CN110104054A - 一种机械转向控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机械转向控制装置，包括动力传输部分、转向控制部分、动力转换部分和转向执行部分，其中，动力传输部分包括控制轮齿轮、控制轮轴承和控制轮轴，转向控制部分包括控制轮、间歇传动齿轮、传动轴和传动轴承，动力转换部分包括控制挡板、球面挡板和转向销，转向执行部分包括推力球轴承、前轮支架、前轮、角接触球轴承和前轮轴。本发明利用类似凸轮机构控制，控制装置简单，可以应对复杂的曲线路径，转角范围大，转向过程存在间歇期，耗能较低，可实现任何有已确定的复杂的运动轨迹的运动。

Description

一种机械转向控制装置

技术领域

本发明涉及一种机械转向控制装置，属于机械控制领域。

背景技术

目前社会生活能源消耗巨大，为实现节能减排，在转向控制方面不用单独动力源控制，仅通过机械机构间的配合实现转向。装置应用的无碳小车立足于仅通过重力势能转化而使小车以规定轨迹行进。重力势能通过机械结构，转化为机械能，再经过各类动力传输零件，将机械能分配给转向控制装置和推进装置。由于所属动力源唯一，且仅通过机械结构控制，必然导致无碳小车前进与转向有密切物理联系。且由于机械结构的局限性，大多机械结构只能实现周期往复性的运动轨迹。对于复杂的不规则的运动轨迹，则需外加控制元件单动控制转向。

发明内容

为实现转向控制装置能在无独立能源参与的情况下，仅通过机械配合，打破转向和行进的固有联系，使小车以非周期性的确定的运动轨迹行进，本发明提供了一种机械转向控制装置，该装置有效利用了凸轮机构控制复杂运动的特性，使小车可以进行复杂的无规则的转向运动；并且该装置可以通过改变控制挡板和球面挡板的尺寸实现任意角度的旋转，任何可以确定轨迹的场合，可以通过更改控制轮外缘尺寸和控制挡板球面挡板尺寸，对应确定轨迹实现运动。

本发明中主要采用的技术方案为：

一种机械转向控制装置，包括动力传输部分、转向控制部分、动力转换部分和转向执行部分， 其中，

所述动力传输部分包括控制轮齿轮、控制轮轴承和控制轮轴，所述控制轮齿轮和控制轮轴承分别以过盈配合的方式加装在所述控制轮轴上；

所述转向控制部分包括控制轮、间歇传动齿轮、传动轴和传动轴承，所述控制轮采用过盈配合的方式安装在控制轮轴上，所述传动轴承和间歇传动齿轮分别采用过盈配合的方式安装在传动轴上，所述传动轴承安装在车架的轴承座上，所述间歇传动齿轮和所述控制轮齿轮相互啮合；

所述动力转换部分包括控制挡板、球面挡板和转向销，所述控制挡板的一端与所述控制轮外周线接触配合，另一端与球面挡板的一端连接，所述球面挡板的另一端与所述转向销的一端球面铰接，所述转向销的另一端插接在所述转向执行部分的前轮支架上；

所述转向执行部分包括推力球轴承、前轮支架、前轮、两个角接触球轴承和前轮轴，所述前轮支架包括一根分段轴和U型支架，所述分段轴固定设置在U型支架上，且位于U型支架中心线上，所述分段轴分为上下两段，且上段轴直径小于下段轴，所述推力球轴承安装在上段轴上，且与下段轴的顶端台面接触，所述下段轴的轴侧面设有通孔，用于插入所述转向销，所述前轮采用过盈配合的方式安装在前轮轴中心处，两个所述角接触球轴承以背对背式或面对面式的方式对称地过盈配合安装在所述前轮轴两端，且两个所述角接触球轴承分别嵌合安装在U型支架两侧。

优选地，所述控制轮为外周设有若干凸起与凹陷的类凸轮机构。

优选地，所述间歇传动齿轮的外周设有一段无齿轮段。

优选地，所述动力转换部分还包括两根弹性绳索，其中一根弹性绳索的一端固定加装在控制挡板的上侧面，另一端固定加装在球面挡板的上侧面，另一根弹性绳索的一端固定加装在控制挡板的下侧面，另一端固定加装在球面挡板的下侧面。

有益效果：本发明提供一种机械转向控制装置，利用类似凸轮机构控制，控制装置简单，可以应对复杂的曲线路径，转角范围大，转向过程存在间歇期，耗能较低，本机械转向控制装置不仅可以用于小车确定轨迹的行驶，还能应用于其他需要不断改变运动轨迹的机械装置的转向控制，代替目前常用的电气控制装置，节约能源。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图（一）

图2为本发明的整体结构示意图（二）；

图3为本发明的整体三维模型示意图；

图4为控制轮主视图；

图5为间歇传动齿轮主视图；

图6为拟定跑道路线示意图（无比例关系）；

图7为控制挡板与球面挡板上弹性绳索连接示意图；

图中：控制轮1、控制挡板2、球面挡板3、推力球轴承4、转向销5、前轮支架6、分段轴6-1、U型支架6-2、前轮7、角接触球轴承8、前轮轴9、控制轮齿轮10、控制轮轴承11、控制轮轴12、间歇传动齿轮13、传动轴14、传动轴承15、弹性绳索16。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

下面结合附图对本发明的技术方案做了进一步的详细说明：

如图1-5所示，一种机械转向控制装置，包括动力传输部分、转向控制部分、动力转换部分和转向执行部分，其中，

所述动力传输部分包括控制轮齿轮10、控制轮轴承11和控制轮轴12，所述控制轮齿轮10和控制轮轴承11分别以过盈配合的方式加装在所述控制轮轴12上；

所述转向控制部分包括控制轮1、间歇传动齿轮13、传动轴14和传动轴承15，所述控制轮1采用过盈配合的方式安装在控制轮轴12上，所述传动轴承15和间歇传动齿轮13分别采用过盈配合的方式安装在传动轴14上，所述传动轴承15安装在车架的轴承座上，所述间歇传动齿轮13和所述控制轮齿轮10相互啮合；本发明中，控制轮的凸起与凹陷的数量，自身尺寸以及相互位置关系可以根据路线情况确定，包括路线一周期内改变角度的次数，转向行驶的转向角线距离，以及直线行驶距离决定。可以在一定转向频率下，实现准确控制。间歇传动齿轮13外周上有若干齿被磨去（即留有一段无齿区域段），当控制轮齿轮10与所述间歇传动齿轮13的啮合区经过此无齿区域，动力传输部分与所述转向执行部分脱开，小车方向保持不变继续向前，直到所述控制轮齿轮10与所述间歇传动齿轮13再次啮合。以此区别直线部分与转弯部分。

所述动力转换部分包括控制挡板2、球面挡板3和转向销5，所述控制挡板2的一端与所述控制轮1外周线接触配合，另一端与球面挡板3的一端连接，所述球面挡板3的另一端与所述转向销5的一端球面铰接，所述转向销5的另一端插接在所述转向执行部分的前轮支架6上；本发明中，球面挡板3与转向销5所组成的球面铰链机构，将所述球面挡板3与所述转向销5之间传动所需的三个自由度集中满足，简化结构同时降低了不必要的能量损失。而且控制挡板受到所述控制轮1的影响，所述控制轮1所做的圆周运动转化为控制挡板2的无规律摆动运动。控制挡板2的摆动将带动所述球面挡板3前后伸缩，球面挡板3与转向销5组成一个球面铰链，将在垂直平面内的旋转运动与直线运动的复合运动，转换为在水平平面内的旋转运动。

所述转向执行部分包括推力球轴承4、前轮支架6、前轮7、两个角接触球轴承8和前轮轴9，所述前轮支架6包括一根分段轴6-1和U型支架6-2，所述分段轴6-1固定设置在U型支架6-2上，且位于U型支架6-2中心线上，所述分段轴6-1分为上下两段，且上段轴直径小于下段轴，推力球轴承上端面与车体车板接触，相互压紧用于支撑小车重量且使前轮7具备转向条件。所述推力球轴承4安装在上段轴上，且与下段轴的顶端台面接触，所述下段轴的轴侧面设有通孔，用于插入所述转向销5，当所述转向销5按既定方式转动时，可以带动所述转向执行部分转动，实现转向功能，所述前轮7采用过盈配合的方式安装在前轮轴9中心处，两个所述角接触球轴承8以背对背式或面对面式的方式对称地过盈配合安装在所述前轮轴9两端，且两个所述角接触球轴承8分别嵌合安装在U型支架6-2两侧。

优选地，所述控制轮1为外周设有若干凸起与凹陷的类凸轮机构。

优选地，所述间歇传动齿轮13的外周设有一段无齿轮段。

优选地，所述动力转换部分还包括两根弹性绳索16，其中一根弹性绳索16的一端固定加装在控制挡板2的上侧面，另一端固定加装在球面挡板3的上侧面，另一根弹性绳索16的一端固定加装在控制挡板2的下侧面，另一端固定加装在球面挡板3的下侧面。本发明中，弹性绳索可以采用现有的固定装置实现固定加装，故而未加详述具体固定方式。

本发明中，控制轮轴12、控制轮齿轮10和控制轮轴承11相互之间的位置关系由轴上的轴肩定位，取决于动力源与所述转向控制装置的空间位置关系。本领域技术人员可以通过实际情况进行设计。通过与所述间歇传动齿轮13同轴的齿轮与小车实际设计中动力的齿轮之间传动比的不同，可以控制小车在同一转向角下，行进的线距离的长短，进而控制实际小车转过的角度。本发明的在传动轴上设有一同轴齿轮用于接受传递提供给转向控制装置的动力，不属于转向控制装置，仅用于将小车动力源提供的动力传递至转向控制装置，属于常规技术手段，故而未加详述。

优选地，所述控制轮为外周设有若干凸起与凹陷的类凸轮机构。

优选地，所述间歇传动齿轮的外周设有一段无齿轮段。

优选地，所述动力转换部分还包括两根弹性绳索，其中一根弹性绳索的一端固定加装在控制挡板的上侧面，另一端固定加装在球面挡板的上侧面，另一根弹性绳索的一端固定加装在控制挡板的下侧面，另一端固定加装在球面挡板的下侧面。如图7所示，以控制挡板和球面挡板成180°夹角为原始状态，保证控制挡板可以紧密贴合所述控制轮1的外缘，能精准的将转向信息传递给所述转向销5，带动前轮转向。

实施例1：

如图4所示，转向控制装置的控制轮1有五个不同的凸起和凹陷，在控制轮1的上依据路径需要排列，由同轴的控制轮齿轮10带动旋转；转动过程中前后拨动所述控制挡板2，由此来控制转向角和转向距离。为了保证控制轮具有的较高尺寸精度和较低的表面粗糙度，可以在所述控制轮1表面添加金属涂层。

本发明所述的转向销5和前轮支架6之间可以相对滑动，所述前轮支架6上开一小孔，作为所述转向销5滑行轨道，之间涂有润滑物质。所述转向销5可以根据实际所需转角范围改变长短，长度应保证在前轮有最大转角时不从滑行轨道中脱离或者转向销5的端部设有限位螺帽等限位装置，用于防止其从前轮支架6中脱出。

如图4和图5所示，本发明所述的控制轮1和间歇传动齿轮13根据图6所示的路线进行设计。当小车行进至图6所示直线部分时，间歇传动齿轮13与控制轮齿轮为脱开状态，即啮合区经过图5所示脱开段（无齿区域段），当小车行进至图6所示曲线部分（曲线部分包括入弯前的部分直线和出弯后的部分直线）时，间歇传动齿轮与控制轮齿轮为啮合状态。当间歇传动齿轮13为啮合状态时，动力传输到所述控制轮1使之转动一定角度，所转过的角度包含一个凸起或凹陷，控制小车前轮左右转向，其对应关系如图4与图6所示，例如：控制轮1转过图4所示A部分则小车对应的绕过图6所示A标志桩，一一对应实现小车绕桩转向运动。本发明中，整体轨迹分为直线部分和曲线部分，在分配路径时可以保证在直线部分长度一致的情况下，增减曲线部分所包含的直线部分。最终仅有曲线部分可以体现在控制轮外缘上。

本发明所述的控制轮1利用类似摆子从动件凸轮机构，将小车所行驶的复杂路径，简化为控制轮上的凸起和凹陷。根据摆子从动件凸轮机构的计算方式可以算出控制挡板转过的角度与控制轮转过角度的函数关系，再以此推算出控制挡板转过角度与球面挡板伸缩位移的关系，再算出伸缩位移与前轮转向角的关系，进而得到转向角与外缘曲线的关系。从而能实现复杂的无规律的转向控制。另外凸轮大部分外缘属于同一圆周的圆弧，有大部分时间转向系统不工作，耗能大大降低。上述计算过程均在机械原理相关书籍及文献中有记载，属于常规技术手段，故而未加详述。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种机械转向控制装置，其特征在于：包括动力传输部分、转向控制部分、动力转换部分和转向执行部分，其中，

所述动力传输部分包括控制轮齿轮、控制轮轴承和控制轮轴，所述控制轮齿轮和控制轮轴承分别以过盈配合的方式加装在所述控制轮轴上；

所述转向控制部分包括控制轮、间歇传动齿轮、传动轴和传动轴承，所述控制轮采用过盈配合的方式安装在控制轮轴上，所述传动轴承和间歇传动齿轮分别采用过盈配合的方式安装在传动轴上，所述传动轴承安装在车架的轴承座上，所述间歇传动齿轮和所述控制轮齿轮相互啮合；

所述动力转换部分包括控制挡板、球面挡板和转向销，所述控制挡板的一端与所述控制轮外周线接触配合，另一端与球面挡板的一端连接，所述球面挡板的另一端与所述转向销的一端球面铰接，所述转向销的另一端插接在所述转向执行部分的前轮支架上；

所述转向执行部分包括推力球轴承、前轮支架、前轮、两个角接触球轴承和前轮轴，所述前轮支架包括一根分段轴和U型支架，所述分段轴固定设置在U型支架上，且位于U型支架中心线上，所述分段轴分为上下两段，且上段轴直径小于下段轴，所述推力球轴承安装在上段轴上，且与下段轴的顶端台面接触，所述下段轴的轴侧面设有通孔，用于插入所述转向销，所述前轮采用过盈配合的方式安装在前轮轴中心处，两个所述角接触球轴承以背对背式或面对面式的方式对称地过盈配合安装在所述前轮轴两端，且两个所述角接触球轴承分别嵌合安装在U型支架两侧。

2.根据权利要求1所述的一种机械转向控制装置，其特征在于：所述控制轮为外周设有若干凸起与凹陷的类凸轮机构。

3.根据权利要求1所述的一种机械转向控制装置，其特征在于：所述间歇传动齿轮的外周设有一段无齿轮段。

4.根据权利要求1所述的一种机械转向控制装置，其特征在于：所述动力转换部分还包括两根弹性绳索，其中一根弹性绳索的一端固定加装在控制挡板的上侧面，另一端固定加装在球面挡板的上侧面，另一根弹性绳索的一端固定加装在控制挡板的下侧面，另一端固定加装在球面挡板的下侧面。