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1、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 目 录1 绪论12 变速小车的整体设计22.1 变速小车工作原理22.2 变速小车各组成系统分析22.3 小车的主要设计参数33 小车变速系统的设计43.1 变速箱的结构分析43.2 小车变速箱的设计43.2 直流电机的选择103.3 变速箱齿轮的设计113.3.1 变速箱齿轮的设计113.4 变速箱体轴的设计173.4.1 变速箱轴的设计173.4.2 输出轴的设计193
2、.5 链轮的设计213.6 离合器的选择223.7 验算轴承寿命233.8 齿套的选择234 方向控制系统的设计245 小车制动系统的设计255.1鼓式刹车优缺点255.2盘式刹车的优缺点256 小车轮轴的校核276. 1 小车后轮轴校核276.2 小车前左轴校核28参考资料29致谢辞311 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
3、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，
4、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
5、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
6、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：50kg3 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
7、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
8、。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：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；在发动机旋转方向不变情况下，使汽车能倒
9、退行驶；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
10、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
11、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
12、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
13、。 车辆载客运行最大速度需用功率已知负荷：N=（50kg9.8N）/4=122.5N所以摩擦力f = N = 0.15122.518.38N 摩擦系数最大运行速度: v =10 km/h2.8m/s需用功率 P1 = k.f.v/(链) = 1.318.382.8*0.96) 256wk 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
14、，故而现选用电机转速为106r/min 功率为300W256W故而可选 额定工作电压：DC12V 电机功率：300w电动机转速:106r/min3.3 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 =0.8 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207310HB，取210300HB 大齿轮轮材料HT200硬度为151229HB，取160220HB 次高级传动小齿
15、轮材料 HT250硬度为： 180169HB，取190160HB 大齿轮材料HT200 齿面硬度151229 ，取160220HB下一级小齿轮材料HT250硬度为：180169HB，取190160HB 大齿轮材料HT200硬度为151229HB，取160220HB： 最低级小齿轮材料 : HT250硬度为：180169HB，取190160HB 大齿轮材料 : HT200硬度为151229HB，取160220HB.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：，。计算其盈利循环次数N 查机械设计图5-17得， （允许有一定点蚀）取,，计算疲劳许用应力
16、由机械设计世5-28得按接触疲劳强度确定中心距由机械设计世5-18得世中由于转速不高初取取由机械设计表5-5得由机械设计世（5-14）计算初定中心距取=85mm一般取取标准模数m=1齿数 取整48则可得到圆周速度 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 取按8级精度查机械设计图5-7a得按8级精度由表5-4得由机械原理公式计算端面重合度由机械设计公式（5-17）得 故而是安全的从而可这对齿轮得参数如下 m=1 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.
17、6得齿轮对 传动比为1的齿轮对 传动比为0.8的齿轮对 实现倒档的齿轮对 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 按扭转强度先计算轴径 由机械设计式（8-2）及表8-2得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现以的
18、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由于 所以可以算出 其所受弯矩分在四段轴上，分别由四个轴承承担，其中第一段受弯矩最大，故而只校核第一段其水平面支承力平面弯矩：弯矩： 故而是安全的3.4.2 输出轴的设计已知：该轴传递的功率为300W，转
19、速分别为133r/min 106r/min 66r/min 40r/min轴上分布齿轮直径分别为112mm 104mm 85mm 75mm 64mm 宽度分别为 18mm 24mm 34mm 31mm 14mm且都是直齿圆柱齿轮。 选择轴的材料该轴传递小功率，转速低，无特殊要求，故而选用45优质碳素钢调制处理其机械性能可以查出 按扭转强度初步计算轴径由机械设计式（8-2）和表8-2得由上式可以算出： 由于轴上要开键槽。故加大轴径尺寸，取d=25mm因轴上要按章相同尺寸的轴承，且要求齿套在轴上滑动，所以将轴设计为等直径轴轴上部件都由轴套定位。在轴的输出端安装链轮，轮孔设定为15mm，其与轴承相距
20、为15mm因要与主动论上的齿轮啮合，故轴向零件分布与主动轮相同。按弯矩强度条件校核轴轴所受弯矩扭矩图(略) 由于链轮端所受弯矩最大，且开有键槽，故而只校核这一段轴轴输出功率为圆周力水平支承力平面弯矩弯矩所以其安全 3.5 链轮的设计由于玩具小车行驶过程中由颠簸，为了保护人体要在轮子上安装减震器，若用齿轮啮合会使齿轮产生冲撞损坏齿轮，所以选用链轮将转速传递给工作轴。已知传递功率主动轴和传动轴转速相同载荷平稳，两轴中心距为40mm该链轮传动比为1链速为13由表3.5选取选定链型号，确定链节距式中工况系数由机械设计表4.7查得 小链系数由机械设计图4-13查得由机械设计表4.7查得根据选定链轮型号为
21、08A得P=12.7演算链速度故链速合适计算节数由于先选定其中心距为40取节数为27根据转速及图4-16选取人工定期润滑计算链轮主要几何尺寸分度圆其他尺寸从略3.6 离合器的选择离合器的公用主要是用来分离动力原件及工作原件，使小车在换挡和制动的时候本课题选的是牙嵌式离合器，这类离合器的特点是：结构简单，离合容易，离合时间短。其主要尺寸为外径mm选D=40mm内径mm 取mm牙宽度mm牙高度=（0.5-1）b=5.5mm牙数取单数为 53.7 验算轴承寿命输入轴所选用的轴承是68704 其 使用年限是三年 每年工作300天 每天工作2小时并查机械设计得其当量动载荷为1.3输出轴拥有四个转速，以最
22、快转速校核其选用的齿轮为61805它的动载系数为由动载荷计算公式得C=3.97小于许用载荷4.3故其安全3.8 齿套的选择 齿套是将空转的齿轮与轴练成一体，其工作原理与离合器相同，由于本课题的玩具小车承载不大，且转速不高，传递转矩小，所以特选用与离合器结构相同的齿套，材料为45号优质钢，主要尺寸如下 齿套外径为50mm 齿套内径为35mm 牙宽度为 8mm 牙高度为 8mm 牙数为 6 用固定键与轴相连。4 方向控制系统的设计 方向盘是控制小车行驶过程中所需要实现的方向转变的控制工具，它的使用性能决定在着控制小车方向的准确程度。要使小车完成现实汽车相同的转向控制小车的两个前轮就不能布置在同一根
23、轴上，分别布置在车的两边，固定在车架上，并安装减震装置。本课题设计的玩具小车要实现转向主要使靠一套曲柄滑块机构实现的。其主要包括的构件为：方向盘，锥齿轮，和一套由三个曲柄滑块机构组成的机构组成。方向盘，方向盘是圆环形状的一个零件，由三根横杆支撑，与水平面成45度角安装在小车前部圆心处的下端联接的是传动杆，它跟随方向盘一起转动；传动杆的另一端与圆锥齿轮1相连，传动杆的转动圆锥齿轮2一起转动，将方向盘传递的转动转换到水平面上，而圆锥齿轮2则连接一个曲柄滑块机构，滑块与关节轴相连，关节轴的一段连接在小车前轮上，当方向盘转动时，同过关节轴的转动就可实现小车转向。曲柄滑块机构设定一定长度，当转动达到一极
24、限角度时，曲柄滑块机构与关节轴成90度角到达极限位置就不能在转动，实现过载保护。其机构安装如图所示5 小车制动系统的设计刹车系统有盘式、鼓式两种，盘式刹车又可分为盘式与通风盘式。碟式、盘式、摩擦片式都可归于盘式刹车。 盘式刹车的作用方式与普通自行车的制动方式相似卡钳上的刹车片、与车轮链接的刹车盘在刹车时相互作用，直到车轮停止转动。通风盘则是在刹车盘上打孔，利用行驶带来的自然风帮助散热。鼓式刹车的作用方式与自行车的“涨闸”相似盆形的刹车鼓与车轮相连、半月形的刹车片在连杆的作用下向上顶起，使车轮停转。盘式刹车可以方便地与ABS系统配合，更多地在中高档轿车上使用；而鼓式刹车的成本较低、绝对制动力更高
25、，被较多地运用在小型轿车的后轮。新型电动小车采用的是混合刹车装置。 5.1鼓式刹车优缺点优点：（1）自刹作用：鼓式刹车有良好的自刹作用，由于刹车来令片外张，车轮旋转连带着外张的刹车鼓扭曲一个角度（当然不会大到让你很容易看得出来）刹车来令片外张力（刹车制动力）越大，则情形就越明显，因此，一般大型车辆还是使用鼓式刹车，除了成本较低外，大型车与小型车的鼓刹，差别可能只有大型采用气动辅助，而小型车采用真空辅助来帮助刹车。（2）成本较低：鼓式刹车制造技术层次较低，也是最先用于刹车系统，因此制造成本要比碟式刹车低。 缺点：由于鼓式刹车刹车来令片密封于刹车鼓内，造成刹车来令片磨损后的碎屑无法散去，影响刹车鼓
26、与来令片的接触面而影响刹车性能。5.2盘式刹车的优缺点优点：由于刹车系统没有密封，因此刹车磨损的细屑不会沉积在刹车上，盘式刹车的离心力可以将一切水、灰尘等污染向外抛出，以维持一定的清洁。此外由于盘式刹车零件独立在外，要比鼓式刹车更易于维修 。 缺点：盘式刹车除了成本较高，基本上皆优于鼓式刹车，不过，就这一点，便成了它致命伤，而鼓式制动器成本相对低廉，比较经济。本课题研究的玩具小车由于体积小，而盘式制动所占空间较大，故而选用鼓式制动。制动的原理是用较细的钢丝绳子连接刹车装置，并在小车后轮轴上安装刹车鼓，在需要刹车的时候通过钢丝绳收紧刹车片，使刹车片压紧刹车鼓，产生摩擦力，迫使小车制动。小车简易刹
27、车装置如下：当踩下刹车时：A点向上运动，钢丝绳受力拉紧，且B点时固定的，使得撒刹车片向里合拢，弹簧合拢，抱紧刹车鼓，实现制动；当松开刹车时，弹簧舒张，弹开刹车片，A点向下运动，刹车回到原位。6 小车轮轴的校核 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=（50kg9.8N）/4=122.5N所以摩擦力f = N = 0.15122.518.38N 摩擦系数最大运行速度: v =10 km/h2.8m/s需用功率 P1 = k.f.v/(链) = 1.318.382.8*0.96
28、) 256wk 动载系数实际上选用的电机功率为300w，故电机功率足够。所以：电机功率满足负荷要求。6. 1 小车后轮轴校核 根据小车设计的需要确定后轮轴的尺寸。乘人部分影响人身安全的主要零件为：后轮轴、前左轴、前右轴；其中前左轴和前右轴弯矩相同、后轮轴弯矩和转矩最大, 所以以后轮轴、前左轴来进行强度校核计算。由于小车后轮要承载重力，并且还要输出转速，故而小车后轮轴同时受弯矩和转矩作用。满载时负载为： P = (509.8)/4 = 122.5N弯矩: M= PL = 122.540 = 4900N.mm 弯曲应力 =M/W= 1.54900/(0.098225) =4.79Mpa转矩: T
29、= 9550P/n = 95500.30/133= 21.541N.m = 21541N.mm抗扭应力 = T/ WN WN抗扭截面系数 =1.521541/(0.09822253) =10.13Mpa根据受力情况，按弯扭合成强度计算，据第三强度理论： h=2+32=21.082+39.342=27.43MpaW 抗弯截面系数 动载系数已知45#钢调质后的许用应力 = 335Mpa ,所以其安全系数 n = / = 335/27.43 = 12.2根据GB8408-2000中的有关规定:重要销、轴安全系数n6。实际计算安全系数n=12.26,故安全系数足够。结论：后桥轮轴的强度足够。6.2 小
30、车前左轴校核由于小车前轮不输出转矩，所以小车前轮轴只受弯矩。满载时负载 P = (509.8)/4 = 122.5N弯矩: M= PL = 122.540 = 4900N.mm 弯曲应力 =M/W= 1.54900/(0.098225) =4.79MpaW 抗弯截面系数 动载系数已知45#钢调质后的许用应力 = 335Mpa ,所以其安全系数 n = / h = 335/30.87 = 10.85根据GB8408-2000中的有关规定:重要销、轴安全系数n6。实际计算安全系数n=10.856,故安全系数足够。结论：前左轴强度足够由此可得小车强度足够。参考资料 1 孙志礼.机械设计M沈阳：东北大
31、学出版社.2000.2 冯秋官.机械制图与计算机绘图M北京：机械工程出版社.20023 申永胜.机械原理教程M北京：清华大学出版社.20054 于永泗.机械工程材料M大连：大连理工大学出版社.20065 周元康.机械设计课程设计M重庆：重庆大学出版社.20016 机械设计手册编委会.机械设计手册M北京：机械工程出版社.20077 王伯平.互换性与测量技术基础M北京：机械工程出版社.2004致谢辞 本课题在研究和完成期间本人遇到了不小的困难，现今课题能够完成，首先离不开我的指导教师袁玉红老师，是她时时不忘提醒与敦促才能让我在规定的时间内完成我的毕业设计，在此同时还要感谢我的同学，感谢他们帮我寻来了各种资料与各种参数，才能让我顺利的完成我的毕业设计。 在此为帮助和鼓励我的同学和老师送上我深深的感激。27