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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/h8km/h5km/h3km/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=10km/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/h8km/h5km/h3km/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/min106r/min
66r/min40r/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/min106r/min66r/min40r/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:
,。
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
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