玩具小车的设计

玩具小车的设计

摘要

本设计课题研究的主题是将设计出一款拥有真实汽车一样的变速小车。变速小车主要包括动力系统，变速系统，控制转向系统，以及制动系统。本课题选用了直流电动机，和机械变速控制的变速箱，在操作上与真车无异。

关键词

变速、转向、制动

Abstract

This design topic research's subject is designs one section to have the real automobile same speed change car. The speed change car mainly includes the dynamic system, the speed change system, the control steering system, as well as braking system. This topic has selected the direct current motor, with power shifting control gear box, in operation and really car the same.

Changes speed Change Brake

正文

1 绪论

随着社会的发展，生活水平的提高，人们生活已渐渐从物质生活转变成精神生活，这使得各种各样的消费品为世人所接受。而由于过大的人口基数，使得中国实行了计划生育的基本国策，独生子女越来越多，这使得孩子逐渐成为了人们的中心，孩子的消费在家庭中也占了很大的比重，同时儿童的玩具也出现了不同的元素。

玩具小车自从汽车出现就已在男孩子的玩具世界中占了重要的角色，几年前更是出现了自动行驶的玩具小车，推动了玩具小车市场，逐渐向汽车靠拢，各种各样的玩具小车也出现在市场当中。虽然现在市场中的玩具小车名目繁多，各式各样，可是却与现实的汽车存在差异。

首先：现今的玩具小车虽然已经实现了如真实汽车一样的手动操作，却只有固定的两个转速，一个是前进，另一个则是后退，不能像真实汽车一样的实现变速，降低了玩具小车的操作性。其次：现今的玩具小车行驶速度过慢，往往还赶不上成人步行的速度，这样虽然安全，可是却体现不出驾驶的刺激与乐趣，使玩具小车永远停留在玩具的高度，得不到提高。

本课题主要是致力于设计出一款与真实汽车并无多大差异的玩具小车，使玩具小车具有变速能力，具有不同的转速的同时还加上了离合器、刹车等汽车中上的主要操作部件，使玩具小车具有同汽车一样的操作方法。这样既能提高玩具小车的操作性，还能把小车当作驾驶教具，让孩子在玩耍的同时还能掌握驾驶技术，可谓是一举两得。

2 变速小车的整体设计

2.1 变速小车工作原理

变速小车是靠固定转速的电机提供初始转速，在经过变速装置将转速传递到

小车后轮上，使小车具有动力。传动原理如图 1

图 1小车传动原理图

2.2 变速小车各组成系统分析

变速小车主要是由动力系统、传动系统、控制系统、车身四大部分组成。

小车的动力原件是直流电动机，它将电能转换为机械能输出动力和转速，再通过变速箱将动力和转速传递给小车。

小车的传动系统是由电动机输出转速，通过联轴器传递到变速箱的第一轴，再在变速箱内通过多轴不同齿轮的啮合产生不同的传动比，将电机固定转速实行多级分化，让小车达到变速的功能。

小车的控制部分主要分为三个部分组成。一是方向控制；二是变速控制系统；

三是制动系统。这三个部分的控制主要是依靠曲柄连杆机构实现。变速控制是将变

速杆与曲柄联动机构相连，通过曲柄联动机构拨动链条，使不同的齿轮啮合，完成

变速功能；方向控制则是通过斜轮啮合将方向盘的斜向转动传动到连杆机构上，通

过连杆机构转动前轮，完成前轮的转向问题使小车前轮实现单向转动，达到现实汽

车的转向。制动是通过制动控制器连接曲柄联动机构，分离动力元件和工作元件，

避免制动时电机忽然停转增大电流烧毁电机，其次在通过曲柄联动机构控制制动元

件实现制动。

2.3 小车的主要设计参数

主要参数

小车时速： 10km/h 8km/h 5km/h 3km/h

额定载客： 1人额定载重：50kg

3 小车变速系统的设计

3.1 变速箱的结构分析

发动机的物理特性决定了变速箱的存在。首先，任何发动机都有其峰值转速；其次，发动机最大功率及最大扭矩在一定的转速区出现。比如，发动机最大功率出现在5500转。变速箱可以在汽车行驶过程中在发动机和车轮之间产生不同的变速比，换档可以使得发动机工作在其最佳的动力性能状态下。

变速箱虽然主要目的是为了使小车实现变速的功能，同时使用变速箱却也使得小车性能更加优越。例如：当小车正要起步或爬坡时，这时转矩过大，电机内部电流增高，如果突然停止此时电流无限升高，很可能将电机烧坏。但是如果此时使用大传动比的齿轮传递转速，这样可以增大力矩，减小电机转速，可以起到保护电机的作用，同时还提高了小车的操作性。

由于玩具小车体型上的限制，这就要求变速箱拥有较小尺寸的同时还要达到变速要求。为了使变速箱体型更加紧凑，通过查阅了各种变速箱的结构特选定了多轴连杆传动的变速箱。这种变速箱就是将主动轴分布在同一直线上，再将被动轴分布在另一直线上。输出轴上的齿轮与轴体是虚套的，各齿轮虽然与输入轴对应的齿轮常接合，但每一时刻只有其中一对齿轮起作用，其它齿轮空转。不同的齿对起作用，输出轴的转速就不同。通过改变起作用的齿对，可以实现不同的传动比。实现变速的关键部件是套在输出轴上的滑套，它通过花键与输出轴连接，带动轴体旋转。驾驶者通过拔叉控制滑套与旋转齿轮的接合。滑套上面有凸块，滑套的凸块插入齿轮的凹位，把滑套与齿轮固连在一起，使齿轮带动滑套，滑套带动输出轴，将动力从输入轴传送至输出轴。摆动拨叉可以控制滑套与不同齿轮的结合与分离，达到换档的目的

3.2 小车变速箱的设计

变速器具有这样几个功用：

①改变传动比，扩大驱动轮转矩和转速的变化范围，以适应经常变

化的行驶条件，同时使发动机在有利(功率较高而油耗较低)的工况下工作；

②在发动机旋转方向不变情况下，使汽车能倒退行驶；

③利用空挡，中断动力传递，以发动机能够起动、怠速，并便于变

速器换档或进行动力输出。

而变速箱实现便速的原理则是通过拨叉摆动滑套与旋转齿轮的接合，不同的齿轮啮合组拥有不同的传动比，而通过滑套与不同的齿轮对连接就实现了不同

的转速。

变速箱的工作原理如图2所示：

图 2变速箱的工作原理图

如图2所示，绿色输入轴通过离合器和发动机相连。通过一对固定齿轮的啮合，绿色轴带动红色中间轴的旋转。黄色轴输出轴是一根等直花键轴，两蓝色齿

轮空套在轴上，蓝色齿轮和输出轴是由套筒来连接的，套筒随着花键轴转动，同

时也可以在轴上左右自由滑动来啮合齿轮（蓝色）。

当小车要变速时只要通过换挡叉拨动滑套与与之转速相对应的齿轮就可实现变速。小车变速原理，如图3：

图 3 小车变速原理图

如图所示，输入轴（绿色）带动中间轴，中间轴带动右边的齿轮（蓝色），齿轮通过套筒和花键轴相连，传递能量至驱动轴上。在这同时，左边的齿轮（蓝色）也在旋转，但是由于它是空套在轴上，且没有和轴套结合所以其转动对小车行进没有影响。

当套筒在两个齿轮中间时，变速箱在空挡位置，两齿轮都不与轴套结合。以上是变速箱的变速原理，而实际的变速箱则要比之复杂许多，其拥有的变速级数也就更多，在拥有不同的变速比的同时还拥有了倒退的档位。

要实现不用使电动机反转就能实现倒档只要在一齿轮对中间加上一个齿轮，就可是传动方向转变，如图4所示：

图4 换向原理图

齿轮（蓝色）始终朝其他齿轮（蓝色）相反的方向转动。这样就实现了倒档。

本课题所研究的玩具小车拥有4个速度，和一个倒档。

当拍档杆波到一档时，换挡叉波动轴套与一档的齿轮结合，其它档位依然。

传动系统图如下：

图5 小车变速箱传动系统图

换挡原理

首先在变速箱的顶部开有供换挡叉移动的槽。如图所示

图6 变速箱体换挡位

图7 拍档杆档位置

当拍档杆、换挡叉处于中间位置，三个轴套不予任一齿轮接合，所有齿轮在轴上空转，不传递功率。

当拍档杆处于1档位置时，换挡叉向左运动与一档大齿轮接合，当拍档杆处于2档时，换档叉向右运动，与2档齿轮接合，其他依然。

要实现同一时间有且只有一个齿轮和轴套接合，只有在特定的档位时，三个换叉只有一个可以运动到接合位置。为此将与换档叉相连的连接杆设计如下。

在换挡叉与连接杆接触的地方钻孔装上弹簧弹珠，并在换挡叉的套筒上相对位置上钻孔，用于换挡叉与连杆的定位与连接。如图所示：

当拍档杆处于1档位置时，2、3换挡杆受变速箱空位影响不能移动，弹珠受套筒挤压压下弹簧就可从套筒空内弹出，这样就只有一个轴套与齿轮接合；当推出一档时，弹珠受套筒挤压向下运动，又可回到初始位置，使三个换挡叉同是运动。

变速箱是连接电机和工作原件的中间机构，所以要确定其各个参数要通过所选电机和实际车速决定。

3.2 直流电机的选择

电动机驱动经链轮传动后,驱动车轮旋转，从而使车体沿车场内车道运行。所以电机表现为克服车轮在车道上旋转运转的摩擦力作功。

车辆载客运行最大速度需用功率

已知负荷：N=（50kg×9.8N）/4=122.5N

所以摩擦力f = μN = 0.15×122.5≈18.38N

μ—摩擦系数

最大运行速度: v =10 km/h≈2.8m/s

需用功率 P1 = k.f.v/(η链)

= 1.3×18.38×2.8*0.96)

≈256w

k —动载系数

现有小车所有时速分别为10km/h 8km/h 5km/h 3km/h

再根据设计中小车车轮的直径是200mm 由此可以计算出小车的周长是1.26m 再通过小车时速可以算出小车后轮转速分别为 133r/min 106r/min

66r/min 40r/min

由于直流电动机的转速可以根据设计设计所得，故而现选用电机转速为106r/min 功率为300W ＞256W 故而可选

额定工作电压：DC12V 电机功率：300w

电动机转速:106r/min

3.3 变速箱齿轮的设计

现已知，电动机输出转速106r/min,输出功率300w,变速箱输出转速133r/min 106r/min 66r/min 40r/min 则变速箱的传动比为 112n i n ==120133=0.81231201120

n i n === 134120 1.866n i n === 145120340

n i n === 3.3.1 变速箱齿轮的设计

各齿轮由于传动比功率的不同，其选用的齿轮材料也不相同。现选用最高级传动小齿轮材料HT300查《机械设计》表5-1得：硬度为207~310HB ，取210~300HB 大齿轮轮材料HT200硬度为151~229HB ，取160~220HB 次高级传动小齿轮材料 HT250硬度为：

180~169HB ，取190~160HB 大齿轮材料HT200 齿面硬度151~229 ，取160~220HB 下一级小齿轮材料HT250硬度为：180~169HB ，取190~160HB 大齿轮材料HT200硬度为

151~229HB ，取160~220HB ： 最低级小齿轮材料 : HT250硬度为：180~169HB ，取190~160HB 大齿轮材料 : HT200硬度为151~229HB ，取160~220HB.

先设计最高级齿轮对，即是传递小车最低转速的齿轮对（一档齿轮）。

选齿轮精度为8级

查《机械设计》得：lim1550H Mpa σ=，lim2340H Mpa σ=。

计算其盈利循环次数N

7116060*106*1(3*2*300) 1.1448*10N n jLh ===

61271.1448*10/2.56 4.47*10N N i

=== 查《机械设计》图5-17得

1 1.25N Z =，

2 1.6N Z = （允许有一定点蚀）

取 1.0W Z =,lim 1.0H S =，0.92LVR Z =

计算疲劳许用应力由《机械设计》世5-28得

[]lim111lim 550*1.25*1.0*0.92632.51

H H N W H Z Z Mpa S σσ=== []lim222lim 340*1.6*1.0*0.92500.481H H N W H Z Z Mpa S σσ=

== 按接触疲劳强度确定中心距α

由《机械设计》世5-18得

213(1)()2[]

H E t H Z Z Z KT a u mm u αφδε≥+ 世中3410.39550*10*

2.7*10106T == 由于转速不高初取2 1.0e e K Z ε=

取0.4a Φ=

由《机械设计》表5-5得

188.9E Z Mpa =

由《机械设计》世（5-14）

计算22 2.5cos sin cos 20sin 20

H Z ===αα 初定中心距

213(1)()2[]

H E t H Z Z Z KT a u mm u αφδε≥+4321.0*2.7*10 2.5*188.9(2.561)()80.92*0.4*2.56500.48=+= 取α=85mm

一般取(0.01~0.02)(0.01~0.02)*860.85~1.7m a ===

取标准模数m=1 齿数122*8547.7(1) 2.561a Z m i =

==++ 取整1Z =48

2148*2.56122Z Z i mm ===

则可得到

111*4848d mZ mm ===

112*482*1.0*150a a d a h m =+=+=

11cos cos2045.1b d d =α=48*=

22cos cos20114.6b d d =α=122*=

圆周速度 13 3.14481060.226/60102

d n

v m s π??===? 由《机械设计》表5-6知 选取齿轮精度8是合适的

由《机械设计》表5-3知电机驱动平稳 取 1.1A K =

10.226*480.317/100100

VZ m s == 按1100

VZ 8级精度查《机械设计》图5-7a 得 1.025K β= 按8级精度由表5-4得 1.1K α=

1.1*1.01*.025*1.1 1.253A V K K K K K βα===

由《机械原理》公式计算端面重合度

011245.1arccos arccos 25.577850

b a b d a d === 0222114.6arccos

arccos 22.4529124b a a d a d === []1122221(tan tan )(tan tan 1.8222a a Z a a Z a a ε=-+-=π 2.56 2.56 1.8330.2433

a a Z -ε-=== 由《机械设计》公式（5-17）得

2121H H E KT i Z Z Z bd i

ε+σ= 22*1*270002.5612.5188.90.2419.2*48 2.56

+=--- 192.4Mpa = ≤ []2500.48H Mpa σ=

故而是安全的

从而可这对齿轮得参数如下

148Z = 2122Z =

2.56i = m=1

148d = 2122d =

150a d = 2124a d =

85a = 119.1b =

218b =

由于所有齿轮平行分布在两条轴上，所以其中心距是相等得

所以可得到所有齿轮对的模数是相同得都是m=1

且同上可算出各齿轮对得参数如下且校核安全

传动比为1.6得齿轮对

166Z = 2104Z =

166d = 2104d =

168a d = 2106a d =

126.3b = 226.3b =

传动比为1的齿轮对

185Z = 285Z =

185d = 285d =

185a d = 285a d =

1234b b ==

传动比为0.8的齿轮对

195Z = 275Z =

195d = 275d =

197a d = 277a d =

131b = 229b =

实现倒档的齿轮对

140Z = 234Z = 364Z =

140d = 234d = 364d =

142a d = 236a d = 366a d =

3.4 变速箱体轴的设计

3..

4.1 变速箱轴的设计

主动轴的设计

由以上部分可知：主动轴传动的功率为300W ，转速为106r/min 五队齿轮都是直齿圆柱齿轮。其分度圆直径分别为48mm 、66mm 85mm 95mm 40mm 齿宽分别为19.1mm 26mm 34mm 29mm 16mm 该轴传递的功率小，转速低故而齿轮材料选用45优质碳素钢调制处理，其机械性能由

《机械设计》表8-1查得637Mpa βσ= 253Mpa δσ= 1268Mpa -σ= 1155Mpa -τ= 0.2σ?= 0.1r ?=

按扭转强度先计算轴径 由《机械设计》式（8-2）及表8-2得

3300.3110*15.56106

p d A n ===mm 考虑到轴安装齿轮需要开键槽故而将直径加大并区标准值，所以轴端最小直径为17mm 现以?17的等直径轴为基础设计

a ： 在轴的输入端安装牙嵌式离合器，其空径为17mm 长度为30mm 离合器与外端面由于要安装离合器装置所以与轴承相距30mm 根据装菜需要安装轴承的轴段直径应该较最小直径稍大，故初选61804轴承，其孔径为20mm 宽为7mm 轴承与齿轮相距为10mm 所有齿轮之间相距为30mm 且用轴套固定。其各部件分布如下

按弯矩合成校核轴`

因为其转速相同，转矩相同，故而只要校核其中最危险截面 输出轴转矩3

30.39550*10*27028/106p N mm n T =9550*10== 由于 2t T F d =

所以可以算出11126t F N = 2819t F N = 3636t F N = 4569t F N = 51351t F N =