差动轮系指南车创新设计与制作

□王兆毅 徐润达 胡得力 严丁虎

一、现存指南车的原理与分析

现在存在的指南车的工作原理为：以左右轮为输入，输入通过传导机构传递到主体的定位机构。根据转向杆体的转角和负反馈输出，实现输出杆的定位功能。因此，导车机构可分为四个部分：输入部分、传动装置、负反馈机构和输出部分[1]。在绝对坐标系中，地平面是x-y平面，垂直方向是z轴。直线行驶时，由于左右车轮转速相同，车身不会在z轴方向旋转。传动装置的主要功能是连接左右输入部件和负反馈机构主体；[2]负反馈机构是导向车最重要的部件。由于两个车轮之间的速度差，导向车体转动。负反馈机构使输出部分抵消车身反向转动，使其恢复到固定方向的功能。输出部分为方向输出杆，指向固定方向。图1是传统导向车的示意图。

图1 传统导向车示意图

图1中A、B为指南车的轮子，D等于指南车的轮子直径，2L为指南车的宽度。当指南车沿直线行走时，轮子A带动锥齿轮a转动，锥齿轮a带动锥齿轮c和c’转动;[3]同理轮子D带动锥齿轮b转动，锥齿轮b带动锥齿轮d和d’转动。当走直线时，锥齿轮c'和d'在相反的方向上以相同的速度旋转，所以锥齿轮e的旋转臂不移动，锥齿轮e绕固定的轴旋转。

当指南车转弯时,齿轮传动以同样的方式，但锥齿轮c’和d’朝向同一方向,以同样的速度转动,这使得锥齿轮e的转臂和锥齿轮e站仍在其旋转轴。当车身旋转一定的角度θ,左轮和右轮将会产生有一个角度差φA-φB，这个角的差异通过齿轮组最后使得小人相对于车辆旋转θ的度数,对于地面相对静止,所以小人总是指向一个固定的方向[4]。

二、传统指南车的缺点分析

指南车是用来指示方向的一种装置。与指南针利用地磁效应不同，它是利用齿轮传动来指明方向的一种复杂机械装置[5]。指南车的原理是，通过人力带动指南车两轮行走，依靠车厢内复杂的机械传动系统传递在车体转向时两车轮所带来的差动，从而带动车上的指向木人与车转向的相反方向转动相同角度，使木人始终指向指南车出发时的方向。

传统的指南车，车身的机械结构紧凑度低，导致机械结构安装精度要求高。在复杂的工作环境中，指南车可能出现滑动齿等现象。上述现象会降低导轨的精度，使机械结构难以紧凑化和小型化，进而无法实现不同轮轨下导轨结构的通用性，增加了实际过程中的移植成本。

三、新型差动轮系的设计

本文根据指南车的工作原理，对传统指南车的结构进行了改进，并利用建模软件设计了一种结构复杂的指南车三维模型。该模型的关键是将空心交错斜齿轮嵌套在内交叉锥齿轮系的外侧，采用外锥齿轮系传动，使指南车始终指向同一方向[6]。通过结构改进，提高了导向机构的传动效率、可靠性和导向精度。经过将原差动轮系进行改进，设计出了如图2所示的新型差动轮系，增加的整体轮系的指南精度以及平稳性。

图2 新型差动轮系原理图1-右侧传动轴，2-右侧大锥齿轮，3-顶部大锥齿轮，4-顶部传动轴，5-左侧大锥齿轮，6-左侧传动轴，7-轮辐式交错轴斜齿轮，8-空心交错轴斜齿轮，9-小孔小锥齿轮，10-大孔小锥齿轮，11-十字锥齿轮系传动轴，12-轴承孔小锥齿轮。

如图2所示左车轮由左侧传动轴固定在车体左侧,左侧传动轴带动左侧大锥齿轮旋转,左侧大锥齿轮与顶部大锥齿轮啮合;右车轮由右侧传动轴固定在右侧,右侧传动轴通过支架处设有轴承支撑,同时传动轴穿过中空的内部传动轴并在右侧大锥齿轮凸台处设置的第二法兰轴承连接,右侧大锥齿轮与顶部大锥齿轮啮合。

内部传动轴的一端与右侧大锥齿轮刚性连接,同时内部传动轴的另一端与大孔小锥齿轮之间为刚性连接,右侧传动轴与十字锥齿轮传动轴中心开设的孔通过十字锥齿轮系传动轴轴承连接,右侧传动轴穿过十字锥齿轮系传动轴与小孔小锥齿轮刚性连接。空心交错斜齿轮与指南轴刚性配合的与轮辐式交错轴斜齿轮相啮合。

四、新型差动轮系指南车建模制作与仿真分析

图3 新型差动轮系指南车模型

当左车轮运动时带动左侧大锥齿轮转动,因左侧大锥齿轮与顶部大锥齿轮啮合,从而左侧大锥齿轮带动顶部大锥齿轮转动,顶部大锥齿轮带动右侧大锥齿轮,右侧大锥齿轮也会因此开始转动,左侧大锥齿轮与右侧大锥齿轮转动方向相反,由于大孔小锥齿轮与内部传动轴刚性连接,内部传动轴上还刚性连接有右侧大锥齿轮，所以大孔小锥齿轮被带动与右侧大锥齿轮同向转动,从而实现了左车轮控制右侧的大孔小锥齿轮。

左大孔小齿轮锥齿轮和右齿轮位于右传动轴上，因此它们以相同的速度和相同的方向旋转，以实现右轮控制左小孔小齿轮锥齿轮。

当指南车匀速前进时,由于两个轮子的速度,左边的大孔小锥齿轮和右边的大孔小锥齿轮以同样的速度反转,左边的大孔小锥齿轮和右边的大孔小锥齿轮和轴承孔的前后安排小锥齿轮啮合,前后布置的轴承孔小锥齿轮通过十字锥齿轮系传动轴卡接在空心交错轴斜齿轮内圈开设的方形凹槽内,故前后布置的轴承孔小锥齿轮不发生转动,不会影响空心交错轴斜齿轮,由于空心交错轴斜齿轮与轮辐式交错轴斜齿轮啮合,则指南轴不会发生转动。

当两个不同的车轮速度,两侧的左边右边大孔的小锥齿轮反向转速不同,小锥齿轮将推动安排前后轴承孔的小锥齿轮旋转时,进而带动空心交错轴斜齿轮转动,从而使轮辐式交错轴斜齿轮旋转向相反的方向,速度为两轮速之差即时带动指南轴转动，保证指南轴指向唯一的方向。

基于UG仿真对所制作的小车进行仿真设计，调节左右轮不同速率的变化，观察指南针的角度变化，是否能够达到符合预期的指南效果。设置左右两轮不同的角速度随时间的变化关系，观察指南针的角速度变化。仿真效果如图4所示。

图4 左右轮位移同指南方向随时间变化图像

基于改变两轮角速度随时间的变化图及指南针指向随时间的变化图，得出新型差动轮系在传动的平稳性，指南的精准性得到了一定的提升和改进。

五、结语

以上分析研究表明，与传统指南车相比，这种改进了的新型差动轮系指南车具有以下优点：一是使用机械传动轮系实现指南功能,通过在内部十字锥齿轮轮系外部嵌套空心交错轴斜齿轮，并使用外部斜齿轮传动,不仅传输效率、可靠性和精度指导变大,与此同时,整体结构更加紧凑,模块化轮系结构改善。二是车轮系统的创新设计，大大降低了原南向车的复杂性，提高了整车的稳定性，降低了生产成本。三是在车身的前底板固定了万向轮，以增强南向车的平衡。四是中空的内部传动轴，将中空的内部传动轴套装在右侧传动轴上，和齿轮系的分布设计，实现了在行进过程中，左车轮控制右侧大孔小锥齿轮，右车轮控制左侧大孔小锥齿轮，从而实现南指向的方向是相同的,以提高传动效率,可靠性,指向精度。