CN203825935U - 一种无碳绕障行走小车 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种无碳绕障行走小车，小车依靠纯机械控制独立完成多个“8”字轨迹绕桩，并且桩距改变的同时也可以调节前后轮的轴距来适应桩距的改变，总体结构特点设计主要包含五大方面：小车行走轨迹设计、能量转换机构的设计、传动机构设计、差速机构设计和转向机构设计。本实用新型的效果是：结构简洁，启动性能好，行走平稳；精度很高；能量利用效率高：实现了仅依靠机械能完成实践教学的目标；无碳，节能，环保。

Description

一种无碳绕障行走小车

技术领域

本实用新型是一种能将重力势能转换为机械能并可用来驱动小车行走的装置，具体涉及一种可运用于辅助机械课程教学的无碳绕障行走小车。 

背景技术

《机械原理》是一门公共基础课程，是大部分工科学生必修的一门主干技术基础课程。《机械原理》的教学多以PPT的形式向学生传授视觉上的机械认知，对提高学生对机械技术的真正消化起不到太大的作用。无碳绕障行走小车是一款纯机械动力小车，属于一种精密控制的机械装置。它能够以较高的精度按照预定的轨迹依次前行、转弯并避开障碍物完成一个又一个循环，累计误差可控。它自身机构涵盖了《机械原理》和《机械设计》的大部分的内容，所以它是一个协调运动的系统装置。小车只需要一张水平桌子便可以给学生近距离展示机构的工作情况。 

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种无碳绕障行走小车，该行走小车结构简洁，行走平稳；精度很高；能量利用效率高：实现了仅依靠机械能完成实践教学的目标；无碳，节能，环保。 

本实用新型是这样来实现的，它包括顶座，滑轮座，滑轮，支撑杆，底板，轴承座，凸轮轴，大齿轮，小齿轮，驱动轮轴，驱动轮，凸轮，连接座，细螺纹微调接头，圆柱触头，圆柱滚子轴，磁环，平推导杆，玻璃注射器管，导向座，磁吸头，摆杆，微调螺钉，前叉，前叉座，转向轮，平面止推轴承，从动轮。其特征是：顶座上通过螺钉将滑轮座连接到顶座上；轴承与滑轮轴配合安装后挂到滑轮座上；三根铝合金支撑杆通过螺钉连接到顶座上；三根支撑杆下端用螺钉连接到下底板；底板上连接有两个轴承座；凸轮轴通过一对轴承将其装配到轴承座的下端孔内；大齿轮通过螺钉固定到凸轮轴上；小齿轮通过螺钉固定到驱动轮轴上；驱动轮轴通过一对轴承装配到轴承座上端的孔内；驱动轮通过螺钉劲定在驱动轮轴上，驱动小车前进；凸轮是压配安装到凸轮轴上的；连接座与细螺纹微调接头螺纹旋合连接；细螺纹微调接头另一端压配到平推导杆上；圆柱触头内置孔腔与磁环吸附配合在一起；圆柱滚子轴透过一个轴承装配到圆柱触头上；圆柱滚子轴在于连接座属压配连接，将圆柱触头安装到连接座上来；圆柱触头与凸轮外轮廓通过磁环的吸附作用连接到一块，为开式连接；玻璃注射器与尼龙导向座压配连接在一块；尼龙导向做通过螺钉固定到底板上；平推导杆穿过玻璃注射器管，另一端与磁吸头压配到一起；摆杆上安装一个轴承，通过轴承与磁铁的吸引力将轴承外圈贴紧磁吸头平面，形成开式连接；摆杆上的螺纹孔上旋有微调螺钉；前叉与摆杆用螺母压配；前叉与前叉座中间装有平面止推轴承；前叉座通过螺钉与底板连接；转向轮通过一对轴承装配到前叉上；从动轮通过一对轴承连接到轴承座上。 

本实用新型所述无碳绕障行走小车的结构设计主要包括小车行走轨迹设计、能量转换机构的设计、传动机构设计、差速机构设计和转向机构设计。 

1、无碳小车行走轨迹的确定 

小车以“8”字轨迹绕过所设置的两个障碍物（障碍物间距300~500mm）。一周期轨迹由两段半圆弧和两段正弦曲线组成，采用正弦曲线对两段圆弧线进行过渡因方向渐变而降低了转向阻力，相较于圆弧方向突变或直线过渡等方案在理论上具有明显的优越性。当障碍物间距变化时，可以通过改变圆弧的半径以及正弦曲线的幅值来调整轨迹。 

2、能量转换机构设计 

    重力势能转化为小车的动能，所采用的传动比应让转化的能量略大于整车的摩擦力总和，使小车以一个较低的行驶速度行走，既达到行驶稳定，减少能量的损失，又可达到最大的行驶路程。在实际设计中能量转化机构的设计采用滑轮+齿轮机构，滑轮用于改变重力的作用方向和改变输出力的大小，通过绳索将能量传递至第一级轮轴使其产生一个旋转力矩，再通过固定在该轮轴上的齿轮将动力传递至驱动轮。

3、传动机构设计 

传递动力主要可以通过齿轮、皮带、链轮等方式进行。由于传动的级数不多，传动的距离短会使得皮带传动的包角较小，传动时容易打滑，传动精度不高。链轮传动不够平稳。而齿轮传动精度高，只要选用合适的材料制作，也能减少重量，缺点是加工相对而言要复杂，成本也高。本设计中采用齿轮传动方式传动。

3.1、确定齿轮传动比η和驱动轮直径D 

为了便于齿轮的设计加工取η=3；小车行走一个周期所走的路程取S=2356mm，由S=ηπD，则驱动轮直径大小为250mm。

3.2、设定齿轮参数m,Z 

根据小车的整体结构，取齿轮1和齿轮2的模数m=0.5，齿数分别为Z1=180，Z2=60。计算小车绕行圈数，已知重物下降高度为h=400mm，经过滑轮导向机构其输出绕线长度l=800，初设绕线轴的直径d=7mm，则绕线轴转动圈数n1=h/πd≈35.7。绕线轴转动一圈，凸轮也转动一圈，小车完成一个周期，即小车理论上可以绕行35.7圈。

4.转向机构设计 

    小车以“8”字轨迹绕障碍物行驶，要完成该转向动作，就必须将小车转化的能量通过适当的机构作用于小车的转向轮上，达到控制小车转向的目的，同时该机构的动作应灵活，损耗能量少。在设计转向轴时采用轴承支撑，并适当采用较长的摇臂，使转向机构动作时所消耗的能量极少，同时采用一个对心凸轮加连杆作为驱动机构对小车转向进行控制，该结构简单，容易实现，同时便于后期进行调整。小车的还有一个创新点在于，它巧妙的结合了材料的物理属性—磁性材料，在影响控制机构精度的零件加工、机构连接环节、减少零件数目、降低能耗方面达到了极致。依靠标准件本身高的表面光洁度、面平整度，使得线面接触的活动间隙相对于轴承的径向间隙小到可以忽略不计。从而在整个控制传动环节上的不可控误差仅仅取决于轴承的精度，这给小车的精度带来了质的跃升。同时由于磁力使得滚子做纯滚动贴紧移动的活动面上，所以推动阻力可以很小，相应的能量损耗也低，小车的启动性能得到了保证。

5. 轨迹可调机构设计 

    由于该小车转向机构采用轨迹一定的对心凸轮加连杆来驱动，在小车转角固定的情况下要实现小车的轨迹可调可通过改变转向轮（前轮）和驱动轮（后轮）的轮间距来实现。

6.车身结构与布局设计 

    整车为三轮小车，根据车辆设计的要求，后轮驱动时应设计有差速机构，否则在转向时由于两个驱动轮的转速相同，在转向时两轮的行走距离相同，从而直接影响车子的转向，因为在转向时必需要有一个轮子产生打滑，车子才能实现转向。同时，如果驱动轮的轮距过大，在转向时驱动轮仍然向前滚动，会产生一个较大的纵向力，直接影响到小车的转向，因而需要很大的驱动力才能克服，这样就会消耗更多的能量，直接影响到车子的行走距离，在较大的转向角度时甚至小车无法行走。解决上述问题的方法主要有以下两种方法：1、在驱动轮上设计安装差速器，如此可以实现小车两后轮在转弯时，角速度相同，但线速度不同，真正做到像现实生活中汽车那样，两轮差速过弯，这样可以最大程度上解决转弯时后轮打滑的问题；2、采用边三轮结构，使前转向轮与一后驱动轮对齐，另一后支撑轮可自由运转，消除两后轮的差速阻力。

由于差速器本身也具有较大的摩擦阻力，通过仔细的分析与讨论，最终将小车设计为边三轮结构。考虑到小车的转向等因素，设计时应尽可能将小车重心设计在靠近三个车轮的中心部位，保证小车行走时的稳定性。 

7.小车制作材料的选择 

经过反复的试验，发现小车零件的刚性对能量的耗损起着很大的作用。尼龙、有机玻璃等塑料虽然比重较轻，但是往往刚性不够，而且在加工过程中弹性较大的塑料难以保证加工精度，脆性较大的塑料在调试拆装过程中螺纹容易打滑。铝合金相当于钢材而言比重小，加工性能也好，并且能够满足小车的刚性要求，因此本设计主要选择铝合金作为小车材料，如车身底板、车轮、轮轴、轴承座、支撑杆等重要零件。

在满足小车应有的性能和考虑经济效益及加工方便的情况下，零件还将以减轻孔形式减轻小车重量。 

本实用新型的效果是：结构简洁，启动性能好，行走平稳；精度很高；能量利用效率高：实现了仅依靠机械能完成实践教学的目标；无碳，节能，环保。实际性能测试：砝码下降400mm小车在良好工作状态下能够跑完全程（35圈）不会撞桩，一般情况怎能跑到30圈，运动时间5分钟左右；在同样功能的装置中成绩已经是佼佼者（大部分一般情况15圈以内便已经轨迹变形很大，会撞到桩）。 

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图。 

图2为本实用新型的能量转换机构图。 

图3为本实用新型的驱动及转向结构主视图。 

图4为本实用新型的驱动及转向结构俯视图。 

图5为本实用新型的绕行轨迹图。 

图6为本实用新型的小车半个周期凸轮与小车轨迹所对应的时序图。 

在图中，1.顶座，2.滑轮座，3.滑轮，4.支撑杆，5.底板，6.轴承座，7.凸轮轴，8.大齿轮，9.小齿轮，10.驱动轮轴，11.驱动轮，12.凸轮，13.连接座，14.细螺纹微调接头，15.圆柱触头，16.圆柱滚子轴，17.磁环，18.平推导杆，19.玻璃注射器管,20.导向座，21.磁吸头，22.摆杆，23.微调螺钉，24.前叉，25.前叉座，26.转向轮，27.平面止推轴承，28.从动轮。 

具体实施方式

以下结合附图说明对本实用新型的实施例作进一步详细描述，但本实施例并不用于限制本实用新型，凡是采用本实用新型的相似结构及其相似变化，均应列入本实用新型的保护范围。 

如图1所示，本实用新型是这样来工作和实施的，它包括顶座1，滑轮座2，滑轮3，支撑杆4，底板5，轴承座6，凸轮轴7，大齿轮8，小齿轮9，驱动轮轴10，驱动轮11，凸轮12，连接座13，细螺纹微调接头14，圆柱触头15，圆柱滚子轴16，磁环17，平推导杆18，玻璃注射器管19，导向座20，磁吸头21，摆杆22，微调螺钉23，前叉24，前叉座25，转向轮26，平面止推轴承27，从动轮28；其特征是：顶座1上通过螺钉将滑轮座2连接到顶座1上；滑轮3、轴承和滑轮轴配合安装后挂到滑轮座2上；三根铝合金支撑杆4通过螺钉连接到顶座1上；三根支撑杆4下端用螺钉连接到下底板5；底板5上连接有两个轴承座6；凸轮轴7通过一对轴承将其装承座6的下端孔内；大齿轮8通过螺钉固定到凸轮轴7上；小齿轮9通过螺钉固定到驱动轮轴10上；驱动轮轴10通过一对轴承装配到轴承座6上端的孔内；驱动轮11通过螺钉紧定在驱动轮轴10上，驱动小车前进；凸轮12是压配安装到凸轮轴7上的；连接座13与细螺纹微调接头14螺纹旋合连接；细螺纹微调接头14另一端压配到平推导杆18上；圆柱触头15内置孔腔与磁环16吸附配合在一起；圆柱滚子轴17通过一个轴承装配到圆柱触头15上；圆柱滚子轴16在与连接座13属压配连接，将圆柱触头15安装到连接座13上来；圆柱触头15与凸轮12外轮廓通过磁环17的吸附作用连接到一块，为开式连接；玻璃注射器19与尼龙导向座20压配连接在一块；尼龙导向座20通过螺钉固定到底板5上；平推导杆18穿过玻璃注射器管19，另一端与磁吸头21压配到一起；摆杆22上安装一个轴承，通过轴承与磁铁的吸引力将轴承外圈贴紧磁吸头21平面，形成开式连接；摆杆22上的螺纹孔上旋有微调螺钉23；前叉24与摆杆22用螺母压配；前叉24与前叉座25中间装有平面止推轴承27；前叉座25通过螺钉与底板5连接；转向轮26通过一对轴承装配到前叉24上；从动轮28通过一对轴承连接到轴承座6上。 

如图2所示，在边三轮结构的小车上，在允许的高度上挂一砝码。砝码在曲线运动的小车上保持平稳下落，则需要限位机构对其有限位跟保持的作用。 

滑轮导向机构将砝码传递过来的力矩，通过滑轮上有两个直径比为1：2的滑轮槽把输出的力F降为砝码重力的1/2，使输出绕线的长度增加一倍，同时降低了对下一级轴径尺寸的要求。 

齿轮机构将滑轮输出的力F再一次降低为砝码重力的1/6，充分提高砝码重力势能的利用率；齿轮的模数是0.5有，有较高的重合度，是驱动平稳性增加。 

如图3、图4所示，凸轮机构是对心直动滚子盘形凸轮机构，凸轮与第一级齿轮同轴、具有同样的运动周期；凸轮基圆与推杆的轴线在同一条水平线上；圆柱滚子位于这一水平线的上方3mm处，类似于万向轮，在凸轮做主动件时，偏置滚子具有自动导向功能，同时减小运动阻力，降低损耗，有效防止顶死现象。凸轮是用45#钢板线切割加工成形的；圆柱滚子是由铁棒依次车出轴承配合孔和磁环固定孔。通过磁铁与铁制品的组合使用，在不依靠外部机械装置干预的情况下，便可以使从动件以线接触的形式贴紧在凸轮外轮廓，达到周期性几何封闭。其特征效果是：极低的摩擦阻力，能量损耗少；很高的传动精度简化了结构。1）从传动角度来说，从凸轮到推杆再到转向机构，可见的运动链接间隙也仅仅出现在圆柱滚子内部的轴承上，即轴承内圈与外圈存在的游动间隙。轴承本身较一般零件而言精度要搞很多，所以传动间隙很小或者也可以选配精度等级更高的轴承。2）从加工工艺上来说，凸轮是用线切割慢走丝加工成形。其轮廓曲线的相似度和表面粗糙度也偶有有较高的精度值，经过后期的处理可以进一步提高其性能。圆柱滚子是打了肥皂水精车过的，其表面光洁度很好。3）从选材上来说，钢材的硬度较高，在重复使用过程中磨损变形量小。故其传动精度性能可以保持较长的使用寿命。 

如图3、图4所示，转向机构的摆杆与推杆也是采用的开式连接；推杆前段是磁铁片，磁铁片的表面粗糙度在几μ的范围之内；摆杆上配有一轴承，依靠强磁铁将轴承外圈吸附达到开式连接的效果。其特征效果是：简化了推杆与摆杆的连接结构；轴承与磁铁片表面分别的圆柱度跟平面度很高，轴承随着推杆的前后平动在磁铁片上做滚动运动，并带动转向轮旋转方向；它的摩擦阻力可以忽略不计，传动平稳且精度很高。 

如图5所示，小车的绕行轨迹图，一周期轨迹由两段半圆弧和两段正弦曲线组成，采用正弦曲线对两段圆弧线进行过渡因方向渐变而降低了转向阻力，相较于圆弧方向突变或直线过渡等方案在理论上具有明显的优越性。当障碍物间距变化时，可以通过改变圆弧的半径以及正弦曲线的幅值来调整轨迹，在小车的运动过大轮子驱动着小车前进，配合着前轮的转向，小车能够很好的完成预定轨迹的行走。小车的拆装也很简便。小车以“8”字轨迹绕过所设置的两个障碍物（障碍物间距300~500mm）。 

如图6所示，为小车半个周期凸轮与小车轨迹所对应的时序图。 

Claims (1)

1.一种无碳绕障行走小车，它包括顶座，滑轮座，滑轮，支撑杆，底板，轴承座，凸轮轴，大齿轮，小齿轮，驱动轮轴，驱动轮，凸轮，连接座，细螺纹微调接头，圆柱触头，圆柱滚子轴，磁环，平推导杆，玻璃注射器管，导向座，磁吸头，摆杆，微调螺钉，前叉，前叉座，转向轮，平面止推轴承和从动轮；其特征是：顶座上通过螺钉将滑轮座连接到顶座上；轴承与滑轮轴配合安装后挂到滑轮座上；三根铝合金支撑杆通过螺钉连接到顶座上；三根支撑杆下端用螺钉连接到下底板；底板上连接有两个轴承座；凸轮轴通过一对轴承将其装配到轴承座的下端孔内；大齿轮通过螺钉固定到凸轮轴上；小齿轮通过螺钉固定到驱动轮轴上；驱动轮轴通过一对轴承装配到轴承座上端的孔内；驱动轮通过螺钉劲定在驱动轮轴上，驱动小车前进；凸轮是压配安装到凸轮轴上的；连接座与细螺纹微调接头螺纹旋合连接；细螺纹微调接头另一端压配到平推导杆上；圆柱触头内置孔腔与磁环吸附配合在一起；圆柱滚子轴透过一个轴承装配到圆柱触头上；圆柱滚子轴在于连接座属压配连接，将圆柱触头安装到连接座上来；圆柱触头与凸轮外轮廓通过磁环的吸附作用连接到一块，为开式连接；玻璃注射器与尼龙导向座压配连接在一块；尼龙导向做通过螺钉固定到底板上；平推导杆穿过玻璃注射器管，另一端与磁吸头压配到一起；摆杆上安装一个轴承，通过轴承与磁铁的吸引力将轴承外圈贴紧磁吸头平面，形成开式连接；摆杆上的螺纹孔上旋有微调螺钉；前叉与摆杆用螺母压配；前叉与前叉座中间装有平面止推轴承；前叉座通过螺钉与底板连接；转向轮通过一对轴承装配到前叉上；从动轮通过一对轴承连接到轴承座上。