简 介龙邱开源闪电鼠Q车模机械设计包含CNC一体成型侧板、带齿轮一体式轮毂、碳纤维底板等核心结构。侧板采用6061铝合金精加工集成电机、车轴、编码器等安装孔位轮毂内置双轴承通过纯钛车轴与防松螺母固定碳纤维底板优化负压系统布局适配立体赛道需求。该方案旨在降低参赛门槛鼓励创新优化推动智能车竞赛发展。开源地址https://gitee.com/lq-tech/longqiu_openQcar关键词智能车竞赛龙邱缩微车模开源0、写在前面本次我们开源闪电鼠 Q 车模核心机械结构设计思路面向所有参赛队伍免费开放参考初衷本就是为了降低机械结构试错门槛提升大家参赛积极性助力更多条件有限的队伍参与竞赛、也鼓励大家基于此方案创新优化打造出自己的专属原创车模。龙邱始终专注于助力赛事、服务智能车竞赛无心卷入无谓争议也期待行业内能多一份深耕赛事培养人才的初心共同守护纯粹的竞赛氛围。以下是开源地址链接https://gitee.com/lq-tech/longqiu_openQcar其中包括有CNC一体成型侧板、带齿轮一体式轮毂、碳纤维底板等详细设计可以说是教程级别的开源分享。1、核心结构拆解本章节将从传动系统、CNC 一体成型侧板、带齿轮一体式轮毂、碳纤维底板四个环节切入。1.1 传动系统设计闪电鼠 Q 车模的传动轴包括两部分一部分是带有齿轮轮毂的车轴系统一部分是滑轮系统。1车轴为整车传动核心采用纯钛车轴为主轴装配顺序从内到外依次为车轴尾部 → 铝合金防松自锁螺母 → 侧板 → 铝合金轴套 → 内轴承 → 轮毂 → 外轴承 → 车轴头部。2若采用两轮版本车模则需安装滑轮滑轮内置有轴承装配方法使用 M3 尼龙螺丝依次穿过圆弧包塑滑轮、尼龙轴套、CNC 侧板最后拧紧到侧板的螺纹上。轮毂内侧自带凸台可与侧板保持安全间距避免装配后产生干涉铝合金轴套用于进一步增大侧板与轮毂间距校准齿轮咬合宽度确保齿轮啮合顺畅、无干涉双轴承分别嵌入轮毂齿轮内外侧依靠法兰挡边限位轮毂通孔需适配轴承尺寸无虚位、不晃动纯钛车轴长度不重要只要不是太短都可以从装配顺序可见最终通过铝合金防松自锁螺母来夹紧侧板、轴套、轴承及轮毂防松自锁螺母自身应力大在自然转动下不会松动装配松紧度由铝合金防松自锁螺母决定拧得松轮子就会晃动拧得紧就会压迫轴承调试时以轮毂转动顺滑、无虚位、无明显阻力为宜。1.2 CNC 一体成型侧板设计侧板采用 6061 铝合金 CNC 精加工一体成型兼顾结构强度与轻量化需求。1.2.1 侧面开孔布局1电机安装多个 M2 电机孔030 电机固定孔倾斜角度 30°同时预留了 130 电机孔位2车轴安装2 个 M2 车轴孔3编码器固定3.5g/1.5g 两款编码器安装孔共 4 个 M1.6 孔位中间孔位双编码器共享4滑轮固定圆弧包塑滑轮孔M3 带内螺纹贯穿。1.2.2 底面 顶面螺纹设计1底面前后 2 个 M2 螺纹孔通过 4 颗纯钛 M2 短螺丝直接与底板固定2顶面前后 2 个 M2 螺纹孔方便横拉板、加强筋、PCB 板及各种支架安装。1.2.3 滑轮孔位设计滑轮选用 12mm 圆弧包塑滑轮滑轮孔位设计时需要考虑以下三点1滑轮 M3 螺纹孔的水平位置需低于侧板底面使滑轮可支撑底板前部避免车身前低后高2设计时需规避底板干涉可伸长置于底板前方或将对应位置底板镂空3不能太低太长太尖要做到无论装不装滑轮、无论用两轮还是四轮在飞檐走壁立体赛道中均无干涉不戳碰赛道增强车模鲁棒性提高容错率。1.2.4 合理镂空设计侧板做合理镂空减重单独手持侧板用力掰会弯折变形属于正常轻量化设计结果。因为侧板前后均通过螺丝与底板固定底部两颗纯钛螺丝可分担侧板中部弯曲受力装车后强度会得到提升满足需求。1.3 带齿轮一体式轮毂设计带齿轮一体式轮毂以齿轮传动顺畅、镂空轻量化为核心设计要点同时需要较多的齿数来增大减速比即 “小盘带大飞”。1.3.1 齿轮生成若不熟悉齿轮参数计算可通过 SolidWorks 工具一键生成按国标传动正齿轮规格选用 20° 压力角不同材质生产误差的考量一般不需要体现在齿轮上可通过调节齿轮中心距弥补。1.3.2 轴承厚度适配根据轴承厚度计算两颗轴承去掉法兰挡边后真实装在轮毂内部的有效厚度根据该厚度切除轮毂实心部分轮毂厚度需大于双轴承总厚保证轴承压紧后无干涉。我们设计时为了确保轮毂强度所以留了 6.95mm 的轮毂厚度容纳两颗轴承绰绰有余了。1.3.3 外观与减重可参考各类乘用车轮毂花纹设计做贯穿式镂空在保证结构强度的前提下最大化减重。1.4 碳纤维底板设计底板采用碳纤维材质核心围绕立体赛道适配性、器件安装便捷性两大需求设计同时宽度不能太窄以保证负压的有效吸盘面积图中绿色部分做了下沉处理。1.4.1 飞檐走壁赛道适配底板前后不宜过度延长原因有两个方面1缩微车模的轮子和轮距都比较小底板伸长后在经过立体赛道时无法保证以可滚动部件优先接触碳板可能戳碰赛道、导致车模卡住、电机堵转2底板前后如果伸长在上下垂直墙面的圆弧过渡处、圆筒赛道内车身会被 “担起”容易导致轮胎脱离赛道表面、负压空腔进气量增加存在隐患。1.4.2 负压系统安装为了规避有刷风机紧配易脱落的问题底板优先兼容无刷负压方案底板中心预留离心风机进气口、无刷电机固定孔。1进气口直径需略小于离心风机直径在保证电机固定强度的前提下还需尽可能减少电机固定孔部分对进气口的遮挡2无刷电机线出口、环形区域的螺丝孔都有做下沉处理图中绿色部分不仅可以避免线材蹭地还能让负压腔底部更平整增强气密性提升负压效率。1.4.3 传感器与 PCB 安装1电磁支架布置于车前两侧安装孔位与闪电鼠 N 车模相同之前的支架依旧适用2光电管支架布置于车前孔位居中对称不干涉负压系统孔位间距与闪电鼠 N 车模相同之前的支架同样适用3摄像头支架车前中心新增 M3 安装孔为了避免干涉负压系统又因为立体赛道所以底板不能向前延伸所以将负压系统略微后移规避干涉疯狂电路组可自行修改延长底板前部留出更多摄像头安装空间也可将安装孔留在顶部的横拉板、加强筋、PCB、支架上面这样还能用更短的杆进一步减重4PCB 安装孔位基本与闪电鼠 N 车模相同依旧适配一体板孔位适配自主设计的电路板一般只需要 4 个对应孔位即可甚至不需要在底板上考虑这件事直接将 PCB 作为横拉板、加强筋固定在两个侧板顶部的螺丝孔上面。2、材料清单及材质选型2.1 车模材料清单2.1.1 两轮版本2.1.2 四轮版本2.3 车轴、螺丝材质选型依据车轴、侧板与底板的固定螺丝均选用纯钛材质为什么选用纯钛呢在非合金的状态下钛的强度跟某些钢相若但却还要轻 45%。在金属元素中钛的强度极高它是一种高强度但低质量的金属而且具有相当好的延展性常用来制造火箭及航天器荣获 “太空金属” 的美誉。【比强度】材料的强度断开时单位面积所受的力除以其密度又被称为强度质量比是衡量材料轻量化与高强度性能的核心指标。我们将常用的金属材质进行对比得到各材质核心性能对比数据如下材质杨氏模量刚性莫氏硬度耐刮密度304 不锈钢193 GPa5.5~6.07.93 g cm³6061 铝合金68 GPa3.0~3.52.70 g cm³7075 铝合金71.7 GPa2.75~3.02.81 g cm³纯钛116 GPa6.04.51 g cm³为便于理解表格数据我们首先来了解下表格中的杨氏模量和莫氏硬度指的是什么【杨氏模量】又称 “弹性模量”是衡量材料抵抗弹性变形能力的指标数值越高表示材料在受力时越不容易发生弹性形变即刚度越大。【莫氏硬度】即 “刻划硬度”比的是 “谁能划伤谁”共 10 级。只看耐刮不反映抗压、强度。根据表格数据各材质表现分析如下1不锈钢刚性、硬度表现顶尖不易断裂、不易滑丝但缺点是重量过大2铝合金重量轻但刚性、硬度都较低易断裂、易滑丝3纯钛刚性约为铝合金的 1.65 倍硬度媲美不锈钢约为铝合金的 2 倍同时具备优良的屈服强度、延展性与韧性不易断裂、不易滑丝。此外还有钛合金材质虽然其强度高但售价不菲性价比低暂不作选型考虑。车轴、螺丝在整车重量中占比并不高无需过度追求轻量化纯钛的高刚性、高硬度、高韧性、轻量化已经满足车模运行需要故最终选用纯钛材质。2.4 带齿轮一体式轮毂材质选型在去年9月份开始考虑做新的缩微车模的时候齿轮轮毂一体化就是第一批设计和验证方案。去年 12 月份B 站上发布的 030 强磁电机验证视频中使用的就是这种轮毂当时这种一体式轮毂方案我们已经处于成熟测试阶段了在约同时期发布的无刷负压方案验证视频中也能见到甚至当时还尝试过使用 PCB 作为底板的方案。近期有学生发截图过来问我们一体化轮毂是否为抄袭借鉴市场现有商家方案在此声明一下一体化轮毂车模的方案我们早在去年10月份就已经成熟未借鉴任何现有市场方案但出于多种考虑当时并未量产推出。以下图片是去年10月份两种轮毂对比测试行业内普遍认为齿轮需兼顾精度、强度与耐高温性常规选用金属或 POM 材质但在我们即将开模制作时却发现带轮毂一体式的 POM 材质开模成本极高我们转而尝试了光固化工艺其精度虽能满足需求但刚性与韧性表现很差轮毂整体可被轻易捏扁齿轮用指甲即可掰断很脆高速运行时还有概率出现齿轮崩碎的情况随后我们陆续尝试了多种尼龙材质及相关加工工艺包括尼龙烧结、MJF 熔融等并在去年完成了兼顾高熔点、高刚性、高韧性的 PA12S 材质及 1172Pro 材质的验证。当时唯一的不足之处是其齿轮精度不及 POM 材质。综合考量后我们偏向于践行标准化车模的设计理念选择了兼顾实用性与标准化的闪电鼠 N 车模方案采用铝合金轮毂搭配 POM 齿轮的组合随着竞赛中 030 行进电机性能逐渐发挥到极致为了进一步减轻非核心部件的重量腾出更多的重量余量给电机留出更多的选择空间我们重新启动带齿轮一体式轮毂方案最终确定选型为 PA12S 尼龙或更轻的 1172Pro 尼龙材质。传动系统作为保障车模运行的核心部件结实耐用是首要前提在此特别提醒广大参赛车友请谨慎使用树脂光固化材质其热变形温度通常低于 100℃耐温性能一般不适宜放置在高温环境及强太阳光直射下而尼龙轮毂的热形变温度一般可接近 200℃可从容应对夏季高温强光即使电机发热发烫也能保障轮毂齿轮的稳定运行。2.5 CNC 侧板严禁使用铝合金螺丝CNC 一体成型侧板在与底板固定时严禁使用铝合金螺丝CNC 一体成型侧板在与底板固定时严禁使用铝合金螺丝CNC 一体成型侧板在与底板固定时严禁使用铝合金螺丝重要的事情讲三遍铝合金螺丝受力后极易断裂在螺纹孔内断裂后难以取出会直接导致螺纹孔堵死、整块侧板报废造成不必要的损失3、齿轮啮合间距计算齿轮中心距是啮合丝滑的核心理论间距计算公式如下齿轮中心距主动齿齿数从动齿齿数×模数÷2实际调试时需在理论值基础上小幅度放大避免齿轮啮合过紧、产生卡顿具体示例如下1轮毂齿轮与电机齿轮轮毂齿 44 齿电机齿 8 齿模数 0.5 模理论间距为 (448)*0.5/2 13mm但是这个间距大概率会啮合过紧实际可能需要扩大到 13.15mm、13.20mm、13.25mm。2轮毂齿轮与编码器齿轮轮毂 44 齿编码器齿轮 10 齿模数 0.5 模理论间距为 (4410)*0.5/2 13.5mm实际可能需要扩大到 13.65mm、13.70mm、13.75mm。分享一个高效确定齿轮中心距的小技巧仅需要加工一片侧板在侧板上同时预留多组不同间距的安装孔位从而可以一次性完成最优啮合间距的调试节省试错成本与时间。4、高性价比替代方案CNC 精加工一体成型侧板是车模中成本最高的部件虽然重量上确实能轻几克但相对成本来讲性价比比较低个人自制的话不建议选用此方案。我们不妨回头看一下去年第二十届中的闪电鼠车模方案其实也能够放到今年来用。这种碳板结合四方螺母的设计方式自去年以来已有不少善于观察、乐于动手的同学学习借鉴并亲身实践过了而且很多同学的车模做得都很不错。4.1 碳纤维侧板选用碳纤维板材切割成型替代 CNC 铝合金一体成型侧板可以兼顾轻量化与降低成本但需要注意固定方式避免跑车过程中晃动。4.2 四方螺母连接件采用铝合金四方螺母至于是 M2 还是 M3 不重要我们选最轻的按理来说6×6×6mm M3 铝合金四方螺母应该是最轻的因为 6mm 边长本身是这一类里的最小规格M3 应该是掏空最多的。由于铝合金四方螺母成本远低于 CNC 侧板即便拧螺丝的过程中螺丝断裂损失也可接受因此可以使用比纯钛更轻的 M3 铝合金螺丝甚至可以使用更轻的 M3 尼龙螺丝。4.3 滑轮安装方法若改用两轮车模只需选用加长尼龙螺丝配合 M3 铝合金防松螺母或尼龙螺母即可完成圆弧包塑滑轮的固定。4.4 小结总的来说采用碳板结合四方螺母的方案整车新增重量仅来源于 4 个铝合金四方螺母、2 个 M3 螺母、几颗 M3 螺丝且碳纤维侧板本身密度是比铝合金要低铝合金或尼龙螺丝本身密度是比纯钛要低。因此这种方案相比 CNC 精加工一体成型侧板成本要低很多研发周期和加工周期也比较短自制车模可以考虑此方案的可行性。※写在最后 ※本次开源方案由龙邱工程师 lq003 潜心研发并整理。作品难免存在不足之处但每一处均为团队心血之作。我们始终希望拿出的每一款产品都是自身能力范围内的最优呈现也期待能为参与智能车竞赛的同学们切实助力期待赛场上车友们的精彩表现。