工程挖掘车儿童玩具设计与仿真设计说明

1 引言

随着社会经济发展，人们逐渐摆脱了吃穿住行的困扰，并且开始追求精神上的放松与享受，玩具恰恰成为了一种很好的选择。在过去，一般提到玩具人们首先想到的是那不过是孩子们的玩意儿，但是在观念日益开放和进步的今天，玩具完全适合小到婴儿大到花甲的人群。不光如此，玩具也随着经济的发展和科技的进步朝着多元化迈步，尤其近十年来国内电子类产品更是呈现几何化增长趋势。仅计算机一项，从1996年至2009 年，用户数量就从原来的630万增长至6710 万台，增长了十倍有余。可以想象，在未来电子玩具很有可能成为玩具中的主力军。

而儿童玩具挖掘车是一款比较适合儿童和青少年玩乐的玩具，现在在超市和玩具店里随处可见，相信随着人们收入的不断提高，玩具挖掘车绝对可以扩大它的市场出货量，甚至在将来成为家庭必备的儿童玩具。

1.1 玩具挖掘车的概念和功能

玩具一般是指可以用来玩的物品。玩玩具常常被当作一种寓教于乐的方式。玩具可以是生产制造的产品，也可以是自然物体等非人工东西。玩具适合儿童，也适合青年和中老年人。它是打开人们智慧天窗的工具，让人们变得灵活聪慧。玩玩具，既可以让儿童充分发挥想象力促使他们大脑发育并提高创造力；也可以让成年人施展四肢，身躯得到有效放松；还可以维持老年人的脑力活动，有效预防老年痴呆等症状。总之，玩具可以使人寓学于乐，在玩的过程中伸展身体，精神得到愉悦。

儿童玩具挖掘车是模拟真实挖掘车的前进、后退和挖掘功能的玩具车，适合儿童以及青少年玩耍，一般通过轴的传动来模拟出挖掘的动作，有简单版适合婴幼儿推动前行的，更多的是遥控玩具挖掘车，受到20岁以下孩子们的喜爱。

1.2 国内外的基本现状

1.2.1 国内玩具产业的行情

随着国内玩具市场的不断发展，再加上国家加大了对玩具这类创意产业的政策支持，国内的玩具产业进入一个前所未有的上升发展阶段，这使之发展速度加快，行业效益提升。在2011年末，我国玩具制造工业企业达到了惊人的1172家，总资产完成了664.26亿元的总目标，同比增长了18%。而且相关数据显示：在2011年，我国玩

具制造产业实现了1450亿元的总营收，同比增长了18%，实现利润总额达66.5亿元，同比增长了40%左右。

1.2.2 国外玩具的优势

国外的玩具，尤其是美欧等国家，由于近代以来在玩具方面起步较早，玩具的设计生产理念早已超过国内很多，而且通过授权代理等已经占据了很大的市场，国内的被授权公司则只能依靠生产权限赚取微薄的代工费。而且国外民众的收入较为丰厚，居民购买力强盛，愿意为自己及身边的人购买玩具。另外，国外的玩具市场比较成熟，不光有儿童玩具，中年和老年人玩具更是占据了很大一块，相对国内来说，消费者群体更为广泛。

1.3 玩具的未来前景

传统玩具渐渐向电子玩具过渡，玩具的智能化发展已经成为新的玩具行业的发展趋势。高科技和智能化玩具不光光满足了人们的好奇心，也加强了人和玩具的互动，同时增加了孩子们的求知本能。玩具生产公司将计算机、电子、通讯等先进技术应用到了玩具产品之中，这突破了传统玩具的局限性，赋予玩具听、说的功能，与人进行互动。智能化玩具的形式多样、内容丰富、寓知于乐，可以与人进行“情感”交流，使人在愉悦中学习、体会生活。

而且玩具已经不在只是孩子们的个人专利。据我国玩具协会统计，大约64%的成年人表示有兴趣购买适合自己娱乐的玩具，预计成人每年的休闲娱乐的玩具市场能占到500亿元人民币的规模。传统玩具市场日趋下滑，智能化玩具的出口也不停地呈现增长的态势。尤其在国内经济一片走好的形势下，成人智能化玩具将会越来越有市场！

1.4 课题研究的目的及意义

了解玩具的发展史和其文化意义，洞悉目前国内外玩具市场的基本形势和它未来可能的主要发展方向。使设计与国内市场大环境相贴切，更加地适合儿童玩耍，且价格适中能够让普通人群接受。可以使儿童在不断地装拆玩具的过程中，培养他们的动手能力和空间感知能力，培养综合科学素质。在指导老师的教导下主动设计了一款新型易装拆、安全的工程挖掘车玩具，利用计算机仿真软件制作挖掘车玩具模型并进行机构运动仿真。在此过程中深入探讨了玩具挖掘车的设计方法及理念，巩固了理论知识，加深了对AutoCAD绘图软件和Pro/Engineer操作软件的理解和熟练度，提高了产品设计能力、机械绘图能力及计算机仿真能力。

1.5 课题研究的主要内容

研究手段：

1）进行市场调研，了解工程挖掘车玩具；

2）装拆工程挖掘车玩具，了解工程挖掘车结构和工作原理；

3）设计一款新型工程挖掘车玩具模型；

4）绘制工程挖掘车零件的零件图及工程挖掘车装配图；

5）利用计算机仿真软件制作挖掘车玩具模型并进行机构运动仿真。

2 玩具挖掘车的总体设计玩具挖掘车总共要实现小车的前进倒退、左右转向和挖掘三个功能。主要的思路是把小车分为两个大区，一块是底盘，另一块是承载挖掘吊臂的机构。底盘这一块主要负责小车的前进倒退和左右转向功能，这时候可以再把底盘分为左右两个小区，两边的结构完全一致，分别由一台小电机提供动力，这里的思路主要是通过遥控分别对左右电机实行控制，当一边电机工作带动对应车轮转动时而另一边不动，其实就实现了转向的功能；前进和倒退可以通过安装购买市场上已有的可以控制电机正转和反转的芯片来达到效果。吊臂这一块也可以分为两个小区，一个小区是动力系统，主要由一台电机提供动力；另一块是吊臂，通过在吊臂内部合理安装传动轴来模拟真实吊臂的运动，最终实现挖掘的功能。整体如下图（图2）。

图2 挖掘车的总体结构图

2.1 底盘的结构和工作原理

2.1.1 底盘结构和工作原理

如下图所见（图 2.1.1），底盘被区分为明显的左右两块，两边结构完全一样，分别由一个电机主导工作。电机将自上朝下插入与图中银灰色齿轮相接触，从而输出动力，带动各个传动齿轮转动最终实现车轮的转动。

实现各个动作的基本原理：

1）前进与后退：在市场上购买能够控制电机正反转的程序芯片和对应的遥控，车身上

下车车轮后吊

臂插

下车

遥控总共有左右两个摇柄，左摇柄向前推时实现电机正转带动左车轮向前转

动，向后推时实现电机反转带动左车轮向后转动，左右同时向前或向后就能

完成小车前进或后退的动作。

2）向左转和向右转：小车左右两边结构完全相同，两电机分别为左右边提供

动力，也就是说小车是左右驱动。当遥控左边向前推，右边向后推时，左边

车轮即向前转，右边车轮向后转，也就实现了小车向右转的功能；反之，小

车向左转。

图2.1.1 底盘

2.1.2 底盘电机选择

电动机是应用电磁感应原理运转的旋转电磁机械。在本设计中电动机将电能转换成为车轮转动时所需要的机械能。电动机中的线圈在磁场的作用下，产生了电磁转矩，

在电磁力的作用下保持旋转，并且保证在N极和S极附近的线圈总是有恒定方向的电流通过，使电磁转矩方向保持不变，达到了持续运转的效果。电动机就是依靠此项原理，在多匝线圈和磁极的作用下最终达到电动的作用。在本设计中将利用购买的控制电机正反转的芯片和遥控控制电机转向，来达到小车前进后退的效果。

电动机的结构由定子、转子和其它附件组成。定子就是静止部分，它又可以分为定子铁心、定子绕组；转子就是旋转部分，它又可以分为转子铁心、转子绕组。

一、电机的选择

电机的选择主要要考虑到它的转速、功率，电机输出转速通过减速箱体最终传达到车轮上。驱动电机应在满足机械载荷的要求的这个前提下，选择最经济适用的驱动电机，若功率太大，投资也会随着增大，不仅会造成浪费资源，而且会经常因为欠载而停止运行，影响工作效率；若功率太小了，驱动电机会发生过载运行的情况，这会使驱动电机烧坏，会缩短电机的寿命。

因为挖掘机作为一款主要是仿真挖掘动作的小车，对其的运行速度要求其实并不高，而根据对手中模型的观察和估计，可假设小车正常运行当中所受的力F= 10N，且通过测速可知，小车在正常运转下的稳定速度大约为0.05m/s。因为可以得到以下计算。

负载功率：

=Fv

=10×0.05

=0.5W

而电动机的额定功率

P，因为电机的输出功率必须经过减速箱传达，其中的机械

损耗较大，因而设定：

P≥P，且留有一定的余量，

d v

取Pv

Pd5.1

5.0

5.1?

因此这里选择电动机的型号为：FA-130RA-18100（见图2.1.2）

数据如下：转速：12000r/min 输出功率：0.76W 电压：3V 电流：0.15A

重量：17g

2.1.3 底盘传动轴扭矩的计算及直径选择

万向节传动轴的断面尺寸除应满足临界转速的要求外，还应保证有足够的扭转强度。传动轴的最大扭转应力τ(MPa)可按下式计算：

τ= Te max ·1R i ·1F i ·kd/W τ （1-1）式中Te max ——发动机的最大转矩，N ·m ；

1R i ，1F i

kd ——动载荷系数；

W τ——抗扭截面模量；

当然传动轴如果是管轴，这里也可以表达为

τ=16DT/π·（D4-d4）（1-2）式子力的T 表示传动轴转矩，T=Te max ·1R i ·1F i ·kd ，N ·mm ；

D ——传动轴管外径尺寸，mm ；

d ——传动轴管内径尺寸，mm ；

上式亦可用于计算万向传动的实心轴，例如传动轴一端的花键轴和转向驱动桥的半轴以及断开式驱动桥和de Dion 桥的摆动半轴，并取上式的d=0。对于花键轴D 取花键的内径，且其许用应力一般按安全系数为2～3确定。

根据传动轴的扭力需要计算轴的最小危险截面直径，如下下面举例进行计算说明：

根据购买的模型得知其参数为：

1、发动机的最大输出功率为0.76W；

2、发动机传输最大输出扭矩为60N·m（转速约12000r/min）；

3、发动机的主减速比参考购买的模型可知，电机主动齿轮Φ1=2mm，Φ2=6mm，Z3=28，Z4=8，Z5=46，Z6=10，Z7=44，Z8=9，Z9=30，Z10=11：

Ⅰ 3

Ⅱ 3.5

Ⅲ 5.75

Ⅳ 4.4

Ⅴ 1.22

4、满载前轮重量2Kg，满载时重心离地高度为100mm；

5、车轮半径为0.07m；

对于小车而言，由于车体的自重较轻，因此抓地力相对较差，这里选取系数为0.75；另选选取半轴抵达驱动车轮间的传动效率数值是0.96。

按发动机输出进行计算，并带入式（1-2）计算：

T=εTe max·i∑·ηγ=0.6×60×4.4×4×0.96≈608 N·m

考虑到当车体在最高传动比运行下时候，小车的运动速度是最小的，这时车体传动轴可以获得最大的扭转转矩。发动机的传动效率此时选取0.9。

根据上面的计算结论，可选取数值较小的扭矩值当作驱动轴的最小扭矩。另对于车体而言，为了保护发动机尽量减小损坏和其他安全件不受到损坏，因此传动轴需要选取较小的数值。

因τ=16DT/π·（D4-d4）（1-3）

所以有：

D=[32·T/(π·κ·τmax)]-3 (单位：mm)

式中 D——传动轴外径，此时为实心轴；

κ——安全系数，对于小车而言选取安全系数为1.3～1.5；

τmax——表示传动轴的抗压强度；

通常情况下传动轴需要承受合理范围内的弯曲疲劳应力，所以选取了1.5倍的安全系数带入式（1-3）进行计算：

D=[32×608/(π×1.5×940)]-3=1.39mm

即至少选择最小轴径为1.39mm的轴作为最小安全截面积，本次设计为了避免齿轮孔、套轴过细和适度耐用性选取了2mm的轴。

2.2 吊臂动力系统的结构和工作原理

主要由一台电机提供主动力，然后通过4个轴传递扭矩，最终通过圆盘向吊臂末端输出动力，可以想象，吊臂的末端将围绕圆盘作圆周运动。

图2.2 吊臂动力系统结构图

一、吊臂动力系统齿轮传动比的计算

参考购买的模型可知，电机主动齿轮Φ1=2mm，Φ2=6mm，Z3=23，Z4=12，Z5=36，Z6=10，Z7=30，Z8=10。

由此可计算出各级齿轮传动比分别为

Ⅰ 3

Ⅱ 2.875

Ⅲ 3

Ⅳ 3

2.3 吊臂的结构设计和运动原理

2.3.1 吊臂的结构设计

实际生活中，挖掘车的吊臂是电力辅助、液压制动的机构，但是放在玩具当中

这将导致高昂的成本和复杂性，为了降低成本，使产品易于被广大群众接受，只能采取传动轴模拟替代液压系统。吊臂的内外部结构如图2.1.3所示）。

图 2.3.1 吊臂的

结构原理图

3 轴设计

3.1 二级增速速轴(Ⅲ轴)的设计

1) 初确定轴的最小直径

选取轴的材料为45钢，调质处理。

30min n P A d = （2-1）取1120=A ,0.0376kw 3=P ,83.10r/m in 3=n ，得8.60m m min ≈d

2) 轴的结构设计

经计算轴的长度为12mm

3) 确定轴上圆角和倒角尺寸

查手册取轴端倒角为??451.0，各轴肩处的圆角半径为R1.0。

3.2 中间轴(Ⅱ轴)的设计

1) 初步确定轴的最小直径

选取轴的材料为45钢，调质处理。 32

20min n P A d = （2-2）取1120=A ,0.0388kw 2=P ,r/m in 299.152=n ，得 5.67m m min ≈d 所以轴的最小直径取为6m m 1=d

2) 轴结构设计

经计算轴的长度为17mm

3) 确定轴上圆角和倒角尺寸

查手册取轴端倒角为??450.1，各轴肩处的圆角半径为R1.0。

3.3 一级增速轴(Ⅰ轴)的设计

1) 初确定轴的最小直径

选取45钢作为轴的材料，采取调质处理。 31

10min n P A d = （2-3）取1250=A ,0.04kw 1=P ,1400r/m

in 1=n ，得 3.82m m min =d 轴最小直径输出直径为安装联轴器处，联轴器的孔径有标准系列，故轴最小直径处须与联轴器孔径相适应，所以轴的最小直径为4m m 1=d ，长度为11m m 1=L ，39mm =L 。

2) 轴的结构设计

根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度轴肩高度0.4m m ～0.284）0.1～(0.07100701=?==)d .

～.(h ，所以0.4mm =h 即 4.8m m 20.442=?+=d ，长度为28m m 2=L 。

3) 查手册取轴端倒角为??450.1，各轴肩处的圆角半径为R1.0。

4) 求轴上的载荷

A 、齿轮对轴的力

已知一级增速大齿轮分度圆直径26.4m m 1=d

20.45N 26.4

27022211≈?==d T F t 7.362N 20tan 4520tan 11≈??==.αF F t r

垂直方向：

???=?-?=+0283912

121t V t V V F F F F F 得 ???≈≈14.68N 5.77N 2

1V V F F 垂直方向最大弯矩

m m 411.04N 282?=?=V V F M

水平方向：

???=?-?=+0283912

121r H r H H F F F F F 得 ???≈≈5.29N 2.072N 2

1H H F F 水平方向最大弯矩

m m 148.12N 282?=?=H H F M

合成弯矩

mm 436.91N 2

2?=+=V H M M M

扭矩 mm 270N ?=T

B 、校核轴的强度

按第三强度理论，计算应力 224τσσca += （2-4)

对于直径为d 的圆轴，弯曲应力为W M σ=，扭转切应力W T τ2=，则轴的弯扭合成强度条件为 W

T M σca 2

2)(α+= (2-5) 由弯矩图及扭矩图可以看出mm 436.91N ?=M ，mm 270N ?=T 由式3333

1839.97m m 26.40.10.132

π≈?=≈=d d W ，取0.6=α 所以[]60MPa 0.25MPa 1839.97

270)(0.6436.91)(12

222=<≈?+=+=-σW T M σca α 满足强度要求。

图3 轴的载荷分析图

4 实体建模

4.1 软件介绍

随着科学技术的不断发展，计算机技术也有了巨大的进步，现今，三维实体造型设计越来越广泛的运用实际设计中。Pro/e作为众多的三维设计软件之一，也得到了全球的广泛的使用，并且渐渐成为全球最普及的CAD/CAM软件之一。Pro/e具有绘制二维草图、实体零件建模、曲面特征建模、工程图生成、零件装配及Pro/NC加工等功能，并且它的优点很多，多功能化、全面性及高效化等多种优点，更是吸引了很多设计者，并将它广泛地应用在机械、模具、自动化、汽车等等的各机电行业中。目前，熟练使用Pro/e已成为各制造行业的所有工程师缩必须掌握的技能之一。

用Pro/e绘制实体图时，“打开Pro/e——＞新建——＞零件——＞取消使用缺省模版——＞确定——＞选择mmns_part_solid——＞确定”，就可以进入实体图绘制了。

4.2 小车前吊臂单边机壳建模

1）前吊臂的绘制用“草绘”绘制出，如图5.2.1所示。

图 4.2.1

2）草绘完毕，点击并进行拉伸，形成如下图形，如图5.2.2所示。

图4.2.2 拉伸

3）再次进入草绘模式，点“草绘”中“参照”并选取合适的边作参照，画出草绘图形，如下图5.2.3。

图4.2.3

4）点并拉伸，选取合适深度，向内截去，保留剩余部分，这样机壳的大体形状已经成型。再对其细节加工。

图4.2.4

5）对草绘进行拉伸，高度选择2mm，形成如图5.2.5所示。

图4.2.5

6）同样的方法对另一草绘拉伸，选取高度4.8，如图5.2.6所示。

图4.2.6

7）在刚才的圆孔处进行草绘，并拉伸截去所画部分，所得如下图所示。

图4.2.7

8）对所需画柱轴的部位进行定位，画出所需草绘，如下图所示。

图4.2.8

9）同理可对所有柱轴进行拉伸，得出如下图所示。

图4.2.9

10）零件最终成型形状如下图所示。

图4.2.10

4.3 小车前吊臂另一边机壳建模

针对上面单边机壳的建模，在这里完全可以用镜像的方式直接得出所需零件大体形状图。点“文件”中“镜像文件”选取合适镜像平面直接镜像，然后将所对应的柱轴拉伸删去，画上所需的大小，经多次草绘和拉伸之后，最终形成如图5.3.1所示的效果图。

图4.3.1 另一边机壳的镜像建模由此可知，在小车吊臂机壳的设计中，包括后吊臂左右机壳的设计，完全可以利