電機控制下的指南車設計

趙海賢，李 莉，劉春哲，劉艷軍

（承德石油高等專科學校，河北承德067000）

指南車是中國古代交通領域里一項偉大發(fā)明，其在齒輪傳動方面取得的杰出成就，被認為是現(xiàn)代控制機械的鼻祖。多年來，人們在對指南車的研究中獲得不少成果，這些研究大多是在純機械領域中機構的創(chuàng)新，產(chǎn)生了很多不同功能的新的機構，促進了機械研究的發(fā)展。上述這些研究，主要是根據(jù)史書記載，對指南車進行的復原，利用的都是齒輪差動裝置，屬于純機械的設計，由于這些設計齒輪數(shù)目很多，一般都在10個以上，對齒輪精度要求很高，如果制造誤差大的話，傳動精度受到影響，指南車的指向功能也隨之受影響。

1 指南車及其結構簡介[1]

古代指南車結構的一種原理圖如圖1所示，其中使用了一個差動輪系傳動結構和齒輪系傳動結構，以差動輪系為中心兩邊齒輪系是對稱的，齒輪大小相等，具有相同的傳動比，指標固定在差動輪系行星輪的轉臂軸線上。該結構要具備指南車的功能，車輪之間的距離、車輪的直徑和齒輪系的傳動比，三者之間要滿足具體的尺寸關系要求。首先車左右兩邊齒輪系的傳動比要求相等，設：

車輪之間的距離為L,

車輪的直徑為D,

齒輪系的傳動比為i,

且L=n D。

假設指南車左轉，左車輪不轉，右車輪繞其轉動。

根據(jù)幾何關系得：當右車輪繞自身旋轉一周時，右車輪繞左車輪旋轉了180/n（°）,也就是車子轉過了180/n（°），根據(jù)差動輪系的傳動關系式：

n1-n3=2 nH,

要使車上的指標方向保持不變，則要求差動輪系上邊齒輪旋轉360/n（°），則齒輪系的傳動比i為1/n，于是三者之間的關系為Li/D=1。

該結構的指南車，對車輪的旋轉次序沒有嚴格的要求，即不必以一個車輪為中心，另一個車輪為半徑就地旋轉，可以自由旋轉。

圖1 指南車原理圖

2 基于自動控制的指南車原理

由于電機轉速不同時，速度快的一側定子繞組會有電壓信號輸出，利用極化繼電器的吸合作用，使得相應的齒輪嚙合，帶動指針轉動。其內(nèi)部原理圖如圖2所示：兩個輪子兩側同軸安裝兩個相同電機，電機與極化繼電器相連。其工作過程如下：

（1）在起始位置，使車上的指針調(diào)于指南方向。

（2）當車子向左轉動時，右側定子繞組有電壓信號輸出，B點電位高于A點電位，此時極化繼電器向一側吸合，電磁吸包A1得電吸合，此時組合齒輪G2與斜齒輪M嚙合，帶動G3轉動，與G3同軸相連的指針也隨之轉動。

圖2 基于自動控制的指南車內(nèi)部原理圖

（3）當車子向右轉動時，左側定子繞組有電壓信號輸出，A點電位高于B點電位，此時極化繼電器向另一側吸合，電磁吸包B1得電吸合，此時組合齒輪G1與斜齒輪S嚙合，帶動G3向相反的方向轉動，與G3同軸相連的指針也隨之轉動（兩個彈簧的作用是保證G1、G2、M、S的位置準確）。

（4）應保證車輪是純滾動的。只要車輪不離開地面，再次啟動無需調(diào)整校對指針指向。相應的電路如圖3所示。

圖3 電路圖

此原理的指南車已經(jīng)加工制造成功，實物內(nèi)部結構圖如圖4所示。

圖4 實物圖

3 新型指南車的應用

這種新型指南車可以在工藝設計上對該作品進行包裝，做成教學儀器,使學生在學習齒輪傳動及電路知識時，能夠接觸到實物，提高學習興趣；可以做成工藝品進行收藏；也可開發(fā)成智力玩具；可以啟發(fā)學生的思維，做成博物館的展覽模型供人們參觀，甚至還可以做成盲人的輪椅。這種無障礙設計能應用到許多公用設施，也可作為旅游自動指向或自動購物車，在旅館、酒店也可作為自動送運車將食物自動送客人房間。

4 結束語

該結構操作簡便而且可靠,由于運用了自動控制設備,使得指向角度能夠達到準確控制,提高了操作性能和準確度。

[1]杜俊瑋，李 林.基于指南車的新型轉向機構的設計和應用[J].機械傳動，2007，31（05）:501-511.

[2]趙建軍.履帶車輛差速式轉向機構動力學分析與比較[J].工程機械，2002，(8)：18-21.

[3]祖炳潔,劉希太,王海花.大功率履帶推土機的差速轉向技術[J].土石方機械與施工技術，2006，（1）：82-83.

[4]李 嵐，張桂華，陳艾華.履帶式機械差速轉向機構的設計[J].機械傳動，2005，(29)：43-44.

[5]李 琛.我復原了黃帝指南車[J].未來發(fā)明家，2003，(3)：88-89.

[6]楊慧香，呂長松，馮 奕.一種新型指南車的設計[J].吉林工學院學報，1998，19（2）：39-41.