一种机械动力绕障教具小车的制作方法

本实用新型是一种能将重力势能转换为机械能并可用来驱动小车行走的装置，具体涉及一种可运用于辅助机械课程教学的机械动力绕障教具小车。

背景技术：

《机械原理》是一门公共基础课程，是大部分工科学生必修的一门主干技术基础课程。《机械原理》的教学多以 PPT 的形式向学生传授视觉上的机械认知，对提高学生对机械技术的真正理解效果不理想。机械动力教具小车是一款纯机械动力小车，它自身机构涵盖了《机械原理》和《机械设计》的大部分的内容，所以它是一个协调运动的系统装置。小车只需要一张水平桌子便可以给学生近距离展示机构的工作情况；小车设计及制作过程能够激发大学生进行科学研究与探索的兴趣，提高大学生的工程实践能力、培养学生的创新意识，对理工科院校培养高素质人才具有深远的意义；同时本实用新型为充分利用现有能源提供了新的思路，为未来设备的研制引导了方向。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种机械动力绕障教具小车，该教具小车结构巧妙，拆装方便，便于学生理解、体验，机械原理、设计、制造方面的理论知识，有利于提高教学效果。

上述目的通过以下的技术方案实现：

本实用新型是这样来实现的，它包括顶座，滑轮轴，滑轮，支撑杆，底板，大轴承座，小轴承座，大直齿轮，小直齿轮，大45°斜齿轮，小45°斜齿轮，前轮叉架，从动轮叉架，一级轮轴，驱动轮轴，从动轮轴，前轮横轴，前轮立轴，凸轮轴，后摆杆轴，驱动轮，从动轮，转向轮，凸轮，后摆杆，连杆，杆端关节轴承，前摆杆，弹性皮筋，微调螺母，微调螺母支架，滚子轴承，法兰边轴承，轴承盖。其特征是：顶座上开有U型槽；轴承与滑轮轴配合安装后放置到U型槽中；三根直角铝合金支撑杆通过螺钉连接到顶座上；三根支撑杆下端用螺钉连接到下底板；底板上连接有两个大轴承座和两个小轴承座；大直齿轮通过紧定螺钉固定到一级轮轴上；大斜齿轮通过紧定螺钉固定到一级轮轴上；小直齿轮通过紧定螺钉固定到驱动轮轴上；一级轮轴通过一对轴承装配到小轴承座上；驱动轮轴通过一对轴承装配到大轴承座上端的孔内；驱动轮通过紧定螺钉固定在驱动轮轴一端，驱动小车前进；一级轮轴为绕线轴，其绕线部位具有一定锥度，通过改变动力矩来保证小车的平稳启动；前轮立轴下端具有阶梯状结构，且在细端具有螺纹；前轮立轴通过一滚子轴承和一法兰边轴承将其竖直装配到车身的预留孔内，并用轴承盖将其固定；前轮通过轴承装配到前轮横轴上；前轮横轴为螺杆状，在无螺纹部分装配轴承，通过螺母固定在前轮叉架上；从动轮叉架通过螺栓固定在车身上；从动轮安装方式与前轮相同，不再赘述；凸轮轴下端具有阶梯状结构，且在细端具有螺纹；凸轮轴通过一滚子轴承和一法兰边轴承将其竖直装配到车身的预留孔内，并用轴承盖将其固定；凸轮中孔与凸轮轴下端螺纹及阶梯配合，安装到凸轮轴上；小斜齿轮通过紧定螺钉固定在凸轮轴上端，与一级轮轴上的大斜齿轮配合；后摆杆形状为阶梯状、立方体，一端厚度为另一端的两倍，两端钻有光孔；后摆杆厚端通过紧定螺钉固定在后摆杆轴上，此紧定螺钉长度留有一定余量，以悬挂弹性皮筋；摆杆轴通过轴承装配到驱动轮侧大轴承座的下部；后摆杆薄端穿过车身上的矩形孔到车身下部，与杆端轴承球孔端通过销钉连接，并用螺母固定；前摆杆为矩形薄片状，一端有螺纹孔，另一端有光孔；前摆杆螺纹孔端通过螺纹装配到前轮立轴上；另一端有光孔，与杆端轴承球孔端通过销钉连接，并用螺母固定；前后两杆端轴承螺纹端与连杆通过螺纹相连，且连杆前后两螺纹旋向相反，一为左旋，一为右旋，转动连杆时可达到增长或缩短连接长度的目的；微调螺母支架通过螺钉装配到车身上，位置在后摆杆后侧；微调螺母与微调螺母支架上的螺纹孔连接，通过旋转微调螺母可调节其位置，起到限定后摆杆摆动角度的作用；弹性皮筋一端悬挂在后摆杆的紧定螺钉上，一端悬挂在右侧大轴承座上端的拧紧螺栓上。以上所述方向标准均按转向轮方向为前，驱动轮侧为右，顶座方向为上。

1、教具小车绕障轨迹的确定

小车以“8”字轨迹绕过所设置的三个障碍物（障碍物呈L型布置，L长边间距 300~500mm，短边间距300±50mm）。一周期轨迹由两段相切圆弧和一段正弦曲线组成。右转时采用正弦曲线对两段圆弧线进行过渡，改善小车因右转离心力过大支撑力不足而失去稳定性，使小车方向可以平稳过渡。左转时因小车左侧有足够的支撑力支撑小车保持稳定性，故在左转时采用圆弧方向突变得到两段相切圆弧轨迹，圆弧方向突变可以有效缩短转向时间与转向路程，实现迅速定位和有效减少能量损失。该方案相较于两个对称转向轨迹方案具有既兼顾转向的稳定性又兼顾转向的迅速性的优越性。当障碍物间距变化时，可以通过改变圆弧的半径以及正弦曲线的幅值来调整轨迹。

2、能量转换机构设计

重力势能转化为小车的动能，所采用的传动比应让车轮产生的转矩略大于整车的摩擦力总和，使小车以一个较低的行驶速度行走，既达到行驶稳定，减少能量的损失，又可达到最大的行驶路程。在实际设计中能量转化机构的设计采用定滑轮+齿轮机构，定滑轮用于改变重力的作用方向，通过绳索将能量传递至第一级轮轴使其产生一个旋转力矩，再通过固定在该轮轴上的齿轮将动力传递至驱动轮。而在启动阶段往往需要一个较稳定运行大一些的转矩，为了解决这一问题，我们将一级轮轴，也即绕线轴的绕线部分设计成带有锥度的圆轴，启动时线绕在大端，产生较大转矩，启动后，线则在小端，产生较小转矩。

3、传动机构设计

传递动力主要可以通过齿轮、皮带、链轮等方式进行。由于传动的级数不多，传动的距离短会使得皮带传动的包角较小，传动时容易打滑，传动精度不高。链轮传动不够平稳。而齿轮传动精度高，只要选用合适的材料制作，也能减少重量，缺点是加工相对而言要复杂，成本也高。本设计中采用齿轮传动方式传动。

3.1、确定齿轮传动比η和驱动轮直径D

为了便于齿轮的设计加工取η=5；小车行走一个周期所走的路程取 S=2512mm，由 S=ηπD，则驱动轮直径大小为 160mm。

3.2、设定齿轮参数m,Z

根据小车的整体结构，取齿轮 1 和齿轮 2 的模数 m=1，齿数分别为 Z1=70， Z2=14。计算小车绕行圈数，已知重物下降高度为h=400mm，经过滑轮导向机构其输出绕线长度l=800，初设绕线轴的平均直径取d=7mm，则绕线轴转动圈数 n1=l/πd ≈36.36 。绕线轴转动一圈，驱动轴转五圈，小车完成一个周期，即小车理论上可以绕行30.03圈。

4. 转向机构设计

小车以“8”字轨迹绕障碍物行驶，要完成该转向动作，就必须将小车转化的能量通过适当的机构作用于小车的转向轮上，达到控制小车转向的目的，同时该机构的动作应灵活，损耗能量少。在设计转向轴时采用轴承支撑，并适当采用较长的前摆杆，以极小的力便可实现转向，能量消耗较少，同时采用一个对心凸轮加连杆作为驱动机构对小车转向进行控制，该结构简单，容易实现，同时便于后期进行调整。小车的还有一个创新点在于，后摆杆采取阶梯型设计，后摆杆上部与后摆杆轴紧固连接，后摆杆轴与轴承座利用轴承连接，使后摆杆可摆动，后摆杆下部固定杆端轴承使其与连杆连接，在后摆杆中部适当位置设一台阶，当凸轮与后摆杆接触时推动后摆杆的台阶部分使后摆杆摆起，同时后摆杆台阶运动到凸轮上表面，在后摆杆摆起后台阶与凸轮上表面接触，使后摆杆在凸轮推程时保持同一摆角，实现圆弧轨迹的圆整，在推程结束时，后摆杆和连杆由于重力和部分弹性皮筋的弹力迅速回位，从而实现后摆杆的往复运动。后摆杆利用杠杆原理，运用凸轮小的推程实现连杆的大行程，有效解决了因为车身空间不足导致连杆行程不足的问题。

利用弹性皮筋的弹性使摆杆回位，在影响控制机构精度的零件加工、机构连接环节、减少零件数目、降低能耗方面达到了极致。依靠标准件本身高的表面光洁度、面平整度，使得线面接触的活动间隙相对于轴承的径向间隙小到可以忽略不计。从而在整个控制传动环节上的不可控误差仅仅取决于轴承的精度，这给小车的精度带来了质的跃升。由于后摆杆与凸轮之间为线接触，所以摩擦阻力可以很小，相应的能量损耗也低，小车的启动性能得到了保证。

5. 轨迹可调机构设计

由于该小车转向机构采用凸轮结构推动摆杆的结构，小车轨迹半径的大小可通过调节微调螺母来实现，两轨迹的平分度可通过旋转连杆改变连接长度来实现。两处微调机构协调作用，可实现小车轨迹的灵活变动，适应各种长度设置的障碍。

6. 车身结构与布局设计

整车为三轮小车，根据车辆设计的要求，后轮驱动时应设计有差速机构，否则在转向时由于两个驱动轮的转速相同，在转向时两轮的行走距离相同，从而直接影响车子的转向，因为在转向时必需要有一个轮子产生打滑，车子才能实现转向。同时，如果驱动轮的轮距过大，在转向时驱动轮仍然向前滚动，会产生一个较大的纵向力，直接影响到小车的转向，因而需要很大的驱动力才能克服，这样就会消耗更多的能量，直接影响到车子的行走距离，在较大的转向角度时甚至小车无法行走。解决上述问题的方法主要有以下两种方法： 1、在驱动轮上设计安装差速器，如此可以实现小车两后轮在转弯时，角速度相同，但线速度不同，真正做到像现实生活中汽车那样，两轮差速过弯，这样可以最大程度上解决转弯时后轮打滑的问题；2、采用三轮直角分布结构，使前转向轮与一后驱动轮对齐，另一后支撑轮可自由运转，消除两后轮的差速阻力。

由于差速器本身也具有较大的摩擦阻力，通过仔细的分析与讨论，最终将小车设计为三轮直角分布结构。考虑到小车的转向等因素，设计时应尽可能将小车重心设计在靠近三个车轮的中心部位，保证小车行走时的稳定性。

7. 小车制作材料的选择

经过反复的试验，发现小车零件的刚性对能量的耗损起着很大的作用。尼龙、有机玻璃等塑料虽然比重较轻，但是往往刚性不够，而且在加工过程中弹性较大的塑料难以保证加工精度，脆性较大的塑料在调试拆装过程中螺纹容易打滑。铝合金相当于钢材而言比重小，加工性能也好，并且能够满足小车的刚性要求，因此本设计主要选择铝合金作为小车材料，如车身底板、轮轴、轴承座、支撑杆等重要零件。车轮，顶座等可采用亚克力板材料。

在满足小车应有的性能和考虑经济效益及加工方便的情况下，零件还将以孔形式减轻小车重量。

本实用新型的有益效果：

1.本实用新型结构设计巧妙，零件选用种类较多，涉及的知识较为广泛，涵盖《机械原理》及《机械设计》课程的大部分知识点。在今后的《机械原理》及《机械设计》教学中，可应用到课程设计的实践教学环节。

2. 本实用新型在能源选择及功能实现方面，能够激发大学生进行科学研究与探索的兴趣，提高大学生的工程实践能力、培养学生的创新意识，对理工科院校培养高素质人才具有深远的意义；同时本实用新型为充分利用现有能源提供了新的思路，为未来设备的研制引导了方向。

附图说明：

图 1 为本实用新型的结构示意图。

图 2 为本实用新型的能量转换机构图。

图 3 为本实用新型的仰视图。

图4为本实用新型的转向机构图。

图5为本实用新型的绕行轨迹图。

在图中， 1. 顶座， 2. 滑轮座， 3. 滑轮， 4. 支撑杆， 5. 底板， 6. 大轴承座，7.小轴承座 8.大直齿轮 9.小直齿轮 10. 大45°斜齿轮 11. 小45°斜齿轮 12. 前轮叉架 13. 从动轮叉架 14. 一级轮轴15. 驱动轮轴 16. 从动轮轴 17. 前轮横轴 18. 前轮立轴 19. 凸轮轴 20. 后摆杆轴 21. 驱动轮 22. 从动轮 23. 转向轮 24. 凸轮 25. 后摆杆 26. 连杆 27. 杆端关节轴承 28. 前摆杆 29. 微调螺母支架

具体实施方式：

以下结合附图说明对本实用新型的实施例作进一步详细描述，但本实施例并不用于限制本实用新型，凡是采用本实用新型的相似结构及其相似变化，均应列入本实用新型的保护范围。

如图 1、3所示，本实用新型是这样来工作和实施的，它包括顶座1，滑轮轴2，滑轮3，支撑杆4，底板5，大轴承座6，小轴承座7，大直齿轮8，小直齿轮9，大45°斜齿轮10，小45°斜齿轮11，前轮叉架12，从动轮叉架13，一级轮轴14，驱动轮轴15，从动轮轴16，前轮横轴17，前轮立轴18，凸轮轴19，后摆杆轴20，驱动轮21，从动轮22，转向轮23，凸轮24，后摆杆25，连杆26，杆端关节轴承27，前摆杆28，弹性皮筋，微调螺母，微调螺母支架29，滚子轴承，法兰边轴承，轴承盖。其特征是：顶座上开有U型槽；轴承与滑轮轴配合安装后放置到U型槽中；三根直角铝合金支撑杆通过螺钉连接到顶座上；三根支撑杆下端用螺钉连接到下底板；底板上连接有两个大轴承座和两个小轴承座；大直齿轮通过紧定螺钉固定到一级轮轴上；大斜齿轮通过紧定螺钉固定到一级轮轴上；小直齿轮通过紧定螺钉固定到驱动轮轴上；一级轮轴通过一对轴承装配到小轴承座上；驱动轮轴通过一对轴承装配到大轴承座上端的孔内；驱动轮通过紧定螺钉固定在驱动轮轴一端，驱动小车前进；一级轮轴为绕线轴，其绕线部位具有一定锥度，通过改变动力矩来保证小车的平稳启动；前轮立轴下端具有阶梯状结构，且在细端具有螺纹；前轮立轴通过一滚子轴承和一法兰边轴承将其竖直装配到车身的预留孔内，并用轴承盖将其固定；前轮通过轴承装配到前轮横轴上；前轮横轴为螺杆状，在无螺纹部分装配轴承，通过螺母固定在前轮叉架上；从动轮叉架通过螺栓固定在车身上；从动轮安装方式与前轮相同，不再赘述；凸轮轴下端具有阶梯状结构，且在细端具有螺纹；凸轮轴通过一滚子轴承和一法兰边轴承将其竖直装配到车身的预留孔内，并用轴承盖将其固定；凸轮中孔与凸轮轴下端螺纹及阶梯配合，安装到凸轮轴上；小斜齿轮通过紧定螺钉固定在凸轮轴上端，与一级轮轴上的大斜齿轮配合；后摆杆形状为阶梯状、立方体，一端厚度为另一端的两倍，两端钻有光孔；后摆杆厚端通过紧定螺钉固定在后摆杆轴上，此紧定螺钉长度留有一定余量，以悬挂弹性皮筋；摆杆轴通过轴承装配到驱动轮侧大轴承座的下部；后摆杆薄端穿过车身上的矩形孔到车身下部，与杆端轴承球孔端通过销钉连接，并用螺母固定；前摆杆为矩形薄片状，一端有螺纹孔，另一端有光孔；前摆杆螺纹孔端通过螺纹装配到前轮立轴上；另一端有光孔，与杆端轴承球孔端通过销钉连接，并用螺母固定；前后两杆端轴承螺纹端与连杆通过螺纹相连，且连杆前后两螺纹旋向相反，一为左旋，一为右旋，转动连杆时可达到增长或缩短连接长度的目的；微调螺母支架通过螺钉装配到车身上，位置在后摆杆后侧；微调螺母与微调螺母支架上的螺纹孔连接，通过旋转微调螺母可调节其位置，起到限定后摆杆摆动角度的作用；弹性皮筋一端悬挂在后摆杆的紧定螺钉上，一端悬挂在右侧大轴承座上端的拧紧螺栓上。以上所述方向标准均按转向轮方向为前，驱动轮侧为右，顶座方向为上。

如图 2 所示，在三轮直角分布结构的小车上，在允许的高度上挂一砝码。砝码在曲线运动的小车上保持平稳下落，则需要限位机构对其有限位跟保持的作用。滑轮导向机构将砝码传递过来的力矩，通过滑轮上有两个直径比为 1 ：2的滑轮槽把输出的力 F 降为砝码重力的 1/2，使输出绕线的长度增加一倍，同时降低了对下一级轴径尺寸的要求。齿轮机构将滑轮输出的力 F 再一次降低为砝码重力的 1/6，充分提高砝码重力势能的利用率；齿轮的模数是1，有较高的重合度，是驱动平稳性增加。

如图3、图4所示，大斜齿轮与第一级直齿轮同轴、具有同样的运动周期；凸轮机构是对心盘形凸轮机构，凸轮平面与小斜齿轮平面共面，均垂直于凸轮轴；凸轮轴与一级轮轴空间垂直交叉，两轴通过一对大小45°斜齿轮传动；在凸轮机构转动时，其一半行程不与后摆杆接触，后摆杆被弹性皮筋拉紧，与微调螺杆相接触，另一半行程与后摆杆的增厚部分相接触，并将其推离微调螺母，使其向前摆动，直至后摆杆的增厚部分与凸轮的上表面接触，为线接触；凸轮机构转动一圈，小车即走完一个行程；凸轮是用 45# 钢板线切割加工成形的。其特征效果是：极低的摩擦阻力，能量损耗少；很高的传动精度简化了结构。 1）从传动角度来说，从凸轮到推杆再到转向机构，可见的运动链接间隙也仅仅出现在圆柱滚子内部的轴承上，即轴承内圈与外圈存在的游动间隙。轴承本身较一般零件而言精度要搞很多，所以传动间隙很小或者也可以选配精度等级更高的轴承。2）从加工工艺上来说，凸轮是用线切割快走丝加工成形。其轮廓曲线的相似度和表面粗糙度也有较高的精度值，经过后期的处理可以进一步提高其性能。3）从选材上来说，钢材的硬度较高，在重复使用过程中磨损变形量小。故其传动精度性能可以保持较长的使用寿命。