互动娱乐陀螺的设计*

□ 李长坤 □ 刘德山 □ 卫年丽 □ 孙志超 □ 杨金江

武汉理工大学 机电工程学院 武汉 430070

随着社会的发展，越来越多的休闲娱乐器材走进了社区和公园，人们对精神生活品质也有了更高的追求。经市场调查发现，现有的公共休闲娱乐器材的娱乐模式大都是单纯的个人休闲运动，娱乐过程中缺少与他人的互动及协作，缺乏趣味性和挑战性［1］。陀螺作为一种古老传统娱乐玩具，深受人们的喜爱，其运动形式新奇，但是游戏方式比较古老、单一，缺乏趣味性。

鉴于现有陀螺玩具的不足之处,结合刚体转动原理及“不倒翁”原理，设计了这款互动娱乐陀螺装置，它由陀螺车和漂移车两部分组成，娱乐时需要陀螺车和漂移车驾驶者协作互动，共同控制装置前进，所以，装置的娱乐性很强，可以在陆地、水上进行娱乐活动。

1 互动娱乐陀螺的功能原理分析

设想人坐在陀螺上驱动陀螺旋转，趣味性会很强。设计了具有上下两层转子的双层陀螺，根据刚体转动原理,当上下两层转子具有相同的转动惯量和等大反向的角速度时，可以在很大程度上减弱人自身的旋转。

根据陀螺的进动性，人坐在陀螺上时，通过倾斜身体，可以使装置质心改变进而倾斜，从而使陀螺产生旋进运动。

结合“不倒翁”原理，降低质心，提高装置的稳定性。通过手摇曲柄连杆驱动装置，并且将上下两层转子设计成椭球形。人坐上陀螺之后，装置整体的质心位置将处于椭球形面球心之下，稳定性很高。通过实验发现，驾驶者即使较大角度倾斜身体，装置任能保持平稳运动，从而可以实现装置在地面上自由旋进。装置的传动机构如图1所示。

装置的传动链为：人坐在陀螺上，摇动与脚踏板链轮相连的手柄，经链条传动，将原动力传递给锥齿轮一，从而驱动上层转子转动，经锥齿轮三、四换向，驱动下层转子反向转动，从而实现装置整体运动。

结合转子形式，将装置放到水上进行了一系列实验，发现装置可以在水上运动，经过改进，设计了船舵，装置可以在水上旋进，从而实现了水上娱乐活动。为了更好地控制装置运动方向，增强装置的互动性，设计了漂移车，在驾驶过程中，陀螺车驾驶者提供动力，带动漂移车前进，漂移车驾驶者通过扭动车身，可以辅助陀螺车驾驶者控制装置前进方向。 装置的整体效果如图2所示，整体结构如图3所示。

2 结构设计

2.1 陀螺车机构设计

陀螺车的主要结构包括曲柄连杆机构、链传动机构、双层转子、分段主轴、齿轮换向结构及可升降座椅等。

2.1.1 双层转子结构

▲图1 传动机构简图

▲图2 整体效果图

上、下双层转子结构如图3所示。为保证装置质量分布均匀且平稳转动，设计转子为中心对称形状，采用椭球形结构；转子的尺寸形状设计考虑装置的运动轨迹和行进方向，曲率半径结合装置和操作者的质量、体积进行优化设计，保证陀螺车不会侧翻。设计转子的最大外径为1 000 mm，整体质心位置高650 mm，曲率半径大于1 000 mm。

2.1.2 分段主轴结构

如图4所示，上层转子与主轴二之间安装圆锥滚子轴承，上层转子旋转时主轴二不会发生旋转，下层转子与主轴一固定连接，主轴一与主轴二之间安装圆锥滚子轴承，使主轴一与主轴二相互独立，下层转子与主轴一发生旋转而主轴二不会发生旋转。主轴二、主轴三和座椅采用螺栓连接，运动时，上下层转子等速反向转动，主轴一跟随下层转子转动，产生运动动力，座椅不随转子转动而转动。

2.1.3 齿轮换向结构

如图4所示，采用锥齿轮进行换向，由3级换向齿轮组成，锥齿轮七为输入级主动齿轮；锥齿轮七、二啮合，将竖直面内的运动转化到水平面的运动；锥齿轮二、上层转子和锥齿轮三固定连接，锥齿轮二、三与主轴二之间安装有圆锥滚子轴承，保证上层转子在逆时针转动时，座椅不会发生转动；锥齿轮四、六与锥齿轮三、五啮合，使锥齿轮五等速顺时针转动，同时对称的锥齿轮使传动更加平稳可靠。

2.2 可调节舵的设计

伸缩式可调节舵如图3伸缩滑道所示，主要由3个伸缩滑轨组成，其中包括2个水平伸缩滑轨、1个垂直伸缩滑轨以及1个翻转卡死机构。进行陆地娱乐时，可调节舵起连接陀螺车与漂移车的作用；进行水上娱乐时首先将锁扣打开，将舵水平方向拉出后旋转90°，再将锁扣锁死，将舵竖直方向伸进水里面，即变成船舵，便可以进行水上娱乐活动。

2.3 四杆机构的设计

▲图3 整体结构图

▲图4 分段主轴和锥齿轮换向结构

四杆机构如图3所示，由3个转动副和1个移动副组成。当互动娱乐陀螺的尾部上下移动时，只会引起漂移车的前后移动而不会引起漂移车的上下移动。当陀螺车左右摆动的时候可以带动漂移车左右漂移，副驾驶可以感受到漂移的乐趣。

2.4 漂移车的设计

漂移车主要由万向轮、导向轮、底板和可伸缩扶手组成（如图3所示），万向轮的设计可以实现漂移车的漂移运动；导向轮的设计则可以实现副驾驶与主驾驶的互动娱乐，二人相互协作，共同控制整个车体的行进方向；底板相对面积较大，提高了漂移车整体的稳定性；而可伸缩扶手的设计使副驾驶的适宜人群更加广泛。此外，漂移车还可以为陀螺车提供一定的外力矩，保证整个装置在行进过程中人不会发生转动。

3 创新点分析

1）将刚体转动原理与“不倒翁”原理巧妙结合。刚体转动效仿陀螺的运动形式，趣味性强；“不倒翁”原理的运用使其运动更加平稳，安全性高。

2）设计上下两层转子，运用锥齿轮换向，使两层转子等速反向转动，提供等大反向的角动量，保证驾驶者不随转子发生转动，使整个装置的运动更加平稳安全。

3）既可以进行陆地娱乐，也可以进行水上娱乐；且娱乐过程中需要两个人的互动，娱乐方式多样，娱乐性强。

4 结束语

互动娱乐陀螺制作加工完成之后，将其相继放在广场、公园等场所进行了运行试验，能够实现在陆地和水上两种娱乐功能。装置具有陀螺的奇妙的运动形式，而且需要两位驾驶者的协作互动，娱乐性强；同时采用“不倒翁”原理，装置的重心较低，运行十分平稳，安全性很好。装置适宜人群广泛，10岁以上青少年均可以驾驶这款玩具，应用前景良好。

［1］ 黎攀，饶驹，尤圆，等.城镇居民小区健身设施有效性利用研究［J］.商情，2011（33）：85-87.

［2］ 黎明发.材料力学［M］.北京：科学出版社，2007.

［3］ 闻邦椿.机械设计手册［M］.北京：机械工业出版社，2010.

［4］ 孙桓，陈作模.机械原理［M］.陕西：西北工业大学出版社，2001.

［5］ 彭文生.机械设计［M］.北京：高等教育出版社，2008.

［6］ 卢春焕，王长欣.连杆极位的确定及平面四杆机构设计［J］.煤矿机械，2006（4）：548-549.