一种采用同步带传动实现小车转向的无碳小车及转向方法与流程

本发明涉及一种轮式行走小车，具体说涉及一种利用势能转化为驱动力的无碳小车，主要用于激发青少年对机械动力传递的趣味活动，属于行走器械运动的教学和演示方式及装置技术领域。

背景技术：

随着人们节能环保意识的提升，无碳的理念也越来越被人们提上研究的课题。更洁净、更环保、更节能、更高效的理念也深入人心。“无碳小车”是对“无碳”理念的探索与开发，对未来“无碳”的憧憬。“无碳小车”构思巧妙，在完成设计的要求下充分考虑了外观和成本等问题，方便以后的扩展和进一步的开发。并能满足大部分初高中及大学学生对机械知识实践的实验与了解。对激发青少年对机械构造的热情有深远的影响。

所谓“无碳小车”是以重力势能为唯一能量的、具有连续避障功能的三轮小车，实现了真正意义上的无碳。现有的“无碳小车”是利用重锤下降的重力势能带动绳轮转动，再通过一套齿轮传动机构来带动一套偏心或凸轮杠杆机构带动前轮，实现小车的“S”形行走，但这种传递的方式结构十分复杂，容易出现卡死现象，因此很有必要对此加以改进。

通过对国内专利检索，发现有相关专利，现举例如下：

1.专利申请号201520068199.1，名称为“一种走8字形轨迹的无碳小车”的实用新型专利公开了一种走8字形轨迹的无碳小车，包括车架、原动机构、行走机构、转向机构、传动机构，原动机构包括三角架、滑轮、梯形轮、驱动轴、轴承座，行走机构包括两个后驱动轮，转向机构包括前轮、叉杆，传动机构包括大齿轮、齿轮轴、齿轮座、小齿轮、凸轮、推杆、推杆座、弹簧、连杆、调节螺杆/螺母，本实用新型的有益效果是：各个零部件之间摩擦力小，对车子的损耗小；小车机构简单，单级齿轮传动，损耗能量少；通过设计适当的凸轮轮廓，可使小车得到预期运动，而且结构简单、紧凑、设计方便；通过调节螺杆/螺母调整推杆与连杆的联接位置，可以在一定范围内调整小车的运动轨迹，使小车精准地避开障碍物；小车质量轻而精巧，行走距离远。

2.专利申请号CN201510347353.3，名称为“一种“∽”形行走的越障无碳小车”的发明专利公开了一种“∽”形行走的越障无碳小车，势能支架4通过线轮轴14安装线轮支架3和二级定滑轮1，前轮支架6经前轮转向轴安装前轮7，驱动轴16上安装驱动轮20和从动轮11，驱动轴16上安装小齿轮12，绕线轴14上安装大齿轮13和小皮带轮17，与曲柄连杆9连接的轴上安装有大皮带轮18。小齿轮12啮合大齿轮13，小皮带轮17通过皮带19连接大皮带轮18，线绳22的一端连接势能块2，线绳22绕过二级定滑轮1缠绕在绕线槽15内，线绳22的另一端通过二级定滑轮1上的线孔定位。本发明利用势能块下落的势能转化为小车的动能，通过齿轮啮合和皮带传动，小车按既定轨迹周期性、远距离地避开障碍物，结构简单方便。

以上专利虽然都涉及无碳小车，但仍存在一些问题：专利1中转向装置采用凸轮只能实现一种运动轨迹（只能微调），若换一个轨迹则要重新设计凸轮，而本设计可以轻松实现不同轨迹。专利2采用皮带轮多个轮槽来调节周期太过复杂，皮带在不同槽长度不同，若只采用一根皮带，带损耗大，且传动不稳定，可能会卡住，若采用多根皮带更换又过于复杂，采用曲柄滑块机构只能使无碳小车有一种运动轨迹。而本发明可以通过调节圆柱销的位置来改变偏心距来调节周期和轨迹，简单，实用。且本发明采用了差速器，能使得小车转弯向时，得到不同转速减少内侧车轮打滑能量损耗；左右转向角不存在固有偏差；后轮双驱动，稳定性提高。

技术实现要素：

本发明提供了一种结构简单的采用同步带传动实现小车转向的无碳小车及转向方法，实现势能与动能之间的转换。

本发明为解决上述问题所采用的技术方案为：一种采用同步带传动实现小车转向的无碳小车，包括车架、安装在车架后面部分的势能转换与驱动机构、安装在车架前面部分的转向机构；其中势能转换与驱动机构包括差速器、绳轮、主同步轮、同步带，转向机构包括从同步轮、拨杆轮、拨杆；绳轮紧套在差速器外壳上且带动差速器转动，主同步轮套在差速器外壳上与其同步转动，从同步轮与主同步轮在轴向上相互垂直且通过空间同步带连接，完成轴线相互垂直的传动。

进一步地，车架包括主车架和前车架，且主车架前端的中间开有长槽，前车架连接固定在主车架的长槽中；势能转换与驱动机构安装在主车架部分，转向机构安装在前车架部分。

进一步地，主车架后端的中间部分也开有槽口，差速器、绳轮、主同步轮、从同步轮都位于车架的下方，且差速器位于主车架后端的槽口下方处，拨杆和拨杆轮位于车架的上方。

进一步地，势能转换与驱动机构还包括左驱动轮轴、右驱动轮轴、左驱动轮、右驱动轮，其中左驱动轮固定在左驱动轮轴上，右驱动轮固定在右驱动轮轴上，左驱动轮轴和右驱动轮轴分别连接在差速器的左右轴上，差速器转动时通过驱动轮轴带动两个驱动轮转动，同时在转向时使内外侧车轮得到不同转速从而减少内侧车轮打滑带来的能量损耗。

进一步地，势能转换与驱动机构还包括立柱、线绳、定滑轮、重物，其中立柱有三根，排列成三角形，一端固定在车架上面，另一端固定有定滑轮，这样的机构较为牢固同时也减少了重物在下落过程中由于小车运动而发生的摆动；线绳绕过定滑轮，一端固定重物，另一端固定在绳轮上，将重物的势能转换为小车行走的驱动力。

进一步地，转向机构还包括转向轮、前轮架、短轴、前轮架轴、圆柱销、拨杆轮轴；其中拨杆轮轴从前车架的后面部分穿过，一端固定在从同步轮中心，另一端固定在拨杆轮中心，通过从同步轮带动拨杆轮转动；拨杆中心开有长条状的滑槽，圆柱销一端固定在拨杆轮的偏心位置，另一端在拨杆的滑槽内滑动，通过拨杆轮的转动带动拨杆周期性偏转；前轮架通过短轴固定在转向轮上；前轮架轴穿过前车架的前面部分，一端固定在前轮架上，另一端固定在拨杆的一端；通过拨杆的周期性偏转得到周期性变化的转向轮偏转角。

进一步地，拨杆轮上固定圆柱销的部位还设有微调机构，包括在固定圆柱销处开有圆柱销孔，在圆柱销孔内设有拨杆轮滑块套住圆柱销，在拨杆轮的侧外周有微调螺母孔与上述圆柱销孔相通，在圆柱销孔内拨杆轮滑块的另一端装有弹簧，利用微调螺母和弹簧方便地在圆柱销孔当中移动、紧固圆柱销，从而得到不同的偏心距，以此调整小车的运行轨迹。

进一步地，前车架上固定拨杆轮轴的部位开有滑槽，拨杆轮、从同步轮与拨杆轮轴可一起沿着前车架上的滑槽前后移动并紧固，以方便地安装并且张紧同步带。

一种采用同步带传动实现小车转向的无碳小车的转向方法，当小车线绳上吊着的重物下降时，线绳绕过定滑轮带动绳轮转动，绳轮紧套在差速器外壳上带动差速器转动，差速器通过左右轴上分别连接的左右驱动轮轴带动两个驱动轮转动，并在转向时使内外侧车轮得到不同转速从而减少内侧车轮打滑带来的能量损耗；同时，差速器带动套在差速器外壳上的主同步轮与其同步转动，主同步轮通过同步带将动能传递给与主同步轮在轴向上相互垂直的从同步轮，从而把绕水平轴方向的转动转换为绕竖直轴方向的转动；从同步轮转动时通过拨杆轮轴带动拨杆轮转动，拨杆轮转动时带动固定在其偏心位置的圆柱销做圆周运动，圆柱销的另一端在拨杆的滑槽内滑动，带动拨杆进行有规律的左右摆动，拨杆通过固定在其一端的前轮架轴控制转向轮进行周期性偏转，从而实现小车的周期性转向。

进一步地，拨杆轮上固定圆柱销的部位设置的微调机构通过在固定圆柱销处开设圆柱销孔，在圆柱销孔内设拨杆轮滑块套住圆柱销，在拨杆轮滑块的一端装有弹簧对圆柱销滑块进行弹性顶压，在拨杆轮滑块的另一端、拨杆轮的侧外周设微调螺母孔安装微调螺母对拨杆轮滑块进行顶压，通过调节微调螺母方便地在圆柱销孔内移动、紧固圆柱销，从而得到不同的偏心距，以此调整小车的运行轨迹。

本发明的有益效果：

1.本发明采用空间同步带传动，能保持95%以上的传动效率，同时有着结构简单，拆装方便，传动平稳以及传动副之间低摩擦损耗的优点。

2.本发明在后轮轴加装差速器，极大减少了转向时内侧车轮打滑带来的能量损耗，同时相较单轮驱动，左右转向角不存在固有偏差。

附图说明

图1为本发明整体示意图；

图2为本发明主视图；

图3为本发明俯视示意图；

图4后轮装配剖视示意图；

图5为本发明前轮装配剖视示意图；

图6位本发明微调机构示意图；

其中：1. 立柱，2.定滑轮，3.线绳，4.重物，5.差速器，6.绳轮，7.主同步轮，8.主车架，9.左驱动轮轴，10.右驱动轮轴，11左驱动轮，12.右驱动轮，13.前车架，14.从同步轮，15.拨杆轮轴，16.拨杆轮，17.拨杆，18. 圆柱销，19. 前轮架轴，20.前轮架，21. 短轴，22.转向轮，23.弹簧，24. 微调螺母，25. 拨杆轮滑块。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步说明。

实施例一

一种采用同步带传动实现小车转向的无碳小车，包括车架、安装在车架后面部分的势能转换与驱动机构、安装在车架前面部分的转向机构；其中势能转换与驱动机构包括差速器5、绳轮6、主同步轮7、同步带，转向机构包括从同步轮14、拨杆轮16、拨杆17；绳轮6紧套在差速器5外壳上且带动差速器5转动，主同步轮7套在差速器5外壳上与其同步转动，从同步轮14与主同步轮7在轴向上相互垂直且通过空间同步带连接，完成轴线相互垂直的传动。

进一步地，车架包括主车架8和前车架13，且主车架8前端的中间开有长槽，前车架13连接固定在主车架8的长槽中；势能转换与驱动机构安装在主车架8部分，转向机构安装在前车架13部分。

进一步地，主车架8后端的中间部分也开有槽口，差速器5、绳轮6、主同步轮7、从同步轮14都位于车架的下方，且差速器5位于主车架8后端的槽口下方处，拨杆17和拨杆轮16位于车架的上方。

进一步地，势能转换与驱动机构还包括左驱动轮轴9、右驱动轮轴10、左驱动轮11、右驱动轮12，其中左驱动轮11固定在左驱动轮轴9上，右驱动轮12固定在右驱动轮轴10上，左驱动轮轴9和右驱动轮轴10分别连接在差速器5的左右轴上，差速器5转动时通过驱动轮轴带动两个驱动轮转动，同时在转向时使内外侧车轮得到不同转速从而减少内侧车轮打滑带来的能量损耗。

进一步地，势能转换与驱动机构还包括立柱1、线绳3、定滑轮2、重物4，其中立柱3有三根，排列成三角形，一端固定在车架上面，另一端固定有定滑轮2，这样的机构较为牢固同时也减少了重物在下落过程中由于小车运动而发生的摆动；线绳3绕过定滑轮2，一端固定重物4，另一端固定在绳轮6上，将重物4的势能转换为小车行走的驱动力。

进一步地，转向机构还包括转向轮22、前轮架20、短轴21、前轮架轴19、圆柱销18、拨杆轮轴15；其中拨杆轮轴15从前车架13的后面部分穿过，一端固定在从同步轮14中心，另一端固定在拨杆轮16中心，通过从同步轮14带动拨杆轮16转动；拨杆17中心开有长条状的滑槽，圆柱销18一端固定在拨杆轮16的偏心位置，另一端在拨杆17的滑槽内滑动，通过拨杆轮16的转动带动拨杆17周期性偏转；前轮架20通过短轴21固定在转向轮22上；前轮架轴19穿过前车架13的前面部分，一端固定在前轮架20上，另一端固定在拨杆17的一端；通过拨杆17的周期性偏转得到周期性变化的转向轮22偏转角。

进一步地，拨杆轮16上固定圆柱销18的部位还设有微调机构，包括在固定圆柱销18处开有圆柱销孔，在圆柱销孔内设有拨杆轮滑块25套住圆柱销18，在拨杆轮16的侧外周有微调螺母孔与上述圆柱销孔相通，在圆柱销孔内拨杆轮滑块25的另一端装有弹簧23，利用微调螺母24和弹簧23方便地在圆柱销孔当中移动、紧固圆柱销18，从而得到不同的偏心距，以此调整小车的运行轨迹。

进一步地，前车架13上固定拨杆轮轴15的部位开有滑槽，拨杆轮16、从同步轮14与拨杆轮轴15可一起沿着前车架13上的滑槽前后移动并紧固，以方便地安装并且张紧同步带。

由此，还可以得出一种采用同步带传动实现小车转向的无碳小车的转向方法，当小车线绳上吊着的重物下降时，线绳绕过定滑轮带动绳轮转动，绳轮紧套在差速器外壳上带动差速器转动，差速器通过左右轴上分别连接的左右驱动轮轴带动两个驱动轮转动，并在转向时使内外侧车轮得到不同转速从而减少内侧车轮打滑带来的能量损耗；同时，差速器带动套在差速器外壳上的主同步轮与其同步转动，主同步轮通过同步带将动能传递给与主同步轮在轴向上相互垂直的从同步轮，从而把绕水平轴方向的转动转换为绕竖直轴方向的转动；从同步轮转动时通过拨杆轮轴带动拨杆轮转动，拨杆轮转动时带动固定在其偏心位置的圆柱销做圆周运动，圆柱销的另一端在拨杆的滑槽内滑动，带动拨杆进行有规律的左右摆动，拨杆通过固定在其一端的前轮架轴控制转向轮进行周期性偏转，从而实现小车的周期性转向。

进一步地，拨杆轮上固定圆柱销的部位设置的微调机构通过在固定圆柱销处开设圆柱销孔，在圆柱销孔内设拨杆轮滑块套住圆柱销，在拨杆轮滑块的一端装有弹簧对圆柱销滑块进行弹性顶压，在拨杆轮滑块的另一端、拨杆轮的侧外周设微调螺母孔安装微调螺母对拨杆轮滑块进行顶压，通过调节微调螺母方便地在圆柱销孔内移动、紧固圆柱销，从而得到不同的偏心距，以此调整小车的运行轨迹。

本发明的有益效果：

1.本发明采用空间同步带传动，能保持95%以上的传动效率，同时有着结构简单，拆装方便，传动平稳以及传动副之间低摩擦损耗的优点。

2.本发明在后轮轴加装差速器，极大减少了转向时内侧车轮打滑带来的能量损耗，同时相较单轮驱动，左右转向角不存在固有偏差。