CN110496401A - 利用凸轮进行可变距行走路线的小车及凸轮推导方法 - Google Patents

Abstract

一种利用凸轮进行可变距行走路线的小车及凸轮推导方法，包括底板，底板两侧设有后轮，底板前端设有前轮，底板上设有支撑筒，支撑筒竖向设置，支撑筒顶部设有滑轮，滑轮上绕有牵引线，牵引线一端与配重块连接，配重块位于支撑筒内，牵引线另一端与绕线器连接，绕线器与传动轴同轴连接，传动轴分别与后轮驱动装置和凸轮驱动装置啮合传动；凸轮侧面设有导向凹槽，导向凹槽沿着凸轮边缘形成了闭环结构，导向凹槽内设置有凸轮从动件，凸轮从动件与导轨转动连接，导轨另一端与前轮转向机构连接，导轨与导轨支座配合连接，导轨支座固定在底板。根据路线要求，便可设计适当的凸轮轮廓，使从动件得到任意的预期运动。

Description

利用凸轮进行可变距行走路线的小车及凸轮推导方法

技术领域

本发明属于无碳车技术领域，特别涉及一种利用凸轮进行可变距行走路线的小车及凸轮推导方法。

背景技术

无碳小车是以4焦耳重力势能为唯一能量的，具有连续避障功能的三轮小车，它是将重力势能转换为机械能并以此驱动小车行走的装置，实现了真正意义上的无碳。传统的无碳小车，以中国专利文献CN 207445576 U记载的“一种无碳小车”为例，具有以下缺点：

1、传统的连杆机构仅能实现等距运动；只能实现小车行走标准的S形路线，而不能实现小车行走变径路线；

2、小车的前轮转向没有设计调节装置，因此前轮的转向灵敏度不能调节；

3、小车的两个后轮之间容易产生速差，从而使得小车在形式中容易偏向。

另外，对于无碳小车怎样实现任意路线的设定，目前没有人提出相应的设计方案。

发明内容

鉴于背景技术所存在的技术问题，本发明所提供的利用凸轮进行可变距行走路线的小车及凸轮推导方法，根据路线要求，便可设计适当的凸轮轮廓，使从动件得到任意的预期运动。

为了解决上述技术问题，本发明采取了如下技术方案来实现：

一种利用凸轮进行可变距行走路线的小车，包括底板，底板两侧设有后轮，底板前端设有前轮，底板上设有支撑筒，支撑筒竖向设置，支撑筒顶部设有滑轮，滑轮上绕有牵引线，牵引线一端与配重块连接，配重块位于支撑筒内，牵引线另一端与绕线器连接，绕线器与传动轴同轴连接，传动轴分别与后轮驱动装置和凸轮驱动装置啮合传动；后轮驱动装置用于驱动后轮转动，凸轮驱动装置用于驱动凸轮转动；

凸轮侧面设有导向凹槽，导向凹槽沿着凸轮边缘形成了闭环结构，导向凹槽内设置有凸轮从动件，凸轮从动件与导轨转动连接，导轨另一端与前轮转向机构连接，导轨与导轨支座配合连接，导轨支座固定在底板。

优选的方案中，所述的后轮驱动装置包括第一齿轮和第二齿轮，第一齿轮与第二齿轮啮合；第一齿轮与传动轴同轴连接，第二齿轮通过转轴与后轮同轴连接，所述的转轴通过轴承与轴承支座连接，轴承支座固定在底板上。

优选的方案中，所述的凸轮驱动装置包括第三齿轮和第四齿轮，第三齿轮与第四齿轮啮合；第三齿轮与传动轴同轴连接，第四齿轮通过转轴与凸轮同轴连接，所述的转轴通过轴承与轴承支座连接。

优选的方案中，所述的前轮转向机构包括转向片，转向片一端与前叉连接，前叉与前轮连接，前叉通过轴承固定在前叉支撑座上；转向片另一端通过转向调整块与导轨滑动连接，转向调整块下部设有滑杆，转向片上设置有滑槽，滑杆贯穿于滑槽设置。

优选的方案中，所述的前轮转向机构上设有微调机构，微调机构包括微调座，微调座通过滑块安装在导轨上，导轨上设有微分筒固定块，微分筒固定块上设有微分筒，微分筒包括旋转钮和测微螺杆，所述的测微螺杆贯穿微分筒固定块设置，测微螺杆前端与微调座连接，测微螺杆与旋转钮之间通过螺纹连接；测微螺杆与导轨平行设置。

优选的方案中，所述的微调座上设有框架，框架上贯穿设置有横向调节杆，横向调节杆与导轨垂直设置，横向调节杆贯穿转向调整块设置，且横向调节杆与转向调整块之间螺纹连接。

优选的方案中，所述的滑轮固定在滑轮支座上，滑轮支座设在支撑筒上，滑轮包括主轮和副轮，主轮与副轮之间同轴设置；牵引线可绕主轮或副轮设置。

优选的方案中，所述的导向凹槽内的凸轮从动件为轴承，所述的轴承与导向凹槽侧壁贴合设置。

优选的方案中，所述的每一个后轮对应设置一个轴承支座、一个第一齿轮和一个第二齿轮。

本专利可达到以下有益效果：

1.本发明采用凸轮，凸轮侧面设有导向凹槽，导向凹槽沿着凸轮边缘形成了闭环结构，导向凹槽内设置有凸轮从动件，凸轮从动件与导轨转动连接，这里的导轨可以理解成推杆；导轨另一端与前轮转向机构连接，前轮转向机构驱动前轮转向，通过设计不同的导向凹槽结构，从而实现小车行走不同路径。

2.传动轴转动，带动第一齿轮转动，第一齿轮与第二齿轮啮合传动，第二齿轮通过转轴驱动后轮转动；每一个后轮对应设置一个轴承支座、一个第一齿轮和一个第二齿轮。这样可以减少速差，而传统的无碳小车只采用了一组齿轮来驱动两个后轮，这样容易造成两个后轮出现速差。

3.转向机构上设有微调机构，微调机构可以调节前轮转向的灵敏度，从而实现小车转向的角度。

4.本发明提供了一种根据凸轮的导向凹槽来推导小车路程的方法，根据所要行驶的路线，来推导出处相应的导向凹槽轮廓形状，实现变距、等距的S型运动路线，从而攻克了传统的技术难题。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

图1为本发明小车三维结构图；

图2为图1中A处放大图；

图3为本发明小车前视图；

图4为图3中B处放大图；

图5为本发明小车侧视图；

图6为图5中C处放大图；

图7为本发明转向调整块结构图；

图8为本发明小车俯视图；

图9为本发明小车运动数学模型；

图10为本发明凸轮推程示意图；

图11为本发明凸轮的凹槽曲线推导模型；

图12为本发明的S型行走路线示意图。

图中：滑轮1、滑轮支座3、支撑筒4、凸轮5、导向凹槽501、轴承支座10、导轨支座11、后轮13、前叉支撑座18、前叉19、底板20、前轮22、绕线器24、传动轴25、导轨30、微调座31、横向调节杆32、固定螺栓33、转向调整块34、滑杆341、框架35、转向片38、滑槽381、微分筒39、旋转钮391、测微螺杆392、微分筒固定块41、第一齿轮61、第二齿轮62、第三齿轮63、第四齿轮64。

具体实施方式

优选的方案如图1至图8所示，一种利用凸轮进行可变距行走路线的小车包括底板20，底板20两侧设有后轮13，底板20前端设有前轮22，底板20上设有支撑筒4，支撑筒4竖向设置，支撑筒4顶部设有滑轮1，滑轮1上绕有牵引线，牵引线一端与配重块连接，配重块位于支撑筒4内，牵引线另一端与绕线器24连接，绕线器24与传动轴25同轴连接，传动轴25分别与后轮驱动装置和凸轮驱动装置啮合传动；后轮驱动装置用于驱动后轮13转动，凸轮驱动装置用于驱动凸轮5转动；

凸轮5侧面设有导向凹槽501，导向凹槽501沿着凸轮5边缘形成了闭环结构，导向凹槽501内设置有凸轮从动件，凸轮从动件与导轨30转动连接，导轨30另一端与前轮转向机构连接，导轨30与导轨支座11配合连接，导轨支座11固定在底板20。配重块向下坠落，通过牵引线带动绕线器24转动，绕线器24又称为启动器，其原理类似于玩具车的发条原理一样，绕线器24带动传动轴25转动，从而使得后轮驱动装置和凸轮驱动装置启动。导轨支座11也固定设有滑块301，导轨30与滑块301配合滑动，从而减少导轨30的摩擦。

进一步地，后轮驱动装置包括第一齿轮61和第二齿轮62，第一齿轮61与第二齿轮62啮合；第一齿轮61与传动轴25同轴连接，第二齿轮62通过转轴与后轮13同轴连接，所述的转轴通过轴承与轴承支座10连接，轴承支座10固定在底板20上。传动轴25转动，带动第一齿轮61转动，第一齿轮61与第二齿轮62啮合传动，第二齿轮62通过转轴驱动后轮13转动。

进一步地，凸轮驱动装置包括第三齿轮63和第四齿轮64，第三齿轮63与第四齿轮64啮合；第三齿轮63与传动轴25同轴连接，第四齿轮64通过转轴与凸轮5同轴连接，所述的转轴通过轴承与轴承支座10连接。传动轴25转动，带动第三齿轮63转动，第三齿轮63与第四齿轮64啮合传动，第四齿轮64通过转轴驱动凸轮5转动。凸轮5转动后，导向凹槽501内的凸轮从动件沿着导向凹槽501运动，由于导向凹槽501为不规则的闭环槽，从而实现导轨30的前后移动。

进一步地，前轮转向机构包括转向片38，转向片38一端与前叉19连接，前叉19与前轮22连接，前叉19通过轴承固定在前叉支撑座18上；转向片38另一端通过转向调整块34与导轨30滑动连接，转向调整块34下部设有滑杆341，转向片38上设置有滑槽381，滑杆341贯穿于滑槽381设置。导轨30前后移动又带动，带动转向调整块34移动，转向调整块34下部的滑杆341相应地在转向片38的滑槽381内移动，从而实现转向片38的转动，转向片38的转动再驱动前叉19转动，最终实现前轮22的转向。

进一步地，前轮转向机构上设有微调机构，微调机构包括微调座31，微调座(31)通过滑块301安装在导轨30上，导轨30上设有微分筒固定块41，微分筒固定块41上设有微分筒39，微分筒39包括旋转钮391和测微螺杆392，所述的测微螺杆392贯穿微分筒固定块41设置，测微螺杆392前端与微调座31连接，测微螺杆392与旋转钮391之间通过螺纹连接；测微螺杆392与导轨30平行设置。测微螺杆392与微调座31连接处，微调座31设有插孔，测微螺杆392前端***所述的插孔设置，微调座31侧面设有固定螺栓33，所述的固定螺栓33用于固定测微螺杆392。转动旋转钮391，使得测微螺杆392伸缩运动，测微螺杆392带动微调座31沿着导轨30滑动。微分筒39的原理类似于千分尺。

进一步地，微调座31上设有框架35，框架35上贯穿设置有横向调节杆32，横向调节杆32与导轨30垂直设置，横向调节杆32贯穿转向调整块34设置，且横向调节杆32与转向调整块34之间螺纹连接。转动横向调节杆32，转向调整块34会沿着转动横向调节杆32上滑动，转向调整块34的位置改变后，前轮22转向的灵敏度随之改变，从而实现调节前轮22转向灵敏度的作用。

进一步地，滑轮1固定在滑轮支座3上，滑轮支座3设在支撑筒4上，滑轮1包括主轮和副轮，主轮与副轮之间同轴设置；牵引线可绕主轮或副轮设置。主轮的直径大于副轮的直径，当牵引线绕主轮设置时，绕线器24转动速度快，相应地后轮13转动速度快。

进一步地，导向凹槽501内的凸轮从动件为轴承，所述的轴承与导向凹槽501侧壁贴合设置。凸轮从动件为轴承起到较小摩擦的作用。

进一步地，每一个后轮13对应设置一个轴承支座10、一个第一齿轮61和一个第二齿轮62。这样可以减少速差，传统的无碳小车只采用了一组齿轮来驱动两个后轮，这样容易造成两个后轮出现速差。

本发明提出的一种利用凸轮进行可变距行走路线的小车的凸轮推导方法，结合图9至图12介绍推导步骤：

1、如图9所示，将小车数学模型化，其中令小车的轴间距为L；

导轨30长度为X；

S型行走路线的路径点曲率半径为σ；

传动轴25中点到曲率半径对应圆弧的圆心O的距离为σ；

导轨30与前轮22中心的垂直距离为a；

凸轮5基圆半径为R、凸轮推程为S；

传动轴25中点行驶的轨迹即为S型行走路线的路径，在S型行走路线上某点对应的曲率半径与传动轴所在直线相交于点O，对应夹角为θ；

2、根据小车数学化模型，可列出数学表达式tanθ＝L/ρ、S＝-a*tanθ；

3、如图10所示，推程曲线各点对应的纵坐标值都是正值，曲线位于X轴上方，提取行走轨迹上众多离散点的曲率半径，计算对应的推程值，再将推程值加上最小的推程值，即中间值的绝对值，求出推程曲线上点的坐标；在图10中显示的“2pi”表示一个周期，而“A”、“B”、“C”和“D”表示在一个周期中的四个特殊点。凸轮与凸轮从动件在A点接触时，凸轮从动件处于最低位置。当凸轮顺时针转动时，凸轮从动件在凸轮轮廓线AB段的推动下，将由最低位置A被推到最高位置B'，凸轮从动件的运动过程称为推程，相应凸轮转角称为推程运动角。当凸轮从动件与凸轮轮廓线BC段接触时，由于BC段为以凸轮轴心0为圆心的圆弧，所以凸轮从动件将处于最高位置而静止不动，这一过程称为远休止。当凸轮从动件与凸轮轮廓线的CD段接触时，它又由最高位置回到最低位置。最后当凸轮从动件与凸轮轮廓线DA接触时，由于DA段为以凸轮轴心0为圆心的圆弧(基圆)，所以从动件在最低位置静止不动，这一过程为静休止。

4、如图11所示，导出凸轮在半周期内的轮廓数据点，利用三维建模软件建立出凸轮三维模型；

5、在凸轮三维模型中，令凸轮5推程为S、凸轮点半径为r、凸轮基圆半径为R。根据理论知识有：r＝S+R；

6、等分凸轮轮廓线，轮廓线上对应各点坐标为：X＝r*cosα、Y＝r*sinα；α即为凸轮点半径与x正半轴的夹角；

7、当等分份数足够多，通过数据点拟合的曲线就越趋近于理论凸轮轮廓曲线；

8、将所得数据点制成文本文件，利用三维建模软件“数据点导入”功能得到凸轮的轮廓曲线，进而建立出凸轮的三维模型。凸轮的轮廓曲线对应的小车行走路线如图12所示；所述的三维模型软件可选用SolidWorks或者UG。

Claims (10)

1.一种利用凸轮进行可变距行走路线的小车，包括底板(20)，底板(20)两侧设有后轮(13)，底板(20)前端设有前轮(22)，其特征在于：底板(20)上设有支撑筒(4)，支撑筒(4)竖向设置，支撑筒(4)顶部设有滑轮(1)，滑轮(1)上绕有牵引线，牵引线一端与配重块连接，配重块位于支撑筒(4)内，牵引线另一端与绕线器(24)连接，绕线器(24)与传动轴(25)同轴连接，传动轴(25)分别与后轮驱动装置和凸轮驱动装置啮合传动；后轮驱动装置用于驱动后轮(13)转动，凸轮驱动装置用于驱动凸轮(5)转动；

凸轮(5)侧面设有导向凹槽(501)，导向凹槽(501)沿着凸轮(5)边缘形成了闭环结构，导向凹槽(501)内设置有凸轮从动件，凸轮从动件与导轨(30)转动连接，导轨(30)另一端与前轮转向机构连接，导轨(30)与导轨支座(11)配合连接，导轨支座(11)固定在底板(20)。

2.根据权利要求1所述的利用凸轮进行可变距行走路线的小车，其特征在于：后轮驱动装置包括第一齿轮(61)和第二齿轮(62)，第一齿轮(61)与第二齿轮(62)啮合；第一齿轮(61)与传动轴(25)同轴连接，第二齿轮(62)通过转轴与后轮(13)同轴连接，所述的转轴通过轴承与轴承支座(10)连接，轴承支座(10)固定在底板(20)上。

3.根据权利要求2所述的利用凸轮进行可变距行走路线的小车，其特征在于：凸轮驱动装置包括第三齿轮(63)和第四齿轮(64)，第三齿轮(63)与第四齿轮(64)啮合；第三齿轮(63)与传动轴(25)同轴连接，第四齿轮(64)通过转轴与凸轮(5)同轴连接，所述的转轴通过轴承与轴承支座(10)连接。

4.根据权利要求1所述的利用凸轮进行可变距行走路线的小车，其特征在于：前轮转向机构包括转向片(38)，转向片(38)一端与前叉(19)连接，前叉(19)与前轮(22)连接，前叉(19)通过轴承固定在前叉支撑座(18)上；转向片(38)另一端通过转向调整块(34)与导轨(30)滑动连接，转向调整块(34)下部设有滑杆(341)，转向片(38)上设置有滑槽(381)，滑杆(341)贯穿于滑槽(381)设置。

5.根据权利要求4所述的利用凸轮进行可变距行走路线的小车，其特征在于：前轮转向机构上设有微调机构，微调机构包括微调座(31)，微调座(31)通过滑块(301)安装在导轨(30)上，导轨(30)上设有微分筒固定块(41)，微分筒固定块(41)上设有微分筒(39)，微分筒(39)包括旋转钮(391)和测微螺杆(392)，所述的测微螺杆(392)贯穿微分筒固定块(41)设置，测微螺杆(392)前端与微调座(31)连接，测微螺杆(392)与旋转钮(391)之间通过螺纹连接；测微螺杆(392)与导轨(30)平行设置。

6.根据权利要求5所述的利用凸轮进行可变距行走路线的小车，其特征在于：微调座(31)上设有框架(35)，框架(35)上贯穿设置有横向调节杆(32)，横向调节杆(32)与导轨(30)垂直设置，横向调节杆(32)贯穿转向调整块(34)设置，且横向调节杆(32)与转向调整块(34)之间螺纹连接。

7.根据权利要求1所述的利用凸轮进行可变距行走路线的小车，其特征在于：滑轮(1)固定在滑轮支座(3)上，滑轮支座(3)设在支撑筒(4)上，滑轮(1)包括主轮和副轮，主轮与副轮之间同轴设置；牵引线可绕主轮或副轮设置。

8.根据权利要求1所述的利用凸轮进行可变距行走路线的小车，其特征在于：导向凹槽(501)内的凸轮从动件为轴承，所述的轴承与导向凹槽(501)侧壁贴合设置。

9.根据权利要求1所述的利用凸轮进行可变距行走路线的小车，其特征在于：每一个后轮(13)对应设置一个轴承支座(10)、一个第一齿轮(61)和一个第二齿轮(62)。

10.根据权利要求1至9任意一项所述的利用凸轮进行可变距行走路线的小车的凸轮推导方法，其特征在于包括如下步骤：

1)将小车数学模型化，其中令小车的轴间距为L；

导轨(30)长度为X；

S型行走路线的路径点曲率半径为σ；

传动轴(25)中点到曲率半径对应圆弧的圆心O的距离为σ；

导轨(30)与前轮(22)中心的垂直距离为a；

凸轮(5)基圆半径为R、凸轮推程为S；

传动轴(25)中点行驶的轨迹即为S型行走路线的路径，在S型行走路线上某点对应的曲率半径与传动轴所在直线相交于点O，对应夹角为θ；

2)根据小车数学化模型，可列出数学表达式tanθ＝L/ρ、S＝-a*tanθ；

3)推程曲线各点对应的纵坐标值都是正值，曲线位于X轴上方，提取行走轨迹上众多离散点的曲率半径，计算对应的推程值，再将推程值加上最小的推程值，即中间值的绝对值，求出推程曲线上点的坐标；

4)导出凸轮在半周期内的轮廓数据点，利用三维建模软件建立出凸轮三维模型；

5)在凸轮三维模型中，令凸轮(5)推程为S、凸轮点半径为r、凸轮基圆半径为R；根据理论知识有：r＝S+R；

6)等分凸轮轮廓线，轮廓线上对应各点坐标为：X＝r*cosα、Y＝r*sinα；α即为凸轮点半径与x正半轴的夹角；

7)当等分份数足够多，通过数据点拟合的曲线就越趋近于理论凸轮轮廓曲线；

8)将所得数据点制成文本文件，利用三维建模软件“数据点导入”功能得到凸轮的轮廓曲线，进而建立出凸轮的三维模型。