一種前輪轉向裝置的製作方法
2023-11-11 14:31:37
本實用新型涉及無碳小車，特別涉及一種前輪轉向裝置。
背景技術：
設計並製作無碳小車已逐漸成為地區性乃至國家級的機械設計比賽。如圖1所示，無碳小車是以重力勢能驅動的具有方向控制功能的自行小車；小車為三輪結構，具有轉向控制機構，且該轉向控制機構具有可調節功能或者可快速更換結構，以適應設有不同間距障礙物的競賽場地；驅動小車行走及轉向的能量只能由給定的重力勢能轉換而來，不可使用其他的能量來源。給定重力勢能為鉛垂下降來獲得，落差400mm，鉛錘落下後須被小車承載並同小車一起運動，不允許從小車上掉落。
現有的無碳小車大部分採用凸輪、齒輪、曲柄搖杆作為小車驅動轉向機構，這些機構存在以下一些缺點：一是零部件加工精度要求高，加工困難。二是體積質量大，佔用空間，安裝不便，使得整車尺寸變大。三是存在多處摩擦副，傳動鏈較長，行駛阻力大，導致能量損失較多，控制精度下降，使得小車轉向不靈敏。且傳統的機械轉向需要消耗重物下落的勢能，過重的轉向機構使得整車笨重，行進過程中的摩擦阻力大大增加，用來驅動小車行駛的能量利用率很低，直接限制了小車的最遠行駛距離，難以在比賽中取得很好的成績。且在不允許使用人工交互遙控、放有不同間距和位置障礙並進行掉頭的競賽場地，傳統的機械轉向並不能適應。
技術實現要素：
本實用新型要解決的技術問題是克服現有技術的不足，提供一種結構簡單、加工容易、重量輕、智能避障和自我調節的前輪轉向裝置，其可解決目前無碳小車依靠重物下落的勢能通過機械傳動鏈驅動小車轉向而造成的能量損失、傳遞精度不高、轉向固定、行進過程中不能自動識別並執行轉向避開障礙的問題。
為解決上述技術問題，本實用新型提出的技術方案為：
一種前輪轉向裝置，包括電控系統和轉向傳動機構，所述轉向傳動機構包括舵機、轉向軸、轉向叉、轉向前輪以及設於車架底板上的轉向支座，所述舵機支撐於所述轉向支座頂端，所述轉向軸豎直穿出轉向支座，轉向軸上端與舵機的輸出端連接，下端與轉向叉連接，所述轉向前輪通過固定芯軸裝設於轉向叉內；所述電控系統包括三個設於車架底板前端左右兩側用於檢測障礙信號的紅外對管傳感器、兩個設於車架底板右側前後兩端用於檢測方向偏差信號的超聲波傳感器以及設於車架底板前端中部用於處理障礙和方向偏差信號並控制舵機實現轉向、掉頭或微調校正的單片機，所述紅外對管傳感器、超聲波傳感器及舵機均通過數據線與單片機連接。
作為上述技術方案的進一步改進：
優選的，所述轉向支座包括轉向上支座和轉向下支座，所述轉向下支座的外周設有螺孔與車架底板連接，轉向上支座上設有連接孔與舵機連接；轉向上支座和轉向下支座的中部均設有通孔穿設轉向軸，轉向軸下端與轉向下支座之間設有定位軸承並通過上下軸肩定位。
優選的，所述轉向軸的上端通過花鍵傳動副與舵機的輸出端連接，轉向軸下端通過螺紋副與轉向叉連接。
優選的，所述固定芯軸一端設有固定頭，另一端與轉向叉之間通過夾緊套固定連接。
優選的，所述轉向前輪通過雙軸承與固定芯軸之間轉動連接。
本實用新型還提供一種無碳小車，包括車架底板、驅動裝置以及轉向裝置，所述轉向裝置為上述的無碳小車轉向裝置，其中的單片機設於車架底板靠前端的中部，車架底板的左側靠單片機的位置前後並排設有兩個紅外對管傳感器，右側對應位置設有一個紅外對管傳感器和一個超聲波傳感器，車架底板的右側後端設有一個超聲波傳感器；其中的轉向傳動機構設於車架底板前端。
與現有技術相比，本實用新型的優點在於：
1.本實用新型的前輪轉向裝置，通過設置紅外對管傳感器、超聲波傳感器、單片機以及舵機，從舵機輸出到轉向前輪轉向，其響應速度快，轉向傳動精度高；能夠實現小車在特定時刻的任意角度轉向與方向校正，並快速準確地將轉向信號轉變為前輪的轉向動作；
2. 本實用新型的前輪轉向裝置，舵機和轉向軸通過轉向支座固定在車架底板上，可保證轉向裝置的穩定可靠性能；
3. 本實用新型的前輪轉向裝置，轉向前輪採用固定芯軸連接，由於沒有移動副，可大大降低摩擦能耗，提高能量傳遞效率；
4. 本實用新型的前輪轉向裝置，各部件的加工要求精度不高，傳動鏈簡短，零件數量少，能批量生產。具有結構簡單、加工容易、重量輕、智能避障和自我調節等優點。
附圖說明
圖1是無碳小車的簡易原理示意圖。
圖2是本實用新型前輪轉向裝置中的轉向傳動機構分解示意圖。
圖3是本實用新型前輪轉向裝置中的轉向傳動機構裝設於車架底板上的俯視結構示意圖。
圖4是本實用新型中電控系統的控制原理圖。
圖5是本實用新型無碳小車的立體結構示意圖。
圖例說明：
1、舵機；2、轉向上支座；3、轉向下支座；4、轉向軸；5、雙軸承；6、固定芯軸；7、轉向前輪；8、夾緊套；9、轉向叉；10、定位軸承；11、單片機；12、第一紅外對管傳感器；13、第二紅外對管傳感器；14、後超聲波傳感器；15、第三紅外對管傳感器；16、前超聲波傳感器；17、定滑輪；18、重物；19、齒輪副；20、繩輪軸；21、後輪軸；22、後輪。
具體實施方式
為了便於理解本實用新型，下文將結合說明書附圖和較佳的實施例對本實用新型作更全面、細緻地描述，但本實用新型的保護範圍並不限於以下具體的實施例。
如圖2-圖4所示，本實用新型的一種前輪轉向裝置實施例，包括電控系統和轉向傳動機構，電控系統包括設於車架底板前端中部的單片機11（型號為80C51）、三個設於車架底板前端左右兩側的紅外對管傳感器以及兩個設於車架底板右側前後兩端的超聲波傳感器，三個紅外對管傳感器和兩個超聲波傳感器均通過數據線與單片機11連接；三個紅外對管傳感器包括前後並排位於左側的第一紅外對管傳感器12、第二紅外對管傳感器13以及位於右側的第三紅外對管傳感器15；兩個超聲波傳感器與第三紅外對管傳感器15同側設置，包括位於前端的前超聲波傳感器16和位於後端的後超聲波傳感器14。其中，第一紅外對管傳感器12的信號線與單片機11的P0.1口相連並帶有上拉電阻R3，第二紅外對管傳感器13的信號線與單片機11的P3.2（或外部中斷1）口相連，第三紅外對管傳感器15的信號線與單片機11的P0.0口相連並帶有上拉電阻R2；前超聲波傳感器16的兩根信號線Trig、Echo分別與單片機11的P1.2、P1.3口相連，後超聲波傳感器14的兩根信號線Trig、Echo分別與單片機11的P1.0、P1.1口相連。轉向傳動機構包括舵機1、轉向軸4、轉向叉9、轉向前輪7以及設於車架底板上的轉向支座，舵機1支撐於轉向支座頂端並通過數據線與單片機11的P0.2口相連並帶有上拉電阻R4，轉向軸4豎直穿出轉向支座，轉向軸4上端與舵機1的輸出端連接，下端與轉向叉9連接，轉向前輪7通過固定芯軸6裝設於轉向叉9內；小車遇障時，紅外對管傳感器給單片機11輸入障礙信號；小車直行時，超聲波傳感器給單片機11輸入方向偏差信號；單片機11通過信號處理控制舵機1實現轉向、掉頭或微調校正。本實用新型通過設置紅外對管傳感器、超聲波傳感器、單片機以及舵機，轉向信號從舵機輸出到轉向前輪轉向，響應速度快，轉向傳動精度高，能快速準確地將轉向信號轉變為轉向前輪的轉向動作，實現小車在特定時刻任意角度轉向與方向校正。具有結構簡單、加工容易、重量輕、智能避障和自我調節等優點。
本實施例中，轉向支座包括轉向上支座2和轉向下支座3，轉向下支座3的外周設有螺孔用於與車架底板連接，轉向上支座2頂部設有連接孔用於與舵機1連接；轉向上支座2和轉向下支座3的中部均設有通孔用於穿設轉向軸4，轉向軸4下端與轉向下支座3之間設有定位軸承10並通過上下軸肩定位。轉向軸4的上端通過花鍵傳動副與舵機1的輸出端連接，轉向軸4下端通過螺紋副與U形轉向叉9的頂部連接。舵機和轉向軸通過轉向支座固定在車架底板上，可保證小車行進過程中轉向傳動機構的穩定性和轉向前輪行進方向的準確性。
本實施例中，固定芯軸6一端設有固定頭，另一端穿過U形轉向叉9的兩側邊並通過夾緊套8固定連接。轉向前輪7通過雙軸承5裝設於固定芯軸6上。轉向前輪採用固定芯軸連接，由於沒有移動副，可大大降低摩擦能耗，提高能量傳遞效率。
本實施例中，單片機通過信號處理控制舵機實現轉向、掉頭或微調校正的過程具體為：
當第一紅外對管傳感器12、第三紅外對管傳感器15靠近障礙牆，並判斷到距離小於均目標距離時，同時給單片機11輸入信號0，單片機11判斷條件為真，給舵機1發出轉向信號；或者當第二紅外對管傳感器13靠近賽道末端時，中間障礙牆消失，距離瞬間增大，給單片機11輸入信號1，單片機11判斷條件為真，給舵機1發出轉彎掉頭信號；
或者直線行駛時，後超聲波傳感器14和前超聲波傳感器16將檢測到的障礙牆距離輸入給單片機11：
單片機11判斷出前超聲波傳感器16檢測到的距離加上兩個超聲波傳感器水平位置的差值距離之和小於後超聲波傳感器14檢測到的距離時，給舵機1發出左轉信號；
單片機11判斷出前超聲波傳感器16檢測到的距離加上兩個超聲波傳感器水平位置的差值距離之和大於後超聲波傳感器14檢測到的距離時，給舵機1發出右轉信號。
舵機1接收單片機11輸入的轉向信號並執行轉向動作，舵機1的旋轉帶動轉向軸4、轉向叉9作相同幅度的轉動，轉向叉9通過固定芯軸6、雙軸承5將轉動傳遞至轉向前輪7，使其左右擺動，從而完成直線行駛時的方向校正、遇障時的避障和賽道末端的掉頭行駛動作。
如圖5所示，本實用新型的一種無碳小車實施例，包括車架底板、驅動裝置以及轉向裝置，驅動裝置包括繩輪軸20和後輪軸21，繩輪軸20和後輪軸21之間通過齒輪副19連接，後輪軸21上裝設有後輪22，重物18的線繩通過定滑輪17連接於繩輪軸20上。轉向裝置為上述本實用新型的無碳小車轉向裝置，其中的單片機11設於車架底板靠前端的中部，車架底板的左側靠單片機11的位置設有兩個紅外對管傳感器，右側對應位置設有一個紅外對管傳感器和一個超聲波傳感器，車架底板的右側後端設有一個超聲波傳感器；轉向支座固定於車架底板前端，轉向軸的下端穿出轉向支座和車架底板與轉向叉連接，上端通過花鍵與舵機的輸出端連接。
本實用新型無碳小車的工作原理：
旋轉後輪22將重物18上抬至400±2mm的高度，小車動力準備完成，將無碳小車放到起跑線前，使得小車轉向前輪7與起跑線齊平，調整小車位置，使初始行進方向與兩邊障礙牆儘可能保持平行，釋放小車，重物18開始下落，繩輪軸20隨之轉動，通過齒輪副19驅動後輪軸21轉動，從而帶動後輪22旋轉使得小車前行。
當第一紅外對管傳感器12、第三紅外對管傳感器15靠近障礙牆，並判斷到距離小於均目標距離時，同時給單片機11輸入信號0，單片機11判斷條件為真，給舵機1發出轉向信號；或者當第二紅外對管傳感器13靠近賽道末端時，中間障礙牆消失，距離瞬間增大，給單片機11輸入信號1，單片機11判斷條件為真，給舵機1發出轉彎掉頭信號。
或者直線行駛時，後超聲波傳感器14和前超聲波傳感器16將檢測到的障礙牆距離輸入給單片機11：
單片機11判斷出前超聲波傳感器16檢測到的距離加上兩個超聲波傳感器水平位置的差值距離之和小於後超聲波傳感器14檢測到的距離時，給舵機1發出左轉信號；
單片機11判斷出前超聲波傳感器16檢測到的距離加上兩個超聲波傳感器水平位置的差值距離之和大於後超聲波傳感器14檢測到的距離時，給舵機1發出右轉信號。
舵機1接收單片機11輸入的轉向信號並執行轉向動作，舵機1的旋轉帶動轉向軸4、轉向叉9作相同幅度的轉動，轉向叉9通過固定芯軸6、雙軸承5將轉動傳遞至轉向前輪7，使其左右擺動，從而完成直線行駛時的方向校正、遇障時的避障和賽道末端的掉頭行駛動作。