玩具车底盘及传动转向设计

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1、南华大学机械工程学院毕业设计（论文）大学四年我们在老师的指导下已经做了很多的设计，但是，毕业设计是我们 这四年最后一次设计，也是大学四年来最重要的一次设计。 它是对我们这四年专 业学习的最彻底的一次检测和总结。通过这次设计不仅可以让我们更加熟悉和巩 固之前所学习的专业知识，而且让我们更加深入的了解了机械这一行业， 并且这 次设计是联系到了生活中的实际问题， 具有重要的现实意义。由于这次设计的重 要性与现实性，所以这次设计的设计量也是这四年来最大的。 我们不仅要回顾之 前所学习的知识，还要去学习探索在课堂里没接触的东西。 这次设计我们进行了 大量的资料查询，并运用了大量的设计手册里的设计标准及其

2、许多网络上的相关 资料，这不仅加强了我的设计能力同时也在不只知不觉中提高了我的自学和查找 资料的能力。而在后续的产品设计与造型中我的分析能力与制图和读图能力也得 到了很大的提高。我的毕业设计设计课题是：“遥控玩具汽车的外形及机械系统的设计”。这个 课题是在我们曾经的课程设计的基础上的扩展和延伸。 既用到了曾经所学的专业 知识又学习到了很多新材料的设计标准与知识。尤其是塑料齿轮的设计是本次设 计的重点也是设计中最难的一步。虽然国外对于塑料齿轮的设计已经不再是什么 新鲜事，但在中国这一课题还只是刚起步而已， 很多设计并没有统一的标准，所 以许多资料必须依据国外的设计标准来完成， 这也让我感受到了我

3、国机械行业与 国外发达国家的差距之大。一些错误与问题，希望老师们能予以纠正。第1页共66页南华大学机械工程学院毕业设计（论文）1绪论1.1玩具汽车发展与状况分析玩具汽车开始于19世纪的欧美，并且都为无动力玩具汽车。但随着欧美铁 路事业的发达，火车的普及，玩具汽车里也开始出现了以发条或蒸汽为动力的汽 车玩具。而在20世纪开始，随着以玩具促进孩子成长的思潮的兴起，具有启蒙或是 开发儿童智力的玩具开始成为玩具市场的主流产品。与此同时，人们开始将新的动力一一电，应用于玩具汽车中。因此玩具汽车成了最精致的玩具之一， 它不仅 在儿童中流行，同时也深受许多成年人的喜爱。这些玩具汽车不仅可以对汽车外 形进行改

4、造甚至可以根据需要对玩具汽车内部结构进行少量的改造而达到预期 目的。在两次世界大战之后，玩具汽车开始在玩具市场中占据一定数量的市场份 额，而在之后电池的出现与无线遥控技术的发展进步，也使得玩具汽车的形式与 种类变的更加多种多样。而在如今玩具汽车已经不再是简单的玩具而已了， 如今许多国家都将遥控玩 具汽车的技术应用于军事战略项目中，而在一些地形勘探或是考古活动中也能见 到遥控玩具汽车的身影。就连当今的好莱坞大片中许多玩具汽车也成了影片中的 电影明星。正是由于欧美玩具汽车行业起步早，工业与电子自动化控制水平也普遍高于 中国，所以玩具汽车市场在欧美已经形成了较为规范的生产制造流程。并且，美国早在19

5、61年就颁布了第一部针对玩具制造而作出规定的法案联邦有害物质 管理法，而且目前中国的海关入口商品玩具编码产品中，有70%的产品均是电动玩具车系列。而相对于中国的玩具汽车行业则起步相对较晚， 开始于改革开放后，而且目 前的玩具汽车行业并没有出台相应的玩具汽车统一标准， 因此质量参差不齐，市 场管理混乱，且生产出来的玩具汽车的合格率与质量远低于欧美产品。 但在中国 也不乏玩具汽车制造的佼佼者，如 Rastar品牌玩具车模型，且产品销售一直处 于龙头位置。Rastar是广东星辉车模股份有限公司的主打产品之一。广东星辉车 模股份有限公司是一家专业生产车模型的企业，生产世界上20家著名汽车企业 如“宝马

6、”飞驰”克莱斯勒”悍马”等的车模，该公司是国内拥有最 多著名轿车企业授权生产玩具的车模型生产企业之一。虽然中国的玩具汽车行业起步晚，生产水平还相对较低，但是据该行业相关 的专业人士分析，在中国玩具汽车行业至少有 45亿人民币的市场。因此市场份 额还是相当大的。再加上如今人们的生活水平的不断提高，轿车正在逐渐成为家 庭出行的重要工具之一，于此同时也将间接带动玩具汽车的销售市场。如今的许多电影或动画中也不乏涉及玩具汽车的故事如 汽车总动员、四驱兄弟、四 驱小子、变形金刚等都极大的促进了玩具汽车市场的发展壮大。因此眼下国 内的玩具汽车制造企业应不断把工作重心致力于产品的发明创新，不断提高玩具汽车的产

7、品质量，并研发出环保安全的玩具材料，不断发掘玩具汽车的附加价值 与娱乐功能和使用功能，才能在不久的将来赶超欧美国家，使国内的玩具汽车也 能进入高端档次玩具的行列。1.2材料分析由于玩具汽车体积小，市场需求量大，所以所需的制造材料必须成本低廉， 容易成型，又不易损坏。因此高分子化合物及大家常说的塑料便成为了最理想的 制造材料。因为大多数塑料质量较轻，化学性质不易变化，不会生锈；耐冲击性 良好；具有很好的透明性和耐磨性；绝缘性极好，导热性能低；一般易于成型和 易于着色，加工成本也较低。当然塑料材料也有不少缺点，大部分塑料都不耐热，受热容易膨胀，极易燃 烧；尺寸稳定性低且容易变形；并且多数塑料在低温

8、条件下容易变脆且易老化； 某些塑料还极易溶于某些溶剂。但玩具汽车的使用并不处于极端温度中，且很少 能与有害的化学实验溶剂相接触，因此这部分缺点并不影响玩具汽车的生产制 造。但我们必须注意的的是塑料材料本身的安全问题，因为接触玩具汽车的群 体，大多数为儿童，且儿童的自身的抵抗能力较低，且有可能误将玩具汽车放入 口中，所以必须保证塑料材料的安全性。对于如今经常在生产制造塑料常用的五大工程塑料为PA、PC、POM、PBT、PPO。1.3玩具汽车的原理分析由于我们能力有限，所以无法自行设计出像欧美那些所谓的高端玩具汽车，所以老师这次给我们定位的玩具汽车属于中低端档次的无线遥控玩具汽车。汽车主要可以实现

9、的功能是在无线遥控器的控制下玩具汽车可以灵活的实现前进、后退、左右转向的功能。我们所设计的玩具汽车是通过无线遥控来实现玩具汽车4个方向的灵活运动。并采用后轮驱动前轮转向的运动方式。控制系统的基本原理是：通过输入的遥控器控制命令（转向，前进及后退命 令），再由遥控器中的信号发射器产生信号，再由遥控器上的天线发射出去，之 后在玩具汽车内部的信号接收接收器接收到所发出的信号指令并将其转化为相 应的控制信号，并通过控制信号控制电流从而控制电动机的正反转，从而实现电动机的左右转动和前进后退的命令。机械传动是通过4个7号电池产生电力，进而驱动小型电动机转动，之后再 经二级齿轮减速箱传递动力到后车轮上而驱动

10、玩具汽车运动。而前轮则由两个转向节控制，并通过转向桥连接，前轮的小型电动机上的小齿轮与转向桥上的齿条 相啮合，从而实现了小型电动机控制前轮转向。2动力选择和设计2.1动力源的分析与选择（1）盐水发电能源，作为新兴的一种玩具汽车能源方式，这种能源已经越 来越受到大家的关注和玩具行业人士的兴趣。其原理与铁的生锈原理相同。生锈原理是：铁本生属于容易氧化的金属，而 当在潮湿环境时，更加加剧了铁原子的氧化。当铁原子氧化后将产生两个电子， 而离子在水中又将与水分子和氧气反应， 从而使水分呈碱性，这水分附着在铁上 时，就让铁发生氧化，氧化过程中又将发生电子的转移， 而这产生的电子再被水 分子中被溶解在水中的

11、氧气获得，并和水发生作用生成氢氧根，而碳元素的存在 将加速这一过程的发生：- 2 -4e + O2 + 2H20 =4OH第4页共66页南华大学机械工程学院毕业设计（论文）当铁失去两个电子而变成亚铁离子时便也进入到溶液中，且极易与氢氧根作用而生成氢氧化亚铁：+2 -Fe + 20H =Fe(0H)2氢氧化亚铁本身不稳定易氧化，因此便被水中的氧气氧化为氢氧化铁：4Fe(OH)2 + 02 + 2H2O = 4Fe(OH)3氢氧化铁本身也不是很不稳定，因此立即分解为三氧化二铁和水：2Fe(OH)3 = Fe2O3 + 3H2O在铁生锈的过程中有电子转移，即有电流产生。所以盐水电池产生电的原理很简单

12、， 和上面讲的过程一样，只是电子从铁棒 通过导线转移到碳棒上，而且反应过程更激烈。并且在碳棒和铁棒之间存在较高 的电势差，结果就是让食盐水发生电解！电解食盐水产生的氯气和NaOH，这无疑又加速了铁的腐蚀速度。如今在市面上最普遍采用这一能源的是盐水动力车如图2.1图2.1盐水动力车(2) 模型燃油提供动力源，模型燃油的主要成份是：木精 (甲醇)、润滑油、硝 基甲皖等物质。其工作原理及发动机结构与实物汽车相同，其发动机称之为模型发动机。而 模型发动机又分为柴油发动机和电热式发动机。 对于柴油发动机来说，主要是利 用压缩热引起燃油混合气本身的爆发，来产生玩具汽车的动力，但对电热式发动 机来说，最初主

13、要是由电热塞引起爆发， 此后再利用自身压缩所产生的热量， 对 混合气体进行点火和使之爆发而产生汽车的动力。燃料玩具遥控汽车外形与动力结构形式与现实汽车十分接近，如图 2.2,因 此结构复杂，不易操作，且对燃油的使用不当极易发生危险事故， 因此不适合儿 童使用。图2.2模型燃料动力车（3）电池类能源提供动力来源，电池是指通过电池内部的电解质溶剂和金 属产生的电极差而产生电源。随着现代科学的高速发展，电池也已经衍生出了许 多种类。其中最常见的有干电池、燃料电池、锂电池、太阳能电池等。而这些电 池也各有优点。干电池如图2.3，在生活中我们接触最多的要属锌锰干电池。来源丰富、适 合大量自动化生产。但放

14、电电压不够平稳，容量受放电率影响较大。适于中小放 电率和间歇放电使用。新型锌锰干电池采用高浓度氯化锌电解液、 优良的二氧化 锰粉和纸板浆层结构，使容量和寿命均提高一倍，并改善了密封性能。锌锰干电 池的保存相当重要，若放置于炎热和湿度大的环境中，便会使得电池正极的金属 锌发生化学反应从而产生严重的自放电现象。 另外，保证锌锰干电池的密封性也 十分重要；如果密封条件不好，电解液中的水分子将十分容易被挥发减少，从而导致电池无法放电，同时也会由于氧分子进入电池内部而加剧自放电的加剧。如今干电池的发展已经十分广泛已经广泛的被运用到了国家军事防御、科学研究、深海或陆地钻探石油和矿质、电子通讯设备、航空航海

15、设备的备用能源、一般医疗、天气气象检测以及日常的工业与农业中的生产和生活照明、计算器、 录音机和录音机、摄影机、电子钟、电子表等电源，从而成为了国家产业和人们 生活中十分重要的一部分。图2.3干电池燃料电池如图2.4,是一种通过燃烧燃料并在这一过程中将其产生的化学能 量通过化学原理而转变成为电能的能量装置。但它与蓄电池也存在着不一样的地 方，其主要在于它可以通过外界的两个电极区域持续不断地往内部补充燃料和氧 化剂并且不必充电。燃料电池的组成主要有：燃料如氢气、甲烷等易燃气体、氧 化剂如高氧气体等、电极和电解液等四部分构成。他的两个电极具有催化化学能 量反应转换成电能的作用，并且是多孔宽免的结构

16、，使其确保具有足够的活性面 积以促进电池工作。在电池产生电流时将燃料通入负极， 氧化剂通入正极，它们 便可以在各自电极的催化作用下进行电化学反应从而便能够产生电能。燃料电池可以把通过化学燃料燃烧反应所产生的化学能迅速转化为电能，因此它具有极高的电能转化率，大约是热机电能转化能力的二倍以上。 此外它还有 很多其他的优点如：自身的质量和体积都十分轻巧、噪音小、且能量转化率高， 所产生的肥料少，不易污染环境、同等重量的燃料相比较其输出的电能较高。 所 以，目前它已经在航空航天领域中得到应用和实践， 在军用领域和人们的日常生 活中也也具有极其广泛应用的前景。图2.4燃料电池锂电池如图2.5,以锂为负极

17、的电池。它是60年代以后发展起来的新型高能 量电池。按电池内部电解质材料的不同可分为：沽酸锂 （LiCoO2）电池；磷酸 铁锂电池；一次性二氧化锰锂电池。锂电池的优点是厚度小、重量轻、容量大、 内阻小、形状可定制、放电特性良好、易于设计。缺点是生产要求条件高，成本 较高、锂原电池均存在安全性差，有发生爆炸的危险，因此在安全性能上的工作 要求也较高。大力发展动力电池和新的正极材料的出现， 特别是磷酸亚铁锂材料 的发展，对锂电发展有很大帮助。当今的锂电池与镍镉、镍氢电池相比，并没有所谓的记忆性。对于镍镉、镍 氢电池电池放置一段时间后将进入休眠状态， 此时容量低于正常值，使用时间亦 随之缩短。但锂电

18、池也很容易激活只需要将充电器的正负极直接对电池的正负极 充电，当电压升到保护板的下线电压后， 保护板就会正常工作，正常进行充放电 了。所以你最好是连续二到三次都充 10多个小时，当然不能搁置太久。由于锂 电池本身的特殊性，从而使它基本没有记忆性。因此新买的锂电池在激活过程中， 不必使用特殊的方式和设备。不仅理论上是如此，从各种研究实践的结果上来看， 都与理论结果十分接近。图2.5锂电池太阳能电池如图2.6,太阳能电池也被人们叫作“太阳能芯片”，是一种通过利用和吸收太阳所发出的能量通过物理和化学手段将能量转变成电能。当它被太阳光线照射到时，便可以在段时间内产生电流和电压，使电池开始工作图2.6太

19、阳能电池板太阳能的研究起始于90世纪，但一直到了 1970年代能源危机时，世界各国才察觉到开发太阳能能源的重要性并开始将太阳能能源运用到人民的日常生活中去。太阳能的发电方式有两种，一种称为光热 电转化，另一种称为光电转化。光一一热一一电转化，一般是由太阳能吸热器将其收集到的热能变换成工质 的蒸气，从而使汽轮机工作发电。前一个部分是将光能转变成热能的过程； 后一 个部分是将热能再转换成电能的过程，与一般的火力发电相似。太阳能的热能发 电的缺点是热电转换的效率不高并且成本也非常高，预计它的价格最少都要比一 般的火力发电站贵了好几倍。因此，这种发电装置只适合小使用在某些场合， 若 大范围使用从经济角

20、度上而言，还无法与一般的火电发电站或核电站相竞争。光一一电转化，太阳能电池发电是根据特定材料的光电性质制成的。黑体（如太阳）辐射出不同波长（对应于不同频率）的电磁波，如红、紫外线，可见光等等。 当这些光线投射在不同的导体元件及半导体元件上后，光子将能量传递给这些元 件上的电子，从而使电子获得自由运动的能量，而成为自由电子并随磁场运动而 产生电流。但也并非所有类型的光线能量都能被电子吸收而转换成电能，只有电子的波动率达到或超过一定的额定值时，电子才能吸收能量，而产生自由电子使电子自由移动产生电流。则由上述可知，由于以盐水为动力的小车虽然能源环保， 容易得到，并且安 全可靠，但是无法控制电源的开关

21、，在实际中的实用性并不理想，所以不予考虑。 而模型燃料为动力源的燃料，已经在介绍时说明了其巨大的危险性所以不适和儿 童使用。而当今的太阳能电池虽然环保，但在实际的使用中太阳能的利用率却并 不高，并且太阳能电池在实际的生活中的售价还是偏高的， 因此性价比也并不高， 对与企业的大规模生产而言并不合算。 在考虑到现实生活的实用性和性价比， 电 池类能源中的干电池和锂电池就自然成了理想的动力源。而再考虑到电池的耐用 性，持久性，可多次使用和等因素，锂电池自然成为了玩具汽车最佳的动力源。2.2汽车功率的计算根据市场上主流的遥控玩具汽车的设计尺寸和速度及其材料选择，我们初定我们所设计的遥控玩具汽车的基本数

22、据如下：平均速度v=0.7m/s玩具汽车质量m=300g玩具车轮直径d=30mm由水泥地与橡胶轮胎的摩擦系数f并没有一个统一的标准值在网上寻找后根 据网友提供的数据得出一般情况下水泥地与橡胶轮胎的摩擦系数一般都在0.250.4之间，故可取f=0.3。则汽车的功率为：P车=m xgx f x v=0.3 x 9.8x0.3x0.7W=0.63W2.3汽车驱动形式的选择如今市面上的遥控玩具汽车的驱动形式大致可分为四轮驱动和二轮驱动。四轮驱动遥控玩具汽车的最大难点在于转向问题上。 遥控四轮驱动转向玩具 车的转向机构包括转向电动机、 转向减速结构、转向传动过渡件、以及转向架如 图 2.7。图2.7四轮

23、驱动玩具遥控汽车因此四轮驱动的遥控玩具汽车结构相对于二轮驱动而言更为复杂，并且其转向机构的设计也十分复杂，设计难度也十分大。二轮驱动如图2.8,图2.9,虽然在现实生活中许多轿车都是运用前轮驱动的 结构，但是对于玩具汽车而言，由于设计成本和设计结构及其批量生产要求， 所 以目前大多数中低端档次的遥控玩具汽车都使用的是后轮驱动结构。因为采用后轮驱动的方式可以将转向与动力驱动结构分开设计，及前轮进行转向后轮进行驱动。因此相对前轮驱动而言汽车内部结构就相对容易的多了，并且所需要的零件也将减少从而可以节省设计成本和生产成本。 又因为玩具汽车与实际生活中的汽 车并不完全相同，在实际操作时玩具汽车并不需要

24、考虑汽车内部设计和空间的容 纳量大小，因此大多遥控玩具车都采用后轮驱动的设计机构。图2.8后轮驱动玩具遥控汽车转向系统图2.9后轮驱动玩具遥控汽车动力系统因此本次设计根据我们自身的实际水平我们决定使用二轮驱动中的后轮驱 动方式来驱动遥控玩具汽车，并且驱动力将通过二级齿轮减速器来传递。并将转 向系统设置在前轮。2.4电动机选择241电动机分析选择由于设计的玩具汽车体积较小，且主要适用对象是儿童，所以动力机构必须 小巧轻便，且所需的动力能源也必须容易得到。因此动力机构选小型的 M型电 动机。因为设计的产品生产对象是大规模批量生产， 所以必须结构简单，制造容易， 且成本低廉，所以选择直流电动机。在遥

25、控玩具汽车上所用的各种传动电动机中， 直流电动机的效率比较来说相 对较低，但它使用很方便，几节电池就可以搞定，考虑到我们设计的玩具车的结 构简单，所以我们只能通过更换电池来达到其供电要求，所以我们选择使用直流 电动机。电机之所以能转动，是由于一种洛伦兹力的作用的结果。旋转电机大都是由 定子、转子和换向器部分组成，每一部分也都由电磁部分和机械部分组成， 以便 满足电磁作用的条件。（1）转子：其结构是将单匝或多匝的线圈固定在中心轴上， 经过换向器的电流在线圈中部交替方向， 在洛伦兹力作用下，线圈受到旋转力的 作用构成转矩通过轴而输出。（2）定子：围绕电机轴安置的永久磁铁，它产生磁 场。（3）换向器

26、：换向器的结构是两个互相分开的固定在电机轴上的金属板，用 来给线圈交替供电。它们随着电机轴转动，和两个换向器电刷交替地接触，交换 极性极来改善换向。2.4.2所需电动机功率计算目前我国并没有具体关于塑料齿轮效率的标准，但是在实际的生产实践中，人们通过研究发现，塑料齿轮的传动效率比金属齿轮的传动效率低一些，故可取塑料齿轮的传动效率n齿轮=0.8由于遥控玩具汽车的生产精度并不是很高一般都在 7到8级标准，且齿轮轴 与后车轴不需要轴承，所以设定在遥控玩具汽车工作时各级轴的摩擦消耗率为n f =0.5则遥控玩具汽车的电动机的总功率为：P 总=盂= 0.8h1W低速轴转速:3 =v/ =56rad/mi

27、n2则玩具汽车车轮的转速:n 车= v =540rad/m in二 d因此根据上述所描述的数据可知 M系列的直流电动机的相关数据符合上述要求，所以根据M系列直流电动机技术数据表2.1得:第14页共66页南华大学机械工程学院毕业设计（论文）表2.1 M系列直流电动机技术数据表型号额定额定转速额定转矩额定额定功最初启动外形尺寸电压(r/mi n)(gf*cm)电流率(W)转矩倍数长*宽*高(V)(A)不小于M20-23163000100.200.3230*20*20M20-23263000200.330.61238*20*20M20-26166000100.350.60330*20*20M20-2

28、6266000200.651.2338*20*20M28-23163000400.551.22.533*22*22M28-23263000801.002.462.541*22*22M28-26166000401.002.46333*22*22M28-26266000801.94.9341*22*22M系列直流电动机技术的型号说明如下：M-28-832M :直流电动机系列代号28 :几座号832 :规格代号：8为电压代号，3为转速代号，2为铁芯代号数据来源于实用电工手册上册，陈晓华主编，江西科技出版社。M系列直流电动机中的 M20262和M28 231满足要求。若取M20262则遥控玩具汽车的总

29、传动比：n电I 总=11.1n车若取M28 231则玩具遥控汽车的总传动比：n电I总=隹=5.5n车因为二级齿轮减速器传动比一般在 840故选取M20 262电动机为驱动机构。3减速器设计3.1材料的选择分析3.1.1齿轮材料的选择分析遥控玩具汽车的减速器最重要的部分就是齿轮，由之前所介绍的玩具汽车所 设计的材料可知，总共有PA、PC、POM、PBT、PPO共五大类工程塑料供选择。 而每种材料的传动能力分析及其在系统传动中的用途如下：PA，比重轻，高抗拉强度，耐磨，自润滑性好，抗冲击能力好并具有良好 的韧性，可以用来代替部分金属制品，但存在吸湿性大，在不同温度环境下工件 的尺寸变化较大，因此用

30、于要求不是很高的传动件。PC，其抗冲击能力好并具有良好的韧性，通透性，结构稳定性，因此在周 围环境温度发生变化时已经能保证其性能的稳定。但不具润滑性，主要应用于轻 载或短期工作的塑料齿轮。POM，高刚性，高熔点，减摩，耐磨，自润滑，耐疲劳，由 POM制成产品 的品刚性，弹性都比较好，并且尺寸也很稳定。与其它工程塑料价格相比是最低 廉的，但也存在缩水率大，缺口初的冲击强度较低等缺点。比较适合运用于对尺 寸精度与配合要求较高的零部件。主要用于各种精密度的小模数齿轮等。PBT，具有较高的机械强度，突出的耐化学性，耐热性和优良的电性能，被 广泛引用于电子，电气和汽车工业中。PPO,具有优良的机械性能，

31、耐热性和电气绝缘性，吸湿性低，强度高， 尺寸稳定性好，高温下耐蠕变性是所有热缩性工程塑料中最优异的， 应用于微波 炉器皿等小型家电器具等方面。PEEK是一种半晶态的高分子聚合物。具有耐高温，耐磨损，耐化学腐蚀， 低噪音，低吸湿性，高韧性，和耐冲击性及高强度等特性。但是价格昂贵。常用 于飞机及武器等的传动部件。通常同一塑料材料配对的齿轮会有高的磨损系数，PC和改性PPO最明显。选择不同聚合物可以获得很低的磨损，如 POM与PA66很多传动塑料齿轮都添 加玻纤以坚化材料。添加玻纤的主要作用：增加抗拉伸和压缩能力。降低 线膨胀系数。（3 ）增加使用环境之温度。（4）增加耐冲击力。塑料齿轮的传动功能就

32、决定了其必须有良好的抗磨擦及耐磨耗性能， 而一般 塑料本身这方面的性能都比较差。所以塑料齿轮材料往往会添加一些增强润滑剂。常见之润滑剂有：PTFE （铁弗龙），silicone （硅油）石墨，MoS2等。因此由于POM相对其他相对其它工程塑料价格低廉，虽然存在韧性差，缩 水率大，缺口冲击强度低等缺点，但是在应用于玩具汽车减速器内部时， 由于玩 具电动机的冲击远小于其材料的接触疲劳强度，和弯曲疲劳强度，因此是5大工程塑料里性价比最高的一个。因此我们决定选择POM作为遥控玩具汽车的减速器内部齿轮的制造材料。3.1.2减速器外箱的材料选择分析对于减速器的外箱部分，我们将采用PC材料制造。虽然POM材

33、料相对PC 材料有更高的性价比，但我们在制造的同时还必须考虑到玩具汽车的减速箱外壳 是孩子经常接触的部分，因此在考虑到价格和强度的同时还需要考虑到我们所使 用的材料对接触者的安全性和对周围环境的环保性。由于PC有良好的抗冲击、抗热畸变性能，而且耐候性好、硬度高，并且可 经受蒸汽、清洗剂、加热和大剂量辐射消毒，且不发生变黄和物理性能下降的能 力，因此成为最佳选择。虽然 PPO材料也有具有耐磨、无毒、耐污染、刚性大、 耐热性高、难燃、强度较高的优点，但是由于其材料成本过高，因此不适合在本 产品中投入使用。3.1.3后车轴的材料选择分析45号合金钢，推荐热处理温度：正火850,淬火840，回火600

34、. 45号钢为 优 质碳素结构用钢，硬度不高易切削加工，模具中常用来做模板，梢子,导柱等，但须 热处理。经调质处理后的45钢零件拥有十分良好的机械性能，并且被十分广泛的用 在了不同种类的零件上，尤其是对于需要承载交变负荷工作的零件而言45钢的机械特性十分的适合。但是因为其材料本身表面的硬度不高，因此容易磨损。所以需要运用到调质和表面淬火的工艺来提高零件的表面硬度以满足工作要求。对于工业和日常的机械上的轴类零件在而言最常使用到的材料便是45钢，它不仅在价格上十分的低廉，并且在经过调质处理后，便可以取得理想的削性能， 从而大幅度的提升了它的综合机械性能，并且在经过淬火处理后它的材料表面硬 度可以达

35、到4552HRC。因此对于玩具汽车后车轴的制造选择 45号合金钢为材料。3.2齿轮设计与金属齿轮相比较，塑料齿轮的质量要比金属齿轮小的多、 且在工作环境下 所产生的噪音也更小、耐磨性更强、在无润滑的情况下也可以进行工作、 可以制 作出很多金属所无法制作的复杂形状的齿轮、并且大批量生产的成本较金属也更 加廉价的优点。但因为塑料本身材料性能的问题因此其强度相对金属齿轮而言则 较弱，工作条件较金属齿轮也更加的高，并且还需要考虑到塑料自身对温度的敏 感性等。因此，塑料齿轮也存在着生产精度低、要经常更换、在工作时要确保环 境温度的缺点。但随着现代科技水平的发展与进步，塑料齿轮的精度在不断提高， 而它的使

36、用寿命也在不断延长，因此我们决定选用塑料齿轮进行设计。因为本次设计的减速器为二级减速器所以我们决定将减速器结构设置为如图3.1图3.1由于本次设计的减速器为二级减速器，所以可初定：i高=i.3i低由由i总=11.1可得：i高=3.7 i低=3则齿轮的转速分别为：n 低=540r/minn 中=l620r/minn 高=6000r/mi n各齿轮的功率分别为：P 高=1.2WP 中=0.912WP 低=0.693W各轴的转矩分别为：P高1 2T 高=9549X亠=9549X 丄亠=1,91N mmn 高6000F中0 912T 中=9549X 亠=9549X=5.38N mmn 中1620p0

37、693T 低=9549X=9549X -一=12.25N mmn 低5403.2.1高速齿轮的设计对于塑料齿轮的设计，模数的选择需考虑到塑料强度等因素， 在实际应用过 程中模数加工法加工塑料齿轮与标准刀具的关系不大，且塑料齿轮多用于小功率 传动系统中故可以采用“结构定模数”的方法选择模数。在高速轴上的塑料齿轮的齿数一般为 4齿或者8齿，因此为了机构在传动过 程中能够稳定，我们选用8齿的齿轮。贝Z 中=Z 高 X i 高=8 X 3.7 30初选高速齿轮与中速齿轮间距为 a=10mm则：第20页共66页南华大学机械工程学院毕业设计（论文）m=2X a/(z 高 +Z 中)=2 X 10/(8+3

38、0)=0.52故查西北工业大出版，第七版机械原理P180表10-1圆柱齿轮标准模数系列表(GB/T 13571987)取塑料齿轮模数为 m=0.6则由此得高速齿轮分度圆直径为：d 高=z 高 x m=4.8mm中速齿轮分度圆直径为：d中=乙中x m=18mm则两齿轮的最终确定中心距为：a=m (z1+z2) /2=11.4mm3.2.2高速齿轮强度校核由于塑料与金属材料本质上存在较大的差异，所以完全搬金属齿轮的强度校 核方法来校核塑料齿轮是不可取的。目前，对塑料齿轮强度校核的方法还未形成 统一成熟的理论方法。塑料齿轮常见的强度计算方法目前塑料齿轮行业比较主流的检测方法有三 种：杜邦公司的强度计

39、算方法，宝理塑料公司的强度计算方法，尼曼的强度计算 方法。(1)杜邦公司的强度计算方法杜邦公司的强度计算有直齿轮强度计算，蜗轮蜗杆强度计算等。其中，直齿轮的强度计算仅仅有弯曲强度计算，并未列出接触强度计算和静强度计算的方 法。蜗轮蜗杆的计算仅仅有静强度的计算方法，而未发现有弯曲疲劳强度和接 触疲劳强度的计算。杜邦公司认为：因为塑料的磨损较快，塑料来不及发生接触破坏就已经被磨 损掉，因此，接触疲劳破坏的几率很小。而材料的弯曲断裂才是齿轮断裂的根本 原因。同时杜邦公司认为，塑料斜齿轮跟直齿轮相比，强度提高有限，强度提高 仅仅是提供了一个小的安全系数。因此，斜齿轮可以按照直齿轮的强度进行计算。2)宝

40、理塑料公司的塑料齿轮强度计算宝理公司的齿轮强度计算含有弯曲疲劳和接触疲劳的计算。斜齿轮，蜗轮蜗 杆都有单独的强度算法。宝理塑料公司的计算过程中，需要查阅大量的图表，选择相关的修正系数。3）尼曼的强度计算详细内容主要在机械零件这本术上，但并不如另外两种强度校核方法使 用的广泛。根据塑料齿轮行业对前两种强度计算方法的使用得出了一下结论：杜邦公司的强度计算偏于保守，它计算出的需用应力值相当的低，事实上， 它的材料的性能相当的好。宝理塑料公司的强度计算公司考虑相当全面，但是许用应力值似乎偏大。因为本次设计的遥控玩具汽车的设计精度并不是很高， 且并不存在非常大的 强度和载荷，所以从节约成本和提高性价比的

41、角度分析， 可以选择宝理塑料公司 的强度计算方法。由于本次设计所用齿轮塑料为 POM所以可以使用宝理塑料公司的“夺钢” 齿轮的塑料齿轮设计精要。则根据塑料齿轮设计精要中的路易斯方程可知在直齿圆柱齿轮上的切向 负载为：P= cbxbxmx y齿轮上的扭矩为：T= x bx d2x 丫 /（2000xZ）其中两个公式中的符号意思为：P：为作用在齿上的切向负载T:扭矩N*m：弯曲应力MPab:齿距m：模数d：分度圆直径y :在节圆附近的齿形系数“标准模数”Z：齿数由于在塑料齿轮设计精要P8中对于齿形系数y “标准模数”表3.1并没 有关于Z小于12的值，且设计精度在7级到8级。表3.1齿形系数y，“

42、标准模数”14 1/低齿120.3550.415JI0.496130.3770.4430.S15 皆1403990.4680.54015 W；041504900.556160.4300.5030.578170.4460J120.5871804590.5220,603340.5530.6280713380.5650.6500,729430.5750.67207385005870.6940757(60:j0,603 二0713,0,773 扁750.61307350792100 |0822 耳0757 二0,8071500.63507790829300!0.6500.8010.855齿条0.660

43、0.8230880因此可以使用塑料齿轮设计精要的另一种方法一一查计算图表法如表3.2表3.2扭矩计算表第24页共66页南华大学机械工程学院毕业设计（论文）第#页共66页南华大学机械工程学院毕业设计（论文）又由于“夺钢”齿轮的许用弯曲应力不光取决于运转条件， 它还随齿（模数） 的大小而变化。这里，在表3.3的标准条件下，以通过实验所得到的模数相对应 的最大弯曲应力为基础，当与运转条件不相同时，则可用下式加以修正：KvKtKl Km KgCs在这里6：在有问题的运转条件下 的最大弯曲应力MPa6 ：从表3.3上求得在标准条件下的 最大弯曲许用应力MPaCs ：使用状态系数Kv:速度修正系数表3.3

44、在标准条件下“夺钢”齿轮的最大许用弯曲应力4L1-、-1041 051 061 071 0a次數6050403020100设定本次设计的遥控玩具汽车可以至少连续工作1年则高速齿轮转动次数N高为：9N=60x nx j x Lh=60x 6000x 1 x 24x 365=3x 10中速齿轮转动次数N中为8N=60x nx jx Lh=60x 1620x 1 x24x 365=9x 10则由表3.3可得该齿轮的最大容许弯曲应力可为=35MPa设一天使用时间为3小时且每次工作的负载为均一时，则由表3.4可取使用状态系数：Cs=0.8表3.4使用状态系数表负載的种类一天的运转时间24小时810h 时

45、3小时0*5小时均一时1*25too0.800.50曼到轻微冲击时1501.251.000.80受到中筹冲击时1751.501.25too受到大的冲击时2001751.50125在环境温度较高时，需对温度修正。设工作温度可达80 C则由表3.5可取温度系数心=0.5表3.5夺钢”的弯曲强度的温度依存性温度蝶 曲第27页共66页南华大学机械工程学院毕业设计(论文)由图3.2塑料齿轮设计精要的润滑系数 Kl标准，设改减速器采用润滑剂初始润滑，则Km=1Km：材质系数金属组合时:夺钢”“夺钢称组合时:Km = 0.75与金属组合时必须要注意的是金屈的表面要光滑I齿轮表面越粗糙则附损也越大。图3.2

46、“夺钢”齿轮润滑系数选取标准因为齿轮均为塑料，则由图3.3取材质系数 心=0.75。Kl:润滑系数不加润滑剂时：K.二075用润滑剂最初润滑时：也二I用油连续润滑时：Kl二L53.0润滑效果与有无油的循环及过滤有关，尽 可能扩大润滑范田.如果仅仅将齿轮浸入 油糟中使它运转时：Kl=1.5图3.3 “夺钢”齿轮材质系数选取标准对于高速齿轮的转速为：V 高=门乂 n x d 高/(1000X 60)=1.5m/s对于中速齿轮的转速为：V 高二n* n *d 高/(1000x 60)=1.5m/s贝U由表3.6可得：Kv高=Kv中=1.4161.41.21.00.80.60.40 20表3.6速度修

47、正系数Kv510152025齿轮圆周速度(mfe)心心Kl Km KgCs= 33MPa对于材料强度选品级M270则则由表3.7选修正系数为Kg=0.9。表3.7材料强度的修正系数Kg品级KgM270AW-010.9M901SW-011M2512NW-01t1所以由上述系数可得塑料齿轮在实际工作情况下的最大弯曲应力为:又由西北工业大出版第八版机械设计P205表107圆柱齿轮的齿宽系数d可知对于非金属齿轮可取 d=0.51.2。所以取d=1.2则高速齿轮的齿厚为：b 高二 d x d 高=1.2X 4.8=5.76mm因此中速齿轮的齿厚可取：b中=2mm。由上述数据对照表3.2进行画图分析可得这

48、对齿轮的最大扭矩T=3.5 N m则完全满足设计要求。因为本次产品的齿轮设计已经进行了初始润滑，所以对齿轮的磨损量较小， 因此塑料齿轮不易发生磨损而导致制品发生断裂，所以无须进行赫兹的压面设计 和校核。由此可知齿数Z=8的齿轮的基本参数为：da=m x(z+2ha)=0.6x(8+2x l)=6mmd=mx z=0.6x 8=4.8mm*dn=mx (z-2ha-2c )=0.6x (8-2x 1-2x 0.25)=3.3mmb=5.76mm对于齿数Z=30的齿轮的基本参数为：da=m x (z+2ha)=0.6x (30+2 x 1)=19.2mmd=mx z=0.6x 30=18mm*dn

49、=mx (z-2ha-2c )=0.6x (30-2 x 1-2 x 0.25)=16.5mmb=2mm由此可得高速齿轮与中速齿轮的三维造型如图3.4,图3.5。第30页共66页南华大学机械工程学院毕业设计（论文）第31页共66页南华大学机械工程学院毕业设计（论文）图3.4高速齿轮图3.5中速齿轮第#页共66页南华大学机械工程学院毕业设计（论文）323低速齿轮设计当高速齿轮带动中速齿轮旋转后，中速轴上的主动齿轮也将带动低速轴旋转 从而形成低速传递部分。同时为了方便生产可以将中速轴上的从动齿轮与主动齿 轮合并变为双联齿轮零件。对于低速传递部分，可初选两齿轮的中心距 a=12mm，由模数为m=0.

50、6，传 动比为i=3得：=102m =212m(1 i) = 0.6 (1 3)Z 低=3Z 中=3 10= 30因此两齿轮最终的中心距为:m(Z中 Z低)0.6 (1030)=12mma 二2 2中速齿轮的分度圆直径为:小中=m Z中=0.610 =6mm低速齿轮的分度圆直径为：d低=m Z低=0.6 30 = 18mm3.2.4低速齿轮校核同样可使用校核高速传动齿轮部分的方法来校核低速传动齿轮部分。同样设定本次设计的遥控玩具汽车可以至少连续工作1年则中速齿轮的转动次数N中为：9N中=60n j Lh =60 1620 1 365 24=8 10低速齿轮的转动次数N低为：N低=60n j L

51、h =60 540 1 365 24 =2 108则由表3.3可得该齿轮的最大容许弯曲应力可为 二b=35MPa同样设一天使用时间为3小时且每次工作的负载为均一时，则由表3.4可取 使用状态系数：Cs=0.8在环境温度较高时，需对温度修正。设工作温度可达80 C则由表3.5可取温度系数Kt=0.5由图3.2塑料齿轮设计精要的润滑系数 Kl标准，设改减速器采用润滑剂初始润滑，则Kl=1因为齿轮均为塑料，则由图3.3取材质系数Km=0.75n n d1000 60对于中速齿轮的转速为:1620 n 6 m/s = 0.5 10m/s1000 60对于低速齿轮的转速为:n n d1000 60540

52、 n 181000 60m/s = 0.5m / s第34页共66页南华大学机械工程学院毕业设计（论文）则由表3.6可得:仏中=Kv低-1.4对于材料强度选品级M270则则由表3.7选修正系数为KG=0.9c所以由上述系数可得塑料齿轮在实际工作情况下的最大弯曲应力为:Kv Kt Kl Km KgCs二 33MPa又由西北工业大出版.第八版机械设计P205表10 7圆柱齿轮的齿宽系数d可知对于非金属齿轮可取 d=0.51.2。所以取d=1.2则中速齿轮的齿厚为：b = d d 中=1 6mm = 6mm因此中速齿轮的齿厚可取：b中 =3mm。由上述数据对照表3.2进行画图分析可得这对齿轮的最大扭

53、矩 T=6N m则 完全满足设计要求。因为本次产品的齿轮设计已经进行了初始润滑，所以对齿轮的磨损量较小， 因此塑料齿轮不易发生磨损而导致制品发生断裂，所以无须进行赫兹的压面设计 和校核。由此可知齿数Z=10的中速齿轮的基本参数为da 中二 m (Z 中 2ha)=0.6 (10 2 1)mm =7.2mm d中二 m Z中二 0.6 10mm = 6mmdn中二 m （Z中一2ha2c*）=0.6 （10 2 1 2 0.25）mm = 4.5mmb中- 6mm对于齿数Z=30的低速齿轮的基本参数为：da低=m （Z低 2ha） =0.6 （30 - 2 1）mm = 19.2mmd低二 m

54、Z低二 0.6 30mm = 18mmdn低二 m （乙低2ha2c*） = 0.6 （302 1-2 0.25）mm = 16.5mmb低 =3mm因为中速齿轮为双联齿轮，因此对中速齿轮进行三维造型的修改，所得三维造型图如图3.6图3.6中速双联齿轮而对低速齿轮的三维造型图如图3.7图3.7低速齿轮3.3玩具车减速器轴的设计3.3.1中速轴设计对于高速轴由于它是电动机的一部分所以无需设计，因此可以从固定中速 双联齿轮的中速轴开始设计。对于中速轴由于采用45合金钢，并且采用过渡配合的配合方式其受力图如 图3.8，且45合金钢的最大应力分别为： =40MPa,； =60MPa。因为双联齿轮较小且

55、受力较为集中，又因为采用过渡配合形式受扭矩不大， 并且设计精度要求不高，所以可将其近视为在一个齿轮上受力， 则中速轴的受力 如图3.9所示：因此轴所受力分别为:第37页共66页南华大学机械工程学院毕业设计（论文）第#页共66页南华大学机械工程学院毕业设计（论文）Ft1 二2 1.914.8N -0.80N第38页共66页南华大学机械工程学院毕业设计（论文）2 5.3 8n6Fr1 = Ft1 tan20 = 0.8 tan 20 = 0.3N= 1.8N第39页共66页南华大学机械工程学院毕业设计（论文）第#页共66页南华大学机械工程学院毕业设计（论文）第40页共66页南华大学机械工程学院毕业

56、设计（论文）所以作受力分析图Fz如图3.100.2N0.2N图3.10剪力图作弯矩图Mx如图3.110 55N第41页共66页南华大学机械工程学院毕业设计（论文）作弯矩图Mz如图3.13第42页共66页南华大学机械工程学院毕业设计（论文）第#页共66页南华大学机械工程学院毕业设计（论文）又因为中速轴为过渡配合，所以受扭矩影响较小，可不必考虑，则由材料力学的轴的强度校核公式:n d332则中速轴的最小直径为:32 M二 0.8mm因此可取中速轴的直接为：d中=1mm3.3.2低速齿轮设计对于中速轴由于采用45合金钢，并采用过盈配合的配合方式，且 45合金钢 的最大应力分别为： =40MPa,二=

57、60MPa。则低速轴的受力图如图3.14，图3.15所示：第#页共66页南华大学机械工程学院毕业设计（论文）第43页共66页南华大学机械工程学院毕业设计（论文）图3.14受力分析图图3.15受力分析图第#页共66页南华大学机械工程学院毕业设计（论文）第#页共66页南华大学机械工程学院毕业设计（论文）因此轴所受力分别为:第#页共66页南华大学机械工程学院毕业设计（论文）第#页共66页南华大学机械工程学院毕业设计（论文）Ft3 =2 1 22 5= 1.4N第44页共66页南华大学机械工程学院毕业设计（论文）Fr3=Ft3 tan20 =1.4 tan20 N =0.5N则受力分析图Fz如图3.1

58、5。所以弯矩图弯矩分析图Mx如图3.16。1.95N *mm图3.16弯矩图第45页共66页南华大学机械工程学院毕业设计（论文）受力分析图Fx如图3.17。图3.17剪力图所以弯矩分析图Mz如图3.180.7N *mm如图3.18弯矩图所以低速轴的合力矩为：,M； M； = .1.9520.72N =2.1N *mm由于受过盈配合所以必须考虑扭转对轴的影响，因此利用材料力学中对 于扭转与弯曲组合变形时的强度第三理论：十323第46页共66页南华大学机械工程学院毕业设计（论文）可得低速轴的最小直径为:32, M2 T2322.12 12.25260 nmm = 1.3mm第47页共66页南华大学机械工程学院毕业设计（论文）第#页共66页南华大学机械工程学院毕业设计（论文）所以可取d=2mm。3.4减速箱外壳设计3.4.1减速箱箱底设计通过对前面关于齿轮和轴的设计，再结合现有玩具汽车的减速箱结构设计与 电动机的尺寸大小，可以做出减速箱底的三维造型如图3.19,图3.20。图3.19减速箱箱底图3.20减速箱箱底透视图3.4.2减速器上盖设计根据下盖结构和电动机的尺寸，可以随之设计出上盖