CN106362414B - 一种上下坡无碳小车的换档及滑行机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种上下坡无碳小车的换档及滑行机构，包括动力传递组件和电控组件；动力传递组件包括后驱动轮半轴、后从动轮半轴以及设有锥形轴套的绕线轴，后驱动轮半轴上通过花键连接有可轴向移动的内外花键套筒，套筒和绕线轴之间通过两对常啮合齿轮连接；电控组件包括单片机及电连接于单片机上的红外对管、轮速传感器和两个能使常啮合齿轮换档的直流式电磁铁；上下坡时，单片机根据红外对管和光栅轮速传感器发送的电信号，发出不同指令控制不同直流式电磁铁的通断电，使动力传递路线在两对常啮合齿轮对之间转换，完成平路与坡道的档位转换。本发明具有能够进行智能探测、准确改变驱动力、能节省重力势能且能使小车行走速度均匀等优点。

Description

一种上下坡无碳小车的换档及滑行机构

技术领域

本发明涉及无碳小车，特别是涉及一种上下坡无碳小车的换档及滑行机构。

背景技术

设计并制作无碳小车已逐渐成为地区性乃至国家级的机械设计比赛。如图1所示，无碳小车是以重力势能驱动的具有方向控制功能的自行小车；小车为三轮结构，具有转向控制机构，且该转向控制机构具有可调节功能或者可快速更换结构，以适应设有不同间距障碍物的竞赛场地；驱动小车行走及转向的能量只能由给定的重力势能转换而来，不可使用其他的能量来源。给定重力势能为4 焦耳( 取g ＝ 10m/s²)，竞赛时统一用质量为1kg的砝码(Φ50*65mm，普通碳钢) 铅垂下降来获得，落差400mm，重块落下后须被小车承载并同小车一起运动，不允许从小车上掉落。

现有的无碳小车大多采用绕线在锥形轴上以达到小范围内变矩的目的，从而实现上下坡功能。这种方式相对较机械，需要事先测定赛道的起点与坡道的位置，再来进行绕线，人为误差较大；而且绕线位置的误差太大，容易出现小车抵达坡道后，绕线位置尚未改变，小车停在坡道处的现象；还有在整个上下坡过程中，重物都在下降，增加了能量的损耗；最后若绕线位置不均匀还会导致小车在行驶过程中重心不稳，降低小车的运动精度。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种能够进行智能探测、准确改变驱动力、尽可能节省重力势能且能使小车行走速度均匀的上下坡无碳小车的换档及滑行机构。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种上下坡无碳小车的换档及滑行机构，包括动力传递组件和电控组件；

所述动力传递组件包括绕线轴、连接成一直线的后驱动轮半轴和后从动轮半轴，绕线轴的一端装设一大驱动齿轮，另一端装设一小驱动齿轮，中部套设一锥形轴套，绕线轴上于锥形轴套的小径端与大驱动齿轮之间设有第一回位弹簧；后驱动轮半轴上通过花键套设一设有内、外花键的套筒，后驱动轮半轴的外端通过一单向轴承装设一后驱动轮，内端套设一与套筒端部相接触的第二回位弹簧；套筒靠后驱动轮的一端套设一与大驱动齿轮常啮合的小从动齿轮，另一端套设一与小驱动齿轮常啮合的大从动齿轮；套筒上的外花键设有两段，两段外花键之间设有换档拨叉；两个从动齿轮不同时与套筒上的两段外花键啮合；

所述电控组件包括斜置于小车重物支持架顶部以检测坡道位置的红外对管、设于重物支持架下方的单片机、设于后从动轮半轴上以检测轮速的光栅轮速传感器以及两个分别用于吸附大驱动齿轮和换档拨叉的直流式电磁铁，红外对管、光栅轮速传感器以及直流式电磁铁均与单片机连接；其中第一直流式电磁铁设于两个驱动齿轮之间的绕线轴下方，并靠近大驱动齿轮；第二直流式电磁铁设于换档拨叉和大从动齿轮之间的后驱动轮半轴下方，并靠近换档拨叉；小车上下坡时，单片机分别根据红外对管和光栅轮速传感器发送的不同电信号，发出不同的指令控制不同直流式电磁铁的通断电，使动力传递路线在两对常啮合齿轮对之间转换，以完成平路与坡道的档位转换。

作为对上述技术方案的进一步改进：

优选的，初始状态时，所述套筒靠后驱动轮一端的外花键与所述小从动齿轮的内花键啮合，大从动齿轮空套于套筒的另一端，动力从大驱动齿轮传递到小从动齿轮，套筒旋转带动后驱动轮转动，小车以二档在平路行驶。

优选的，当小车快抵达上坡道时，所述红外对管感应到坡道位置，所述电控组件控制动力传递组件换档的步骤为：

S1.红外对管发送一个电信号A到单片机，单片机根据预设的程序再发送一个指令M到所述第一直流式电磁铁使其通电，吸附所述大驱动齿轮使其停止转动，绕线轴和后驱动轮半轴静止，所述单向轴承处于未锁止状态，后驱动轮继续以制动前的二档速度为初速度转动滑行；

S2.单片机发出所述指令M后延时1秒，即发出一个指令N到所述第二直流式电磁铁使其通电，吸附所述换档拨叉拉动所述套筒轴向移动，使套筒一端的外花键与所述小从动齿轮脱离啮合，套筒另一端的外花键与大从动齿轮进入啮合，动力从二档换为一档；

S3.单片机发出所述指令N后延时1秒，即发出一个指令P到所述第一直流式电磁铁使其断电，不再吸附大驱动齿轮，大驱动齿轮由于第一回位弹簧的弹力作用而回位，带动小从动齿轮空转，后驱动轮由大从动齿轮带动运转，小车以一档爬坡。

优选的，小车下坡时，其速度越来越快，所述光栅轮速传感器感应到轴速增大到第一设定值时，所述电控组件控制动力传递组件换档的步骤为：

S4.所述光栅轮速传感器发送一个电信号B到单片机，单片机再发出一指令M到第一直流式电磁铁使其通电，吸附住大驱动齿轮使其停止转动，绕线轴和后驱动轮半轴静止，单向轴承处于未锁止状态，后驱动轮以制动前的一档速度转动滑行；

S5.所述单片机发出所述指令M后延时1秒，即发送一指令Q到第二直流式电磁铁使其断电，不再吸附换档拨叉，套筒在第二回位弹簧的弹力作用下轴向移动回位，其一端的外花键与大从动齿轮脱离啮合，另一端的外花键与小从动齿轮啮合，小车动力从一档换为二档，后驱动轮在绕线轴和后驱动轮半轴仍处于静止状态下继续滑行下坡；

S6.小车下坡后至平路时，速度越来越慢，当光栅速度传感器感应到轴速减小到第二设定值时，即发送一个电信号C到单片机，单片机再发出一指令P到第一直流式电磁铁使其断电，不再吸附大驱动齿轮，大驱动齿轮在第一回位弹簧的弹力作用下回位，绕线轴和后驱动轮半轴开始运转，小车恢复到二档行驶。

优选的，所述第一设定值为经过测算后确定小车能以该速度滑行完整个坡道的速度值。

优选的，所述第二设定值为小车将停未停的速度值。

优选的，所述锥形轴套为开槽式锥形轴套。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明的换档及滑行机构，采用改变不同啮合齿轮对的方式即可完成平路与坡道的驱动力转换，换档迅速，换档后动力均匀；

2、本发明的换档及滑行机构，采用红外对管智能感应加单片机控制式，完全可以自主感应到设置在赛道上任意位置的坡道并完成换档，能避免不同的坡道位置对小车实现上下坡功能的阻碍，顺利实现上下坡功能；

3、本发明的换档及滑行机构，采用直流式电磁铁吸附驱动齿轮以制动传动系加上单向轴承超越行驶的方式，可避免小车在换档过程中先停止再启动的现象，能有效避免该现象下导致的砝码的重力势能的损失；且能使小车在下坡过程中的行驶能量只来源于其本身的动能及重力势能，几乎不需要用到砝码的重力势能，而完全依靠其初始动能及其在坡顶位置的重力势能就能实现下坡，可节省砝码的重力势能，节省下的能量可使小车行驶的更远；

4、本发明的换档及滑行机构，通过设置开槽式锥形轴套，能实现小范围内的驱动力矩的改变，使小车能够适应更多的不同摩擦因数的路面。

附图说明

图1为无碳小车的机构原理示意图。

图2为本发明的换档及滑行机构示意图。

图3为本发明的换档及滑行机构分解示意图。

图4为本发明中电控组件的控制原理图。

图例说明：

1、单片机；2、光栅轮速传感器；3、后从动轮半轴；4、后驱动轮半轴；5、第二回位弹簧；6、大从动齿轮；7、第二直流式电磁铁；8、第一直流式电磁铁；9、套筒；10、换档拨叉；11、后驱动轮；12、单向轴承；13、小从动齿轮；14、大驱动齿轮；15、第一回位弹簧；16、锥形轴套；17、绕线轴；18、小驱动齿轮；19、红外对管。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本发明作更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体的实施例。

如图2、图3和图4所示，本发明的一种上下坡无碳小车的换档及滑行机构，包括动力传递组件和电控组件；动力传递组件包括绕线轴17、后驱动轮半轴4和后从动轮半轴3，后驱动轮半轴4和后从动轮半轴3连接成一直线，绕线轴17的一端装设一大驱动齿轮14，另一端装设一小驱动齿轮18，中部套设一开槽式锥形轴套16，绕线轴17上于锥形轴套16的小径端与大驱动齿轮14之间设有第一回位弹簧15；后驱动轮半轴4上通过花键套设一设有内、外花键的套筒9，后驱动轮半轴4的外端通过一单向轴承12装设一后驱动轮11，内端套设一与套筒9端部相接触的第二回位弹簧5；套筒9靠后驱动轮11的一端套设一与大驱动齿轮14常啮合的小从动齿轮13，另一端套设一与小驱动齿轮18常啮合的大从动齿轮6；套筒9上的外花键设有两段，两段外花键之间设有换档拨叉10；两个从动齿轮不同时与套筒9上的两段外花键啮合，可转换不同的档位（无碳小车在初始状态时，套筒9靠后驱动轮11一端的外花键与小从动齿轮13的内花键啮合，大从动齿轮6空套于套筒9的另一端，动力从大驱动齿轮14传递到小从动齿轮13，套筒9旋转带动后驱动轮11转动，小车以二档在平路行驶）。

本实施例中，电控组件包括斜置于小车重物支持架顶部以检测坡道位置的红外对管19、设于重物支持架下方的单片机1（型号为80C51）、设于后从动轮半轴3上以检测轮速的光栅轮速传感器2以及两个分别用于吸附大驱动齿轮14和换档拨叉10的直流式电磁铁（分别为第一直流式电磁铁8和第二直流式电磁铁7），红外对管19、光栅轮速传感器2以及两个直流式电磁铁均与80C51单片机1连接：其中红外对管19的信号线接80C51单片机1的P 0.1接口；第一直流式电磁铁8的信号线接80C51单片机1的P 2.2接口；第二直流式电磁铁7的信号线接80C51单片机1的P 2.4接口；光栅轮速传感器2的信号线A接80C51单片机1的P 1.3接口；光栅轮速传感器2的信号线B接80C51单片机的P 1.4接口。且第一直流式电磁铁8设于两个驱动齿轮之间的绕线轴17下方，并靠近大驱动齿轮14。当单片机1发出指令到第一直流式电磁铁8使其通电时，其可吸附住大驱动齿轮14，产生摩擦力矩，迫使其停止转动，即使绕线轴17不再转动，从而倒拖住砝码停止下落，使整个传动系静止；当单片机1发出指令到第一直流式电磁铁8使其断电时，其停止吸附大驱动齿轮14，由于第一回位弹簧15的弹力作用，大驱动齿轮14回位，传动系又开始运转。第二直流式电磁铁7设于换档拨叉10和大从动齿轮6之间的后驱动轮半轴4下方，并靠近换档拨叉10。当单片机1发出指令到第二直流式电磁铁7使其通电时，可吸附换档拨叉10，使其产生轴向位移，从而拉动套筒9移动，使套筒9上的外花键与小从动齿轮13退出啮合，另一端的外花键与大从动齿轮6进入啮合，从而实现第一次换档；当单片机1发出指令到第二直流式电磁铁7使其断电时，不再吸附换档拨叉10，由于第二回位弹簧5的弹力作用，套筒9回位，其一端的外花键又与小从动齿轮13进入啮合，另一端的外花键与大从动齿轮6退出啮合，完成第二次换档。无碳小车上下坡时，本发明中的单片机1分别根据红外对管19和光栅轮速传感器2发送的不同电信号，发出不同的指令控制不同的直流式电磁铁通断电，使动力传递路线在两对常啮合齿轮对之间转换，以完成平路与坡道的档位转换。换档迅速，换档后动力均匀，能顺利实现上下坡功能。

本实施例中，当小车快抵达上坡道时，斜置的红外对管19首先感应到坡道位置，此时，电控组件控制动力传递组件换档的步骤为：

S1.红外对管19发送一个电信号A到单片机1，单片机1根据预设的程序再发送一个指令M到第一直流式电磁铁8使其通电，吸附大驱动齿轮14使其停止转动，绕线轴17和后驱动轮半轴4静止，单向轴承12处于未锁止状态，后驱动轮11继续以制动前的二档速度为初速度转动滑行；

S2.单片机1发出指令M后延时1秒，即发出一个指令N到第二直流式电磁铁7使其通电，吸附换档拨叉10拉动套筒9轴向移动，使套筒9一端的外花键与小从动齿轮13脱离啮合，套筒9另一端的外花键与大从动齿轮6进入啮合，动力从二档换为一档；

S3.单片机1发出指令N后延时1秒，即发出一个指令P到第一直流式电磁铁8使其断电，不再吸附大驱动齿轮14，大驱动齿轮14由于第一回位弹簧的弹力作用而回位，带动小从动齿轮13空转，后驱动轮11由大从动齿轮6带动运转，小车以一档爬坡。

本实施例中，当小车下坡时，其速度会越来越快，当光栅轮速传感器2感应到轴速增大到第一设定值（即经过测算后确定小车能以该速度滑行完整个坡道的速度值）时，此时电控组件控制动力传递组件换档的步骤为：

S4.光栅轮速传感器2发送一个电信号B到单片机1，单片机1再发出一指令M到第一直流式电磁铁8使其通电，吸附住大驱动齿轮14使其停止转动，绕线轴17和后驱动轮半轴4静止，单向轴承12处于未锁止状态，后驱动轮11以制动前的一档速度转动滑行；

S5.单片机1发出指令M后延时1秒，即发送一指令Q到第二直流式电磁铁7使其断电，不再吸附换档拨叉10，套筒9在第二回位弹簧5的弹力作用下轴向移动回位，其一端的外花键与大从动齿轮6脱离啮合，另一端的外花键与小从动齿轮13啮合，小车动力从一档换为二档，后驱动轮11在绕线轴17和后驱动轮半轴4仍处于静止状态下继续滑行下坡；

S6.小车下坡后至平路时，速度越来越慢，当光栅速度传感器感应到轴速减小到第二设定值（即小车将停未停的速度值）时，即发送一个电信号C到单片机1，单片机1再发出一指令P到第一直流式电磁铁8使其断电，不再吸附大驱动齿轮14，大驱动齿轮14在第一回位弹簧的弹力作用下回位，绕线轴17和后驱动轮半轴4开始运转，小车恢复到二档行驶。

本发明采用红外对管智能感应加单片机控制式，完全可以自主感应到设置在赛道上任意位置的坡道并完成换档，能避免不同的坡道位置对小车实现上下坡功能的阻碍，顺利实现上下坡功能；采用直流式电磁铁吸附驱动齿轮以制动传动系加上单向轴承超越行驶的方式，可避免小车在换档过程中先停止再启动的现象，能有效避免该现象下导致的砝码的重力势能的损失；且能使小车在下坡过程中的行驶能量只来源于其本身的动能及重力势能，几乎不需要用到砝码的重力势能，而完全依靠其初始动能及其在坡顶位置的重力势能就能实现下坡，可节省砝码的重力势能，节省下的能量可使小车行驶的更远。

Claims (6)

1.一种上下坡无碳小车的换档及滑行机构，其特征在于：包括动力传递组件和电控组件；

所述动力传递组件包括绕线轴、连接成一直线的后驱动轮半轴和后从动轮半轴，绕线轴的一端装设一大驱动齿轮，另一端装设一小驱动齿轮，中部套设一开槽式锥形轴套，绕线轴上于锥形轴套的小径端与大驱动齿轮之间设有第一回位弹簧；后驱动轮半轴上通过花键套设一设有内、外花键的套筒，后驱动轮半轴的外端通过一单向轴承装设一后驱动轮，内端套设一与套筒端部相接触的第二回位弹簧；套筒靠后驱动轮的一端套设一与大驱动齿轮常啮合的小从动齿轮，另一端套设一与小驱动齿轮常啮合的大从动齿轮；套筒上的外花键设有两段，两段外花键之间设有换档拨叉；两个从动齿轮不同时与套筒上的两段外花键啮合；

所述电控组件包括斜置于小车重物支持架顶部以检测坡道位置的红外对管、设于重物支持架下方的单片机、设于后从动轮半轴上以检测轮速的光栅轮速传感器以及两个分别用于吸附大驱动齿轮和换档拨叉的直流式电磁铁，红外对管、光栅轮速传感器以及直流式电磁铁均与单片机连接；其中第一直流式电磁铁设于两个驱动齿轮之间的绕线轴下方，并靠近大驱动齿轮；第二直流式电磁铁设于换档拨叉和大从动齿轮之间的后驱动轮半轴下方，并靠近换档拨叉；小车上下坡时，单片机分别根据红外对管和光栅轮速传感器发送的不同电信号，发出不同的指令控制不同直流式电磁铁的通断电，使动力传递路线在两对常啮合齿轮对之间转换，以完成平路与坡道的档位转换。

2.根据权利要求1所述的上下坡无碳小车的换档及滑行机构，其特征在于：初始状态时，所述套筒靠后驱动轮一端的外花键与所述小从动齿轮的内花键啮合，大从动齿轮空套于套筒的另一端，动力从大驱动齿轮传递到小从动齿轮，套筒旋转带动后驱动轮转动，小车以二档在平路行驶。

3.根据权利要求2所述的上下坡无碳小车的换档及滑行机构，其特征在于：当小车快抵达上坡道时，所述红外对管感应到坡道位置，所述电控组件控制动力传递组件换档的步骤为：

S1.红外对管发送一个电信号A到单片机，单片机根据预设的程序再发送一个指令M到所述第一直流式电磁铁使其通电，吸附所述大驱动齿轮使其停止转动，绕线轴和后驱动轮半轴静止，所述单向轴承处于未锁止状态，后驱动轮继续以制动前的二档速度为初速度转动滑行；

S2.单片机发出所述指令M后延时1秒，即发出一个指令N到所述第二直流式电磁铁使其通电，吸附所述换档拨叉拉动所述套筒轴向移动，使套筒一端的外花键与所述小从动齿轮脱离啮合，套筒另一端的外花键与大从动齿轮进入啮合，动力从二档换为一档；

S3.单片机发出所述指令N后延时1秒，即发出一个指令P到所述第一直流式电磁铁使其断电，不再吸附大驱动齿轮，大驱动齿轮由于第一回位弹簧的弹力作用而回位，带动小从动齿轮空转，后驱动轮由大从动齿轮带动运转，小车以一档爬坡。

4.根据权利要求3所述的上下坡无碳小车的换档及滑行机构，其特征在于：小车下坡时，其速度越来越快，所述光栅轮速传感器感应到轴速增大到第一设定值时，所述电控组件控制动力传递组件换档的步骤为：

S4.所述光栅轮速传感器发送一个电信号B到单片机，单片机再发出一指令M到第一直流式电磁铁使其通电，吸附住大驱动齿轮使其停止转动，绕线轴和后驱动轮半轴静止，单向轴承处于未锁止状态，后驱动轮以制动前的一档速度转动滑行；

S5.所述单片机发出所述指令M后延时1秒，即发送一指令Q到第二直流式电磁铁使其断电，不再吸附换档拨叉，套筒在第二回位弹簧的弹力作用下轴向移动回位，其一端的外花键与大从动齿轮脱离啮合，另一端的外花键与小从动齿轮啮合，小车动力从一档换为二档，后驱动轮在绕线轴和后驱动轮半轴仍处于静止状态下继续滑行下坡；

S6.小车下坡后至平路时，速度越来越慢，当光栅速度传感器感应到轴速减小到第二设定值时，即发送一个电信号C到单片机，单片机再发出一指令P到第一直流式电磁铁使其断电，不再吸附大驱动齿轮，大驱动齿轮在第一回位弹簧的弹力作用下回位，绕线轴和后驱动轮半轴开始运转，小车恢复到二档行驶。

5.根据权利要求4所述的上下坡无碳小车的换档及滑行机构，其特征在于：所述第一设定值为经过测算后确定小车能以该速度滑行完整个坡道的速度值。

6.根据权利要求4所述的上下坡无碳小车的换档及滑行机构，其特征在于：所述第二设定值为小车将停未停的速度值。

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