玩具车底盘及传动转向设计毕业论文

玩具车底盘及传动转向毕业论文
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——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造甚至可以根据需要对玩具汽车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的生产制造流程。

并且，美国早在1961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 是星辉车模股份的主打产品之一。

星辉车模股份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”飞驰”克莱斯勒”悍马”等的车模，该公司是国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：
4e- + O2 + 2H20 =4OH-
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：
Fe+2 + 2OH- =Fe(OH)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 + O2 + 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，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，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。

按电池部电解质材料的不同可分为：①沽酸锂(LiCoO2)电池；②磷酸铁锂电池；③一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、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，便可以在段时间产生电流和电压，使电池开始工作。

图2.6太阳能电池板
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——热——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，若大围使用从经济角度上而言，还无法与一般的火电发电站或核电站相竞争。

光——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，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0.25~0.4之间，故可取f=0.3。

则汽车的功率为：
P车=m×g×f×v=0.3×9.8×0.3×0.7W=0.63W
2.3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考虑汽车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
2.4.1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：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η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
ηf =0.5
则遥控玩具汽车的电动机的总功率为:
P 总=
2
2-1）（齿轮车f P ηη⨯=22)
5.01(8.063
.0-⨯=1.1W 低速轴转速：
ω=v/2
d =56rad/min
则玩具汽车车轮的转速：
n 车=
d
v
⨯π=540rad/min 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：
表2.1 M 系列直流电动机技术数据表
M 系列直流电动机技术的型号说明如下：
M-28-832
M ：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，晓华主编，科技。

M 系列直流电动机中的M20—262和M28—231满足要求。

若取M20—262则遥控玩具汽车的总传动比：
I 总=车
电
n n =11.1
若取M28—231则玩具遥控汽车的总传动比：
I 总=
车
电
n n =5.5
因为二级齿轮减速器传动比一般在8~40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，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：(1)增加抗拉伸和压缩能力。

(2)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。