差動(dòng)輪系指南車創(chuàng)新設(shè)計(jì)與制作

□王兆毅 徐潤(rùn)達(dá) 胡得力 嚴(yán)丁虎

一、現(xiàn)存指南車的原理與分析

現(xiàn)在存在的指南車的工作原理為：以左右輪為輸入，輸入通過(guò)傳導(dǎo)機(jī)構(gòu)傳遞到主體的定位機(jī)構(gòu)。根據(jù)轉(zhuǎn)向桿體的轉(zhuǎn)角和負(fù)反饋輸出，實(shí)現(xiàn)輸出桿的定位功能。因此，導(dǎo)車機(jī)構(gòu)可分為四個(gè)部分：輸入部分、傳動(dòng)裝置、負(fù)反饋機(jī)構(gòu)和輸出部分[1]。在絕對(duì)坐標(biāo)系中，地平面是x-y平面，垂直方向是z軸。直線行駛時(shí)，由于左右車輪轉(zhuǎn)速相同，車身不會(huì)在z軸方向旋轉(zhuǎn)。傳動(dòng)裝置的主要功能是連接左右輸入部件和負(fù)反饋機(jī)構(gòu)主體；[2]負(fù)反饋機(jī)構(gòu)是導(dǎo)向車最重要的部件。由于兩個(gè)車輪之間的速度差，導(dǎo)向車體轉(zhuǎn)動(dòng)。負(fù)反饋機(jī)構(gòu)使輸出部分抵消車身反向轉(zhuǎn)動(dòng)，使其恢復(fù)到固定方向的功能。輸出部分為方向輸出桿，指向固定方向。圖1是傳統(tǒng)導(dǎo)向車的示意圖。

圖1 傳統(tǒng)導(dǎo)向車示意圖

圖1中A、B為指南車的輪子，D等于指南車的輪子直徑，2L為指南車的寬度。當(dāng)指南車沿直線行走時(shí)，輪子A帶動(dòng)錐齒輪a轉(zhuǎn)動(dòng)，錐齒輪a帶動(dòng)錐齒輪c和c’轉(zhuǎn)動(dòng);[3]同理輪子D帶動(dòng)錐齒輪b轉(zhuǎn)動(dòng)，錐齒輪b帶動(dòng)錐齒輪d和d’轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)走直線時(shí)，錐齒輪c'和d'在相反的方向上以相同的速度旋轉(zhuǎn)，所以錐齒輪e的旋轉(zhuǎn)臂不移動(dòng)，錐齒輪e繞固定的軸旋轉(zhuǎn)。

當(dāng)指南車轉(zhuǎn)彎時(shí),齒輪傳動(dòng)以同樣的方式，但錐齒輪c’和d’朝向同一方向,以同樣的速度轉(zhuǎn)動(dòng),這使得錐齒輪e的轉(zhuǎn)臂和錐齒輪e站仍在其旋轉(zhuǎn)軸。當(dāng)車身旋轉(zhuǎn)一定的角度θ,左輪和右輪將會(huì)產(chǎn)生有一個(gè)角度差φA-φB，這個(gè)角的差異通過(guò)齒輪組最后使得小人相對(duì)于車輛旋轉(zhuǎn)θ的度數(shù),對(duì)于地面相對(duì)靜止,所以小人總是指向一個(gè)固定的方向[4]。

二、傳統(tǒng)指南車的缺點(diǎn)分析

指南車是用來(lái)指示方向的一種裝置。與指南針利用地磁效應(yīng)不同，它是利用齒輪傳動(dòng)來(lái)指明方向的一種復(fù)雜機(jī)械裝置[5]。指南車的原理是，通過(guò)人力帶動(dòng)指南車兩輪行走，依靠車廂內(nèi)復(fù)雜的機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)傳遞在車體轉(zhuǎn)向時(shí)兩車輪所帶來(lái)的差動(dòng)，從而帶動(dòng)車上的指向木人與車轉(zhuǎn)向的相反方向轉(zhuǎn)動(dòng)相同角度，使木人始終指向指南車出發(fā)時(shí)的方向。

傳統(tǒng)的指南車，車身的機(jī)械結(jié)構(gòu)緊湊度低，導(dǎo)致機(jī)械結(jié)構(gòu)安裝精度要求高。在復(fù)雜的工作環(huán)境中，指南車可能出現(xiàn)滑動(dòng)齒等現(xiàn)象。上述現(xiàn)象會(huì)降低導(dǎo)軌的精度，使機(jī)械結(jié)構(gòu)難以緊湊化和小型化，進(jìn)而無(wú)法實(shí)現(xiàn)不同輪軌下導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)的通用性，增加了實(shí)際過(guò)程中的移植成本。

三、新型差動(dòng)輪系的設(shè)計(jì)

本文根據(jù)指南車的工作原理，對(duì)傳統(tǒng)指南車的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，并利用建模軟件設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)復(fù)雜的指南車三維模型。該模型的關(guān)鍵是將空心交錯(cuò)斜齒輪嵌套在內(nèi)交叉錐齒輪系的外側(cè)，采用外錐齒輪系傳動(dòng)，使指南車始終指向同一方向[6]。通過(guò)結(jié)構(gòu)改進(jìn)，提高了導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)效率、可靠性和導(dǎo)向精度。經(jīng)過(guò)將原差動(dòng)輪系進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計(jì)出了如圖2所示的新型差動(dòng)輪系，增加的整體輪系的指南精度以及平穩(wěn)性。

圖2 新型差動(dòng)輪系原理圖1-右側(cè)傳動(dòng)軸，2-右側(cè)大錐齒輪，3-頂部大錐齒輪，4-頂部傳動(dòng)軸，5-左側(cè)大錐齒輪，6-左側(cè)傳動(dòng)軸，7-輪輻式交錯(cuò)軸斜齒輪，8-空心交錯(cuò)軸斜齒輪，9-小孔小錐齒輪，10-大孔小錐齒輪，11-十字錐齒輪系傳動(dòng)軸，12-軸承孔小錐齒輪。

如圖2所示左車輪由左側(cè)傳動(dòng)軸固定在車體左側(cè),左側(cè)傳動(dòng)軸帶動(dòng)左側(cè)大錐齒輪旋轉(zhuǎn),左側(cè)大錐齒輪與頂部大錐齒輪嚙合;右車輪由右側(cè)傳動(dòng)軸固定在右側(cè),右側(cè)傳動(dòng)軸通過(guò)支架處設(shè)有軸承支撐,同時(shí)傳動(dòng)軸穿過(guò)中空的內(nèi)部傳動(dòng)軸并在右側(cè)大錐齒輪凸臺(tái)處設(shè)置的第二法蘭軸承連接,右側(cè)大錐齒輪與頂部大錐齒輪嚙合。

內(nèi)部傳動(dòng)軸的一端與右側(cè)大錐齒輪剛性連接,同時(shí)內(nèi)部傳動(dòng)軸的另一端與大孔小錐齒輪之間為剛性連接,右側(cè)傳動(dòng)軸與十字錐齒輪傳動(dòng)軸中心開(kāi)設(shè)的孔通過(guò)十字錐齒輪系傳動(dòng)軸軸承連接,右側(cè)傳動(dòng)軸穿過(guò)十字錐齒輪系傳動(dòng)軸與小孔小錐齒輪剛性連接?？招慕诲e(cuò)斜齒輪與指南軸剛性配合的與輪輻式交錯(cuò)軸斜齒輪相嚙合。

四、新型差動(dòng)輪系指南車建模制作與仿真分析

圖3 新型差動(dòng)輪系指南車模型

當(dāng)左車輪運(yùn)動(dòng)時(shí)帶動(dòng)左側(cè)大錐齒輪轉(zhuǎn)動(dòng),因左側(cè)大錐齒輪與頂部大錐齒輪嚙合,從而左側(cè)大錐齒輪帶動(dòng)頂部大錐齒輪轉(zhuǎn)動(dòng),頂部大錐齒輪帶動(dòng)右側(cè)大錐齒輪,右側(cè)大錐齒輪也會(huì)因此開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng),左側(cè)大錐齒輪與右側(cè)大錐齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反,由于大孔小錐齒輪與內(nèi)部傳動(dòng)軸剛性連接,內(nèi)部傳動(dòng)軸上還剛性連接有右側(cè)大錐齒輪，所以大孔小錐齒輪被帶動(dòng)與右側(cè)大錐齒輪同向轉(zhuǎn)動(dòng),從而實(shí)現(xiàn)了左車輪控制右側(cè)的大孔小錐齒輪。

左大孔小齒輪錐齒輪和右齒輪位于右傳動(dòng)軸上，因此它們以相同的速度和相同的方向旋轉(zhuǎn)，以實(shí)現(xiàn)右輪控制左小孔小齒輪錐齒輪。

當(dāng)指南車勻速前進(jìn)時(shí),由于兩個(gè)輪子的速度,左邊的大孔小錐齒輪和右邊的大孔小錐齒輪以同樣的速度反轉(zhuǎn),左邊的大孔小錐齒輪和右邊的大孔小錐齒輪和軸承孔的前后安排小錐齒輪嚙合,前后布置的軸承孔小錐齒輪通過(guò)十字錐齒輪系傳動(dòng)軸卡接在空心交錯(cuò)軸斜齒輪內(nèi)圈開(kāi)設(shè)的方形凹槽內(nèi),故前后布置的軸承孔小錐齒輪不發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng),不會(huì)影響空心交錯(cuò)軸斜齒輪,由于空心交錯(cuò)軸斜齒輪與輪輻式交錯(cuò)軸斜齒輪嚙合,則指南軸不會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。

當(dāng)兩個(gè)不同的車輪速度,兩側(cè)的左邊右邊大孔的小錐齒輪反向轉(zhuǎn)速不同,小錐齒輪將推動(dòng)安排前后軸承孔的小錐齒輪旋轉(zhuǎn)時(shí),進(jìn)而帶動(dòng)空心交錯(cuò)軸斜齒輪轉(zhuǎn)動(dòng),從而使輪輻式交錯(cuò)軸斜齒輪旋轉(zhuǎn)向相反的方向,速度為兩輪速之差即時(shí)帶動(dòng)指南軸轉(zhuǎn)動(dòng)，保證指南軸指向唯一的方向。

基于UG仿真對(duì)所制作的小車進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，調(diào)節(jié)左右輪不同速率的變化，觀察指南針的角度變化，是否能夠達(dá)到符合預(yù)期的指南效果。設(shè)置左右兩輪不同的角速度隨時(shí)間的變化關(guān)系，觀察指南針的角速度變化。仿真效果如圖4所示。

圖4 左右輪位移同指南方向隨時(shí)間變化圖像

基于改變兩輪角速度隨時(shí)間的變化圖及指南針指向隨時(shí)間的變化圖，得出新型差動(dòng)輪系在傳動(dòng)的平穩(wěn)性，指南的精準(zhǔn)性得到了一定的提升和改進(jìn)。

五、結(jié)語(yǔ)

以上分析研究表明，與傳統(tǒng)指南車相比，這種改進(jìn)了的新型差動(dòng)輪系指南車具有以下優(yōu)點(diǎn)：一是使用機(jī)械傳動(dòng)輪系實(shí)現(xiàn)指南功能,通過(guò)在內(nèi)部十字錐齒輪輪系外部嵌套空心交錯(cuò)軸斜齒輪，并使用外部斜齒輪傳動(dòng),不僅傳輸效率、可靠性和精度指導(dǎo)變大,與此同時(shí),整體結(jié)構(gòu)更加緊湊,模塊化輪系結(jié)構(gòu)改善。二是車輪系統(tǒng)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，大大降低了原南向車的復(fù)雜性，提高了整車的穩(wěn)定性，降低了生產(chǎn)成本。三是在車身的前底板固定了萬(wàn)向輪，以增強(qiáng)南向車的平衡。四是中空的內(nèi)部傳動(dòng)軸，將中空的內(nèi)部傳動(dòng)軸套裝在右側(cè)傳動(dòng)軸上，和齒輪系的分布設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了在行進(jìn)過(guò)程中，左車輪控制右側(cè)大孔小錐齒輪，右車輪控制左側(cè)大孔小錐齒輪，從而實(shí)現(xiàn)南指向的方向是相同的,以提高傳動(dòng)效率,可靠性,指向精度。