一种走“8”字形轨迹的无碳小车的制作方法

本发明属于无碳小车技术领域，具体涉及一种走“8”字形轨迹的无碳小车。

背景技术：

无碳小车是一种不需要消耗燃料和电池存储的能源，仅仅依靠重锤下落过程中生成的机械势能产生动力而驱动行驶的小车，近年来已经作为大学生科技创新竞赛的指定制作题目。制作题目通常为要求给定一重力势能，根据能量转换原理，设计一种可将该重力势能转换为机械能并可用来驱动小车行走、转向的机械装置，使小车在前行时能够自动避开赛道上设置的障碍物。

自动行走“8”字轨迹小车是全国大学生工程训练综合能力大赛的竞赛命题，要求在给定重力势能的前提下，设计一种能够自动行走“8”字轨迹的小车。现有的无碳小车结构复杂，加工困难，相应的成本也比较高；有些调节精度不是很高，导致小车运行轨迹失准；有些机构比较笨重，不仅增加了小车的本身质量，在运动过程中还增加了能量的损耗，使其不能完成比赛。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种走“8”字形轨迹的无碳小车。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种走“8”字形轨迹的无碳小车，包括车架和设置在车架上的用于驱动后轮行进的驱动机构、用于控制前轮转向的转向机构；

车架的前端设置有位置可调的前轮机构，所述前轮机构包括前轮固定支架、前轮移动支架、立轴、前轮叉架和前轮，前轮固定支架固定在车架上，前轮移动支架通过两个光杆和一个微分头与前轮固定支架连接，立轴通过轴套转动设置在前轮移动支架中，立轴的底端通过前轮叉架安装前轮；所述微分头、光杆相平行设置，微分头位于两个光杆的中心，通过调节微分头实现调节前轮移动支架与前轮固定支架之间的距离，进而调节立轴、前轮叉架和前轮的位置调节；在立轴上套设有传动齿轮，通过驱动传动齿轮带动立轴旋转，进而实现立轴带动前轮转向；

车架的后端设置有后轮轴，后轮轴两端安装有后轮，后轮轴上设置有差速器，

在车架上设置有主动轴，主动轴上固定安装有绕线塔轮和驱动主动齿轮，所述驱动主动齿轮与后轮轴上的差速器的从动齿轮啮合，势能块通过柔性绳索绕过定滑轮与绕线塔轮连接，势能块下落时通过柔性绳索带动绕线塔轮和主动轴转动，为主动轴提供驱动力；所述主动轴、主动轴上驱动主动齿轮、后轮轴上的差速器构成驱动后轮行进的驱动机构，当势能块带动主动轴转动时，主动轴上的驱动主动齿轮通过差速器带动后轮轴转动，实现对后轮的驱动；

在主动轴的一端还固定设置有转向主动齿轮，该转向主动齿轮与一转向从动齿轮啮合，转向从动齿轮通过转轴连接一凸轮，凸轮与转向齿条的一端连接，所述转向齿条水平滑动设置在车架上的支撑板上，转向齿条的另一端与前轮机构的立轴上的传动齿轮啮合，所述转向主动齿轮、转向从动齿轮、转轴、凸轮、转向齿条和立轴上的传动齿轮构成控制前轮转向的转向机构，主动轴运转时，转向主动齿轮驱动转向从动齿轮运动，转向从动齿轮通过转轴带动凸轮同步转动，凸轮驱动齿条前后运动，齿条的前端通过传动齿轮驱动立轴转动，从而实现前轮的转向，通过凸轮的异形轨迹，使小车在行进过程中走出“8”字形轨迹。

在上述技术方案中，车架上竖直设置有立筒，立筒顶端通过支架设置定滑轮，在立筒内设置有势能块；立筒筒壁上设置有用于放入势能块的开口。

在上述技术方案中，所述凸轮具有一圈用于控制小车运动轨迹的异形轮廓，转向齿条的端部设置有滚轮，转向齿条的滚轮与凸轮的异形轮廓滚动配合。

在上述技术方案中，支撑板由两个立板组成，两个立板之间安装有四个滚轮，所述转向齿条通过四个滚轮水平滑动安装在两个立板之间，转向齿条的上、下面分别安装两个滚轮，以保证转向齿条可以沿其长向水平滑动。

在上述技术方案中，所述绕线塔轮由多层不同直径的绕线轮组成。

在上述技术方案中，绕线塔轮包括直径为10mm的第一层绕线轮、直径为15mm的第二层绕线轮、直径为20mm的第三层绕线轮、直径为25mm的第四层绕线轮、直径为30mm的第五层绕线轮；绕线时，先绕几圈直径为10mm的第一层绕线轮，然后绕几圈直径为15mm的第二层绕线轮，然后绕几圈直径为20mm的第三层绕线轮，然后跨过直径25mm的第四层绕线轮直接绕几圈30mm的第五层绕线轮，然后再绕几圈25mm的第四层绕线轮，最后再绕几圈30mm的第五层绕线轮。

本发明的优点和有益效果为：

本发明采用凸轮--转向齿条--传动齿轮构成的转向机构实现对前轮立轴的转向控制，其结构合理，传动精度高；同时，本无碳小车的前轮机构具有位置可调功能，通过调节前轮机构的微分头，可以对前轮的位置进行微米级精确调整，通过微分头机构与凸轮--转向齿条--传动齿轮转向机构相配合调整，实现对整个转向机构的校准，以保证小车运行轨迹符合精准的“8”字型轨迹；

本发明采用了独有的绕线塔轮，所述绕线塔轮由多层不同直径的绕线轮组成，绕线时，通过反绕几圈大轮的形式，有效避免了小车在运行过程中停止的情况发生；此外，与传统的锥面绕线轴相比，首先如果是采用带锥面的绕线轴经常会出现绳子下滑的现象，而采用塔轮就避免了这个问题；还有就是采用带锥面的绕线轴，每次的绕线的直径位置都不能精确，如果每次的绕线的直径位置不同，也会影响到小车的轨迹；而采用塔轮每次的绕线可以精确绕线的直径位置，有利于小车轨迹的调节。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是图1的放大图。

图3是本发明另一视角的结构示意图。

图4是本发明去掉前轮固定支架和前轮移动支架的结构示意图。

图5是本发明的绕线塔轮的结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。

一种走“8”字形轨迹的无碳小车，包括车架和设置在车架上的用于驱动后轮行进的驱动机构、用于控制前轮转向的转向机构。

车架1上竖直设置有立筒2，立筒顶端通过支架3设置定滑轮4，在立筒内设置有势能块；立筒筒壁上设置有用于放入势能块的开口5；

车架的前端设置有前轮机构，前轮机构包括前轮固定支架6、前轮移动支架7、立轴8、前轮叉架9和前轮10，前轮固定支架6固定在车架1上，前轮移动支架7通过两个光杆11和一个微分头12与前轮固定支架6连接，立轴8通过轴套转动设置在前轮移动支架7中，立轴的底端通过前轮叉架9安装前轮10(前轮安装在前轮叉架上，前轮叉架与立轴底端固定)；所述微分头、光杆相平行设置，微分头12位于两个光杆11的中心，通过调节微分头实现调节前轮移动支架与前轮固定支架之间的距离，进而调节立轴8、前轮叉架9和前轮10的位置调节；在立轴8上套设有传动齿轮26，通过驱动传动齿轮26带动立轴8旋转，进而实现立轴8带动前轮转向；

车架的后端左右对称设置有左右两个后轮支架13，两个后轮支架上通过轴承安装有后轮轴14，后轮轴两端安装无碳小车的两个后轮15；在后轮轴上设置有差速器16，

在车架上还设置有主动轴17，主动轴17上固定安装有绕线塔轮18和驱动主动齿轮19，所述驱动主动齿轮19与后轮轴上的差速器的从动齿轮啮合，所述势能块通过柔性绳索绕过定滑轮与绕线塔轮连接，势能块下落时通过柔性绳索带动绕线塔轮和主动轴转动，为主动轴提供驱动力；所述主动轴17、主动轴上驱动主动齿轮19、后轮轴上的差速器16构成驱动后轮行进的驱动机构，当势能块带动主动轴转动时，主动轴上的驱动主动齿轮通过差速器带动后轮轴转动，实现对后轮的驱动。

在主动轴的一端还固定设置有转向主动齿轮20，该转向主动齿轮与一转向从动齿轮21啮合，转向从动齿轮21通过转轴22连接一凸轮23，凸轮与转向齿条24的一端连接(所述凸轮23具有一圈用于控制小车运动轨迹的异形轮廓23-1，转向齿条的端部设置有滚轮，转向齿条的滚轮与凸轮的异形轮廓滚动配合)，所述转向齿条水平滑动设置在车架上的支撑板25上(支撑板25由两个相平行的立板组成，两个立板之间安装有四个滚轮，所述转向齿条通过四个滚轮水平滑动安装在两个立板之间，转向齿条的上、下面分别安装两个滚轮，以保证转向齿条可以沿其长向水平滑动)，转向齿条的另一端与前轮机构的立轴8上的传动齿轮26啮合；所述转向主动齿轮20、转向从动齿轮21、转轴22、凸轮23、转向齿条25、立轴上的传动齿轮26构成控制前轮转向的转向机构，主动轴运转时，转向主动齿轮驱动转向从动齿轮运动，转向从动齿轮通过转轴带动凸轮同步转动，凸轮驱动齿条前后运动，齿条的前端通过传动齿轮26驱动立轴8转动，从而实现前轮的转向，通过凸轮的异形轨迹，使小车在行进过程中走出“8”字形轨迹。

为了保证小车运行轨迹符合精准的“8”字型轨迹，需要调节前轮机构的微分头，来精确调节整个转向机构的准确性；调整时，首先确定凸轮的起始位置(即确定转向齿条的起始位置)，然后调节微分头使前轮处于正直状态。

所述绕线塔轮18由多层不同直径的绕线轮组成，在本实施例中，绕线塔轮18包括从左至右依次设置的直径为10mm的第一层绕线轮a、直径为15mm的第二层绕线轮b、直径为20mm的第三层绕线轮c、直径为25mm的第四层绕线轮d、直径为30mm的第五层绕线轮e。绕线时，先绕几圈直径为10mm的第一层绕线轮a，然后绕几圈直径为15mm的第二层绕线轮b，然后绕几圈直径为20mm的第三层绕线轮c，然后跨过直径25mm的第四层绕线轮d直接绕几圈30mm的第五层绕线轮e，然后再绕几圈25mm的第四层绕线轮d，最后再绕几圈30mm的第五层绕线轮e。这样的绕线的目的是：因为小车在行走过程中，由于受摩擦力和空气的阻力的作用，重锤下降到一定距离，小车就停止了(这是由于重锤下降到一定距离时，此时小车运行轨迹处于急转向点，导致车轮与地面的摩擦阻力以及传动机构的摩擦阻力增大，而此时小车速度以及势能块的下落速度又较低，所以此时摩擦阻力会大于势能块动量以及小车动量，造成小车就停止)，所以通过反绕几圈大轮的形式，就是让小车在停止的位置绕线轴在大轮上，这样的话会给小车一个较大的驱动力，驱使小车向前行走。

此外，与传统的锥面绕线轴相比，首先如果是采用带锥面的绕线轴经常会出现绳子下滑的现象，而采用塔轮就避免了这个问题。还有就是采用带锥面的绕线轴，每次的绕线的直径位置都不能精确，如果每次的绕线的直径位置不同，也会影响到小车的轨迹；而采用塔轮每次的绕线可以精确绕线的直径位置，有利于小车轨迹的调节。

以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。