CN108404426A - 一种s路径无碳小车 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种S路径无碳小车，包括U形板架、转换机构、行走机构和转向机构，U形板架包括第一直线型侧板和第二直线型侧板，转换机构设于二者之间，包括砝码、导线轮和柔性绳，柔性绳的一端连接砝码；行走机构包括主动轮、从动轮及与主动轮轴连接的齿轮组；转向机构包括前轮、前轮组件、凸轮轴、与第一接触件、第二接触件相对设置的第一凸轮和第二凸轮，前轮组件设于前轮顶部，凸轮轴的一端穿过第一凸轮后与齿轮组连接，凸轮轴的另一端依次穿过第二凸轮、第二直线型侧板后与从动轮连接，柔性绳的另一端在导线轮缠绕后与凸轮轴连接，第一凸轮与第二凸轮依次推动对应的接触件。与现有技术相比，本发明具有运行精度高、制作简单快捷等优点。

Description

一种S路径无碳小车

技术领域

本发明涉及机械技术领域，尤其是涉及一种S路径无碳小车。

背景技术

S路径无碳小车是一辆由1kg砝码驱动并能够绕标志杆沿S型路线行走的纯机械小车，无碳小车主要包括转向机构和行走机构，通过重物重力势能转化成动能的原理，实现真正意义上的无碳行走及自动转向。

传统的S路径无碳小车大多依靠单根连杆控制转向或凸轮转向，其中，采用凸轮转向结构的无碳小车大多采用单个大型凸轮带动前轮连杆往复运动来控制方向，这种方式容易出现行走路线不对称的问题；而采用连杆转向机构的无碳小车具有一定的能量损失。此外，传统的S路径无碳小车往往采用铝合金、钢铁等加工件来制作零件，其制作成本高，且制作周期长，长期以来给广大师生造成了极大的不便和很多不必要的财政压力。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种S路径无碳小车。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种S路径无碳小车，包括车架及与车架连接的转换机构、行走机构和转向机构，所述的转换机构包括砝码、导线轮和柔性绳，柔性绳的一端连接砝码，另一端缠绕在导线轮上，所述的车架为U形板架，该U形板架包括第一直线型侧板、第二直线型侧板以及固定在两条直线型侧板间的后板，所述的转换机构设于第一直线型侧板和第二直线型侧板之间；所述的行走机构包括主动轮、主动轮轴、从动轮以及与主动轮轴连接的齿轮组，所述的凸轮轴穿过第一直线型侧板后与主动轮连接；所述的转向机构包括前轮、前轮组件、第一接触件、第二接触件、凸轮轴、第一凸轮和第二凸轮，所述的凸轮轴的一端穿过第一凸轮后与齿轮组连接，凸轮轴的另一端依次穿过第二凸轮、第二直线型侧板后与从动轮连接，所述的柔性绳的另一端在导线轮缠绕后与靠近第一凸轮的凸轮轴的端部连接，所述的第一接触件的一端与第一凸轮相对设置，另一端与前轮组件相对设置，所述的第二接触件的一端与第二凸轮相对设置，另一端与前轮组件相对设置，所述的前轮组件设于前轮顶部，第一凸轮和第二凸轮呈反向180度安装于凸轮轴两端，两个凸轮依次推动对应的接触件；

砝码落下时牵动柔性绳，柔性绳绕过导线轮，通过解开缠绕的方式将重力势能转换成动能传递给凸轮轴，凸轮轴通过齿轮组将动能传递给行走机构，使主动轮绕主动轮轴持续做圆周转动，整车持续行进，同时，凸轮轴带动第一凸轮和第二凸轮绕凸轮轴转动，通过第一凸轮和第二凸轮轮流推动接触件，使前轮组件做周期性的往复转动，从而带动前轮使整车以S型路线行进。

优选地，所述的转换机构还包括塔顶、两根口字型支架和四根砝码支架，所述的导线轮设于塔顶上，所述的口字型支架的两个侧板固定在第一直线型侧板和第二直线型侧板内壁上，四根砝码支架穿过塔顶后对称固定在两根口字型支架的底板上。

优选地，所述的口字型支架的侧板通过约束螺母固定在第一直线型侧板和第二直线型侧板内壁上，约束螺母穿过口字型支架的侧板后与砝码支架连接，砝码支架与口字型支架的侧板间形成用于第一接触件及第二接触件往复运动的移动空隙。

优选地，所述的齿轮组包括相互啮合的第一齿轮和第二齿轮，所述的第一齿轮套设在主动轮轴上，所述的第二齿轮设于第一齿轮底部，所述的第二齿轮通过螺钉固定在凸轮轴上，第一齿轮与第二齿轮的传动比为6:1。

优选地，所述的前轮组件包括从上至下依次连接的旋动杆、前轮支撑板、第一前轮支架和第二前轮支架，所述的前轮支撑板的两侧设有突起端，突起端通过螺钉固定在两个直线型侧板之间，所述的第一前轮支架的两侧设有推杆，所述的推杆与第一接触件、第二接触件相对设置，所述的前轮设于第二前轮支架的底端。

优选地，所述的第二前轮支架上设有用于调整第一、第二前轮支架间相对位置的微调螺钉。

优选地，所述的第二前轮支架的底部对称设有第一凸起部和第二凸起部，第一凸起部和第二凸起部上设有螺栓孔，螺栓依次穿过第一螺栓孔、前轮、第二螺栓孔后在第二凸起部外壁进行固定。

优选地，所述的第一凸轮和第二凸轮上设有微调机构，该微调机构包括调节卡槽和调节螺钉，所述的调节卡槽包括五个呈直线设置的紧密连通的圆形槽孔，该圆形槽孔的尺寸与调节螺钉的尺寸相匹配。

优选地，所述的U形板架、主动轮、从动轮、齿轮组、凸轮轴、第一凸轮、第二凸轮、第一接触件、第二接触件和前轮组件采用脆性材料通过3D打印机打印成型。

优选地，砝码下降的高度与无碳小车的行走距离之比为300mm/93000mm。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)减小负重及成本：本发明的无碳小车除轴承、螺钉、螺母等用于固定的零件外，其余所有零部件皆采用脆性材料在3d打印机中打印成型，相比于传统金属零件，使用3d打印机制做零件方便快捷、成本低，且打印出的零件更加轻便；

(2)运行精度高、能量损失小：本发明的转向机构采用对称凸轮结构，凸轮推动接触件，即可使前轮支架做周期性的往复转动，进而带动前轮使整车以S路径行进；凸轮的偏心距的控制由调节卡槽和调节螺钉组成的微调机构完成，采用由凸轮偏心距控制振幅和周期的正弦函数曲线，相比于传统凸轮转向机构，精度大大提高，且省去了采用圆周曲线时出现的不必要的能量损失，相比于传统连杆式转向机构，能量损失更小；

(3)可调性强：本发明的S路径无碳小车的各个机构相对独立，通过螺栓、螺母的连接方式，可根据实际情况调整各部分的松紧程度或适当调节零件模型尺寸后使用3d打印机重新制作零部件，用来调整或控制小车在各个阶段的行走速度及轨迹，以最大化利用重物的势能能量；

(4)强度优化：本发明的车架结构为无底盘的U型板架，相较于传统的具有大底盘和连杆转向机构的小车，整车的结构强度得到优化，同时能以最少材料实现对整车所有机构的固定和支撑。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的内部结构图及部分局部放大示意图；

图3为图2的F-F图；

图4为前轮组件结构示意图；

图5为第一齿轮与第二齿轮的连接关系示意图；

图6为车架及局部放大的俯视结构示意图；

图中标号所示：

1、导线轮，2、塔顶，3、第一接触件，4、口字型支架，5、前轮支撑板，6、前轮，7、第二直线型侧板，8、从动轮，9、凸轮轴，10、后板，11、第一直线型侧板，12、主动轮轴，13、主动轮，14、第一凸轮，15、调节卡槽，16、调节螺钉，17、约束螺母，18、第一前轮支架，19、第二前轮支架，20、微调螺钉，21、螺栓，22、砝码支架，23、第一齿轮，24、第二齿轮，25、第二接触件，26、第二凸轮，27、旋动杆，28、推杆，29、滚动轴承。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

如图1～图6所示，本发明涉及一种S路径无碳小车，包括车架、转换机构、行走机构、转向机构及微调机构。本发明除轴承、螺钉、螺母等用于固定的零件外，其余各个机构中所有零部件皆采用脆性材料在3d打印机中打印成型。

车架为无底盘的U型板架，包括平行设置的第一直线型侧板11、第二直线型侧板7以及通过螺钉固定在两条直线型侧板间的后板10，第一直线型侧板11的高度高于第二直线型侧板7的高度。

转换机构包括导线轮1、塔顶2、两根口字型支架4、四根砝码支架22及砝码，所述的塔顶2为带有凹槽的圆饼状，导线轮1通过设于两侧的固定端固定在塔顶2上，且导线轮1的宽度与凹槽相匹配。四根砝码支架22穿过塔顶2后对称固定在两根口字型支架4的底板上。约束螺母17依次穿过直线型侧板、口字型支架4的侧板后紧靠在砝码支架22上，砝码支架22与口字型支架4的侧板间形成移动间隙。砝码的一端连接柔性绳，柔性绳的另一端在导线轮1缠绕后与凸轮轴9连接。

行走机构包括主动轮13、从动轮8以及与主动轮轴12连接的齿轮组，齿轮组包括相互啮合的第一齿轮23和第二齿轮24。主动轮轴12穿过第一直线型侧板11，并通过滚动轴承29与第一直线型侧板11连接；第一齿轮24套设在主动轮轴12上，第二齿轮24设于第一齿轮23底部，且第一齿轮23与第二齿轮24的传动比为6:1。

转向机构包括旋动杆27、前轮支撑板5、前轮6、第一前轮支架18、第二前轮支架19、第一接触件3、第二接触件25、凸轮轴9、第一凸轮14和第二凸轮26。柔性绳的另一端在导线轮1缠绕后与靠近第一凸轮14的凸轮轴9端部连接。第一凸轮14和第二凸轮26呈反向180度安装于凸轮轴9两端。

第一前轮支架18为圆柱结构，其内部设有第一圆柱槽，其两端对称设有推杆28。旋动杆27的底部与第一圆柱槽相匹配；前轮支撑板5的中央部位设有与第一圆柱槽尺寸相同的圆孔，前轮支撑板5的两端设有突起端，突起端通过螺钉固定在两个直线型侧板之间。旋动杆27穿过前轮支撑板5的圆孔后固定在第一前轮支架18中。第二前轮支架19设有与第一前轮支架18尺寸相匹配的第二圆柱槽，第二圆柱槽两侧设有限位孔，第一前轮支架18嵌入第二圆柱槽中，推杆28从第二圆柱槽的限位孔探出，可在限位孔的限制范围内调整位置。第一前轮支架18置于第二前轮支架19后调整推杆28，使第一前轮支架18、第二前轮支架19的相对位置合适之后，通过微调螺钉20进行固定。调松微调螺钉20，可根据小车运行目标重新调整第一、第二前轮支架的相对位置，从而调节补偿由于脆性零件变形等不可抗因素造成的误差。

第二前轮支架19的底部设有两个前轮固定端，两个前轮固定端上设有螺栓孔，前轮6通过螺栓21设于两个前轮固定端之间，前轮6以螺栓21为轴进行转动。本实施例采用的螺栓21为m8螺栓。

凸轮轴9的一端穿过第一凸轮14后与第二齿轮24连接，凸轮轴9的另一端依次穿过第二凸轮26、第二直线型侧板7后与从动轮8连接；第一凸轮14、第二凸轮26的偏心距的控制由调节卡槽15和调节螺钉16组成的微调机构完成。调节卡槽15上各卡槽的具体位置按照实际运动要求决定，根据实际场地情况，优选均匀且呈直线型紧密连通的五个卡槽，每个卡槽的尺寸与调节螺钉16相配合。

第一接触件3的一端与第一凸轮14相对设置，另一端穿过移动间隙后与推杆28相对设置；第二接触件25的一端与第二凸轮26相对设置，另一端穿过移动间隙后与第一前轮支架18另一侧的推杆28相对设置；则第一接触件3、第二接触件25由砝码支架22、约束螺母17及口字型支架4所约束。

相对于凸轮轴9的轴线对称设置的第一凸轮14、第二凸轮26轮流推动第一接触件3、第二接触件25，使其周期性地推动相应的推杆28，从而带动前轮6实现周期性的转向。

砝码下降时牵动柔性绳，绕过导线轮1，通过解开缠绕的方式将动力传递给凸轮轴9。凸轮轴9转动，带动固定在轴上的第二齿轮24转动，第二齿轮24带动第一齿轮23旋转，第一齿轮23通过主动轮轴12使得主动轮13运动，将动能传递给行走机构。主动轮13绕固定在第一直线型侧板11上的主动轮轴12持续做圆周转动，使整车持续行进。同时凸轮轴9带动对称固定的第一凸轮14、第二凸轮26绕凸轮轴9转动，通过第一凸轮14、第二凸轮27的轮流推动接触件，接触件推动推杆28，进而带动第一前轮支架18、第二前轮支架19做周期性的往复转动，进一步实现前轮6携整车以S型路线行进。

本发明中S型曲线参数由第一凸轮14、第二凸轮26决定；本发明的S路径无碳小车砝码下降的高度与无碳小车的行走距离之比为300mm/93000mm。第一直线型侧板11与第二直线型侧板7的高度比例由主动轮13与从动轮8的尺寸比例决定。

为充分利用砝码所提供的能量，本发明的S路径无碳小车采用由凸轮偏心距控制振幅和周期的正弦函数曲线，省去了采用圆周曲线时出现的不必要的能量损失。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的工作人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种S路径无碳小车，包括车架及与车架连接的转换机构、行走机构和转向机构，所述的转换机构包括砝码、导线轮和柔性绳，柔性绳的一端连接砝码，另一端缠绕在导线轮上，其特征在于，所述的车架为U形板架，该U形板架包括第一直线型侧板、第二直线型侧板以及固定在两条直线型侧板间的后板，所述的转换机构设于第一直线型侧板和第二直线型侧板之间；所述的行走机构包括主动轮、主动轮轴、从动轮以及与主动轮轴连接的齿轮组，所述的凸轮轴穿过第一直线型侧板后与主动轮连接；所述的转向机构包括前轮、前轮组件、第一接触件、第二接触件、凸轮轴、第一凸轮和第二凸轮，所述的凸轮轴的一端穿过第一凸轮后与齿轮组连接，凸轮轴的另一端依次穿过第二凸轮、第二直线型侧板后与从动轮连接，所述的柔性绳的另一端在导线轮缠绕后与靠近第一凸轮的凸轮轴的端部连接，所述的第一接触件的一端与第一凸轮相对设置，另一端与前轮组件相对设置，所述的第二接触件的一端与第二凸轮相对设置，另一端与前轮组件相对设置，所述的前轮组件设于前轮顶部，第一凸轮和第二凸轮呈反向180度安装于凸轮轴两端，两个凸轮依次推动对应的接触件；

砝码落下时牵动柔性绳，柔性绳绕过导线轮，通过解开缠绕的方式将重力势能转换成动能传递给凸轮轴，凸轮轴通过齿轮组将动能传递给行走机构，使主动轮绕主动轮轴持续做圆周转动，整车持续行进，同时，凸轮轴带动第一凸轮和第二凸轮绕凸轮轴转动，通过第一凸轮和第二凸轮轮流推动接触件，使前轮组件做周期性的往复转动，从而带动前轮使整车以S型路线行进。

2.根据权利要求1所述的一种S路径无碳小车，其特征在于，所述的转换机构还包括塔顶、两根口字型支架和四根砝码支架，所述的导线轮设于塔顶上，所述的口字型支架的两个侧板固定在第一直线型侧板和第二直线型侧板内壁上，四根砝码支架穿过塔顶后对称固定在两根口字型支架的底板上。

3.根据权利要求2所述的一种S路径无碳小车，其特征在于，所述的口字型支架的侧板通过约束螺母固定在第一直线型侧板和第二直线型侧板内壁上，约束螺母穿过口字型支架的侧板后与砝码支架连接，砝码支架与口字型支架的侧板间形成用于第一接触件及第二接触件往复运动的移动空隙。

4.根据权利要求1所述的一种S路径无碳小车，其特征在于，所述的齿轮组包括相互啮合的第一齿轮和第二齿轮，所述的第一齿轮套设在主动轮轴上，所述的第二齿轮设于第一齿轮底部，所述的第二齿轮通过螺钉固定在凸轮轴上，第一齿轮与第二齿轮的传动比为6:1。

5.根据权利要求1所述的一种S路径无碳小车，其特征在于，所述的前轮组件包括从上至下依次连接的旋动杆、前轮支撑板、第一前轮支架和第二前轮支架，所述的前轮支撑板的两侧设有突起端，所述的突起端通过螺钉固定在两个直线型侧板之间，所述的第一前轮支架的两侧设有推杆，所述的推杆与第一接触件、第二接触件相对设置，所述的前轮设于第二前轮支架的底端。

6.根据权利要求5所述的一种S路径无碳小车，其特征在于，所述的第二前轮支架上设有用于调整第一、第二前轮支架间相对位置的微调螺钉。

7.根据权利要求6所述的一种S路径无碳小车，其特征在于，所述的第二前轮支架的底部对称设有第一凸起部和第二凸起部，第一凸起部和第二凸起部上设有螺栓孔，螺栓依次穿过第一螺栓孔、前轮、第二螺栓孔后在第二凸起部外壁固定。

8.根据权利要求1所述的一种S路径无碳小车，其特征在于，所述的第一凸轮和第二凸轮上设有微调机构，该微调机构包括调节卡槽和调节螺钉，所述的调节卡槽包括五个呈直线设置的紧密连通的圆形槽孔，该圆形槽孔的尺寸与调节螺钉的尺寸相匹配。

9.根据权利要求1所述的一种S路径无碳小车，其特征在于，所述的U形板架、主动轮、从动轮、齿轮组、凸轮轴、第一凸轮、第二凸轮、第一接触件、第二接触件和前轮组件采用脆性材料通过3D打印机打印成型。

10.根据权利要求1所述的一种S路径无碳小车，其特征在于，砝码下降的高度与无碳小车的行走距离之比为300mm/93000mm。