机械化网球捡球车的研究与设计

王舜

摘要：机械化网球捡球车以人力驱动捡球车前进，电动机通过二级齿轮减速器和槽轮间歇机构，使工作机内的滚筒做周期性转动，工作机内的滚筒转动完成网球的收集。本文按照机械设计的基本流程，经过研究国内外现状，对比现存的网球捡球车机械结构，设计出机械化的网球捡球车结构，依据机械原理对机械结构进行设计计算，计算齿轮结构和轴，选择最合适的电动机；最后，通过AutoCAD绘制出高、低速轴零件图，整体机构的三维图等。整个设计完成了机械化网球捡球车的结构设计、计算、选材、绘图工作。

关键词：机械化；网球捡球车；结构计算

1.绪论

1.1研究的目的和意义

随着全民健身的推广和大众体育的普及，网球这项体育运动也在走进普通人的生活中，越来越多的人喜欢网球、热爱网球。然而对于大多数网球爱好者来说，捡球成为一件令人头疼的问题，因为网球技术的提升势必要进行大量的训练，而大量的训练就会导致整个网球场遍地的网球需要捡起，这种现象对于专业的网球运动员尤为严重。专业网球运动员都有专门的球童在赛场上捡网球，大多数网球爱好者既要训练又要充当球童的作用，而且球童这类职业的存在本身就是对社会资源的极大浪费，因此，研究一款机械化网球捡球车非常有必要。

本文的主要目标是完成一款机械化网球捡球车的设计任务，解决网球训练场上遍地网球影响训练的现象，减轻人工捡球的负担，使得网球训练者有更多精力、更多时间投入到训练中去，促进网球这项体育运动在我国得到更广泛的开展。本研究的预期目标是对以往网球捡球机低效率、卡球、损伤网球现象的一次改进与创新。

1.2国内外研究现状

众所周知，网球运动在欧美發达国家的发展已经非常成熟，国外热爱网球的群体很多，网球相关产品的研究人员也较多，但是国外网球产品的研究与中国基本处于同一水平，关于网球的收集机构的研究目前较少[12][16]，美国学者Alexand-erK.Guo[1]在2014年提出了Tennis Ball Pick-up Cart的研究产品，其结构复杂，造价成本高，体积较大，占用空间大，虽然操作简单、捡球效率高，但是不能自主完成捡球过程，需要人的辅助，综合来说还有很多需要改进的地方。

目前国内现存的网球捡球机构很少，比较经济的网球捡球机构基本都是以人工来操作的[9]，市场上已经出现的网球筐和网球筒，这两种捡球装置都是用弹性条状材料制作，其间距略小于网球直径，用力压下或者滚过球身时将球压进筐或筒中。这类机构一般都非常简单方便，但是效率低，需要人工参与的任然较多。经常出现“卡球”现象；对网球的损害较大，网球的使用寿命大大的降低了；并且这样的机构不能够捡拾网球场边缘的网球，而且对网球场地有一定的损伤。

中国学者王侃[2]和韩良[18]在2008年研究了一种手推式网球拾球车，此类捡球车为半自动式，此类机构主要适用于地上球较多的情况。它的体积非常庞大而笨重，与全自动捡球机相比较显出很笨拙，需要占用大量空间，训练人员训练时受到影响，还需要借助人工来操作，与智能化捡球机相比较浪费了大量的时间和体力，它的适用环境较局限。

卢飞跃和刘志锋[3]在2010年研制了一款遥控自动网球拾球机左右驱动轮由电动机带动，后轮和前轮分别采用普通轮和万向轮，起到很好的支撑作用。拾球机滚筒由万向轮带动传动齿轮组转动，万向轮与传动齿轮组之间是单向推力轴承联接，使得拾球滚筒在前进时转动而自动拾球。结构设计安装了传感器，安装在左右两端的红外反射式传感器用于躲避检测，储球箱的上部内侧安装了三对红外对射式传感器。电路板和电池是捡球机的控制部分，控制着其他部件的运动。这种网球捡球机制造成本大，操作复杂给使用者带来不必要的麻烦，辨识网球的灵敏性还有待考证。

目前较先进的捡球器是全自动捡球机，位于上海机电学院的吕腾飞和陆丽[4]研究了智能网球捡球机，其采用机械臂和图像识别等高科技，不需要人工操作，可以完成自动捡球，但这种机构效率低，而且每次只能捡起一个网球，而且机构非常复杂，成本也相当高，不容易推广。

1.3本文的研究内容

综合已有研究存在的捡球效率低、体积笨重、操作复杂、使用寿命低的问题，设计一款高效率网球捡球机是非常必要的。考虑到如果产品的自动化程度较高必然导致成本高，大量推广难度大，而且自动化程度越高则操作就越复杂，其产品的稳定性就很难保证，本文拟设计一种机械化网球捡球车，能够解决因捡球带来的浪费人力、物力、财力问题，解决同类产品中的卡球和损伤网球现象。

2.总体方案设计

2.1捡球车的机构传动

电动机提供动力带动高速级齿轮转动，通过二级齿轮减速器，将轴3的转速减到合适大小，联轴器连接低速级齿轮与槽轮机构，槽轮间歇机构使得工作机做周期运动[19]。

2.2工作机简图

弹性绳滚筒2通过滑动轴承与槽轮间歇机构相连，带动弹性绳滚筒2做周期性的间歇运动，网球被挤进外壳1与网球储存装置3之间，在弹性绳滚筒做周期运动的条件下，网球自动滚进网球储存装置3中，完成一次捡球运动（如图2-1）。

2.3运动功能分解

第一步：人力提供动力，推动网球捡球车前进，万向轮可以调节前进的方向。

第二步：启动电动机，通过二级齿轮减速器和槽轮间歇机构，装置2做周期性转动。

第三步：装置2上的弹性圆绳将网球挤进装置1与装置3之间。

第四步：捡球车前进的同时，电动机也在转动，装置2也一直做周期性运动，其它网球又被挤进装置1与装置3之间，并且之前挤进的网球会继续转动。

第五步：如此往复运动，把所有网球都运送到装置3内。

第六步：网球车停止前进，将电动机关闭，取出装置3内的网球，完成网球的捡起运动。

3.机械部分的设计计算

3.1电动机的选择

（1）各传动机构的效率：

一级圆柱齿轮传动的效率为η1=0.9；一级滚动轴承传动的效率为η2=0.98；槽轮机构传动的效率为η3=0.9；刚性联轴器的效率为η4=0.99；η=η η η =0.868为传动装置的总效率。

（2）电动机所需功率： W

选择电动机的型号为：YT0110，额定功率为：110W、转速为：1350r/min。

3.2齿轮结构设计

因为小齿轮的直径很小，所以本文采用齿轮结构。大齿轮采用孔板式结构，大齿轮2的孔径由后续设计的中间轴的直径决定，设计结果表3-1中。

3.3轴的设计

由于轴的工作条件决定轴的材料[17]，因此初选轴的材料为Q235，处理方式为调质处理。由各轴段的直径以及长度可以确定各类轴的尺寸大小[18]。各轴段尺寸图如下图所示。

4.结论

本论文顺利完成了预期任务，通过一步一步的精细计算和仔细绘图，设计出的机械化网球捡球车能基本完成预期的功能。可以应用于各类网球场，并且做到不卡球、不损坏网球、不损坏球场等。因此，在网球训练过程中繁琐的捡球任务可以得到很大程度的减轻。本次设计机构简单，容易操作，成本低廉，在市场上与同类产品竞争具有很大的优势。当然，本次设计也存在许多不足之处，目前的此款捡球机还不能实现智能捡球的功能等。相信关于网球捡球机构的研究不会停止，还会有更多更好的设计产品涌现出来。

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[4]吕腾飞，陆 丽，何炳林，朱晓璇，陈 涛.智能网球捡球机的研制[J].科研发展.

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