无碳小车前轮转向机构及无碳小车

技术领域

本发明涉及一种无碳小车前轮转向机构及包含该转向机构的无碳小车。

背景技术

无碳小车的行驶轨迹一般包括有“S形”、“8字形”、“环S”和“双八字”，行驶轨迹的控制是通过转向机构来实现的，转向机构的设计一般根据轨迹曲线或仿真曲线计算得到，目前，应用在无碳小车上的转向机构一般采用常规的凸轮机构，例如公开号为CN114432716A的中国发明专利申请。在无碳小车设计与调试过程中，采用凸轮机构作为转向机构存在以下不足：

1.需要掌握MATLAB等软件，凸轮计算公式复杂，大量消耗时间和精力；2.凸轮的加工需要非常精密的加工设备，加工精度要求高，制作成本高；3.凸轮小车调试出现错误时，不能直观的反映问题所在，调试过程复杂、难度大；4.实际装配的成品与数字模型之间存在装配误差，可能严重到小车的实际运行路径。5.凸轮机构需附加张紧装置，以确保从动件与凸轮保持接触，该装置会增大摩擦力，从而增大小车运行的能量消耗，不节能。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种无碳小车前轮转向机构，以降低设计于制作难度、简化装配工艺，使得结构轻量化并降低小车运行能耗。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种无碳小车前轮转向机构，包括控制轮，用于通过多级传动齿轮与无碳小车的动力机构传动连接；转向齿轮，用于和无碳小车的前轮传动连接；推抵件，安装在控制轮上并能随控制轮运动；受动件，用于和转向齿轮传动连接；所述控制轮带动推抵件运动时，所述推抵件能够推抵受动件并使受动件运动，从而使所述转向齿轮运动进而带动前轮进行转向。

优选地，所述推抵件包括沿控制轮外周面上间隔设置的多个拨片，所述拨片可沿控制轮的轴向方向调整位置，所述受动件包括与转向齿轮相啮合的锥形齿轮以及同轴固定连接于锥形齿轮的V形转向盘，所述V形转向盘的后端设置有两个斜面，所述控制轮带动拨片运动时，通过拨打V形转向盘后端的不同位置，使得所述V形转向盘发生不同角度的摆动，进而使所述锥形齿轮转动并带动所述转向齿轮转动，以实现前轮的转向。

更优选地，所述控制轮的外周面上沿环形均匀间隔设置有多根丝杆，所述丝杆沿控制轮的轴向方向设置且其两端分别通过一个拨片固定架连接于控制轮，每根丝杆上螺纹连接有一个拨片，所述拨片的一端呈弧面状结构并抵靠于控制轮的外周面，转动所述丝杆，可使对应的拨片沿该丝杆移动，从而调整所述拨片的位置。

或者，所述推抵件包括沿环形方向设置在控制轮外周面上的多个连续排布的控制片，不同的控制片设置有不同的倾斜角度，所述受动件包括与转向齿轮相啮合的齿条以及设置在齿条后端面上的随动件，所述控制轮带动所有的控制片运动时，不同位置的控制片能够轮流推抵随动件以使随动件的位置移动，进而带动所述齿条平移，从而使得所述转向齿轮转动并进而带动前轮转动以实现转向。

更优选地，所述随动件包括沿齿条长度方向均匀间隔设置的多个等距槽，所述齿条安装在滑轨上，所述控制片能够在做圆周运动的过程中穿过等距槽并通过倾斜的控制片片身推抵等距槽的槽内壁从而促使所述齿条平移。

更优选地，所述控制轮的外周面上沿环形设置有用于放置控制片的台阶，所述控制轮的一侧安装有用于夹紧控制片的夹持环，所述夹持环上相对于地设置有连接控制轮并可进行调节的螺栓。

更优选地，所述随动件为设置在齿条后端的一个凸轮，所述控制片可沿控制轮的轴向方向调整位置，所述控制片的其中一个侧面与凸轮相抵接，所述齿条安装在滑轨上，所述齿条被一根皮筋朝着远离凸轮与控制片接触面的一侧拉动，所述控制片能够在做圆周运动的过程中使其侧面推抵凸轮从而使所述齿条克服皮筋的作用力而移动。

更优选地，所述控制轮的外周面环形间隔设置有多个燕尾槽，所述燕尾槽沿控制轮的轴向方向设置，每个燕尾槽中滑动连接有一个滑块，每个滑块上安装有一个控制片，所述控制片能够在滑块上旋转角度并能够与滑块螺纹连接。

另外，本发明还提供一种无碳小车，其包括车架、安装于车架后侧的两个后轮和安装于前侧的一个前轮，所述车架上安装有用于驱动后轮行走的动力机构，所述车架上还安装有前述无碳小车前轮转向机构。

其中，所述动力机构为电机，所述电机通过多级传动齿轮与控制轮传动连接。

相较于现有技术，本发明提供的无碳小车前轮转向机构的零件和结构设计更简单，零件的加工精度要求也相对较低，简化了装配工艺，降低了制造成本，同时还实现了结构轻量化，有利于降低小车运行过程中的能耗。

附图说明

图1为实施例1应用于无碳小车的整体结构示意图；

图2为实施例1中V形转向盘的结构示意图；

图3为实施例1中V形转向盘的斜面角度示意图；

图4为实施例1中角度b为24度的V形转向盘与拨片的起始接触位置示意图；

图5为实施例1中角度b为24度的V形转向盘的最大转角状态示意图；

图6为实施例1中角度b为45度的V形转向盘与拨片的起始接触位置示意图；

图7为实施例1中角度b为45度的V形转向盘的最大转角状态示意图；

图8为实施例1中V形转向盘的斜面长度变长后与拨片的起始接触位置示意图；

图9为实施例1中V形转向盘的斜面长度变长后的最大转角状态示意图；

图10为实施例1中V形转向盘不同接触点的转向角度示意图；

图11为实施例1中丝杆、拨片固定架以及拨片的结构示意图；

图12为实施例1中V形转向盘前端的轴与铜套配合并装配在支撑架上的分解示意图；

图13为实施例1中拨片起始位置的结构示意图；

图14为实施例2应用于无碳小车的整体结构示意图；

图15为实施例2中各种形状的控制片的结构示意图；

图16为实施例2中齿条部分的平面结构示意图；

图17为实施例2中控制轮上的控制片排布示意图；

图18为实施例3应用于无碳小车的整体结构示意图；

图19为实施例3中皮筋、凸轮以及齿条的部分结构示意图。

图中：

1——控制轮2——转向齿轮3——前轮

4——拨片5——锥形齿轮6——V形转向盘

7——丝杆8——拨片固定架9——控制片

10——齿条 11——等距槽 12——夹持环

13——螺栓 14——凸轮 15——皮筋

16——燕尾槽 17——滑块 18——后轮

19——电机 20——铜套。

具体实施方式

为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例与附图对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。

需要提前说明的是，在本发明中，除非另有明确的规定和限定，“安装”、“相连”、“连接”、“固定” 等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。此外，在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。

实施例1

如图1至图3所示，无碳小车前轮转向机构，包括控制轮1，用于通过多级传动齿轮与无碳小车的动力机构传动连接；转向齿轮2，用于和无碳小车的前轮3传动连接；推抵件，安装在控制轮1上并能随控制轮1运动；受动件，用于和转向齿轮2传动连接；控制轮1带动推抵件运动时，推抵件能够推抵受动件并使受动件运动，从而使转向齿轮2运动进而带动前轮3进行转向。

具体来说，上述的所述推抵件包括沿控制轮1外周面上间隔设置的多个拨片4，拨片4可沿控制轮1的轴向方向调整位置，受动件包括与转向齿轮2相啮合的锥形齿轮5以及同轴固定连接于锥形齿轮5的V形转向盘6，V形转向盘6的后端设置有两个斜面，控制轮1带动拨片4运动时，通过拨打V形转向盘6后端的不同位置，使得V形转向盘6发生不同角度的摆动，进而使锥形齿轮5转动并带动所述转向齿轮5转动，以实现前轮3的转向。针对不同运动要求和路径情况，可以选择不同半径，不同角度的V形转向盘6。控制盘将以不同的转向敏感程度进行转向输出。

对于如何实现拨片4位置的调整，具体地，在控制轮1的外周面上沿环形均匀间隔设置有多根丝杆7，丝杆7沿控制轮1的轴向方向设置且其两端分别通过一个拨片固定架8连接于控制轮1，每根丝杆7上螺纹连接有一个拨片4，拨片4的一端呈弧面状结构并抵靠于控制轮1的外周面，转动丝杆7，可使对应的拨片4沿该丝杆7移动，从而调整拨片4的位置。需要说明的是，为了简化示意，图1中拨片4以及丝杆7的数量仅展示了两组。

在本实施例中，V形转向盘6后端的两个斜面各自对应的倾斜角可以在受到推抵时发生放大或缩小，如图2-10所示，当倾斜角度a或b变大时，由于杠杠效应，拨片4拨打V形转向盘6的同一位置，它所旋转的角度将变小，这就实现了对转向效应的缩小处理，反之则实现了转向效应的放大处理。在较大转向时也能有较好的传向输出效果。倾斜角度a或b一般是在20°到40°范围之内。以下，将结合附图，具体说明如何通过V形转向盘6实现转向角度控制。

如图4至图9可以看出，在控制轮1转速恒定的条件下，当V形转向盘6的倾斜角b越大，拨片在同一位置拨打V形转向盘6所转过的角度越小，即灵敏度越低。而当V形转向盘6的半径越大，拨片4越靠近中间轴位置，V形转向盘6转动的角度越大，同理可得，拨片4越远离中间轴位置，V形转向盘6转动的角度越小。那么，如图10所示，当拨片4拨打到a点时，V形转向盘6将向左转向14°，位置变为a’，当拨片4拨打到e点时，V形转向盘6将向左转向52°，位置变为e’，同理，拨片4可以拨打V形转向盘6一侧的任意位置，即实现了任意角度的转向。

在上述结构中，如图12所示，为了使V形转向盘6具备自锁的功能，可使V形转向盘6前端的轴与铜套20配合并装配在支撑架上，支撑架上盖与支撑架靠一对螺栓实现固定，由于铜的硬度较软，可以通过调节施加在螺栓紧固件上的预紧力，控制V形转向盘6旋转时所受到的摩擦力大小，从而实现摩擦力自锁，这使得V形转向盘6的转向只受拨片4影响，不受其他的外界因素干扰，当拨片4拨打完V形转向盘6之后，小车将保持该转向状态不变，直至下一个拨片4拨打它时才能改变运动方向。

如图13所示，①号拨片为起始拨片位置，小车每次出发时①号拨片都应该在同一位置（如果没有将①号拨片调到同一起始位置，就会导致后面的轨迹整体往左偏移或者是往右偏移），为了保证①号拨片每次都能回到同一起始位置，本实施例可引入c面来确保①号拨片的位置，即让b面与c面重合（同处于水平位置），而b面的位置由a面确定，即b面与a面也平行，这样就可以保证①号拨片在每次发车时都处于同一位置。

本实施例的无碳小车前轮转向机构应用于无碳小车后，可带来有有益效果体现在以下几个具体的方面：

一、拨片4在V形转向盘6上由丝杆7的旋转实现左右运动，可以满足较高的机构转向精度，且通过调整拨片位置，可以快速的实现轨迹的变动，材料可重复运用，满足不同需求。

二、更改V形转向盘6后端两个斜面的半径和倾斜的角度，便可以更改整个机构的灵敏度（灵敏度的意思是当拨片4在控制轮1同一位置拨打V形转向盘6时，V形转向盘6所转动的角度大小，转动的角度越大，灵敏度越高，而转动角度的大小就是受它的半径和倾斜角度所影响）。不同的倾斜角度，可以满足不同场景中对左右转向控制的不同转向极限以及灵敏度的需求。

三、可借助matlab等软件程序进行计算，将拨片4的位置确定下来。因为存在加工的配合上的误差，记算出来的轨迹和真实轨迹有点偏差，但通过微调一下拨片4位置即可将轨迹完美的跑出来。

实施例2

本实施例与实施例1的区别仅在于推抵件、受动件和转向齿轮2的结构不同，具体来说，如图14所示，推抵件包括沿环形方向设置在控制轮1外周面上的多个连续排布的控制片9，不同的控制片9设置有不同的倾斜角度，受动件包括与转向齿轮2相啮合的齿条10以及设置在齿条10后端面上的随动件，控制轮1带动所有的控制片9运动时，不同位置的控制片9能够轮流推抵随动件以使随动件的位置移动，进而带动齿条10平移，从而使得转向齿轮2转动并进而带动前轮3转动以实现转向。

其中，随动件包括沿齿条10长度方向均匀间隔设置的多个等距槽11，齿条10安装在滑轨上，控制片9能够在做圆周运动的过程中穿过等距槽11并通过倾斜的控制片9片身推抵等距槽11的槽内壁从而促使齿条10平移。在控制轮1的外周面上沿环形设置有用于放置控制片9的台阶，控制轮1的一侧安装有用于夹紧控制片9的夹持环12，夹持环12上相对于地设置有连接控制轮1并可进行调节的螺栓13。

本实施例中的控制片9有四种形状，如图15所示，从左至右分别为：直片15（a）、右调片15（b）、左调片15（c）、微调片15（d）；而图中控制片9后端的一块结构则是用于安装在控制轮1的台阶中的，便于夹持固定。如图16所示，齿条10前部优选设计是齿数为30、厚5mm的标准直齿，该部分与小车前轮3上的转向齿轮2啮合。后部是等距分布的圆柱形凸台，凸台直径设为N、凸台间距设为M、长5mm，其作用是与控制片9啮合，从而实现转向。各个形状的控制片9的设计作用为：

一、直片：作用是使齿条10不滑动，动作完成后位置不变，即小车前轮保持之前的转向角不变，小车保持原运动方向。其转向部分形状类似一个长方体宽M、高H，两侧面与控制轮1的对称平面平行，直片可自由通过齿条的间隙，小车保持原运动轨迹。

二、左（右）调片：使齿条10向左（右）运动M+N长的距离，动作完成后位置向（左）右位移M+N，即小车前轮3向左（右）转动相应角度，小车在原运动方向的基础上向左（右）转。其转向部分形状类似斜长方体，底边宽M、高H，两侧面与控制轮1的对称平面成一夹角a。综上所得参数，由三角函数可得出：tan（a）=（M+N）/H。

三、微调片：使齿条10小幅度的左右摆动一个来回，动作完成后位置不变，即小车前轮向左（右）转动相应角度后立刻回到原角度（其角速度大小相同，方向相反），小车整体向左（右）偏移相应距离，原运动方向不变。其转向部分形状类似弯月形（其侧面是上下两长度相同、方向相反的直线通过相切圆弧连接而成，两侧面形状相同、位置平行），底边宽M、高H，上侧边与控制轮1的对称平面成一夹角b。该角度可根据实际情况给定（实测得0°

控制片9的排布设计原理如图17所示，控制片9是根据齿条10的参数逆向设计而成的，这里要先确定齿条10后部凸台的直径N、间距M和控制轮1的周长设为D。设定控制片的总数为X，即将X个控制片夹持在夹控制轮1上后，完成一个回转。则可确定单个控制片的长度（即弧长）为H=D/X。在控制轮1上两个被连续安装的控制片9中，相邻控制片9的控制部分首端间存在一个过渡距离（横向间距），当相邻控制片9为左、右控制片时，过渡距离恒定为N；当相邻控制片9非左、右控制片时，过渡距离0，同时所有控制片9转向部分的横向宽度恒定为M（同两凸台间距）。这是为了保证控制轮1上的控制片9能连续、准确地穿过凸台间隙，并且控制部分的两侧边能恰好与凸台侧面贴合，不会因为间隙过小而被被卡住，间隙过大则不能完全将齿条约束。

本实施例提供的无碳小车前轮转向机构在应用于无碳小车后，可带来有有益效果体现在以下几个具体的方面：

零件和结构设计简单，可以不借助软件计算小车路径，错误率低，运行稳定；2控制片9、控制轮1等关键零件都可使用3D打印成型，对加工精度要求相对较低，制作成本低；通过调整控制片9组合的方式，实现目标路径的拟合，后期运行反馈直观，调试过程方便快捷；装配导致的误差可以通过对转向机构的调试相互抵消，极大的降低了装配难度，实际路径拟合精度高；可实现完全机械自锁，无需额外施加摩擦力，可以保障各零部件的连接稳定，不容易松动，能量传递效率高，相对更节能。

实施例3

本实施例与实施例1的区别仅在于推抵件、受动件和转向齿轮2的结构不同，具体来说，如图18所示，推抵件包括沿环形方向设置在控制轮1外周面上的多个连续排布的控制片9，不同的控制片9设置有不同的倾斜角度，受动件包括与转向齿轮2相啮合的齿条10以及设置在齿条10后端面上的随动件，控制轮1带动控制片9运动时，不同位置的控制片9能够轮流推抵随动件移动，进而带动齿条10平移，从而使得转向齿轮2转动并进而带动前轮3转动以实现转向。随动件为设置在齿条10后端的一个凸轮14，控制片9可沿控制轮1的轴向方向调整位置，控制片9的其中一个侧面与凸轮14相抵接，齿条10安装在滑轨上，皮筋15给了凸轮14向中心运动的力，控制片9阻碍了凸轮14向中心运动，随着控制片9的位置变化，推动凸轮14运动，进而实现齿条10运动（如图19所示）。

其中，控制轮1的外周面环形间隔设置有多个燕尾槽16，燕尾槽16沿控制轮1的轴向方向设置，每个燕尾槽16中滑动连接有一个滑块17，每个滑块17上安装有一个控制片9，控制片9能够在滑块17上旋转角度并能够与滑块17螺纹连接。在一段距离上，由控制片9的角度和左右位置进行不同的转向输入，只需更改控制片9倾斜的角度和左右位置，便可以更改整段距离上的齿条10移动和前轮3的转向角度。

本实施例的无碳小车转向机构中，控制轮1的旋转带动固定在控制轮1上的控制片9旋转打在齿条10上，由于齿条10被皮筋15向转向齿轮2方向张紧，在滑轨的作用下实现齿条10在控制轮1的轴向方向上移动，从而使转向齿轮2实现可设定的旋转。转向齿轮2的旋转作用于前轮3，完成最终的运动。具体地，首先确定控制片9的基圆即凸轮14与控制片9接触时，前轮3的倾斜角为0°，本实施例首先选择的是控制轮1的中线。设定第一个控制片9的左侧位于控制轮1中线处时，在皮筋15的作用下凸轮14与控制片9左侧紧贴，从而使与凸轮14连接的齿条10作用的转向齿轮2保持稳定，同时此时被转向齿轮2控制的前轮3保持竖直。假设此时需要小车前轮3顺时针旋转b度数，由于小车前轮3与转向齿轮2同轴固定连接，所以基于齿轮分度圆计算出b度的弦长a，那么齿条10向右推动所需的距离即为a。而将齿条10向右推动依靠的就是控制片9，使控制片9基于上一个控制片9倾斜一定角度从而形成一定的斜面，该斜面推抵凸轮14的过程中能够使凸轮14移动距离为a即可。

为了让本领域普通技术人员更方便地理解本发明相对于现有技术的改进之处，本发明的一些附图和描述已经被简化，并且上述实施例为本发明较佳的实现方案，除此之外，本发明还可以其它方式实现，在不脱离本技术方案构思的前提下任何显而易见的替换均在本发明的保护范围之内。