一種無碳繞障行走小車的製作方法

2023-04-22 18:56:01 1

一種無碳繞障行走小車的製作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種無碳繞障行走小車，小車依靠純機械控制獨立完成多個「8」字軌跡繞樁，並且樁距改變的同時也可以調節前後輪的軸距來適應樁距的改變，總體結構特點設計主要包含五大方面：小車行走軌跡設計、能量轉換機構的設計、傳動機構設計、差速機構設計和轉向機構設計。本實用新型的效果是：結構簡潔，啟動性能好，行走平穩；精度很高；能量利用效率高：實現了僅依靠機械能完成實踐教學的目標；無碳，節能，環保。
【專利說明】一種無碳繞障行走小車
【技術領域】
[0001]本實用新型是一種能將重力勢能轉換為機械能並可用來驅動小車行走的裝置，具體涉及一種可運用於輔助機械課程教學的無碳繞障行走小車。
【背景技術】
[0002]《機械原理》是一門公共基礎課程，是大部分工科學生必修的一門主幹技術基礎課程。《機械原理》的教學多以PPT的形式向學生傳授視覺上的機械認知，對提高學生對機械技術的真正消化起不到太大的作用。無碳繞障行走小車是一款純機械動力小車，屬於一種精密控制的機械裝置。它能夠以較高的精度按照預定的軌跡依次前行、轉彎並避開障礙物完成一個又一個循環，累計誤差可控。它自身機構涵蓋了《機械原理》和《機械設計》的大部分的內容，所以它是一個協調運動的系統裝置。小車只需要一張水平桌子便可以給學生近距離展示機構的工作情況。

【發明內容】

[0003]本實用新型的目的在於提供一種無碳繞障行走小車，該行走小車結構簡潔，行走平穩；精度很高；能量利用效率高:實現了僅依靠機械能完成實踐教學的目標；無碳，節能，環保。
[0004]本實用新型是這樣來實現的，它包括頂座，滑輪座，滑輪，支撐杆，底板，軸承座，凸輪軸，大齒輪，小齒輪，驅動輪軸，驅動輪，凸輪，連接座，細螺紋微調接頭，圓柱觸頭，圓柱滾子軸，磁環，平推導杆，玻璃注射器管，導向座，磁吸頭，擺杆，微調螺釘，前叉，前叉座，轉向輪，平面止推軸承，從動輪。其特徵是:頂座上通過螺釘將滑輪座連接到頂座上；軸承與滑輪軸配合安裝後掛到滑輪座上；三根鋁合金支撐杆通過螺釘連接到頂座上；三根支撐杆下端用螺釘連接到下底板；底板上連接有兩個軸承座；凸輪軸通過一對軸承將其裝配到軸承座的下端孔內；大齒輪通過螺釘固定到凸輪軸上；小齒輪通過螺釘固定到驅動輪軸上；驅動輪軸通過一對軸承裝配到軸承座上端的孔內；驅動輪通過螺釘勁定在驅動輪軸上，驅動小車前進；凸輪是壓配安裝到凸輪軸上的；連接座與細螺紋微調接頭螺紋旋合連接；細螺紋微調接頭另一端壓配到平推導杆上；圓柱觸頭內置孔腔與磁環吸附配合在一起；圓柱滾子軸透過一個軸承裝配到圓柱觸頭上；圓柱滾子軸在於連接座屬壓配連接，將圓柱觸頭安裝到連接座上來；圓柱觸頭與凸輪外輪廓通過磁環的吸附作用連接到一塊，為開式連接；玻璃注射器與尼龍導向座壓配連接在一塊；尼龍導向做通過螺釘固定到底板上；平推導杆穿過玻璃注射器管，另一端與磁吸頭壓配到一起；擺杆上安裝一個軸承，通過軸承與磁鐵的吸引力將軸承外圈貼緊磁吸頭平面，形成開式連接；擺杆上的螺紋孔上旋有微調螺釘；前叉與擺杆用螺母壓配；前叉與前叉座中間裝有平面止推軸承；前叉座通過螺釘與底板連接；轉向輪通過一對軸承裝配到前叉上；從動輪通過一對軸承連接到軸承座上。
[0005]本實用新型所述無碳繞障行走小車的結構設計主要包括小車行走軌跡設計、能量轉換機構的設計、傳動機構設計、差速機構設計和轉向機構設計。[0006]1、無碳小車行走軌跡的確定
[0007]小車以「8」字軌跡繞過所設置的兩個障礙物(障礙物間距30(T500mm)。一周期軌跡由兩段半圓弧和兩段正弦曲線組成，採用正弦曲線對兩段圓弧線進行過渡因方向漸變而降低了轉向阻力，相較於圓弧方向突變或直線過渡等方案在理論上具有明顯的優越性。當障礙物間距變化時，可以通過改變圓弧的半徑以及正弦曲線的幅值來調整軌跡。
[0008]2、能量轉換機構設計
[0009]重力勢能轉化為小車的動能，所採用的傳動比應讓轉化的能量略大於整車的摩擦力總和，使小車以一個較低的行駛速度行走，既達到行駛穩定，減少能量的損失，又可達到最大的行駛路程。在實際設計中能量轉化機構的設計採用滑輪+齒輪機構，滑輪用於改變重力的作用方向和改變輸出力的大小，通過繩索將能量傳遞至第一級輪軸使其產生一個旋轉力矩，再通過固定在該輪軸上的齒輪將動力傳遞至驅動輪。
[0010]3、傳動機構設計
[0011]傳遞動力主要可以通過齒輪、皮帶、鏈輪等方式進行。由於傳動的級數不多，傳動的距離短會使得皮帶傳動的包角較小，傳動時容易打滑，傳動精度不高。鏈輪傳動不夠平穩。而齒輪傳動精度高，只要選用合適的材料製作，也能減少重量，缺點是加工相對而言要複雜，成本也高。本設計中採用齒輪傳動方式傳動。
[0012]3.1、確定齒輪傳動比η和驅動輪直徑D
[0013]為了便於齒輪的設計加工取η =3 ;小車行走一個周期所走的路程取S=2356mm，由S= η JI D，則驅動輪直徑大小為250_。
[0014]3.2、設定齒輪參數m, Z
[0015]根據小車的整體結構，取齒輪I和齒輪2的模數m=0.5，齒數分別為Zl=180，Z2=60。計算小車繞行圈數，已知重物下降高度為h=400mm，經過滑輪導向機構其輸出繞線長度1=800，初設繞線軸的直徑d=7mm，則繞線軸轉動圈數nl=h/ Ji d?35.7。繞線軸轉動一圈，凸輪也轉動一圈，小車完成一個周期，即小車理論上可以繞行35.7圈。
[0016]4.轉向機構設計
[0017]小車以「8」字軌跡繞障礙物行駛，要完成該轉向動作，就必須將小車轉化的能量通過適當的機構作用於小車的轉向輪上，達到控制小車轉向的目的，同時該機構的動作應靈活，損耗能量少。在設計轉向軸時採用軸承支撐，並適當採用較長的搖臂，使轉向機構動作時所消耗的能量極少，同時採用一個對心凸輪加連杆作為驅動機構對小車轉向進行控制，該結構簡單，容易實現，同時便於後期進行調整。小車的還有一個創新點在於，它巧妙的結合了材料的物理屬性一磁性材料，在影響控制機構精度的零件加工、機構連接環節、減少零件數目、降低能耗方面達到了極致。依靠標準件本身高的表面光潔度、面平整度，使得線面接觸的活動間隙相對於軸承的徑向間隙小到可以忽略不計。從而在整個控制傳動環節上的不可控誤差僅僅取決於軸承的精度，這給小車的精度帶來了質的躍升。同時由於磁力使得滾子做純滾動貼緊移動的活動面上，所以推動阻力可以很小，相應的能量損耗也低，小車的啟動性能得到了保證。
[0018]5.軌跡可調機構設計
[0019]由於該小車轉向機構採用軌跡一定的對心凸輪加連杆來驅動，在小車轉角固定的情況下要實現小車的軌跡可調可通過改變轉向輪(前輪)和驅動輪(後輪)的輪間距來實現。[0020]6.車身結構與布局設計
[0021]整車為三輪小車，根據車輛設計的要求，後輪驅動時應設計有差速機構，否則在轉向時由於兩個驅動輪的轉速相同，在轉向時兩輪的行走距離相同，從而直接影響車子的轉向，因為在轉向時必需要有一個輪子產生打滑，車子才能實現轉向。同時，如果驅動輪的輪距過大，在轉向時驅動輪仍然向前滾動，會產生一個較大的縱向力，直接影響到小車的轉向，因而需要很大的驅動力才能克服，這樣就會消耗更多的能量，直接影響到車子的行走距離，在較大的轉向角度時甚至小車無法行走。解決上述問題的方法主要有以下兩種方法:
1、在驅動輪上設計安裝差速器，如此可以實現小車兩後輪在轉彎時，角速度相同，但線速度不同，真正做到像現實生活中汽車那樣，兩輪差速過彎，這樣可以最大程度上解決轉彎時後輪打滑的問題；2、採用邊三輪結構，使前轉向輪與一後驅動輪對齊，另一後支撐輪可自由運轉，消除兩後輪的差速阻力。
[0022]由於差速器本身也具有較大的摩擦阻力，通過仔細的分析與討論，最終將小車設計為邊三輪結構。考慮到小車的轉向等因素，設計時應儘可能將小車重心設計在靠近三個車輪的中心部位，保證小車行走時的穩定性。
[0023]7.小車製作材料的選擇
[0024]經過反覆的試驗，發現小車零件的剛性對能量的耗損起著很大的作用。尼龍、有機玻璃等塑料雖然比重較輕，但是往往剛性不夠，而且在加工過程中彈性較大的塑料難以保證加工精度，脆性較大的塑料在調試拆裝過程中螺紋容易打滑。鋁合金相當於鋼材而言比重小，加工性能也好，並且能夠滿足小車的剛性要求，因此本設計主要選擇鋁合金作為小車材料，如車身底板、車輪、輪軸、軸承座、支撐杆等重要零件。
[0025]在滿足小車應有的性能和考慮經濟效益及加工方便的情況下，零件還將以減輕孔形式減輕小車重量。
[0026]本實用新型的效果是:結構簡潔，啟動性能好，行走平穩；精度很高；能量利用效率高:實現了僅依靠機械能完成實踐教學的目標；無碳，節能，環保。實際性能測試:砝碼下降400mm小車在良好工作狀態下能夠跑完全程(35圈)不會撞樁，一般情況怎能跑到30圈，運動時間5分鐘左右；在同樣功能的裝置中成績已經是佼佼者(大部分一般情況15圈以內便已經軌跡變形很大，會撞到樁)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0027]圖1為本實用新型的結構示意圖。
[0028]圖2為本實用新型的能量轉換機構圖。
[0029]圖3為本實用新型的驅動及轉向結構主視圖。
[0030]圖4為本實用新型的驅動及轉向結構俯視圖。
[0031]圖5為本實用新型的繞行軌跡圖。
[0032]圖6為本實用新型的小車半個周期凸輪與小車軌跡所對應的時序圖。
[0033]在圖中，1.頂座，2.滑輪座，3.滑輪，4.支撐杆，5.底板，6.軸承座，7.凸輪軸，
8.大齒輪，9.小齒輪，10.驅動輪軸，11.驅動輪，12.凸輪，13.連接座，14.細螺紋微調接頭，15.圓柱觸頭，16.圓柱滾子軸，17.磁環，18.平推導杆，19.玻璃注射器管，20.導向座，21.磁吸頭，22.擺杆，23.微調螺釘，24.前叉，25.前叉座，26.轉向輪，27.平面止推軸承，28.從動輪。
【具體實施方式】
[0034]以下結合【專利附圖】

【附圖說明】對本實用新型的實施例作進一步詳細描述，但本實施例並不用於限制本實用新型，凡是採用本實用新型的相似結構及其相似變化，均應列入本實用新型的保護範圍。
[0035]如圖1所示，本實用新型是這樣來工作和實施的，它包括頂座1，滑輪座2，滑輪3，支撐杆4，底板5，軸承座6，凸輪軸7，大齒輪8，小齒輪9，驅動輪軸10，驅動輪11，凸輪12，連接座13，細螺紋微調接頭14，圓柱觸頭15，圓柱滾子軸16，磁環17，平推導杆18，玻璃注射器管19，導向座20，磁吸頭21，擺杆22，微調螺釘23，前叉24，前叉座25，轉向輪26，平面止推軸承27，從動輪28 ;其特徵是:頂座I上通過螺釘將滑輪座2連接到頂座I上；滑輪3、軸承和滑輪軸配合安裝後掛到滑輪座2上；三根鋁合金支撐杆4通過螺釘連接到頂座I上；三根支撐杆4下端用螺釘連接到下底板5 ;底板5上連接有兩個軸承座6 ;凸輪軸7通過一對軸承將其裝承座6的下端孔內；大齒輪8通過螺釘固定到凸輪軸7上；小齒輪9通過螺釘固定到驅動輪軸10上；驅動輪軸10通過一對軸承裝配到軸承座6上端的孔內；驅動輪11通過螺釘緊定在驅動輪軸10上，驅動小車前進；凸輪12是壓配安裝到凸輪軸7上的；連接座13與細螺紋微調接頭14螺紋旋合連接；細螺紋微調接頭14另一端壓配到平推導杆18上；圓柱觸頭15內置孔腔與磁環16吸附配合在一起；圓柱滾子軸17通過一個軸承裝配到圓柱觸頭15上；圓柱滾子軸16在與連接座13屬壓配連接，將圓柱觸頭15安裝到連接座13上來；圓柱觸頭15與凸輪12外輪廓通過磁環17的吸附作用連接到一塊，為開式連接；玻璃注射器19與尼龍導向座20壓配連接在一塊；尼龍導向座20通過螺釘固定到底板5上；平推導杆18穿過玻璃注射器管19，另一端與磁吸頭21壓配到一起；擺杆22上安裝一個軸承，通過軸承與磁鐵的吸引力將軸承外圈貼緊磁吸頭21平面，形成開式連接；擺杆22上的螺紋孔上旋有微調螺釘23 ;前叉24與擺杆22用螺母壓配；前叉24與前叉座25中間裝有平面止推軸承27 ;前叉座25通過螺釘與底板5連接；轉向輪26通過一對軸承裝配到前叉24上；從動輪28通過一對軸承連接到軸承座6上。
[0036]如圖2所示，在邊三輪結構的小車上，在允許的高度上掛一砝碼。砝碼在曲線運動的小車上保持平穩下落，則需要限位機構對其有限位跟保持的作用。
[0037]滑輪導向機構將砝碼傳遞過來的力矩，通過滑輪上有兩個直徑比為1:2的滑輪槽把輸出的力F降為砝碼重力的1/2，使輸出繞線的長度增加一倍，同時降低了對下一級軸徑尺寸的要求。
[0038]齒輪機構將滑輪輸出的力F再一次降低為砝碼重力的1/6，充分提高砝碼重力勢能的利用率；齒輪的模數是0.5有，有較高的重合度，是驅動平穩性增加。
[0039]如圖3、圖4所示，凸輪機構是對心直動滾子盤形凸輪機構，凸輪與第一級齒輪同軸、具有同樣的運動周期；凸輪基圓與推桿的軸線在同一條水平線上；圓柱滾子位於這一水平線的上方3mm處，類似於萬向輪，在凸輪做主動件時，偏置滾子具有自動導向功能，同時減小運動阻力，降低損耗，有效防止頂死現象。凸輪是用45#鋼板線切割加工成形的；圓柱滾子是由鐵棒依次車出軸承配合孔和磁環固定孔。通過磁鐵與鐵製品的組合使用，在不依靠外部機械裝置幹預的情況下，便可以使從動件以線接觸的形式貼緊在凸輪外輪廓，達到周期性幾何封閉。其特徵效果是:極低的摩擦阻力，能量損耗少；很高的傳動精度簡化了結構。I)從傳動角度來說，從凸輪到推桿再到轉向機構，可見的運動連結間隙也僅僅出現在圓柱滾子內部的軸承上，即軸承內圈與外圈存在的遊動間隙。軸承本身較一般零件而言精度要搞很多，所以傳動間隙很小或者也可以選配精度等級更高的軸承。2)從加工工藝上來說，凸輪是用線切割慢走絲加工成形。其輪廓曲線的相似度和表面粗糙度也偶有有較高的精度值，經過後期的處理可以進一步提高其性能。圓柱滾子是打了肥皂水精車過的，其表面光潔度很好。3)從選材上來說，鋼材的硬度較高，在重複使用過程中磨損變形量小。故其傳動精度性能可以保持較長的使用壽命。
[0040]如圖3、圖4所示，轉向機構的擺杆與推桿也是採用的開式連接；推桿前段是磁鐵片，磁鐵片的表面粗糙度在幾μ的範圍之內；擺杆上配有一軸承，依靠強磁鐵將軸承外圈吸附達到開式連接的效果。其特徵效果是:簡化了推桿與擺杆的連接結構；軸承與磁鐵片表面分別的圓柱度跟平面度很高，軸承隨著推桿的前後平動在磁鐵片上做滾動運動，並帶動轉向輪旋轉方向；它的摩擦阻力可以忽略不計，傳動平穩且精度很高。
[0041]如圖5所示，小車的繞行軌跡圖，一周期軌跡由兩段半圓弧和兩段正弦曲線組成，採用正弦曲線對兩段圓弧線進行過渡因方向漸變而降低了轉向阻力，相較於圓弧方向突變或直線過渡等方案在理論上具有明顯的優越性。當障礙物間距變化時，可以通過改變圓弧的半徑以及正弦曲線的幅值來調整軌跡，在小車的運動過大輪子驅動著小車前進，配合著前輪的轉向，小車能夠很好的完成預定軌跡的行走。小車的拆裝也很簡便。小車以「8」字軌跡繞過所設置的兩個障礙物(障礙物間距30(T500mm)。
[0042]如圖6所示，為小車半個周期凸輪與小車軌跡所對應的時序圖。
【權利要求】
1.一種無碳繞障行走小車，它包括頂座，滑輪座，滑輪，支撐杆，底板，軸承座，凸輪軸，大齒輪，小齒輪，驅動輪軸，驅動輪，凸輪，連接座，細螺紋微調接頭，圓柱觸頭，圓柱滾子軸，磁環，平推導杆，玻璃注射器管，導向座，磁吸頭，擺杆，微調螺釘，前叉，前叉座，轉向輪，平面止推軸承和從動輪；其特徵是:頂座上通過螺釘將滑輪座連接到頂座上；軸承與滑輪軸配合安裝後掛到滑輪座上；三根鋁合金支撐杆通過螺釘連接到頂座上；三根支撐杆下端用螺釘連接到下底板；底板上連接有兩個軸承座；凸輪軸通過一對軸承將其裝配到軸承座的下端孔內；大齒輪通過螺釘固定到凸輪軸上；小齒輪通過螺釘固定到驅動輪軸上；驅動輪軸通過一對軸承裝配到軸承座上端的孔內；驅動輪通過螺釘勁定在驅動輪軸上，驅動小車前進；凸輪是壓配安裝到凸輪軸上的；連接座與細螺紋微調接頭螺紋旋合連接；細螺紋微調接頭另一端壓配到平推導杆上；圓柱觸頭內置孔腔與磁環吸附配合在一起；圓柱滾子軸透過一個軸承裝配到圓柱觸頭上；圓柱滾子軸在於連接座屬壓配連接，將圓柱觸頭安裝到連接座上來；圓柱觸頭與凸輪外輪廓通過磁環的吸附作用連接到一塊，為開式連接；玻璃注射器與尼龍導向座壓配連接在一塊；尼龍導向做通過螺釘固定到底板上；平推導杆穿過玻璃注射器管，另一端與磁吸頭壓配到一起；擺杆上安裝一個軸承，通過軸承與磁鐵的吸引力將軸承外圈貼緊磁吸頭平面，形成開式連接；擺杆上的螺紋孔上旋有微調螺釘；前叉與擺杆用螺母壓配；前叉與前叉座中間裝有平面止推軸承；前叉座通過螺釘與底板連接；轉向輪通過一對軸承裝配到前叉上；從動輪通過一對軸承連接到軸承座上。
【文檔編號】G09B25/02GK203825935SQ201420185313
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2014年4月16日 優先權日:2014年4月16日
【發明者】王祥宇, 劉建如, 鄒佳慧, 蔣偉, 鄭詩穎, 李志晨, 趙凱翱 申請人:南昌航空大學