互動娛樂陀螺的設計*

□ 李長坤 □ 劉德山 □ 衛年麗 □ 孫志超 □ 楊金江

武漢理工大學 機電工程學院 武漢 430070

隨著社會的發展，越來越多的休閑娛樂器材走進了社區和公園，人們對精神生活品質也有了更高的追求。經市場調查發現，現有的公共休閑娛樂器材的娛樂模式大都是單純的個人休閑運動，娛樂過程中缺少與他人的互動及協作，缺乏趣味性和挑戰性［1］。陀螺作為一種古老傳統娛樂玩具，深受人們的喜愛，其運動形式新奇，但是游戲方式比較古老、單一，缺乏趣味性。

鑒于現有陀螺玩具的不足之處,結合剛體轉動原理及“不倒翁”原理，設計了這款互動娛樂陀螺裝置，它由陀螺車和漂移車兩部分組成，娛樂時需要陀螺車和漂移車駕駛者協作互動，共同控制裝置前進，所以，裝置的娛樂性很強，可以在陸地、水上進行娛樂活動。

1 互動娛樂陀螺的功能原理分析

設想人坐在陀螺上驅動陀螺旋轉，趣味性會很強。設計了具有上下兩層轉子的雙層陀螺，根據剛體轉動原理,當上下兩層轉子具有相同的轉動慣量和等大反向的角速度時，可以在很大程度上減弱人自身的旋轉。

根據陀螺的進動性，人坐在陀螺上時，通過傾斜身體，可以使裝置質心改變進而傾斜，從而使陀螺產生旋進運動。

結合“不倒翁”原理，降低質心，提高裝置的穩定性。通過手搖曲柄連桿驅動裝置，并且將上下兩層轉子設計成橢球形。人坐上陀螺之后，裝置整體的質心位置將處于橢球形面球心之下，穩定性很高。通過實驗發現，駕駛者即使較大角度傾斜身體，裝置任能保持平穩運動，從而可以實現裝置在地面上自由旋進。裝置的傳動機構如圖1所示。

裝置的傳動鏈為：人坐在陀螺上，搖動與腳踏板鏈輪相連的手柄，經鏈條傳動，將原動力傳遞給錐齒輪一，從而驅動上層轉子轉動，經錐齒輪三、四換向，驅動下層轉子反向轉動，從而實現裝置整體運動。

結合轉子形式，將裝置放到水上進行了一系列實驗，發現裝置可以在水上運動，經過改進，設計了船舵，裝置可以在水上旋進，從而實現了水上娛樂活動。為了更好地控制裝置運動方向，增強裝置的互動性，設計了漂移車，在駕駛過程中，陀螺車駕駛者提供動力，帶動漂移車前進，漂移車駕駛者通過扭動車身，可以輔助陀螺車駕駛者控制裝置前進方向。 裝置的整體效果如圖2所示，整體結構如圖3所示。

2 結構設計

2.1 陀螺車機構設計

陀螺車的主要結構包括曲柄連桿機構、鏈傳動機構、雙層轉子、分段主軸、齒輪換向結構及可升降座椅等。

2.1.1 雙層轉子結構

▲圖1 傳動機構簡圖

▲圖2 整體效果圖

上、下雙層轉子結構如圖3所示。為保證裝置質量分布均勻且平穩轉動，設計轉子為中心對稱形狀，采用橢球形結構；轉子的尺寸形狀設計考慮裝置的運動軌跡和行進方向，曲率半徑結合裝置和操作者的質量、體積進行優化設計，保證陀螺車不會側翻。設計轉子的最大外徑為1 000 mm，整體質心位置高650 mm，曲率半徑大于1 000 mm。

2.1.2 分段主軸結構

如圖4所示，上層轉子與主軸二之間安裝圓錐滾子軸承，上層轉子旋轉時主軸二不會發生旋轉，下層轉子與主軸一固定連接，主軸一與主軸二之間安裝圓錐滾子軸承，使主軸一與主軸二相互獨立，下層轉子與主軸一發生旋轉而主軸二不會發生旋轉。主軸二、主軸三和座椅采用螺栓連接，運動時，上下層轉子等速反向轉動，主軸一跟隨下層轉子轉動，產生運動動力，座椅不隨轉子轉動而轉動。

2.1.3 齒輪換向結構

如圖4所示，采用錐齒輪進行換向，由3級換向齒輪組成，錐齒輪七為輸入級主動齒輪；錐齒輪七、二嚙合，將豎直面內的運動轉化到水平面的運動；錐齒輪二、上層轉子和錐齒輪三固定連接，錐齒輪二、三與主軸二之間安裝有圓錐滾子軸承，保證上層轉子在逆時針轉動時，座椅不會發生轉動；錐齒輪四、六與錐齒輪三、五嚙合，使錐齒輪五等速順時針轉動，同時對稱的錐齒輪使傳動更加平穩可靠。

2.2 可調節舵的設計

伸縮式可調節舵如圖3伸縮滑道所示，主要由3個伸縮滑軌組成，其中包括2個水平伸縮滑軌、1個垂直伸縮滑軌以及1個翻轉卡死機構。進行陸地娛樂時，可調節舵起連接陀螺車與漂移車的作用；進行水上娛樂時首先將鎖扣打開，將舵水平方向拉出后旋轉90°，再將鎖扣鎖死，將舵豎直方向伸進水里面，即變成船舵，便可以進行水上娛樂活動。

2.3 四桿機構的設計

▲圖3 整體結構圖

▲圖4 分段主軸和錐齒輪換向結構

四桿機構如圖3所示，由3個轉動副和1個移動副組成。當互動娛樂陀螺的尾部上下移動時，只會引起漂移車的前后移動而不會引起漂移車的上下移動。當陀螺車左右擺動的時候可以帶動漂移車左右漂移，副駕駛可以感受到漂移的樂趣。

2.4 漂移車的設計

漂移車主要由萬向輪、導向輪、底板和可伸縮扶手組成（如圖3所示），萬向輪的設計可以實現漂移車的漂移運動；導向輪的設計則可以實現副駕駛與主駕駛的互動娛樂，二人相互協作，共同控制整個車體的行進方向；底板相對面積較大，提高了漂移車整體的穩定性；而可伸縮扶手的設計使副駕駛的適宜人群更加廣泛。此外，漂移車還可以為陀螺車提供一定的外力矩，保證整個裝置在行進過程中人不會發生轉動。

3 創新點分析

1）將剛體轉動原理與“不倒翁”原理巧妙結合。剛體轉動效仿陀螺的運動形式，趣味性強；“不倒翁”原理的運用使其運動更加平穩，安全性高。

2）設計上下兩層轉子，運用錐齒輪換向，使兩層轉子等速反向轉動，提供等大反向的角動量，保證駕駛者不隨轉子發生轉動，使整個裝置的運動更加平穩安全。

3）既可以進行陸地娛樂，也可以進行水上娛樂；且娛樂過程中需要兩個人的互動，娛樂方式多樣，娛樂性強。

4 結束語

互動娛樂陀螺制作加工完成之后，將其相繼放在廣場、公園等場所進行了運行試驗，能夠實現在陸地和水上兩種娛樂功能。裝置具有陀螺的奇妙的運動形式，而且需要兩位駕駛者的協作互動，娛樂性強；同時采用“不倒翁”原理，裝置的重心較低，運行十分平穩，安全性很好。裝置適宜人群廣泛，10歲以上青少年均可以駕駛這款玩具，應用前景良好。

［1］ 黎攀，饒駒，尤圓，等.城鎮居民小區健身設施有效性利用研究［J］.商情，2011（33）：85-87.

［2］ 黎明發.材料力學［M］.北京：科學出版社，2007.

［3］ 聞邦椿.機械設計手冊［M］.北京：機械工業出版社，2010.

［4］ 孫桓，陳作模.機械原理［M］.陜西：西北工業大學出版社，2001.

［5］ 彭文生.機械設計［M］.北京：高等教育出版社，2008.

［6］ 盧春煥，王長欣.連桿極位的確定及平面四桿機構設計［J］.煤礦機械，2006（4）：548-549.