CN210454777U - 重力势能驱动小车的刹车装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及重力势能驱动小车的刹车装置，该装置设置在小车上，包括刹车齿条支撑机构、移动设置在刹车齿条支撑机构上的刹车齿条、设置在小车的行进轴上并与刹车齿条相适配的刹车齿轮以及与刹车齿条传动连接的刹车驱动单元。与现有技术相比，本装置结构简单，效果明显，在重力势能驱动小车上加装本装置，能成功地起到减速制动效果，达到控制速度的目的；本装置能量利用效率高，加装本装置后的小车相较于传统小车，行驶距离显著增加；本装置可采用3d打印技术生产，零件结构简单，重量低，减轻了小车的整体重量，减少了小车的摩擦阻力；本装置可调性强，可根据赛道实际情况人为设定测速范围，控制小车刹车频率，以找到最优阈值。

Description

重力势能驱动小车的刹车装置

技术领域

本实用新型属于机械技术领域，涉及一种重力势能驱动小车的刹车装置，主要应用于行进轴直接传动的无碳小车。

背景技术

重力势能驱动的具有方向自控的无碳小车是一辆由1kg砝码驱动并能够在赛道上识别出障碍物自行避障的机电结合无碳小车。传统的此类小车都是由一级齿轮传动驱动，此传动方式在赛道爬坡阶段一般采用改变绕线轴直径的方法进行爬坡，但是此方法在上坡阶段损耗大量能量。通过采用砝码连接行进轴直接传动的方法，能够增大传动比，使力矩足够保证小车缓慢上坡，但是由此带来的问题是小车在平地部分速度会非常大，能量损失巨大，因此必须引入节能刹车装置，让小车的重力势能得到充分利用。

实用新型内容

本实用新型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重力势能驱动小车的刹车装置。

本实用新型的目的可以通过以下技术方案来实现：

重力势能驱动小车的刹车装置，该装置设置在小车上，所述的刹车装置包括刹车齿条支撑机构、移动设置在刹车齿条支撑机构上的刹车齿条、设置在小车的行进轴上并与刹车齿条相适配的刹车齿轮以及与刹车齿条传动连接的刹车驱动单元，所述的刹车齿条可与刹车齿轮相啮合。

作为优选的技术方案，所述的刹车齿轮及刹车齿条的模数根据小车的机构设计，不低于1模，当模数过低时，轮齿结构强度较低，同时轮齿过于密集，导致刹车不顺畅。

进一步地，所述的刹车齿条支撑机构包括齿条支架以及设置在齿条支架上的限位环，所述的刹车齿条穿过限位环，并可沿限位环轴向移动。

小车的驱动装置通过行进轴驱动车轮旋转，使小车运动，驱动装置包括砝码及连接绳，连接绳一端束于砝码，另一端缠绕在行进轴上，砝码下落时，行进轴上的连接绳解缠，并通过连接绳带动行进轴转动，从而为小车提供动力，使得小车加速行驶。刹车驱动单元用于驱动刹车齿条产生位移，受限位环限制，刹车齿条仅能沿限位环的轴向作往复移动。当小车正常行进时，刹车驱动单元的作用下刹车齿条与刹车齿轮相分离，刹车齿轮跟随行进轴旋转；当小车需要制动时，刹车驱动单元失去对刹车齿条的作用力，使得刹车齿条复位，刹车齿条与刹车齿轮相啮合，限位环阻止刹车齿条跟随刹车齿轮旋转，从而阻止刹车齿轮旋转，进而阻止行进轴旋转，使得车轮停止旋转，连接绳停止解缠，砝码受连接绳牵引停止下落，小车失去动力，此时小车处于减速滑行状态。

齿条支架一方面用于支撑刹车齿条，提高装置的稳定性；一方面用于固定限位环，从而在刹车过程中限制刹车齿条随刹车齿轮旋转，起到辅助刹车的作用。

进一步地，所述的刹车驱动单元包括刹车舵机及舵机摆臂，所述的舵机摆臂的两端分别设有第一连接孔及第二连接孔，所述的第一连接孔与刹车舵机传动连接，所述的第二连接孔与刹车齿条传动连接。

刹车舵机为角度伺服电机，用于驱动舵机摆臂进行摆动，当舵机摆臂向外摆动时，刹车齿条随之向外移动。

进一步地，所述的刹车齿条位于舵机摆臂处的一端并列设有第一沟槽及第二沟槽，所述的第一沟槽位于舵机摆臂及第二沟槽之间。

进一步地，所述的第一沟槽与第二连接孔之间设有柔性绳，并通过柔性绳传动连接。

进一步地，所述的刹车驱动单元还包括弹性带，所述的齿条支架的两侧均设有挂钩，所述的第二沟槽与挂钩之间设有弹性带，在弹性带拉力的作用下，刹车齿条与刹车齿轮的相互啮合。

所述的弹性带可以是市面上常见的具有弹性的带状件，例如橡皮筋。

在初始状态下，刹车舵机待机，柔性绳处于松弛状态，弹性带绷紧，使刹车齿轮与刹车齿条啮合，此时本装置处于刹车状态；当小车启动或小车需要加速时，刹车舵机通电，舵机摆臂向外摆动，通过柔性绳克服弹性带的拉力，将刹车齿条向外牵引，使刹车齿轮与刹车齿条分离，从而达到松刹车的效果；当小车需要刹车时，刹车舵机断电，舵机摆臂复位向内摆动，柔性绳恢复松弛状态，在弹性带拉力的作用下，刹车齿条向刹车齿轮移动，并与刹车齿轮的相互啮合，使得刹车齿轮与行进轴停止转动，缠绕在行进轴上的连接绳停止解缠，并牵引砝码停止下落，在摩擦力作用下，此时小车处于减速滑行状态。

进一步地，所述的刹车齿条的侧面设有限位凸台，所述的限位凸台位于限位环与刹车齿轮之间。

所述的限位凸台与刹车齿条的总截面宽度大于限位环宽度，所述的限位凸台用于限制刹车齿条沿限位环轴向的位移距离，避免因刹车驱动单元或惯性的影响使得刹车齿条脱离限位环。

进一步地，所述的小车上设有小车底盘，该小车底盘上设有行进轴支架，所述的行进轴设置在行进轴支架上，所述的刹车齿条的高度与刹车齿轮的高度相适配，使得刹车齿条的齿面与刹车齿轮的齿面相切，并尽可能增大刹车齿条与刹车齿轮的接触面，从而提高刹车齿条与刹车齿轮的啮合效果。小车底盘上还设有刹车舵机支架，刹车舵机通过刹车舵机支架设置在小车底盘上。

作为优选的技术方案，刹车舵机支架、舵机摆臂、刹车齿条、齿条支架、刹车齿轮、行进轴支架、行进轴、小车底盘等装置，均可采用3d打印技术生产，零件结构设计得更加简单，制造用时短，零件本身重量低，减轻了小车的整体重量，减少了小车的摩擦阻力。

进一步地，所述的刹车齿条支撑机构及刹车驱动单元均设置在小车底盘上，所述的刹车齿条的端部设有与刹车齿轮相啮合的制动齿。

进一步地，该装置还包括速度检测器及控制器，该控制器分别与速度检测器及刹车驱动单元电连接。

速度检测器设置在小车外壳上，用于实时监测小车的行进速度，控制器用于接收速度检测器发出的速度信号，并发出相应信号以控制刹车驱动单元工作。控制器内可预先设有速度阈值，当小车速度超过预定上限时，控制刹车驱动单元进行制动，当速度低于预设下限时，刹车装置停止工作，小车在驱动装置的牵引下加速行驶。刹车驱动单元配合速度检测器及控制单元，通过不断地刹车、松刹车，将小车的速度控制在一个预定的速度范围内，充分利用小车的滑行，从而达到节约能量的目的。

工作原理：小车发车及行进过程中，砝码下落，行进轴转动，小车加速行驶，速度检测器实时采集小车速度，当小车速度低于预定上限时，刹车舵机处于工作状态，舵机摆臂通过柔性绳抵抗弹性带对刹车齿条的拉力，牵引刹车齿条，使得刹车齿条与行进轴上的刹车齿轮相分离，小车正常行进；当小车速度高于预定上限时，控制器发出控制信号，刹车舵机停止工作，使得舵机摆臂复位向内摆动，柔性绳失去牵引力，刹车齿条在弹性带的拉力作用下，向刹车齿轮移动，并与刹车齿轮向啮合，由于齿条支架上的限位环的作用，阻止刹车齿轮旋转，进而阻止行进轴，达到刹车效果，此时，小车处于减速滑行状态；在摩擦力作用下，当小车速度低于预定下线时，刹车舵机恢复工作状态，通过舵机摆臂的牵引，使得刹车齿条与刹车齿轮相分离，砝码下落，行进轴转动，小车加速行进，使小车的速度稳定在预定速度范围内。

与现有技术相比，本实用新型具有以下特点：

1)本装置结构简单，效果明显，在重力势能驱动小车上加装本装置，能成功地起到减速制动效果，达到控制速度的目的；

2)本装置能量利用效率高，加装本装置后的小车相较于传统小车，行驶距离显著增加；

3)本装置可完全采用3d打印技术生产，在保证强度与可靠性的前提下，零件结构设计得更加简单，制造用时短，可经多次调试无需更换零件，零件本身重量低，减轻了小车的整体重量，减少了小车的摩擦阻力；

4)本装置可调性强，可根据赛道实际情况人为设定测速范围，控制小车刹车频率，以找到最优阈值。

附图说明

图1为本实用新型的重力势能驱动小车的刹车装置的整体结构示意图；

图2为本实用新型的重力势能驱动小车的刹车装置的主视图；

图3为本实用新型的重力势能驱动小车的刹车装置的俯视图；

图4为刹车齿条与刹车齿轮啮合时的结构示意图；

图5为刹车齿条与齿条支架的结构示意图；

图中标记说明：

1—刹车舵机、2—刹车舵机支架、3—舵机摆臂、4—刹车齿条、5—齿条支架、 6—刹车齿轮、7—行进轴支架、8—行进轴、9—小车底盘、10—第一沟槽、11—第二沟槽、12—限位凸台、13—挂钩、14—限位环。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细说明。本实施例以本实用新型技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本实用新型的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1：

如图1、图2、图3所示的重力势能驱动小车的刹车装置中，刹车舵机1驱动舵机摆臂3摆动，舵机摆臂3通过柔性绳连接刹车齿条4的第一沟槽10，带动刹车齿条4的往复运动；通过橡皮筋连接刹车齿条4第二沟槽11与齿条支架5的两侧挂钩13，使刹车齿条4与刹车齿轮6在无外界作用力的初始状态下处于啮合状态，通过刹车舵机1的作用使刹车齿条4与刹车齿轮6相分离，使小车处于正常运行状态。

该装置的核心部件是如图4所示的刹车齿条4与刹车齿轮6，刹车齿条4由齿条支架5限制其位置，刹车齿条4一侧设置如图5所示的限位凸台12，目的是为了防止刹车舵机1旋转过度，将刹车齿条4拉出限位环。对于不同的小车可以改变齿条支架5的高度与位置来适应不同的小车；刹车齿轮6及刹车齿条4的模数不低于1模，具体根据小车的机构设计。

刹车机构的控制是由速度检测器，控制器与刹车舵机1完成的。速度检测器实时检测小车的速度，通过不断实验得到具体小车的最优速度范围，在控制器中设定这一阈值范围。在小车发车时，刹车舵机1处于工作状态，将刹车齿条4与刹车齿轮6分离，此时砝码正常下降，小车处于加速阶段，当小车的速度超过预设上限时，控制器控制刹车舵机1运作，舵机摆臂3复位，向刹车齿条4摆动，将柔性绳松开，刹车齿条4在橡皮筋的弹力作用下与刹车齿轮6啮合，此时处于刹车状态，小车砝码停止下降，小车依靠自身的速度滑行，当速度在摩擦力的作用下，降到所设速度下限的时候，刹车舵机1运行，将刹车齿轮6及刹车齿条4分离，砝码继续下降，重复此过程。在此过程中小车充分利用自身速度的滑行距离，同时保存了砝码的重力势能，从而达到高效利用能量的目的。

实施例2：

采用如实施例1所述的装置进行实验，速度范围为多次试验后的优选范围，对于400mm高度的1kg砝码驱动的小车，从爬坡段出发，小车可以爬坡2次，经过二分之三次避障，实际行走直线距离约51.5米。此方案相较传统电控无碳小车，行进距离增加了三分之一，充分利用了小车自身的滑行距离。

实施例3：

如图1、图2及图3所示的重力势能驱动小车的刹车装置，该装置设置在小车上，刹车装置包括刹车齿条支撑机构、移动设置在刹车齿条支撑机构上的刹车齿条 4、设置在小车的行进轴8上并与刹车齿条4相适配的刹车齿轮6以及与刹车齿条 4传动连接的刹车驱动单元，如图4所示，刹车齿条4可与刹车齿轮6相啮合。

刹车齿轮6及刹车齿条4的模数根据小车的机构设计，不低于1模，当模数过低时，轮齿结构强度较低，同时轮齿过于密集，导致刹车不顺畅。

如图5所示，刹车齿条支撑机构包括齿条支架5以及设置在齿条支架5上的限位环14，刹车齿条4穿过限位环14，并可沿限位环14轴向移动。

小车的驱动装置通过行进轴8驱动车轮旋转，使小车运动，驱动装置包括砝码及连接绳，连接绳一端束于砝码，另一端缠绕在行进轴8上，砝码下落时，行进轴 8上的连接绳解缠，并通过连接绳带动行进轴8转动，从而为小车提供动力，使得小车加速行驶。刹车驱动单元用于驱动刹车齿条4产生位移，受限位环14限制，刹车齿条4仅能沿限位环14的轴向作往复移动。当小车正常行进时，刹车驱动单元的作用下刹车齿条4与刹车齿轮6相分离，刹车齿轮6跟随行进轴8旋转；当小车需要制动时，刹车驱动单元失去对刹车齿条4的作用力，使得刹车齿条4复位，刹车齿条4与刹车齿轮6相啮合，限位环14阻止刹车齿条4跟随刹车齿轮6旋转，从而阻止刹车齿轮6旋转，进而阻止行进轴8旋转，使得车轮停止旋转，连接绳停止解缠，砝码受连接绳牵引停止下落，小车失去动力，此时小车处于减速滑行状态。

齿条支架5一方面用于支撑刹车齿条5，提高装置的稳定性；一方面用于固定限位环14，从而在刹车过程中限制刹车齿条4随刹车齿轮6旋转，起到辅助刹车的作用。

刹车驱动单元包括刹车舵机1及舵机摆臂3，舵机摆臂3的两端分别设有第一连接孔及第二连接孔，第一连接孔与刹车舵机1传动连接，第二连接孔与刹车齿条 4传动连接。

刹车舵机1为角度伺服电机，用于驱动舵机摆臂3进行摆动，当舵机摆臂3 向外摆动时，刹车齿条4随之向外移动。

刹车齿条4位于舵机摆臂3处的一端并列设有第一沟槽10及第二沟槽11，第一沟槽10位于舵机摆臂3及第二沟槽11之间。

第一沟槽10与第二连接孔之间设有柔性绳，并通过柔性绳传动连接。

刹车驱动单元还包括弹性带，齿条支架5的两侧均设有挂钩13，第二沟槽11 与挂钩13之间设有弹性带，在弹性带拉力的作用下，刹车齿条4与刹车齿轮6的相互啮合。

弹性带可以是市面上常见的具有弹性的带状件，例如橡皮筋。

在初始状态下，刹车舵机1待机，柔性绳处于松弛状态，弹性带绷紧，使刹车齿轮6与刹车齿条4啮合，此时本装置处于刹车状态；当小车启动或小车需要加速时，刹车舵机1通电，舵机摆臂3向外摆动，通过柔性绳克服弹性带的拉力，将刹车齿条4向外牵引，使刹车齿轮6与刹车齿条4分离，从而达到松刹车的效果；当小车需要刹车时，刹车舵机1断电，舵机摆臂3复位向内摆动，柔性绳恢复松弛状态，在弹性带拉力的作用下，刹车齿条4向刹车齿轮6移动，并与刹车齿轮6的相互啮合，使得刹车齿轮6与行进轴8停止转动，缠绕在行进轴8上的连接绳停止解缠，并牵引砝码停止下落，在摩擦力作用下，此时小车处于减速滑行状态。

刹车齿条4的侧面设有限位凸台12，限位凸台12位于限位环14与刹车齿轮6 之间。

限位凸台12与刹车齿条4的总截面宽度大于限位环14宽度，限位凸台12用于限制刹车齿条4沿限位环14轴向的位移距离，避免因刹车驱动单元或惯性的影响使得刹车齿条4脱离限位环14。

小车上设有小车底盘9，小车底盘9上设有行进轴支架7，行进轴8设置在行进轴支架7上，刹车齿条4的高度与刹车齿轮6的高度相适配，使得刹车齿条4 的齿面与刹车齿轮6的齿面相切，并尽可能增大刹车齿条4与刹车齿轮6的接触面，从而提高刹车齿条4与刹车齿轮6的啮合效果。

刹车齿条支撑机构及刹车驱动单元均设置在小车底盘9上，刹车齿条4的端部设有与刹车齿轮6相啮合的制动齿。

刹车舵机支架2、舵机摆臂3、刹车齿条4、齿条支架5、刹车齿轮6、行进轴支架7、行进轴8、小车底盘9等装置，均可采用3d打印技术生产，零件结构设计得更加简单，制造用时短，零件本身重量低，减轻了小车的整体重量，减少了小车的摩擦阻力。

该装置还包括速度检测器及控制器，该控制器分别与速度检测器及刹车驱动单元电连接。

速度检测器设置在小车外壳上，用于实时监测小车的行进速度，控制器用于接收速度检测器发出的速度信号，并发出相应控制信号以控制刹车驱动单元工作。控制器内设有速度阈值，当小车速度超过预定上限时，控制刹车驱动单元进行制动，当速度低于预设下限时，刹车装置停止工作，小车在驱动装置的牵引下加速行驶。刹车驱动单元配合速度检测器及控制单元，通过不断地刹车、松刹车，将小车的速度控制在一个预定的速度范围内，充分利用小车的滑行，从而达到节约能量的目的。

工作原理：小车发车及行进过程中，砝码下落，行进轴转动，小车加速行驶，速度检测器实时采集小车速度，当小车速度低于预定上限时，刹车舵机1处于工作状态，舵机摆臂3通过柔性绳抵抗弹性带对刹车齿条4的拉力，使得刹车齿条4 与行进轴8上的刹车齿轮6相分离，小车正常行进；当小车速度高于预定上限时，控制器发出控制信号，刹车舵机1停止工作，使得舵机摆臂3复位向内摆动，柔性绳失去牵引力，刹车齿条4在弹性带的拉力作用下，向刹车齿轮6移动，并与刹车齿轮6向啮合，由于齿条支架5上的限位环的作用，阻止刹车齿轮4旋转，进而阻止行进轴4，达到刹车效果，此时，小车处于减速滑行状态；在摩擦力作用下，当小车速度低于预定下线时，刹车舵机1恢复工作状态，通过舵机摆臂3的牵引，使得刹车齿条4与刹车齿轮6相分离，砝码下落，行进轴8转动，小车加速行进，使小车的速度稳定在预定速度范围内。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用实用新型。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本实用新型不限于上述实施例，本领域技术人员根据本实用新型的揭示，不脱离本实用新型范畴所做出的改进和修改都应该在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.重力势能驱动小车的刹车装置，该装置设置在小车上，其特征在于，所述的刹车装置包括刹车齿条支撑机构、移动设置在刹车齿条支撑机构上的刹车齿条(4)、设置在小车的行进轴(8)上并与刹车齿条(4)相适配的刹车齿轮(6)以及与刹车齿条(4)传动连接的刹车驱动单元。

2.根据权利要求1所述的重力势能驱动小车的刹车装置，其特征在于，所述的刹车齿条支撑机构包括齿条支架(5)以及设置在齿条支架(5)上的限位环(14)，所述的刹车齿条(4)穿过限位环(14)，并可沿限位环(14)轴向移动。

3.根据权利要求2所述的重力势能驱动小车的刹车装置，其特征在于，所述的刹车驱动单元包括刹车舵机(1)及舵机摆臂(3)，所述的舵机摆臂(3)的两端分别设有第一连接孔及第二连接孔，所述的第一连接孔与刹车舵机(1)传动连接，所述的第二连接孔与刹车齿条(4)传动连接。

4.根据权利要求3所述的重力势能驱动小车的刹车装置，其特征在于，所述的刹车齿条(4)位于舵机摆臂(3)处的一端并列设有第一沟槽(10)及第二沟槽(11)，所述的第一沟槽(10)位于舵机摆臂(3)与第二沟槽(11)之间。

5.根据权利要求4所述的重力势能驱动小车的刹车装置，其特征在于，所述的第一沟槽(10)与第二连接孔之间设有柔性绳，并通过柔性绳传动连接。

6.根据权利要求4所述的重力势能驱动小车的刹车装置，其特征在于，所述的齿条支架(5)的两侧均设有挂钩(13)，所述的第二沟槽(11)与挂钩(13)之间设有弹性带。

7.根据权利要求2所述的重力势能驱动小车的刹车装置，其特征在于，所述的刹车齿条(4)的侧面设有限位凸台(12)，所述的限位凸台(12)位于限位环(14)与刹车齿轮(6)之间。

8.根据权利要求1所述的重力势能驱动小车的刹车装置，其特征在于，所述的小车上设有小车底盘(9)，该小车底盘(9)上设有行进轴支架(7)，所述的行进轴(8)设置在行进轴支架(7)上。

9.根据权利要求8所述的重力势能驱动小车的刹车装置，其特征在于，所述的刹车齿条支撑机构及刹车驱动单元均设置在小车底盘(9)上，所述的刹车齿条(4)的端部设有与刹车齿轮(6)相啮合的制动齿。

10.根据权利要求1所述的重力势能驱动小车的刹车装置，其特征在于，该刹车装置还包括速度检测器及控制器，该控制器分别与速度检测器及刹车驱动单元电连接。

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