一种利用单轮驱动及转向的无碳小车的制作方法

本发明涉及一种无碳小车，具体涉及一种利用单轮驱动及转向的无碳小车。

背景技术：

无碳小车是一种无需使用燃油或者电池便能自主驱动行驶的小车，其能量来源是悬挂在一定高度处的重物拥有的势能，近年来一直被全国工程训练大赛选作比赛题目。

目前，大多无碳小车设计为以下两种结构：

第一种、前方一个单轮为转向轮，后方两轮其中一轮为主动驱动轮，另一轮为从动轮，但其存在的问题是：当小车左右转向时，转向半径不一致，导致小车8字型或s型行走轨迹的周期和幅值产生差异，并且发生差速问题(即转速差，通过差速器可以解决此问题，但成本高)，影响小车后面行走距离和绕桩多少的成绩；

第二种、前方一个单轮为主动轮，后方两轮同时为转向轮，此种小车制造精度及安装要求较高，不适于推广。

技术实现要素：

本发明是为了解决现有的无碳小车在转向时，前后轮易产生转速差的问题，进而提供了一种利用单轮驱动及转向的无碳小车。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种利用单轮驱动及转向的无碳小车，它包括车架、动力机构、传动机构、行走机构及转向机构，其中动力机构及传动机构固接在车架上方，所述动力机构包括重锤、定滑轮及线绳，所述定滑轮固接在车架上方，所述重锤固接在线绳的一端，且通过定滑轮上下移动；所述传动机构包括软轴、绕线轮、绕线轮轴及固定螺钉，所述绕线轮通过绕线轮轴可转动固接在车架上，线绳缠绕在绕线轮上且线绳的另一端通过固定螺钉固定在绕线轮上，软轴的一端与绕线轮轴的一端螺纹连接；所述行走机构包括轮架、弯板、一个前轮及两个后轮，轮架通过弯板固接在车架前方，并且轮架与弯板之间为可转动连接，前轮通过主动轮轴可转动固接在轮架上，两个后轮通过从动轮轴固接在车架上，并且分别位于车架的两侧，软轴的另一端与主动轮轴的一端螺纹连接；所述转向机构包括传动组件及曲柄连杆机构，曲柄连杆机构中的曲柄通过传动组件与绕线轮轴的另一端固接，曲柄连杆机构中的连杆与轮架固接。

进一步地，曲柄连杆机构中的连杆为鱼眼轴承连杆，曲柄连杆机构中的连杆与轮架通过鱼眼轴承可转动连接。

进一步地，所述传动组件包括第一主动齿轮、第一从动齿轮、槽轮机构、第二主动齿轮及第二从动齿轮，第一主动齿轮固接在绕线轮轴的另一端，第一从动齿轮与第一主动齿轮啮合，且与槽轮机构中的主动拔盘同轴固接，槽轮机构中的从动槽轮与第二主动齿轮同轴固接，第二从动齿轮与第二主动齿轮啮合，且与曲柄连杆机构中的曲柄同轴固接。

进一步地，所述车架包括顶板、底板、固接在底板上方的两个侧板，两个侧板竖直且相互平行设置，顶板固接在两个侧板的上方，且顶板长度方向上的中心线与底板长度方向上的中心线上下正对设置，第一从动齿轮及曲柄连杆机构设置在顶板的一侧，槽轮机构设置在顶板的另一侧。

进一步地，绕线轮带有锥度。

本发明与现有技术相比具有以下效果：

本发明利用软轴能传递扭矩、不受任何角度和距离限制以及连接方便等优点，通过软轴将动力传递给前轮，驱动小车向前运动，实现前轮的驱动任务；通过转向机构使小车在一定角度范围内转动，实现前轮的转向任务。前轮即为驱动轮又为转向轮，两个后轮为从动轮，避免差速问题，实现小车左右转向半径一致，可获得设定的固定周期和幅值的运动轨迹。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为动力机构的结构示意图；

图3为传动机构的结构示意图；

图4为行走机构的结构示意图；

图5为转向机构的结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1～5说明本实施方式，一种利用单轮驱动及转向的无碳小车，它包括车架1、动力机构2、传动机构3、行走机构4及转向机构5，其中动力机构2及传动机构3固接在车架1上方，所述动力机构2包括重锤2-3、定滑轮2-1及线绳2-2，所述定滑轮2-1固接在车架1上方，所述重锤2-3固接在线绳2-2的一端，且通过定滑轮2-1上下移动；所述传动机构3包括软轴3-1、绕线轮3-2、绕线轮轴3-4及固定螺钉3-3，所述绕线轮3-2通过绕线轮轴3-4可转动固接在车架1上，线绳2-2缠绕在绕线轮3-2上且线绳2-2的另一端通过固定螺钉3-3固定在绕线轮3-2上，软轴3-1的一端与绕线轮轴3-4的一端螺纹连接；所述行走机构4包括轮架4-1、弯板4-4、一个前轮4-3及两个后轮4-5，轮架4-1通过弯板4-4固接在车架1前方，并且轮架4-1与弯板4-4之间为可转动连接，前轮4-3通过主动轮轴4-2可转动固接在轮架4-1上，两个后轮4-5通过从动轮轴4-6固接在车架1上，并且分别位于车架1的两侧，软轴3-1的另一端与主动轮轴4-2的一端螺纹连接；所述转向机构5包括传动组件及曲柄连杆机构5-10，曲柄连杆机构5-10中的曲柄通过传动组件与绕线轮轴3-4的另一端固接，曲柄连杆机构5-10中的连杆与轮架4-1固接。

根据能量转换原理，由给定重力势能转换而得到小车的行走及转向的能量，小车为三轮结构，重锤2-3为重力势能4焦耳的实心圆柱型钢制重锤2-3，小车所有运动的能量均由重力势能转换获得，该无碳小车具有转向控制机构，在前行时能够自动避开赛道上设置的障碍物。

动力机构2为整个小车提供动力，所述动力机构2通过传动机构3、软轴3-1将动力传给行走机构4的前轮4-3向前运动，同时动力机构2带动转向机构5控制前轮4-3摆动以控制小车的行走方向，即驱动力和转向都集于前轮4-3一体。

通过调节曲柄连杆机构5-10中的曲柄半径，实现小车转向角度的调整，达到竞赛现场抽签不同桩距的要求，两后轮4-5用六寸光盘制作，实现低碳环保理念，降低加工制作成本，节省时间。

定滑轮2-1包括滑轮及支架，支架固定在车架1上方，滑轮可转动固接在支架顶部。

软轴3-1两端均设置有外螺纹。

具体实施方式二：结合图1及图5说明本实施方式，曲柄连杆机构5-10中的连杆为鱼眼轴承连杆5-8，曲柄连杆机构5-10中的连杆与轮架通过鱼眼轴承5-7可转动连接。如此设计，曲柄连杆机构5-10动作，带动轮架4-1及前轮4-3在一定角度内摆动，完成转向要求。其它组成与连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图1～5说明本实施方式，所述传动组件包括第一主动齿轮3-5、第一从动齿轮5-11、槽轮机构、第二主动齿轮5-5及第二从动齿轮5-6，第一主动齿轮3-5固接在绕线轮轴3-4的另一端，第一从动齿轮5-11与第一主动齿轮3-5啮合，且与槽轮机构中的主动拔盘5-1同轴固接，槽轮机构中的从动槽轮5-4与第二主动齿轮5-5同轴固接，第二从动齿轮5-6与第二主动齿轮5-5啮合，且与曲柄连杆机构5-10中的曲柄同轴固接。如此设计，第一从动齿轮5-11与主动拔盘5-1通过主动拔盘轴5-2同轴固接在车架1上，槽轮机构中的从动槽轮5-4与第二主动齿轮5-5通过从动槽轮轴5-3同轴固接在车架1上，第二从动齿轮5-6与第二主动齿轮5-5啮合，且与曲柄连杆机构5-10中的曲柄通过曲柄轴同轴固接。槽轮机构作间歇运动，通过调整两对齿轮的传动比，来改变轨迹的周期，实现小车的s形轨迹或8字形轨迹运动。其它组成与连接关系与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：结合图1～5说明本实施方式，所述车架1包括顶板1-1、底板1-2、固接在底板1-2上方的两个侧板1-3，两个侧板1-3竖直且相互平行设置，顶板1-1固接在两个侧板1-3的上方，且顶板1-1长度方向上的中心线与底板1-2长度方向上的中心线上下正对设置，第一从动齿轮5-11及曲柄连杆机构5-10设置在顶板1-1的一侧，槽轮机构设置在顶板1-1的另一侧。如此设计，使小车两侧的重量平衡，保证小车行走平稳。其它组成与连接关系与具体实施方式三相同。

具体实施方式五：结合图1说明本实施方式，绕线轮3-2带有锥度。其它组成与连接关系与具体实施方式一、二或四相同。

工作原理：

应用软轴3-1把动力传递到前轮4-3，完成驱动任务；同时，由转向机构5的间歇运动控制前轮4-3完成小车的转向任务，避免差速问题，具体步骤为：

将线绳2-2的一端固定在重锤2-3的顶端，线绳2-2的另一端固定在绕线轮3-2上的固定螺钉3-3上，转动前轮4-3，通过软轴3-1、绕线轮轴3-4，将线绳2-2缠绕在绕线轮3-2上，将重锤2-3提升到距支架底板1-2400±2mm高度，调整好转向角度，8字形小车起点在两圆交点上，也叫换向点，把曲柄调整到水平最前点，这时前轮偏向左侧，把小车放在左转弯出，即将进入右转弯处，初使角大约45°，同理s形小车的转向角和初使角是根据正玄曲线的振幅(绕桩安全距离)和周期(两中心柱距离)，计算出正玄曲线及相应初使角，让重锤2-3自由落体下降，通过线绳2-2和定滑轮2-1带动绕线轮3-2及绕线轮轴3-4转动，通过软轴3-1带动前轮4-3转动，实现动力传递。同时绕线轮轴3-4上的第一主动齿轮3-5带动第一从动齿轮5-11转动，进而带动主动拨盘转动，主动拔盘5-1转动后带动从动槽轮5-4作间歇运动，从动槽轮5-4带动从动槽轮轴5-3上的第二主动齿轮5-5转动，第二主动齿轮5-5通过第二从动齿轮5-6带动曲柄转动，曲柄连杆机构5-10中的连杆通过鱼眼轴承5-7带动轮架4-1与前轮4-3在一定角度范围内转动，来完成小车转向问题。

根据大赛规则，8字形两中心柱的距离现场抽签确定，根据两中心柱距离，确定小车行走半径，以及控制转向，以两中心柱距离为400mm为例，既小车行走一圈(周长为400*3.14＝1256mm)即半个8字，调控一次方向，小车前轮直径为100mm，设计为小车前轮转4圈(行走周长为100*3.14*4＝1256mm)，曲柄连杆旋转半圈，控制转向轮转向，既第一主动齿轮与第一从动齿轮传递比为1:4(12:48)，第二主动齿轮与第二从动齿轮传递比为2:1(24:12)(槽轮机构是4:1)；若两柱距离为500mm，只需改变第一主动齿轮与第一从动齿轮传递比为1:5(10:50)即可，通过调节曲柄连杆机构5-10中的曲柄半径，实现小车转向角度的调整。

同理，s形小车比赛规则为行走半圈就调控一次方向，既第一主动齿轮与第一从动齿轮传递比为1:2(20:40)。