电机控制下的指南车设计

赵海贤，李 莉，刘春哲，刘艳军

（承德石油高等专科学校，河北承德067000）

指南车是中国古代交通领域里一项伟大发明，其在齿轮传动方面取得的杰出成就，被认为是现代控制机械的鼻祖。多年来，人们在对指南车的研究中获得不少成果，这些研究大多是在纯机械领域中机构的创新，产生了很多不同功能的新的机构，促进了机械研究的发展。上述这些研究，主要是根据史书记载，对指南车进行的复原，利用的都是齿轮差动装置，属于纯机械的设计，由于这些设计齿轮数目很多，一般都在10个以上，对齿轮精度要求很高，如果制造误差大的话，传动精度受到影响，指南车的指向功能也随之受影响。

1 指南车及其结构简介[1]

古代指南车结构的一种原理图如图1所示，其中使用了一个差动轮系传动结构和齿轮系传动结构，以差动轮系为中心两边齿轮系是对称的，齿轮大小相等，具有相同的传动比，指标固定在差动轮系行星轮的转臂轴线上。该结构要具备指南车的功能，车轮之间的距离、车轮的直径和齿轮系的传动比，三者之间要满足具体的尺寸关系要求。首先车左右两边齿轮系的传动比要求相等，设：

车轮之间的距离为L,

车轮的直径为D,

齿轮系的传动比为i,

且L=n D。

假设指南车左转，左车轮不转，右车轮绕其转动。

根据几何关系得：当右车轮绕自身旋转一周时，右车轮绕左车轮旋转了180/n（°）,也就是车子转过了180/n（°），根据差动轮系的传动关系式：

n1-n3=2 nH,

要使车上的指标方向保持不变，则要求差动轮系上边齿轮旋转360/n（°），则齿轮系的传动比i为1/n，于是三者之间的关系为Li/D=1。

该结构的指南车，对车轮的旋转次序没有严格的要求，即不必以一个车轮为中心，另一个车轮为半径就地旋转，可以自由旋转。

图1 指南车原理图

2 基于自动控制的指南车原理

由于电机转速不同时，速度快的一侧定子绕组会有电压信号输出，利用极化继电器的吸合作用，使得相应的齿轮啮合，带动指针转动。其内部原理图如图2所示：两个轮子两侧同轴安装两个相同电机，电机与极化继电器相连。其工作过程如下：

（1）在起始位置，使车上的指针调于指南方向。

（2）当车子向左转动时，右侧定子绕组有电压信号输出，B点电位高于A点电位，此时极化继电器向一侧吸合，电磁吸包A1得电吸合，此时组合齿轮G2与斜齿轮M啮合，带动G3转动，与G3同轴相连的指针也随之转动。

图2 基于自动控制的指南车内部原理图

（3）当车子向右转动时，左侧定子绕组有电压信号输出，A点电位高于B点电位，此时极化继电器向另一侧吸合，电磁吸包B1得电吸合，此时组合齿轮G1与斜齿轮S啮合，带动G3向相反的方向转动，与G3同轴相连的指针也随之转动（两个弹簧的作用是保证G1、G2、M、S的位置准确）。

（4）应保证车轮是纯滚动的。只要车轮不离开地面，再次启动无需调整校对指针指向。相应的电路如图3所示。

图3 电路图

此原理的指南车已经加工制造成功，实物内部结构图如图4所示。

图4 实物图

3 新型指南车的应用

这种新型指南车可以在工艺设计上对该作品进行包装，做成教学仪器,使学生在学习齿轮传动及电路知识时，能够接触到实物，提高学习兴趣；可以做成工艺品进行收藏；也可开发成智力玩具；可以启发学生的思维，做成博物馆的展览模型供人们参观，甚至还可以做成盲人的轮椅。这种无障碍设计能应用到许多公用设施，也可作为旅游自动指向或自动购物车，在旅馆、酒店也可作为自动送运车将食物自动送客人房间。

4 结束语

该结构操作简便而且可靠,由于运用了自动控制设备,使得指向角度能够达到准确控制,提高了操作性能和准确度。

[1]杜俊玮，李 林.基于指南车的新型转向机构的设计和应用[J].机械传动，2007，31（05）:501-511.

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[3]祖炳洁,刘希太,王海花.大功率履带推土机的差速转向技术[J].土石方机械与施工技术，2006，（1）：82-83.

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[5]李 琛.我复原了黄帝指南车[J].未来发明家，2003，(3)：88-89.

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