本發(fā)明涉及一種無碳小車，具體涉及一種利用單輪驅動及轉向的無碳小車。

背景技術：

無碳小車是一種無需使用燃油或者電池便能自主驅動行駛的小車，其能量來源是懸掛在一定高度處的重物擁有的勢能，近年來一直被全國工程訓練大賽選作比賽題目。

目前，大多無碳小車設計為以下兩種結構：

第一種、前方一個單輪為轉向輪，后方兩輪其中一輪為主動驅動輪，另一輪為從動輪，但其存在的問題是：當小車左右轉向時，轉向半徑不一致，導致小車8字型或s型行走軌跡的周期和幅值產(chǎn)生差異，并且發(fā)生差速問題(即轉速差，通過差速器可以解決此問題，但成本高)，影響小車后面行走距離和繞樁多少的成績；

第二種、前方一個單輪為主動輪，后方兩輪同時為轉向輪，此種小車制造精度及安裝要求較高，不適于推廣。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明是為了解決現(xiàn)有的無碳小車在轉向時，前后輪易產(chǎn)生轉速差的問題，進而提供了一種利用單輪驅動及轉向的無碳小車。

本發(fā)明為解決上述技術問題所采用的技術方案是：

一種利用單輪驅動及轉向的無碳小車，它包括車架、動力機構、傳動機構、行走機構及轉向機構，其中動力機構及傳動機構固接在車架上方，所述動力機構包括重錘、定滑輪及線繩，所述定滑輪固接在車架上方，所述重錘固接在線繩的一端，且通過定滑輪上下移動；所述傳動機構包括軟軸、繞線輪、繞線輪軸及固定螺釘，所述繞線輪通過繞線輪軸可轉動固接在車架上，線繩纏繞在繞線輪上且線繩的另一端通過固定螺釘固定在繞線輪上，軟軸的一端與繞線輪軸的一端螺紋連接；所述行走機構包括輪架、彎板、一個前輪及兩個后輪，輪架通過彎板固接在車架前方，并且輪架與彎板之間為可轉動連接，前輪通過主動輪軸可轉動固接在輪架上，兩個后輪通過從動輪軸固接在車架上，并且分別位于車架的兩側，軟軸的另一端與主動輪軸的一端螺紋連接；所述轉向機構包括傳動組件及曲柄連桿機構，曲柄連桿機構中的曲柄通過傳動組件與繞線輪軸的另一端固接，曲柄連桿機構中的連桿與輪架固接。

進一步地，曲柄連桿機構中的連桿為魚眼軸承連桿，曲柄連桿機構中的連桿與輪架通過魚眼軸承可轉動連接。

進一步地，所述傳動組件包括第一主動齒輪、第一從動齒輪、槽輪機構、第二主動齒輪及第二從動齒輪，第一主動齒輪固接在繞線輪軸的另一端，第一從動齒輪與第一主動齒輪嚙合，且與槽輪機構中的主動拔盤同軸固接，槽輪機構中的從動槽輪與第二主動齒輪同軸固接，第二從動齒輪與第二主動齒輪嚙合，且與曲柄連桿機構中的曲柄同軸固接。

進一步地，所述車架包括頂板、底板、固接在底板上方的兩個側板，兩個側板豎直且相互平行設置，頂板固接在兩個側板的上方，且頂板長度方向上的中心線與底板長度方向上的中心線上下正對設置，第一從動齒輪及曲柄連桿機構設置在頂板的一側，槽輪機構設置在頂板的另一側。

進一步地，繞線輪帶有錐度。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比具有以下效果：

本發(fā)明利用軟軸能傳遞扭矩、不受任何角度和距離限制以及連接方便等優(yōu)點，通過軟軸將動力傳遞給前輪，驅動小車向前運動，實現(xiàn)前輪的驅動任務；通過轉向機構使小車在一定角度范圍內轉動，實現(xiàn)前輪的轉向任務。前輪即為驅動輪又為轉向輪，兩個后輪為從動輪，避免差速問題，實現(xiàn)小車左右轉向半徑一致，可獲得設定的固定周期和幅值的運動軌跡。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的結構示意圖；

圖2為動力機構的結構示意圖；

圖3為傳動機構的結構示意圖；

圖4為行走機構的結構示意圖；

圖5為轉向機構的結構示意圖。

具體實施方式

具體實施方式一：結合圖1～5說明本實施方式，一種利用單輪驅動及轉向的無碳小車，它包括車架1、動力機構2、傳動機構3、行走機構4及轉向機構5，其中動力機構2及傳動機構3固接在車架1上方，所述動力機構2包括重錘2-3、定滑輪2-1及線繩2-2，所述定滑輪2-1固接在車架1上方，所述重錘2-3固接在線繩2-2的一端，且通過定滑輪2-1上下移動；所述傳動機構3包括軟軸3-1、繞線輪3-2、繞線輪軸3-4及固定螺釘3-3，所述繞線輪3-2通過繞線輪軸3-4可轉動固接在車架1上，線繩2-2纏繞在繞線輪3-2上且線繩2-2的另一端通過固定螺釘3-3固定在繞線輪3-2上，軟軸3-1的一端與繞線輪軸3-4的一端螺紋連接；所述行走機構4包括輪架4-1、彎板4-4、一個前輪4-3及兩個后輪4-5，輪架4-1通過彎板4-4固接在車架1前方，并且輪架4-1與彎板4-4之間為可轉動連接，前輪4-3通過主動輪軸4-2可轉動固接在輪架4-1上，兩個后輪4-5通過從動輪軸4-6固接在車架1上，并且分別位于車架1的兩側，軟軸3-1的另一端與主動輪軸4-2的一端螺紋連接；所述轉向機構5包括傳動組件及曲柄連桿機構5-10，曲柄連桿機構5-10中的曲柄通過傳動組件與繞線輪軸3-4的另一端固接，曲柄連桿機構5-10中的連桿與輪架4-1固接。

根據(jù)能量轉換原理，由給定重力勢能轉換而得到小車的行走及轉向的能量，小車為三輪結構，重錘2-3為重力勢能4焦耳的實心圓柱型鋼制重錘2-3，小車所有運動的能量均由重力勢能轉換獲得，該無碳小車具有轉向控制機構，在前行時能夠自動避開賽道上設置的障礙物。

動力機構2為整個小車提供動力，所述動力機構2通過傳動機構3、軟軸3-1將動力傳給行走機構4的前輪4-3向前運動，同時動力機構2帶動轉向機構5控制前輪4-3擺動以控制小車的行走方向，即驅動力和轉向都集于前輪4-3一體。

通過調節(jié)曲柄連桿機構5-10中的曲柄半徑，實現(xiàn)小車轉向角度的調整，達到競賽現(xiàn)場抽簽不同樁距的要求，兩后輪4-5用六寸光盤制作，實現(xiàn)低碳環(huán)保理念，降低加工制作成本，節(jié)省時間。

定滑輪2-1包括滑輪及支架，支架固定在車架1上方，滑輪可轉動固接在支架頂部。

軟軸3-1兩端均設置有外螺紋。

具體實施方式二：結合圖1及圖5說明本實施方式，曲柄連桿機構5-10中的連桿為魚眼軸承連桿5-8，曲柄連桿機構5-10中的連桿與輪架通過魚眼軸承5-7可轉動連接。如此設計，曲柄連桿機構5-10動作，帶動輪架4-1及前輪4-3在一定角度內擺動，完成轉向要求。其它組成與連接關系與具體實施方式一相同。

具體實施方式三：結合圖1～5說明本實施方式，所述傳動組件包括第一主動齒輪3-5、第一從動齒輪5-11、槽輪機構、第二主動齒輪5-5及第二從動齒輪5-6，第一主動齒輪3-5固接在繞線輪軸3-4的另一端，第一從動齒輪5-11與第一主動齒輪3-5嚙合，且與槽輪機構中的主動拔盤5-1同軸固接，槽輪機構中的從動槽輪5-4與第二主動齒輪5-5同軸固接，第二從動齒輪5-6與第二主動齒輪5-5嚙合，且與曲柄連桿機構5-10中的曲柄同軸固接。如此設計，第一從動齒輪5-11與主動拔盤5-1通過主動拔盤軸5-2同軸固接在車架1上，槽輪機構中的從動槽輪5-4與第二主動齒輪5-5通過從動槽輪軸5-3同軸固接在車架1上，第二從動齒輪5-6與第二主動齒輪5-5嚙合，且與曲柄連桿機構5-10中的曲柄通過曲柄軸同軸固接。槽輪機構作間歇運動，通過調整兩對齒輪的傳動比，來改變軌跡的周期，實現(xiàn)小車的s形軌跡或8字形軌跡運動。其它組成與連接關系與具體實施方式一或二相同。

具體實施方式四：結合圖1～5說明本實施方式，所述車架1包括頂板1-1、底板1-2、固接在底板1-2上方的兩個側板1-3，兩個側板1-3豎直且相互平行設置，頂板1-1固接在兩個側板1-3的上方，且頂板1-1長度方向上的中心線與底板1-2長度方向上的中心線上下正對設置，第一從動齒輪5-11及曲柄連桿機構5-10設置在頂板1-1的一側，槽輪機構設置在頂板1-1的另一側。如此設計，使小車兩側的重量平衡，保證小車行走平穩(wěn)。其它組成與連接關系與具體實施方式三相同。

具體實施方式五：結合圖1說明本實施方式，繞線輪3-2帶有錐度。其它組成與連接關系與具體實施方式一、二或四相同。

工作原理：

應用軟軸3-1把動力傳遞到前輪4-3，完成驅動任務；同時，由轉向機構5的間歇運動控制前輪4-3完成小車的轉向任務，避免差速問題，具體步驟為：

將線繩2-2的一端固定在重錘2-3的頂端，線繩2-2的另一端固定在繞線輪3-2上的固定螺釘3-3上，轉動前輪4-3，通過軟軸3-1、繞線輪軸3-4，將線繩2-2纏繞在繞線輪3-2上，將重錘2-3提升到距支架底板1-2400±2mm高度，調整好轉向角度，8字形小車起點在兩圓交點上，也叫換向點，把曲柄調整到水平最前點，這時前輪偏向左側，把小車放在左轉彎出，即將進入右轉彎處，初使角大約45°，同理s形小車的轉向角和初使角是根據(jù)正玄曲線的振幅(繞樁安全距離)和周期(兩中心柱距離)，計算出正玄曲線及相應初使角，讓重錘2-3自由落體下降，通過線繩2-2和定滑輪2-1帶動繞線輪3-2及繞線輪軸3-4轉動，通過軟軸3-1帶動前輪4-3轉動，實現(xiàn)動力傳遞。同時繞線輪軸3-4上的第一主動齒輪3-5帶動第一從動齒輪5-11轉動，進而帶動主動撥盤轉動，主動拔盤5-1轉動后帶動從動槽輪5-4作間歇運動，從動槽輪5-4帶動從動槽輪軸5-3上的第二主動齒輪5-5轉動，第二主動齒輪5-5通過第二從動齒輪5-6帶動曲柄轉動，曲柄連桿機構5-10中的連桿通過魚眼軸承5-7帶動輪架4-1與前輪4-3在一定角度范圍內轉動，來完成小車轉向問題。

根據(jù)大賽規(guī)則，8字形兩中心柱的距離現(xiàn)場抽簽確定，根據(jù)兩中心柱距離，確定小車行走半徑，以及控制轉向，以兩中心柱距離為400mm為例，既小車行走一圈(周長為400*3.14＝1256mm)即半個8字，調控一次方向，小車前輪直徑為100mm，設計為小車前輪轉4圈(行走周長為100*3.14*4＝1256mm)，曲柄連桿旋轉半圈，控制轉向輪轉向，既第一主動齒輪與第一從動齒輪傳遞比為1:4(12:48)，第二主動齒輪與第二從動齒輪傳遞比為2:1(24:12)(槽輪機構是4:1)；若兩柱距離為500mm，只需改變第一主動齒輪與第一從動齒輪傳遞比為1:5(10:50)即可，通過調節(jié)曲柄連桿機構5-10中的曲柄半徑，實現(xiàn)小車轉向角度的調整。

同理，s形小車比賽規(guī)則為行走半圈就調控一次方向，既第一主動齒輪與第一從動齒輪傳遞比為1:2(20:40)。