-3分别通过平键与双向输出轴3-1-6的两端配合。第三直齿轮3-1-11通过平键安装在双向输出轴3-1-6的中部，构成共同旋转体。

如图7所示，第二离合控制环3-1-7-2套合在反向旋转第二摩擦离合器3-1-7的离合输出端3-1-7-3上，在轴线上滑动时通过内部的杠杆机构控制离合状态，向离合输入端3-1-7-1方向滑动一定位移后，反向旋转第二摩擦离合器3-1-7与反向转轴3-1-8接通，滑向另一端回到起始位置后断开。第一离合控制环3-1-5-2具有相同的结构和配合形式。第一摩擦离合器3-1-5和第二摩擦离合器3-1-7存在三种工作状态：一是都断开；二是第一摩擦离合器3-1-5接通但第二摩擦离合器3-1-7断开；三是第一摩擦离合器3-1-5断开但第二摩擦离合器3-1-7接通。第一种状态，双向输出轴3-1-6无动力输出；第二种状态，输入皮带轮3-1-1将动力传递到动力输入轴3-1-2，经第七直齿轮3-1-15和第八直齿轮3-1-16啮合传到动力传递轴3-1-3，再经第六直齿轮3-1-14和第五直齿轮3-1-13啮合，传到同向转轴3-1-4，最后经正向旋转第一摩擦离合器3-1-5接合双向输出轴3-1-6，至输出第三直齿轮3-1-11，与输入皮带轮3-1-1转向相同，同向动力传递路线接通。第三种状态，动力经第二直齿轮3-1-10和第一直齿轮3-1-9啮合传动到反向转轴3-1-8，再经第二摩擦离合器3-1-7接合双向输出轴3-1-6，至输出第三直齿轮3-1-11，反向动力传递路线接通。第一离合控制环3-1-5-2和第二离合控制环3-1-7-2同时受重力仿形机构3-2的控制。

如图7所示，蜗轮蜗杆机构3-3是仿地形差高控制装置3的输出机构。其中，蜗杆3-3-1通过轴承和箱体固定连接。蜗杆3-3-1的一端通过平键和第四直齿轮3-1-12配合，构成共同旋转体，并通过第四直齿轮3-1-12和第三直齿轮3-1-11的啮合从双向输出轴3-1-6获取动力。与蜗杆3-3-1啮合的蜗轮3-3-2通过平键安装在差高执行装置2中的连杆动力轴2-2-1上，构成共同旋转体，为差高执行装置2的连杆摆动梁机构2-2和滑杆套筒限位机构2-1输入动力。蜗轮蜗杆机构3-3具有自锁特性不输出动力时，防止滑杆套筒限位机构2-1和连杆摆动梁机构2-2受外力摆动，保证差高稳定性。

当上述同向动力传递路线接通时，第三直齿轮3-1-11转向与输入皮带轮3-1-1相同，并通过第四直齿轮3-1-12将动力传递至蜗轮蜗杆机构3-3。蜗轮3-3-2驱动连杆动力轴2-2-1旋转，连杆2-2-3在曲柄2-2-2带动下向第二差高摆动梁2-2-5所在侧平移，第一车轮座2-1-3和第二车轮座2-1-4分别向上、向下平移。当反向动力传递路线接通时，第三直齿轮3-1-11转向与输入皮带轮3-1-1相反，连杆2-2-3在曲柄2-2-2带动下向第一差高摆动梁2-2-4所在侧平移，第一车轮座2-1-3和第二车轮座2-1-4分别向下、向上平移。

如图8所示，重力仿形机构3-2包括重力摆3-2-1、控制拨叉3-2-2、活塞连杆3-2-4、活塞杆3-2-5和气缸3-2-6。重力摆3-2-1通过销钉3-2-3与机架4-2铰接。通过重力摆3-2-1绕固定销钉3-2-3的自由摆动来识别机身的倾斜程度。当机身处于水平状态时，重力摆3-2-1受重力作用竖直向下，不做摆动；当机身向一侧倾斜时，重力摆3-2-1在重力作用下绕固定销钉3-2-3相对于机架4-2摆动而保持自身竖直状态。控制拨叉3-2-2与重力摆3-2-1固定连接，其两端的圆柱滚轮同时和动力换向机构3-1中的正向和反向旋转第一摩擦离合器3-1-5和第二摩擦离合器3-1-7的第一离合控制环3-1-5-2和第二离合控制环3-1-7-2上的凹槽相互作用。重力仿形机构3-2通过重力摆3-2-1在重力作用下仿地形变化所造成的自由摆动驱动控制拨叉3-2-2的运动来控制正向和反向旋转第一摩擦离合器3-1-5和第二摩擦离合器3-1-7的离合状态，以实现对仿地形差高控制装置3的输出动力的控制。

如图8所示，当机身较为水平时，重力摆3-2-1受重力作用处于初始相对于机身位置，轴线与双向输出轴3-1-6轴线垂直。固定在重力摆3-2-1上的控制拨叉3-2-2约束第一离合控制环3-1-5-2和第二离合控制环3-1-7-2处于初始位置，正向和反向旋转第一摩擦离合器3-1-5和第二摩擦离合器3-1-7均断开。此时双向输出轴3-1-6无动力输入，蜗轮蜗杆机构3-3无输出，差高执行装置2不差高。当机身向反向旋转第二摩擦离合器3-1-7一侧倾斜，重力摆3-2-1在重力作用下即绕销钉3-2-3摆向该侧以保持竖直状态，偏离初始相对于机身位置，带动控制拨叉3-2-2同时拨动第二离合控制环3-1-7-2和第一离合控制环3-1-5-2向同一侧滑动，到达一定位移后，反向旋转第二摩擦离合器3-1-7接通且正向旋转第一摩擦离合器3-1-5断开，反向动力传递路线接通。动力经蜗轮蜗杆机构3-3传递，驱动连杆摆动梁机构2-2和滑杆套筒限位机构2-1，带动第一车轮座2-1-3、第二车轮座2-1-4分别向下、向上位移，两侧的第一驱动轮2-1-1和第二驱动轮2-1-2产生差高后，由倾斜变为竖直并带动机身逐渐恢复水平。机身恢复水平后，重力摆2-2-1回到初始位置，反向动力传动路线断开，此时，双向输出轴3-1-6无动力输入，蜗轮蜗杆机构3-3无输出，保持差高状态运行。当机身由倾斜路面进入水平路面后，随着路面坡度的变化，机身由平衡变为倾斜。重力摆2-2-1受重力作用再次相对于机身偏摆，上述动力路线接通再次进行差高，使机身倾斜一侧侧驱动轮向下位移，另一侧驱动轮向上位移，最终两侧驱动轮高度一致时，车身恢复水平。重力摆2-2-1重新回到初始位置，差高结束。

如图8所示，活塞连杆3-2-4一端与重力摆3-2-1底部铰接，另一端与活塞杆3-2-5的一端铰接。活塞杆3-2-5另一端通过螺母与固定在变速箱上的气缸3-2-6内的活塞固定连接。通过限制气缸3-2-6的气门3-2-6-1的大小，利用气缸3-2-6内的空气阻尼来限制活塞的运动速度。同时活塞通过活塞连杆3-2-4与重力摆3-2-1连接，在活塞受到限制的同时也限制住了重力摆3-2-1的摆动速度。防止重力摆3-2-1在行走机器机身震动时发生不必要的偏摆或简谐运动。空气过滤器3-2-7安装在气缸3-2-6上的气门3-2-6-1处，过滤空气。

如图9所示，发动机4-1的输出动力通过皮带传入安全离合装置1的传动部件1-4，然后分两路将动力输出。一路为仿地形差高控制装置3中动力换向机构3-1输入动力，另一路经离合机构1-2为变速箱4-3输入动力。动力换向机构3-1获得动力后，在重力仿形机构3-2控制下，可为蜗轮蜗杆机构3-3输入动力，并驱动连杆摆动梁机构2-2带动滑杆套筒限位机构2-1来实现差高；变速箱4-3在离合机构1-2控制下为差速器2-3输入动力，并分别通过两侧的第一车轮传动机构2-4和第二车轮传动机构2-5驱动两侧第一驱动轮2-1-1和第二驱动轮2-1-2，实现机器行走。

如图10所示，安全离合装置1中的凸轮1-3-1通过平键安装在差高执行装置2的连杆动力轴2-2-1上。凸轮1-3-1上B点为凸轮槽的近休止点，BA、BC段均为推程段，ADC段为远休止段。当机器行走在水平路面或由倾斜路面回到水平路面时，差高执行装置2受仿地形差高控制装置3控制，使连杆摆动梁机构2-2中各零部件处于或回到初始位置。凸轮1-3-1受连杆动力轴2-2-1作用亦处于初始位置。此刻，离合拨叉1-3-2与凸轮1-3-1作用于凸轮槽的起始处B处，离合传动轴1-2-2与离合输入轴1-2-1保持嵌合状态。离合输入轴1-2-1的动力能通过离合传动轴1-2-2和离合输出轴1-2-3输出给变速箱4-3，驱动差速器2-3并经过第一车轮传动机构2-4和第二车轮传动机构2-5驱动两侧的第一驱动轮2-1-1和第二驱动轮2-1-2，机器在水平路面行走。

如图11所示，当机器进入倾斜坡度在安全范围内的路面时，机身会随路面变化而倾斜，仿地形差高控制装置3控制差高执行装置2进行差高，连杆动力轴2-2-1带动凸轮1-3-1偏转，使得离合拨叉1-3-2与凸轮1-3-1的作用点偏离B点而进入推程BC段或BA段。路面倾斜程度增大，差高幅度也随之增大，连杆动力轴2-2-1偏转幅度也越大，带动离合拨叉1-3-2继续在推程段滑动，并驱动离合离合传动轴1-2-2在轴线上向远离离合输入轴1-2-1的方向平移，凸牙和凸牙槽的嵌合区逐渐减少。在设置的安全坡度范围内，可以保证凸牙和凸牙槽的有效嵌合。此时，离合机构1-2能正常为变速箱4-3提供动力，经差速器2-3并通过第一车轮传动机构2-4和第二车轮传动机构2-5，驱动两侧的第一驱动轮2-1-1和第二驱动轮2-1-2行走。

如图12所示，当行走的路面倾斜程度超出设定的安全范围时，凸轮2-3-1跟随连杆动力轴2-2-1继续增大偏转幅度，带动离合拨叉1-3-2进入ADC远休段，并驱动离合传动轴1-2-2继续向远离离合输入轴1-2-1的方向平移，使凸牙槽与凸牙脱离嵌合，切断离合输入轴1-2-1至离合传动轴1-2-2的动力，从而切断变速箱4-3的输入动力，第一驱动轮2-1-1和第二驱动轮2-1-2停止转动，机器停车，达到安全保护作用。

Claims (10)

1.一种小型仿地形自动差高动力行走机器，包括动力装置（4）和分别与动力装置（4）连接的离合装置、差高执行装置（2）及差高控制装置，其中：动力装置（4）包括机架（4-2）、发动机（4-1）和通过离合装置与发动机（4-1）连接的变速箱（4-3）；其特征是：

所述离合装置为安全离合装置（1），该安全离合装置（1）包括离合机构（1-2）、与离合机构（1-2）连接的凸轮推杆机构（1-3）、与发动机（4-1）连接的传动部件（1-4）和与传动部件（1-4）连接的齿轮传动组件（1-5），凸轮推杆机构（1-3）通过凸轮（1-3-1）与差高执行装置（2）的连杆动力轴（2-2-1）连接，并通过凸轮推杆机构（1-3）的离合拨叉（1-3-2）控制离合机构（1-2）接通或断开发动机（4-1）与变速箱（4-3）的动力连接；

所述差高执行装置（2）包括设置在机架（4-2）上的滑杆套筒限位机构（2-1）、连杆摆动梁机构（2-2）、与变速箱（4-3）连接的差速器（2-3）和与差速器（2-3）连接的第一车轮传动机构（2-4）、第二车轮传动机构（2-5）；

所述差高控制装置为仿地形差高控制装置（3），该仿地形差高控制装置（3）包括动力换向机构（3-1）、重力仿形机构（3-2）和与动力换向机构（3-1）连接的蜗轮蜗杆机构（3-3），动力换向机构（3-1）通过离合机构（1-2）与发动机（4-1）连接，蜗轮蜗杆机构（3-3）通过其内部的蜗轮（3-3-2）与差高执行装置（2）中的连杆动力轴（2-2-1）连接，并带动差高执行装置（2）的连杆摆动梁机构（2-2）和滑杆套筒限位机构（2-1）。

2.如权利要求1所述的一种小型仿地形自动差高动力行走机器，其特征在于：所述的离合机构（1-2）包括离合输入轴（1-2-1）、离合传动轴（1-2-2）、离合输出轴（1-2-3）和离合皮带轮（1-2-4），离合输入轴（1-2-1）通过第一锥齿轮（1-5-1）与传动部件（1-4）的主传动轴（1-4-2）连接；离合皮带轮（1-2-4）设置在离合输入轴（1-2-1）上，并与仿地形差高控制装置（3）中的输入皮带轮（3-1-1）连接；离合输入轴（1-2-1）一端的凸牙与离合传动轴（1-2-2）对应端的凸牙槽相互嵌合；离合传动轴（1-2-2）另一端的花键与离合输出轴（1-2-3）对应端的花键孔套合，且可以沿轴线上预设的安装间隙滑动；离合输出轴（1-2-3）另一端通过输出直齿轮（1-5-3）与变速箱（4-3）连接。

3.如权利要求1所述的一种小型仿地形自动差高动力行走机器，其特征在于：所述的凸轮推杆机构（1-3）包括凸轮（1-3-1）和离合拨叉（1-3-2），凸轮推杆机构（1-3）设在离合输入轴（1-2-1）轴线的延长线上；离合拨叉（1-3-2）一端通过双向推力轴承（1-2-6）与离合传动轴（1-2-2）连接，另一端通过圆柱滚轮在凸轮（1-3-1）上的凸轮槽内滑动。

4.如权利要求1所述的一种小型仿地形自动差高动力行走机器，其特征在于：所述传动部件（1-4）包括由主传动轴（1-4-2）和分别通过平键配合设置在主传动轴两端的动力皮带轮（1-4-1）和第二锥齿轮（1-5-2）构成的共同旋转体；动力皮带轮（1-4-1）通过皮带与发动机（4-1）连接，主传动轴（1-4-2）通过轴承设置在机架（4-2）上，其轴线与发动机（4-1）输出端轴线平行。

5.如权利要求1所述的一种小型仿地形自动差高动力行走机器，其特征在于：所述的滑杆套筒限位机构（2-1）包括第一驱动轮（2-1-1）和第二驱动轮（2-1-2）、第一车轮座（2-1-3）和第二车轮座（2-1-4）、第一圆形套筒（2-1-5）、第二圆形套筒（2-1-6）、第三圆形套筒(2-1-7)和第四圆形套筒（2-1-8）和对应套合的第一滑杆（2-1-9）、第二滑杆（2-1-10）、第三滑杆（2-1-11）和第四滑杆（2-1-12），其中，第一圆形套筒（2-1-5）、第二圆形套筒（2-1-6）和第三圆形套筒（2-1-7）、第四圆形套筒（2-1-8）对称分布于行走机器的两侧并固定在机架（4-2）上；第一驱动轮（2-1-1）和第二驱动轮（2-1-2）通过轴分别安装在固定有第一滑杆（2-1-9）和第二滑杆（2-1-10）的第一车轮座（2-1-3）和固定有第三滑杆（2-1-11）和第四滑杆（2-1-12）的第二车轮座（2-1-4）上。

6.如权利要求1所述的一种小型仿地形自动差高动力行走机器，其特征在于：所述的连杆摆动梁机构（2-2）包括连杆动力轴（2-2-1）、曲柄（2-2-2）、连杆（2-2-3）、第一差高摆动梁（2-2-4）和第二差高摆动梁（2-2-5）以及第一支撑杆（2-2-6）和第二支撑杆（2-2-7）；连杆动力轴（2-2-1）通过轴承固定在机架（4-2）上，在连杆动力轴（2-2-1）上间隔设置有凸轮（1-3-1）、蜗轮（3-3-2）和曲柄（2-2-2）；曲柄（2-2-2）一端与连杆（2-2-3）中部销孔铰接；第一差高摆动梁（2-2-4）和第二差高摆动梁（2-2-5）均呈L型，对称设在行走机器两侧，其折弯处的销孔分别铰接在机架（4-2）上；第一差高摆动梁（2-2-4）和第二差高摆动梁（2-2-5）的短臂末端销孔分别和连杆（2-2-3）两端的销孔铰接，长臂端销孔分别与第一支撑杆（2-2-6）和第二支撑杆（2-2-7）的一端铰接；第一支撑杆（2-2-6）和第二支撑杆（2-2-7）另一端分别与第一车轮座（2-1-3）和第二车轮座（2-1-4）铰接。

7.如权利要求1所述的一种小型仿地形自动差高动力行走机器，其特征在于：所述的第一车轮传动机构（2-4）和第二车轮传动机构（2-5）包括分别位于行走机器两侧的第一球笼式同步万向节（2-4-1）、第二球笼式同步万向节（2-4-2）和第三球笼式同步万向节、第四球笼式同步万向节以及相应的传动零件；球笼式同步万向节输入端（2-4-1-1）与差速器（2-3）同侧的输出端（2-3-2）固定连接，球笼式同步万向节的输出端（2-4-2-2）通过轴与驱动轮（2-1-1）固定连接。

8.如权利要求1所述的一种小型仿地形自动差高动力行走机器，其特征在于：所述的蜗轮蜗杆机构（3-3）包括蜗杆（3-3-1）和蜗轮（3-3-2）；蜗杆（3-3-1）通过一对直齿轮啮合与双向输出轴（3-1-6）连接；蜗轮（3-3-2）通过平键与连杆动力轴（2-2-1）配合。

9.如权利要求1所述的一种小型仿地形自动差高动力行走机器，其特征在于：所述的动力换向机构（3-1）包括输入皮带轮（3-1-1）、动力输入轴（3-1-2）、动力传递轴（3-1-3）、同向转轴（3-1-4）、正向旋转摩擦离合器（3-1-5）、双向输出轴（3-1-6）、反向旋转摩擦离合器（3-1-7）、反向转轴（3-1-8）和直齿轮传动组件；输入皮带轮（3-1-1）安装在动力输入轴（3-1-2）上，并通过皮带与离合皮带轮（1-2-4）连接；反向转轴（3-1-8）一端通过直齿轮啮合与动力输入轴（3-1-2）连接，另一端通过胀紧套与反向旋转摩擦离合器（3-1-7）的离合输入端（3-1-7-1）连接，离合输出端（3-1-7-2）则通过平键与双向输出轴（3-1-6）连接；动力传递轴（3-1-3）的两端分别通过直齿轮与动力输入轴（3-1-2）及同向转轴（3-1-4）的一端连接，同向转轴（3-1-4）的另一端通过胀紧套与同向旋转摩擦离合器（3-1-5）的离合输入端（3-1-5-1）连接，离合输出端（3-1-5-2）则通过平键与双向输出轴（3-1-6）的另一端连接。

10.如权利要求1所述的一种小型仿地形自动差高动力行走机器，其特征在于：所述的重力仿形机构（3-2）包括重力摆（3-2-1）、控制拨叉（3-2-2）、活塞连杆（3-2-4）、气缸（3-2-6）、空气过滤器（3-2-7）和活塞；重力摆（3-2-1）顶部与机架（4-2）铰接，底部与活塞连杆（3-2-4）一端铰接；控制拨叉（3-2-2）通过螺钉固定在重力摆（3-2-1）上，其两个末端通过圆柱滚轮分别在第一离合控制环（3-1-5-2）和第二离合控制环（3-1-7-2）的环型槽内滑动；气缸（3-2-6）内的活塞与活塞连杆（3-2-4）铰接；气缸（3-2-6）固定安装在变速箱（4-3）上，气门（3-2-6-1）处安装有空气过滤器（3-2-7）。