一种基于齿轮齿条转向的重力势能驱动车的制作方法

1.本发明属于重力驱动车领域，具体涉及一种基于齿轮齿条转向的重力势能驱动车。


背景技术：

2.越来越多的老年人因为腿脚不便、四肢乏力而丧失独立生活能力，亟需一种可以帮助老年人进行日常外出活动的基于重力势能驱动的助力车。为研究其核心原理和技术，可将其简化为一种重力势能驱动车。
3.重力势能驱动车是指一种由重力势能驱动且仅依靠机械转向机构来实现方向控制的小车。其结构组成主要包括：驱动机构、传动机构、转向机构和微调机构，其中，通过驱动机构将给定重物的重力势能转化为小车的动能，通过传动机构将运动及动力传递给主动轮和转向机构，通过转向机构控制小车运动的方向，通过微调机构对小车轨迹进行调整。
4.对于驱动机构，目前国内通用的方法为牵引绳一端连接的悬挂物，另一端绕过定滑轮与传动机构连接，但是小车行进轨迹较短，通常只能绕行一圈。
5.对于传动机构，目前国内通常设置将驱动机构的牵引绳直接绕在传动轴上，常导致起步困难，并且起步后，随着小车速度的加快，易在转弯处产生较大漂移或侧翻，使轨迹不可靠。
6.对于转向机构，目前多采用曲柄摇杆的方式，但拆装前后状态差别很大，稳定性差。
7.对于微调机构，目前多采用滑块式和正反螺纹调距，但调试过程无法量化，不便调试。
8.对于重力势能驱动小车的灵活性和轨迹稳定性，受限于结构设计及装配误差的问题，目前国内其他小车通常出现灵活性差、稳定性差等问题。


技术实现要素：

9.本发明的目的在于提供一种基于齿轮齿条转向的重力势能驱动车。
10.实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于齿轮齿条转向的重力势能驱动车，包括二级绕线装置，固定套设有带螺纹槽锥度绕线轴套的中间轴，两端分别设有主动轮和从动轮的高速轴，一端设有凸轮的低速轴，导轨，滑块，前轮和齿轮齿条转向装置；
11.所述带螺纹槽锥度绕线轴套由圆柱段和大端与圆柱段连接的圆台段组成，圆台段外面上设有用于绕线的螺纹槽，绕线从圆柱段远离圆台段的一端开始；
12.重物下落的势能通过二级绕线装置带动中间轴转动，中间轴通过齿轮将扭矩分别传递给高速轴和低速轴，高速轴驱动主动轮使小车产生运动，同时低速轴带动凸轮转动，从而推动滑块沿导轨移动，通过齿轮齿条转向装置使前轮转动，从而改变小车的运动方向。
13.进一步的，所述中间轴的两端分别设有大齿轮ⅰ和小齿轮ⅱ，高速轴设有主动轮的一端设有与大齿轮ⅰ啮合的小齿轮ⅰ，低速轴设有凸轮的一端设有凸轮盘，低速轴的另一端
设有与小齿轮ⅱ啮合的大齿轮ⅱ。
14.进一步的，还包括底板和设置在底板上的轴承座，中间轴、高速轴和低速轴的两端均通过轴承设置在轴承座上。
15.进一步的，还包括牵引绳ⅰ和牵引绳ⅱ；
16.所述二级绕线装置包括大绕线轮和小绕线轮，大绕线轮侧面外周设有孔ⅰ，小绕线轮侧面外周设有孔ⅱ；
17.牵引绳ⅰ一端固定在孔ⅰ上，另一端绕过大绕线轮后固定在带螺纹槽锥度绕线轴套上；牵引绳ⅱ一端固定在重物上，另一端绕过小绕线轮固定在孔ⅱ上。
18.进一步的，还包括支撑装置，二级绕线装置包括绕线座，二级绕线轮和绕线轴；
19.支撑装置一端设置在底板上，一端用于支撑绕线座；支撑装置包括四根支撑轴；二级绕线轮与绕线轴过盈配合，绕线轴通过轴承与绕线座配合，绕线座上的绕线轴承座为半开口。
20.进一步的，所述带螺纹槽锥度绕线轴套的圆柱段的外径为6～10mm，圆台段的锥度为3～4度。
21.进一步的，还包括微调机构，前轮支架和转向轴架；
22.所述齿轮齿条转向装置还包括齿轮，齿条，导轨架；
23.前轮支架通过轴承与转向轴架配合，转向轴架固定设置在底板上，前轮通过轴承与前轮支架配合，并通过紧定螺钉进行轴向定位，齿轮固定在前轮支架的上端，并与齿条啮合；
24.齿条通过微调机构与滑块连接，导轨架和定位销固定在底板上，导轨固定在导轨架上，凸轮固定在凸轮盘上，并与微调机构的光轴贴合；
25.低速轴的扭矩通过凸轮盘传递给凸轮，通过凸轮推动微调机构和滑块在导轨的既定轨迹下水平前进，使齿条与齿轮啮合，使前轮支架带动前轮转向。
26.进一步的，所述齿轮齿条转向装置还包括定位销和橡皮筋；
27.橡皮筋的一端固定在齿轮的紧定螺钉上，另一端固定在定位销上，用于将齿轮贴合在齿条上。
28.进一步的，微调机构包括千分尺旋钮，上齿条架，下齿条架和压紧螺钉；
29.所述上齿条架为类“z”字型，包括两个相对的竖边和连接相对边的横边，上齿条架的一个竖边上和齿条固定，另一个竖边上设有滑槽，下齿条架为长条型，下齿条架固定在滑块上；下齿条架上的光轴与凸轮的外轮廓圆弧相切，下齿条架上设有两个方形凸起，千分尺旋钮通过螺钉固定在上齿条架中；通过千分尺旋钮的伸长量控制凸起在滑槽中的位置，调节后通过压紧螺钉固定，从而调整前轮的初始偏角。
30.进一步的，所述底板上设有减重孔；
31.二级绕线轮上设有四个减重孔；
32.重力势能驱动车的材质为7075铝合金、塑料或碳纤维；
33.大齿轮ⅰ，大齿轮ⅱ，小齿轮ⅱ，小齿轮ⅰ，主动轮，从动轮和凸轮盘均用互相垂直的一对紧定螺钉固定在轴上；
34.驱动车行进轨迹为环形或八字形。
35.本发明与现有技术相比，其显著优点在于：
36.(1)带螺纹槽锥度绕线轴套：其锥度部分刻有一定深度的螺纹槽3151，牵引绳ⅰ缠绕其中。所述螺纹槽可限制牵引绳ⅰ的缠绕位置，保证重物下落速度稳定，车身不易漂移，使运动轨迹更可靠；从直径大端至锥度的绕线方式，能够保证起步容易，起步后速度平稳。
37.(2)齿轮齿条转向装置：所述齿轮齿条转向装置43使受力均匀，减小磨损，且具有较高精度，便于调节。
38.(3)微调机构：所述微调机构5的原理简单，采用千分尺旋钮51使调试方便，调节灵敏。
39.(4)二级绕线轮：通过所述二级绕线轮222上所述大绕线轮2221和小绕线轮2223，可将小车行进距离提升数倍。
40.(5)装配误差：通过定位销、互相垂直紧定螺钉的轴向固定方式等多个定位结构，可排除大量间隙，减小装配误差，提高小车工作性能的稳定性。
附图说明
41.图1为本发明的重力势能驱动车整体示意图。
42.图2为本发明的底板结构示意图。
43.图3为本发明的二级绕线轮结构示意图。
44.图4为本发明的带螺纹槽锥度绕线轴套结构示意图。
45.图5为本发明的凸轮盘结构示意图；
46.图6为本发明的微调机构结构示意图。
47.附图标记说明：
[0048]1‑
车架，2
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驱动机构，3
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传动机构，4
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转向机构，5
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微调机构，11
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底板，12
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轴承座，13
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转向轴架，111
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螺纹孔，112
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转向轴架安装孔，113
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导轨架安装孔，114
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减重孔，115
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轴承座安装孔，116
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定位销安装孔，21
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支撑装置，211
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支撑轴安装件，212
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支撑轴，22
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二级绕线装置，221
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绕线座，222
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二级绕线轮，2221
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大绕线轮，2222
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孔ⅰ，2223
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小绕线轮，2224
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孔ⅱ，2225
‑
绕线轴孔，2226
‑
减重孔，223
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绕线轴，31
‑
减速装置，311
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高速轴，312
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中间轴，313
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低速轴，314
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两对啮合齿轮，315
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带螺纹槽锥度绕线轴套，3151
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螺纹槽，32
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主动轮，33
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从动轮，41
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前轮支架，42
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前轮，43
‑
齿轮齿条转向装置，431
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齿轮，432
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齿条，433
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导轨架，434
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导轨，435
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滑块，436
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凸轮，437
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凸轮盘，438
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定位销，51
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千分尺旋钮，52
‑
上齿条架，521
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滑槽，53
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下齿条架，54
‑
压紧螺钉。
具体实施方式
[0049]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
[0050]
如图1
‑
6所示，一种基于齿轮齿条转向的平稳重力势能驱动车，包括：车架1、驱动机构2、传动机构3、转向机构4和微调机构5。
[0051]
所述车架1包括底板11、轴承座12和转向轴架13，所述驱动机构2通过螺纹连接固定在所述底板11上，所述传动机构3的各轴通过两端的轴承与所述轴承座12配合，所述转向机构4通过轴承与所述转向轴架13配合，所述底板11上设孔114，用于减轻车身重量。
[0052]
所述驱动机构2包括支撑装置21和二级绕线装置22，所述支撑装置21用于支撑所
述重物的下落并对其下落轨迹起到限位作用，所述二级绕线装置22用于将所述重物的势能放大数倍并传递到所述传动机构3。其中，所述支撑装置21包括四个支撑轴安装件211和四根支撑轴212，所述二级绕线装置22包括绕线座221、二级绕线轮222和绕线轴223。所述支撑轴212通过所述支撑轴安装件211和所述底板11的螺纹孔111连接；所述绕线座221固定在所述支撑轴212的上端，并用四个螺栓进行紧固；所述二级绕线轮222与所述绕线轴223过盈配合，所述绕线轴223通过轴承与所述绕线座221配合，所述绕线座221上的绕线轴承座为半开口，方便将所述二级绕线轮222取出。所述二级绕线轮222设有大绕线轮2221和小绕线轮2223，用于放大绕线长度；设有孔ⅰ2222和孔ⅱ2224，用于固定所需的两段牵引绳；设有四个孔2226，用于减轻重量。牵引绳ⅰ一端固定在所述孔ⅰ2222上，另一端固定在带螺纹槽锥度绕线轴套315上，并将牵引绳ⅰ缠绕在所述大绕线轮2221上；牵引绳ⅱ一端固定在给定重物上，另一端固定在所述孔ⅱ2224上，并将牵引绳ⅱ缠绕在所述小绕线轮2223上。
[0053]
所述传动机构3包括减速装置31、主动轮32和从动轮33，所述减速装置31包括高速轴311、中间轴312、低速轴313、两对啮合齿轮314和带螺纹槽锥度绕线轴套315，所述两对啮合齿轮包括大齿轮ⅰ、小齿轮ⅰ、大齿轮ⅱ和小齿轮ⅱ。其中，所述高速轴311的一端通过紧定螺钉分别固定所述小齿轮ⅰ和所述主动轮32，所述主动轮32在外侧，另一端通过轴承与所述从动轮33配合，使所述从动轮33能够自由转动；所述中间轴312的一端通过互相垂直的两个紧定螺钉与所述大齿轮ⅰ固定，另一端通过互相垂直的两个紧定螺钉与所述小齿轮ⅱ固定，中间通过紧定螺钉固定所述带螺纹槽锥度绕线轴套315；所述低速轴313的一端通过互相垂直的两个紧定螺钉与所述转向机构4的凸轮盘437固定，另一端通过互相垂直的两个紧定螺钉与所述大齿轮ⅱ固定；所述小齿轮ⅰ与所述大齿轮ⅰ啮合，所述小齿轮ⅱ与所述大齿轮ⅱ啮合，用于提供主要传动比。
[0054]
所述转向机构4包括前轮支架41、前轮42和齿轮齿条转向装置43，所述齿轮齿条转向装置43包括齿轮431、齿条432、导轨架433、导轨434、滑块435、凸轮436、凸轮盘437、定位销438和橡皮筋。所述前轮支架41通过一对轴承与所述转向轴架13配合；所述前轮42通过一对轴承与所述前轮支架41配合，并通过螺钉进行轴向定位；所述齿轮431通过紧定螺钉固定在所述前轮支架41的上端，并与所述齿条432啮合；所述齿条432通过所述微调机构5与所述滑块435连接；所述导轨架433和所述定位销438通过螺纹连接固定在所述底板11上；所述导轨434通过螺钉固定在所述导轨架433上，所述滑块435与所述导轨434配合，并能够沿导轨滑动；所述凸轮436通过螺钉固定在所述凸轮盘437上，并与所述微调机构5的下齿条架53上的光轴紧密贴合；所述凸轮盘437通过一对互相垂直的紧定螺钉固定在所述低速轴313上；所述橡皮筋的一端固定在所述齿轮431的紧定螺钉上，另一端固定在所述定位销438上，用于排除齿轮431和齿条432的啮合间隙，始终保持一面紧密接触。所述转向机构的工作过程为：所述低速轴313的扭矩通过凸轮盘437传递给所述凸轮436，使其推动所述微调机构5和所述滑块435在导轨434的既定轨迹下水平前进，从而使所述齿条432与所述齿轮431啮合，使所述前轮支架41带动所述前轮42转向。
[0055]
所述微调机构5包括千分尺旋钮51、上齿条架52、下齿条架53和压紧螺钉54。所述千分尺旋钮51通过螺钉固定在所述上齿条架52中，并通过旋转控制其端部的伸长量，保证其端部与所述下齿条架53的方形凸起紧密贴合，必要时，可人为施力保证其贴合；所述上齿条架52与所述齿条432通过螺钉固定；所述下齿条架53通过螺钉固定在所述滑块435上；所
述下齿条架53上的光轴与所述凸轮436的外轮廓紧密贴合，圆弧相切；所述上齿条架52上设有滑槽521，对应的所述下齿条架53上设有两段方形凸起，通过所述千分尺旋钮51的伸长量控制凸起在所述滑槽521中的位置，每次调节后通过所述压紧螺钉54固定，从而调整所述前轮42的初始偏角，实现微调作用。
[0056]
另外，本发明实施例提供的一种重力势能驱动车还具有如下附加技术特征：
[0057]
所述带螺纹槽锥度绕线轴套315包括圆柱段和锥度段，圆柱段外径为8mm，锥度段最大外径为8mm，锥度为3～4度，本实施例中为3.2度。其锥度段刻有一定深度的螺纹槽3151，牵引绳ⅰ缠绕在所述螺纹槽3151中，从而限制牵引绳ⅰ的缠绕位置，避免其在给定重物的重力作用下绕线位置发生突变，导致车身产生较大晃动，使运动轨迹不可靠；此外，绕线时应从圆柱段开始，逐渐过渡到锥度段，以保证在起步时能够提供足够的扭矩，可以正常起步，起步后通过直径的不断减小，从而缩小扭矩，避免小车起步后速度增长过快导致在转弯处出现漂移甚至侧翻的现象。
[0058]
可选的，所述车架1、驱动机构2、传动机构3、转向机构4和微调机构5的材料包括7075铝合金、塑料、碳纤维管。
[0059]
可选的，所述轴承座12和所述转向轴架13分别具有两个和四个定位销。
[0060]
可选的，所述主动轮32、所述凸轮盘437和所述两对啮合齿轮314均用互相垂直的一对紧定螺钉固定在轴上，以排除径向间隙，减小工作误差。
[0061]
可选的，小车行进轨迹可为环形或八字形，分别对应所述传动机构3中不同齿数的所述两对啮合齿轮314和不同形状的所述凸轮436。
[0062]
所述一种基于齿轮齿条转向的平稳重力势能驱动车的工作过程如下：
[0063]
给定重物在一定高度下落，其上固定的牵引绳ⅱ带动所述二级绕线轮222转动，使原本缠绕在所述带螺纹槽锥度绕线轴套315上的牵引绳ⅰ，逐渐缠绕在所述二级绕线轮222的大绕线轮2221上，从而带动所述中间轴312转动，所述中间轴312通过所述两对啮合齿轮314将扭矩分别传递给所述高速轴311和所述低速轴313，所述高速轴311驱动所述主动轮32使小车产生运动，同时所述低速轴313带动所述凸轮盘437和所述凸轮436转动，从而推动所述微调机构5、齿条和所述滑块435一起沿着所述导轨434水平移动，通过所述齿条432与所述齿轮431的啮合，使所述前轮支架41带动所述前轮42一起转动，从而改变小车的运动方向。所述重力势能驱动车在每次运动前后可通过所述微调装置5对运动轨迹进行微小调整：首先松开所述压紧螺钉54，通过旋转所述千分尺旋钮51改变其伸长量，从而调整所述上齿条架52和所述下齿条架53的配合位置，即调整所述前轮42的初始偏角，每次调节后通过所述压紧螺钉54固定，从而实现微调作用。调节所述千分尺旋钮51时，需保证其端部与所述下齿条架53的方形凸起紧密贴合，必要时可人为施力保证其贴合。
[0064]
还需要说明的是，术语“包括”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句包括“一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者系统中还存在另外的相同要素。
[0065]
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。