自行車無級變速器的設計含15張CAD圖-版本3

自行車無級變速器的設計含15張CAD圖-版本3,自行車,無級,變速器,設計,15,CAD,版本 XXXXX 題 目： 自行車無級變速器設計 專 業： 學 號： 姓 名： 指導教師： 完成日期： 20XX年5月9日 自行車無級變速器設計 摘 要 無極變速器是一種能適應工藝工藝要求多變、工藝流程機械化和自動化發展以及改善機械工作性能的一種通用傳動裝置。無級變速器傳動是指在某種控制的作用下，使機器的輸出軸轉速可在兩個極值范圍內連續變化的傳動方式。而無級變速器是一種獨立的傳動部件，它具有輸入和輸出兩根軸，并能通過傳遞轉矩的中間介質（固體、流體、電磁流）把兩根軸直接或間接地聯系起來，以傳遞動力。當輸入、輸出軸的聯系關系進行控制時，即可使兩軸間的傳動比發生變化（在兩極值范圍內連續而任意地變化）。本文在分析各種無級變速器和無級變速自行車的基礎上，將剛性定軸無級變速器和傳統的鏈式無極變速器進行對比，把鋼球外錐式無級變速器進行部分改裝，從而形成了自行車的無級變速裝置。該裝置通過八個鋼球利用摩擦力將動力進行輸入輸出，用一對斜齒輪進行分度調速，從而使自行車在0.75～1.22之間進行無級調速。同時進行對部分零件進行校、潤滑、調整和使用方法的研究，并以此作為本次無級變速設計的理論基礎。表明：無級變速器被用于自行車方面可以大大改善自行車的使用性能，方便廣大消費者使用。 關鍵字: 無級變速自行車 機械無級變速器 調速 The design of the CVT on bicycle Abstract Automatic transmission is a kind of adaptive process technological requirements and changeful, process mechanization and automation development and improve the mechanical performance of a universal transmission device.Stepless transmission drive is to point to in under the action of some kind of control, the machine of the output shaft speed can be continuous variation within two extreme way of transmission.And stepless transmission is a kind of independent driving part, it has two input and output shaft, and can be delivered through the middle of the torque medium (solid, liquid, electromagnetic flow) to connect two shaft directly or indirectly, to transfer power.When the input and output shaft were related to control, can make the change the ratio between the two axis (within the scope of the two extreme consecutive and arbitrarily change).Based on the analysis of various kinds of stepless transmission and infinitely variable speed bike, on the basis of the rigid fixed axis stepless transmission were compared with the traditional chain automatic transmission, the steel ball outside cone type stepless transmission partial modification, thus formed the bicycle stepless speed change device.The device through the eight ball using friction power input and output, with a pair of helical gear indexing speed, so that the bicycle for stepless speed regulation between 0.75 ~ 1.22.Simultaneously to school parts, lubrication, adjustment and using method of research, and as the theoretical basis for the design of stepless variable speed.Showed that the stepless transmission is used for bike can greatly improve the performance of bicycle, convenient for consumers to use. Keyword: CVT bike Mechanical CVT Speed control. 目錄 摘要 1 ABSTRACT 2 1緒論 3 1.1 機械無級變速器的特征和應用 3 1.2 機械無級變速器的分類 3 1.3 機械無級變速器的發展概況 6 1.4 無級變速自行車發展史及研究現狀 7 1.5 自行車無級變速器運用實例 10 1.6 研究的目的和意義 12 1.7 畢業論文設計內容和要求 12 2 自行車無級變速器總體方案的選擇 13 2.1 鏈式無級變速器 13 2.2 剛性定軸無級變速器 14 2.3 兩方案的比較與選擇 17 3 鋼球外錐式無級變速器部分零件的設計與計算 18 3.1 鋼球與主﹑從動錐齒輪的設計與計算 18 3.2 加壓盤的設計與計算 19 3.3 調速齒輪上變速曲線槽的設計與計算 20 3.4 輸入軸的設計計算與校核 21 3.5 輸出軸的設計計算與校核 24 3.6 輸入﹑輸出軸上軸承的選擇與壽命計算 27 3.7 輸入﹑輸出軸上端蓋的設計與計算 29 3.8 調速機構的設計與計算 30 3.9 外錐式無級變速器的安裝 31 4 自行車變速器的簡單說明 32 4.1 自行車變速器的工作原理 32 4.2. 自行車變速器的使用方法 33 5 結論 33 參考文獻 34 致謝 35 1緒論 1.1 機械無級變速器的特征和應用 機械無級變速器是一種傳動裝置，是在輸入轉速一定的情況下實現輸出轉速在一定范圍內連續變化的一種運動和動力傳遞裝置，由變速傳動機構、調速機構及加壓裝置或輸出機構組成。 機械無級變速器轉速穩定、滑動率小、具有恒功率機械特性、傳動效率較高，能更好地適應各種機械的工況要求及產品需要，易于實現整個系統的機械化、自動化，且結構簡單，維修方便、價格相對便宜。 無級變速傳動主要用于下列場合： （1） 為適應工藝參數多變或輸出轉速連續變化的要求，運轉中需經常或連續的改變速度，但不應在某一固定速度下長期運轉，如機床、卷繞機、車輛和攪拌機等； （2） 探求最佳工作速度，如試驗機、自動線等； （3） 幾臺機器或一臺機器的機器的幾個部分協調運轉； （4） 緩速啟動以合理利用動力，通過調速以快速越過共振區； （5） 車輛變速箱，可節省燃料約9%，縮短加速時間，簡化操縱。 綜上所述?？梢钥闯霾捎脽o級變速器，尤其是配合減速傳動時進一步擴大其變速范圍與輸出轉矩，能更好的適應各種工況要求，使之效能最佳，在提高產品的產量和質量，適應產品變換需要，節約能源，實現整個系統的機械化、自動化等各方面皆具有顯著的效果。如采用液力耦合器、液力變矩器或液力粘性傳動無級變速器，則有吸震、緩沖和自適應性。采用無級變速傳動有利于簡化變速傳動結構、提高生產率和產品質量、合理利用動力和節能、便于實現遙控及自動控制，同時也減輕了操作人員的勞動強度。故無級變速器目前已成為一種基本的通用傳動形式，應用于紡織、輕工、食品、包裝、化工、機床、電工、起重運輸礦山冶金、工程、農業、國防及試驗等各類機械。 1.2 機械無級變速器的分類 按照機械特性的不同，無級變速傳動可分三類。 （1） 恒功率型：這種傳動的輸出轉矩與輸出轉速成反比關系，輸出功率恒定不變，這種特性的經濟性好；機床的主傳動系統、恒張力卷繞裝置、實驗裝置和某些起重運輸機械的傳動需要這種特性。 （2） 恒轉矩型：其輸出轉矩不隨轉速變化，而輸出功率與輸出轉速成正比關系；機床的進給系統、某些工藝輸送帶（烘干、酸洗、染色等）和某些運輸機的傳動需要這種特性。 （3） 變轉矩、變功率型：輸出轉矩和功率均隨輸出轉速變化，例如紡織工業中的經紗卷繞裝置的傳動就是這中使用特性。 實現無級變速大致可以從下列三種途徑著手。 （1） 改變動力機（一次動力機————內燃機、汽輪機；二次動力機————電動機、液壓馬達等）的能源參數（油、汽量和電壓、電流、供電頻率等）以調速動力機的輸出轉速，實現無級變速。由于一次動力機的調速范圍小，二次動力機的慣量小、恒功率特性差，需要接入機械傳動裝置進行匹配。 （2） 改變輸入、輸出軸間傳動元件的尺寸比例關系（如各種機械無級變速器），或改變工作腔中的油量（如液力耦合器和變矩器）來實現傳動系統的無級變速。 （3） 通過調節作用在傳動中某元件上的制動負載來實現傳動系統的無級變速，如摩擦、電磁滑差和磁粉離合器，以及液粘傳動，以耗能制動的方式進行無極變速，缺點是效率低、發熱嚴重。 按照傳動介質不同，無級變速可分三類 　?。?） 液力無級變速傳動：液體傳動分為兩類：一類是液壓式，主要是由泵和馬達組成或者由閥和泵組成的變速傳動裝置，適用于中小功率傳動。另一類為液力式，采用液力耦合器或液力矩進行變速傳動，適用于大功率（幾百至幾千千瓦）。 液體傳動的主要特點是：調速范圍大，可吸收沖擊和防止過載，傳動效率較高，壽命長，易于實現自動化：制造精度要求高，價格較貴，輸出特性為恒轉矩，滑動率較大，運轉時容易發生漏油。 （2） 電力無級變速傳動：電力傳動基本上分為三類：一類是電磁滑動式，它是在異步電動機中安裝一電磁滑差離合器，通過改變其勵磁電流來調速，這屬于一種較為落后的調速方式。其特點結構簡單，成本低，操作維護方便：滑動最大，效率低，發熱嚴重，不適合長期負載運轉，故一般只用于小功率傳動。 二類是直流電動機式，通過改變磁通或改變電樞電壓實現調速。其特點是調速范圍大，精度也較高，但設備復雜，成本高，維護困難，一般用于中等功率范圍（幾十至幾百千瓦），現已逐步被交流電動機式替代。 三類是交流電動機式，通過變極、調壓和變頻進行調速。實際應用最多者為變頻調速，即采用一變幅器獲得變幅電源，然后驅動電動機變速。其特點是調速性能好、范圍大、效率較高，可自動控制，體積小，適用功率范圍寬：機械特性在降速段位恒轉矩，低速時效率低且運轉不夠平穩，價格較高，維修需專業人員。近年來，變頻器作為一種先進、優良的變速裝置迅速發展，對機械無級變速器產生了一定的沖擊。 （3） 機械無級變速傳動：機械無級變速器與液力無級變速器和電力無級變速器相比，結構簡單，維護方便，價格低廉，傳動效率較高，實用性強，傳動平穩性好，工作可靠。特別是某些機械無級變速器在很大范圍內具有恒功率的機械特性（這是電力和液壓無級調速裝置所難達到的）。因此，可以實現能適應變工況工作，簡化傳動方案，節約能源和減少污染等要求，但不能從零開始變速。機械式無級變速器按傳動原理一般可分為：摩擦式、帶式、鏈式和脈動式四大類,約 30種類型。 1、摩擦式 摩擦式無級變速器是指利用主、從動剛性元件(或通過中間元件)在接觸處產生的摩擦力和潤滑油膜牽引力進行傳動，并可通過改變其接觸處的工作半徑進行無級變速的一種變速器。摩擦式無級變速器由三部分組成:傳遞運動和動力的摩擦變速傳動機構;保證產生摩擦力所需的加壓裝置;實現變速的調速機構。它具有各種不同的結構類型，一般可分為: 直接傳動式，即主、從動摩擦元件直接接觸傳動; 中間元件式，即主、從動元件通過中間元件進行傳動; 行星傳動式，即中間元件作行星運動的傳動機構。 目前，國內應用較廣或已形成系列進行生產的主要有:錐盤環盤式、多盤式、轉環直動式、鋼球錐輪式、菱錐式、行星錐盤和行星環錐無級變速器等。 2、鏈傳動式 鏈式無級變速器是一種利用鏈輪和鋼質撓性鏈條作為傳動元件來傳遞運動和動力的機械變速裝置。它屬于開發較早、應用較多的一種通用型變速器。 鏈式無級變速器由鏈輪和鏈條構成的傳動機構、調速機構和鏈條張緊加壓機構三部分組成。它是通過主、從動鏈輪的兩對錐盤的軸向移動實現調速的。按鏈條結構形式可分為以下幾類:滑片鏈無級變速器、滾柱鏈無級變速器、套環鏈無級變速器、擺銷鏈無級變速器等幾種。前兩種變速器發展比較成熟，應用廣泛，后兩種變速器體現了鏈式無級變速器的發展方向。 3、帶傳動式 它與鏈式變速器相似，其變速傳動機構是由作為主、從動帶輪的兩對錐盤及張緊在其上的傳動帶組成。其工作原理是利用傳動帶左右兩側面與錐盤接觸所產生的摩擦力進行傳動，并通過改變兩錐盤的軸向距離以調整它們與傳動帶的接觸位置和工作半徑，從而實現無級變速。它由于具有結構簡單，工作平穩等優點，在機械無級變速器中可以說是應用最廣的一種。 帶式無級變速器根據傳動帶的形狀不同，可分為平帶無級變速器和 V 帶無級變速器兩種類型。帶式無級變速器結構簡單、承載能力強、變速范圍大、制造容易、工作平穩、易損件少、能吸收振動、噪聲低、節能環保、帶的更換方便，尤其是它克服了以往各類無級變速器傳遞功率較小的缺點 ,可用于需要中大功率范圍。因而是機械無級變速器中廣泛應用的一種；其缺點是外形尺寸較大而變速范圍較小。 4、脈動式 脈動式無級變速器主要由傳動機構、輸出機構(超越離合器)和調速機構三個基本部分組成的低副機構，故具有以下特點：傳動可靠、壽命長、變速范圍大、調速精度高、最低輸出轉速可為零、調速性能穩定、靜止和運動時均可調速、結構較簡單、制造較容易。但它存在著有待進一步解決的問題，例如：調速范圍在擴大之后，在結構和使用上如何實現增速變速傳動和采用復合式超越離合器；高速輸出時不平衡慣性力所引起的振動增大，如何避免共振現象；低速輸出時脈動不均勻性顯著增加，如何提高單向超越離合器的承載能力和抗沖擊能力等。國際上，在機械式脈動無級變速器領域，目前以德國、美國和日本的技術水平較高，其成熟技術以德國的 GUSA型及美國的 ZERO-MAX 型系列產品為代表。就目前來說，鑒于結構性能上的局限性，現有脈動式無級變速器主要用于中小功率(18kW 以下)、中低速(輸入n1=1440r/min，輸出 n2=0-1000r/min)、降速型以及對輸出軸旋轉均勻性要求不嚴格的場合。例如在熱處理設備、清洗設備以及化工、醫藥、塑料、食品和電器裝配運輸線等領域的應用。 1.3 機械無級變速器的發展概況 無級變速器分為機械無級變速器，液壓傳動無級變速器，電力傳動無級變速器三種，但本設計任務要求把無級變速器安裝在自行車上，所以一般只能用機械無級變速器，所以以下重點介紹機械無級變速器。 機械無級變速器是適合現今生產工藝流程機械化自動化發展以及改善機械工作性能的一種通用傳動裝置。它的研制在國外已有百余年的歷史，初始階段受條件限制，進展緩慢。直到20世紀50年代以后，一方面隨著科學技術的發展，在材質、工藝個潤滑方面的限制因素相繼解決，另一方面隨著經歷發展，需求迅速增加，相應地促進了機械無級變速器的研制和生產，使各種類型的系列產品快速增長并獲得了廣泛的應用。 國內機械無級變速器在二十世紀六十年底前后起步，基本上時作為一些專業機械。如紡織、機床及化工機械等的配套零部件，由專業機械廠進行仿制和生產，品種規格不多，產量不大。直到八十年代中期以后，大量引進國外各種先進設備，工業生產現代化以及自動流水線的迅速發展，對機械無級變速器在品種、規格和數量方面的需求都大幅度增加。在這種形勢下，專業廠開始建立并進行規?；a，一些高等院校也開展了這方面的研究工作，短短幾十年時間，系列產品已包括機械無級變速器現有的摩擦式、鏈式、帶式、和脈動式四大類及其各種主要結構型式，初步滿足了生產發展的需求。與此同時，無級變速器專業協會、行業協會及情報網等組織相繼建立。定期出版網訊及召開學術信息會議進行交流。自90年代以來，我國先后制定的機械行業標準共14個： 1. JB/T 5984-92 《寬V帶無級變速裝置基本參數》 2. JB/T 6950-93 《行星錐盤無級變速器》 3. JB/T 6951-93 《三相并聯連桿脈動無級變速器》 4. JB/T 6952-93 《齒鏈式無級變速器》 5. JB/T 7010-93 《環錐行星無級變速器》 6. JB/T 7254-94 《無級變速擺線針輪減速機》 7. JB/T 7346-94 《機械無級變速器試驗方法》 8. JB/T 7515-94 《四相并列連桿脈動無級變速器》 9. JB/T 7668-95 《多盤式無級變速器》 10. JB/T 7683-95 《機械無級變速器 分類及型號編制方法》 11. JB/T 7686-95 《錐盤環盤式無級變速器》 12. JB/T 50150-1999 《行星錐盤無級變速器 質量分等》 13. JB/T 53083-1999 《三相并聯連桿脈動無級變速器 質量分等》 14. JB/T 50020-×××× 《無級變速擺線針輪減速機產品質量分等》（報批稿） 現在，機械無級變速器從研制、生產、組織管理到情報網信息各方面已組成一較完 整的體系，發展成為機械領域中一個新型行業。 1.4 無級變速自行車發展史及研究現狀 1791年，法國人西弗拉克發明了最原始的自行車。它只有兩個輪子而沒有傳動裝置，人騎在上面，需用兩腳蹬地驅車向前滾動。 1801年，俄國人阿爾塔馬諾夫設計出世界上第一輛用踏板踩動的自行車。 1817年德國人德雷斯在自行車上裝了方向舵，使其能改變行使方向。 1839年蘇格蘭的鐵匠麥克米倫發明的自行車被世界公認的真的第一輛真正的自行車。麥克倫研制的自行是在后輪上安裝了曲柄，曲柄與兩個腳踏板之間用兩個連桿連接。騎者只要反復的蹬腳踏板，就可以驅動車子前進。這是利用了杠桿的原理，腳踏搖桿為主動構件，通過連桿傳動給曲柄，使后輪轉動。 1865年法國人拉利門特為了提高行車速度，將曲柄移至于前輪，用前輪驅動。并且將前輪裝在可轉動的車架上，后輪上有杠桿制動。這種自行車當腳踏板轉動一周時，前輪隨著也轉動一周，行車的速度與前輪的直徑成正比。于是為了提高車速，就不斷加大前輪直徑。并且為了減輕車的質量，在加大前輪直徑的同時減小后輪的直徑。最后導致使用極不方便，也不安全，終究被淘汰。 1867年，英國人麥迪遜設計出第一輛裝有鋼絲輻條的自行車。 1869年德國斯圖加特出現了由后輪導向和驅動的自行車，同時車上采用了滾動軸承、飛輪、腳剎、彈簧等部件。 1879年，英格蘭人勞森又重新考慮采用用后輪驅動，并采用了鏈傳動形式，加大傳動比，避免了使用大直徑車輪來提高車速，成為現代自行車的雛形。 1886年英國人詹姆斯把自行車前后輪改為大小相同，并增加了鏈條，使其車型與現代自行車基本相同。 1888年英國人鄧洛普用橡膠制造出內胎，用皮革制造出外胎，以次作為自行車的充氣輪胎為提高效率、省力，采用了滾動軸承等。時至今日，自行車已成為全世界人們使用最多，最簡單，最實用的交通工具。 隨著科技的不斷發展，人們對產品的要求越來越高，運用希望點與缺點列舉法，各種新型的，多功能的，特種功能的，省力高效的自行車也不斷被開發出來。 1.傳動系統 采用齒輪傳動代替鏈傳動，腳蹬帶動齒輪，通過傳動軸將運動傳至后輪，提高了傳動效率，避免了掉鏈的煩惱。 另外在鏈傳動的自行車中也不斷開發新的傳動形式，如變速輪，雙級鏈傳動，用以提高車速。另外為提高車速，還運用空氣動力學原理對車的外形進行優化設計。 2.驅動系統 為了省力，讓騎車者從腳蹬中解放出來，又開發了電動自行車，用干電池作動力源，采用小巧的電動機與減速裝置。也有汽油發動自行車，但因污染較大，不太受歡迎 3.新材料 采用新材料可以使自行車變得輕便，車架，車輪均為塑料的整體結構，一次模壓成型，車體呈流線型，質量輕，阻力小。采用碳纖維作車身，車架，全車無聯接零件，采用高效黏合劑，既減輕了質量，又減少了振動。 4.新結構 可以包括造型上的全新，如采用無橫梁結構，流線外形；也包括結構上的小型化，以及可折迭性，以方便外出旅游，以及搬運等。一種休閑用的自行車，可采用銀光閃閃的鉻合金鉻合金車架，舒適的香蕉形座椅 5.多功能 根據需要增加輔助功能 ，如車燈，氣筒，飲水器，載人載物裝置，無線電通話設備，手電筒支架，上坡用的電動助力裝置，多人自行車設有單向離合器等。小型自行車則便于攜帶，可拆迭。美國研究人員發明了一輛可享受無線電上網樂趣，并便于騎車人之間的聯絡和信息交流。另一種巡警用的自行車，車上裝有無線電通話設備，手電筒支架，以及便于爬坡追擊的電動助力裝置。還可以生產適合于不同地方使用的自行車，比如可生產適于極低溫環境下在雪地上行進的自行車。 自行車發展到現在已經有傳統的自行車演變成無級變速自行車，現代的無級變速自行車可謂是形式多樣，五花八門，以下是當今社會上存在的部分無級變速自行車。 1.人力腳踏式無級變速自行車 一種人力腳踏式無級變速自行車，在自行車車架兩側面的中軸上，安裝有錐面相對的變速輪盤組成的主動輪，主動輪兩側安裝有腳蹬兩變速輪盤輪沿掛有三角皮帶，兩盤面間安裝有壓縮彈簧；在車架的前斜梁上，安裝有由變速桿操縱可前后移動的挺桿，挺桿的近變速輪盤端安裝有可使兩變速輪盤靠近或分離的插件；在自行車后軸上的后輪輪輻兩側面支承有附輪，附輪的外沿輪面設有三角皮帶槽，附輪的內側設有帶動后輪單向轉動的棘齒；車架后斜梁上在三角皮帶上方安裝有可推壓三角皮帶張緊的張緊輪。自行車的行走和變速不用成組鏈輪和鏈條傳動，成本低、重量輕，可實現無級變速，速度轉換快，速比大。 2. 無鏈無級變速自行車 一種無鏈條傳動，可隨意變換車速的自行車。該自行車包括車輪、把手、三角架和踏拐等，橫梁左端設有后齒輪、大齒輪和正反齒輪，橫梁右端設有中軸齒輪，齒輪與拐軸齒輪嚙合，偏心連桿的上端和杠桿的右端同軸裝在定位槽板的滑槽中，杠桿的左端與齒條連接，齒條與正反齒輪嚙合，橫梁上方設有拉簧、活動支架和鋼絲拉索。該自行車結構簡單，調速方便靈活，經久耐用，適合各種型號。 3. 前置往復式無級變速自行車 針對自行車的驅動、乘座和避震進行改進。包括：乘騎者坐靠休閑式椅，兩腳蹬踏前置的兩個懸搖桿曲柄，可進行弧形的曲線往復運動，用腳掌面的蹬踏角度或用手直接調動搖桿上力臂的長短實現無級變速，高效能的帶動撓性件驅動后輪；還包括裝卸方便且不互換的休閑式座椅和防落物防盜的可帶走座椅；簡化的全避震使乘坐舒適并使貨架攜帶的物品減小了顛簸 4. 低座無級變速自行車 是由低矮形車架把一個作驅動的前輪和一個作導向的后輪連接在一塊的自行車，帶靠背的座椅安裝在車架中部，騎行者可斜躺著坐在座椅上，兩腿放在前輪二側。杠桿式曲柄無級傳動裝置固定在前輪的前上方，通過左右曲柄桿上的滑塊鉸接鏈條交替傳動前輪。操縱把手裝于前輪的正上方，由鋼絲繩牽引后輪轉向。這樣就不會干擾車子的方向操縱。由于降低了座位高度，減少了空氣阻力。采用杠桿式曲柄無級傳動裝置，適應人體功能的要求。 5. 便攜式高安全型無級變速自行車 一種新式樣的自行車。其特征是由行走機構，車椅式直立車龍頭轉向機構，杠桿式無級變速驅動機構。適用于交通擁擠，樓層高，住房緊，停放車輛不便的都市區。本裝置是由足踏杠桿式無級變速機構，車架可橫向折疊，驅動大車輪在前面，導向小車輪在后邊的行走機構與帶靠背車坐椅式的直立車龍頭轉向機構組成的自行車裝置。該裝置形體式樣，較為奇特但騎行舒適，更安全，并能折疊便攜帶。 6. 純滾動式四個檔位無級變速自行車 一種純滾動式四個檔位無級變速自行車，其中在中軸上的中心齒輪嚙合連接有一級行星輪和二級行星輪，中心齒輪的兩側分別套裝有推動盤，一側固定在腳蹬輪軸上，另一側固定在鏈輪上；二級行星輪和中心齒輪為棘輪總成與鏈輪嚙合連接，在中軸和后軸的車架體上固定有座盤，座盤上固定有升降檔位彈簧；在座盤上固定連接有自鎖離合器總成，自鎖離合器總成滾動套裝在停轉盤上，停轉盤固定在中軸和后軸上；在中軸和后軸的自鎖離合器總成上裝有移動升降檔位拉桿。隨時變增減速檔位，對自行車零部件無影響，制造簡單，性能可靠，操作簡單，使用方便。 7. 帶傳動無級變速自行車 一種無級變速自行車，改進了現有自行車的動力傳動機構。該自行車的動力傳動機構包括以下部件：小動輪、小定輪、小動輪撥叉，小動輪、大動輪、大定輪、大動輪撥叉，大動輪、Ｖ型傳動帶、Ｖ型帶張緊裝置、調速器、閘線、飛輪，飛輪由飛輪軸套、飛輪底座、滾柱、滾珠構成。其特征在于自行車的動力傳動機構包括以下部件：小動輪、小定輪、小動輪撥叉，小動輪、小定輪呈錐形，兩輪大小形狀一致，錐面相對，組成帶有Ｖ形溝槽的小傳動輪，與自行車后軸上的飛輪軸套固定連接，小動輪在撥叉控制下沿軸滑動；大動輪、大定輪、大動輪撥叉，大動輪、大定輪也呈錐形，兩輪大小形狀一致，錐面相對，組成帶有Ｖ形溝槽的大傳動輪，固定在自行車中軸上，大動輪在撥叉控制下沿軸滑動；Ｖ型傳動帶、Ｖ型帶張緊裝置、調速器、閘線、飛輪，Ｖ型傳動帶鑲在大小輪的溝槽中；Ｖ型帶張緊裝置裝在后軸上，其支承輪支撐傳動帶；調速器裝在車把附近，與閘線連接，閘線帶動調節大小動輪位置的撥叉；飛輪由飛輪軸套、飛輪底座、滾柱、滾珠構成，裝在后軸上，靠緊小傳動輪，飛輪軸套與小傳動輪固定連接，飛輪底座與后軸固定連接，飛輪軸套內還設有流線型的槽，滾柱放置在槽內。 這種無級變速自行車通過帶傳動來實現自行車的無級變速，傳動平穩、噪音低、調速操作方便、變速范圍大；同時該無級變速自行車的結構簡單、易于加工，可以實現大規模成批生產。 8. 蓄能型-全自動無級變速自行車 一種蓄能型一全自動無級變速自行車，屬于交通工具技術領域。本新型的目的通過如下技術方案實現：主要由設置每側腳蹬上的長型齒盤交替工作，通過同側的鏈條傳動同側的飛輪，飛輪連同帶動設置在輪骨內的發條內端發條外端同輪骨固定。其中：同每側的飛輪安裝在同一軸套上還設置有防逆轉裝置，防逆轉裝置的內部結構如同飛輪，外殼同車架子固定。騎行時由于每側長型齒盤的作用，通過鏈條對同側的發條交替蓄能，從而實現全自動無級變速。 1.5 自行車無級變速器運用實例 自行車所用無級變速器，其結構簡單、耐用，調速準確靈活，變速能力強，特別是其軸向尺寸極小。 這種自行車的變速是通過如下技術方案實現的：如圖1所示，其包括輸入軸1，調整板2，擺臂3，棘輪12，棘齒13，連接片8傳動盤15，輸出軸等組成。其中，輸入軸與棘輪為鍵連接，傳動盤與輸出軸為一體，擺臂呈“U”型，棘輪在其內，擺臂的“U”型上端通過兩個孔分別套裝與棘輪前后的輸入軸上，其一端與棘輪之間裝有一棘齒。擺臂的數量由輸出轉速的平穩性要求決定，一般4個就可以了。擺臂與傳動盤之間通過連接片8連接。 圖1 圖2 圖3 1.輸入軸 2.調速板 3.擺臂 8.連接片 10.擺臂上的銷 11.傳動盤上的銷 12.棘輪 13.棘齒 15.傳動 盤 25.導向桿 28.軸承外座 33.軸承內座 35.鏈條盤 37.軸承外座 38.空心軸 連接片為一長條型片狀鋼片，兩頭各有一孔，其中一個孔裝在擺臂上的銷10上。棘齒軸線與傳動盤軸線常處于平行但不同軸線的狀態，只有在轉動比為1時才會同軸線。 其工作過程是這樣的：由于棘齒、棘輪間只可單向傳動，設順時針轉動為傳動轉動，棘輪的轉動則會通過棘齒的作用帶動擺臂一起順時針轉動，擺臂的轉動通過銷10、連接片8、銷11帶動傳動盤順時針轉動。假設擺臂的轉動也是勻速的，由于棘輪與傳動盤的不同軸線，傳動盤的轉速不是勻速的，而是在一個高于輸入軸轉速和一個低于輸入軸轉速之間變化。由于一般有多個擺臂，轉動盤、輸出軸及其后的負荷有一定的運動慣性，同時由于棘輪、棘齒間的單向傳動，傳動盤上的實際轉速為一個高于輸入軸轉速且比較平穩的輸出轉速。此轉速的大小與棘輪軸線和傳動盤軸線間的距離有關，而此距離的大小則是由調速板2的上下移動而實現的。必要說明的是，圖1所示的變速器，其逆向傳動（即把輸出軸作輸入軸）有與正向傳動幾乎一樣的傳動效果：單向，升速型的傳動。其區別是逆向傳動時其輸出轉速的平穩性差一些。 前面所訴的結構，只是結構示意圖，還不適合實際應用，適合實際應用的如圖2、圖3所示。在圖2中，14與12為一體，14是空心圓筒，其內有內螺紋與后輪輪轂上的外螺紋連接。16與35之間為滾動軸承結構，是這樣構成的：在16的外端，35的內端分別車有一環槽，在16或35上開一小孔與環槽想通，從此小孔放進球形鋼球，然后封閉小孔與環槽想通，從此小孔放進球形鋼球，然后封閉小孔便構成，這樣，調速機構只要帶動16徑向移動，便可帶動35也作徑向移動，從而實現無級調速。圖2所示結構的傳動過程是：鏈條盤35→35上的傳動銷→連接片8→10、3、13→12、8→后輪，為使16可以作為徑向移動，16的中心部分是部分空或全空而成一環形結構。這樣的結構在變速時，鏈條盤35要作為徑向移動，因此，在移動過程中若是不能保證前后鏈條盤距離一定的情況下，應在鏈條的松邊（即非拉緊邊）加裝一張緊機構。 在圖3所示的實施例中，其實際為兩級變速。這樣做的主要目的是：輸入輪軸線和輸出輪軸線都可以固定，且同軸線，另外一個好處是可以增大變速范圍，有更強的道路適應能力。在圖3中，傳動盤15為前后級共用，是一中空的環狀結構，它可以相對于中心軸線（即前后的棘輪軸線）作徑向平移，而實現無級調速。傳動盤外端設置軸承外座37，制成圖2所示相似的軸承結構。這樣調速機構只要帶動軸承外座37徑向移動，便可帶動傳動盤15徑向移動，而實現無級調速。圖3所示結構為一種專門設計來裝于后輪的變速器，它的機構特點主要有：空心軸38的大內孔端（即右端）通過內螺紋與自行車后輪輪轂上的外螺紋連接。一體的鏈條盤35和右棘輪12套裝于空心軸38上，左棘輪與空心軸38為鍵連接或成一體。鏈條盤35專門設置于靠后輪的一邊，這是為了在轉動時不發生碰擦。因為后輪上的鋼線（即后輪上的輻射狀分布的鋼線）是越靠近輪的外端，越向輪的中心截面靠近，到鋼圈時已是在同一截面上。而較大直徑的鏈條盤35在裝上鏈條后，鏈條的寬度即會超過鏈條的厚度，而鋼線向內靠的特點剛好能讓出這點空間。若不是這樣而裝于另一邊（圖中的右邊），就會極易發生碰擦。圖3的傳動路線為：35→右棘輪12→右擺臂→右連接片6→15→左連接片8→左擺臂12→左棘輪12→空心軸38→后輪輪轂（即后輪），為使傳動更平穩，即前級為瞬時高傳動時，后級為瞬時低傳動比，后之亦然，為達到這樣，傳動盤15上的前級傳動銷與后級傳動銷相互錯開一定的位置便可。此外前后級采用不一樣長的連接片也可實現。 圖2所示結構優點是結構簡單，軸向尺寸最小，弱點是傳動平穩性稍差，圖3所示機構，其優點是傳動平穩，變速能力強，不須鏈條張緊機構，弱點是結構略為復雜，軸向尺寸稍大（圖中為作圖需要各零件間的間隙人為放大，實際上沒有圖示那樣大的軸向尺寸）。 1.6 研究的目的和意義 現今世界范圍內的資源環境壓力日益加大，全世界都在努力提倡綠色環保。作為交通工具，現在的趨勢是從自行車-汽車-自行車的發展。自行車不但可以作為一種很好的綠色交通工具，還可以鍛煉身體。因此，怎么把自行車設計得更加符合人們的需要、更加實用，就變得非常重要。 以內變速器為代表的變速調控裝置，是改進自行車性能的很好的技術應用。由于與外變速器相比，它具有靈敏度高、結構緊湊、適用性好、維修方便且密封性好的優點，因此在實用中得到了廣泛的應用。它的作用體現在很多方面，它的應用可讓人輕松自如的騎行，它還可幫助人們在體力不佳的情況下，有效的減少體力消耗。比如感冒時，體力消耗不能過大，所以如果騎車時選擇較輕的齒數比騎行時就會很輕松。還有女性身體不佳時、學生應試疲倦時、年紀較大者都可靈活地使用變速自行車。所以內變速器的好處確實是很多。不過很多人錯誤地認為自行車裝有內變速器是為了可以加快騎行速度，其實人能夠發出的力最大只有0.4馬力。內變速器是為幫助人們將這最大馬力輕松地發揮出來的工具而已。但是不管如何，內變速器應用于自行車，是自行車發展歷史中的一個重要里程碑。 本課題要求按照給定的技術和性能參數要求設計出符合要求的基于PM-79型男式自行車的內變速裝置，根據實際情況和一般的應用，本設計采用高-中-低三速的變速設計，要求設計出內變速器的整體和內部各元器件，對幾種方案進行可行性分析和比較，選出最佳設計方案。此外，本課題還要求對變速器的整體運行性能進行優化設計，保證變速器能穩定工作。 1.7 畢業論文設計內容和要求 設計內容：根據男式自行車的特點選擇合適的傳動比；比較和選擇合適的方案；完成自行車無級變速器變速器的結構設計與計算；對關鍵部件進行強度和壽命校核。 設計要求：傳動比范圍0.75～1.22；變速器尺寸要盡可能小，輕便；結構設計時應使制造成本盡可能低；安裝拆卸要方便；外觀要勻稱，美觀；調速要靈活，調速過程中不能出現卡死現象，能實現動態無級調速；關鍵部件滿足強度和壽命要求；畫零件圖和裝配圖。 2 自行車無級變速器總體方案的選擇 自行車無級變速方式多種多樣，在此，我只選擇了兩種方案供參考，作比較，選出理想方案。該兩種方案分別是固定軸剛性無極變速器和鏈式無級變速器，分別描述如下。 2.1 鏈式無級變速器 鏈式無級變速器（以下簡稱鏈變速器）是鋼質撓性變速傳動。[45]指出：其功率和磨損率分別是帶傳動的11倍和1/30，所以結構緊湊、壽命長。 鏈變速器與剛性摩擦變速器相比，有以下特點：鏈在鏈輪包弧滾滑甚微，不易損傷鏈輪表面；由于鏈的撓性可無損的越過鏈輪上的微細疵??；位于包弧區的各鏈節，按一定規律傳遞動力，不需要特種措施來確保傳遞動力的接觸位置的恒定；對超載峰值也不像剛性摩擦變速器那樣敏感，不會導致接觸表面和軌道的提前破壞；調速準確、滑動率約為2%~4%，但由于多邊形效應面有微小的速度波動，傳動效率可達0.84~0.95；鏈變速器的制造成本相對較高，其鏈條重量較大，運轉時的離心力較大，因而運行速度不能過高；要使其適應高速必需設法減輕鏈條的重量，例如荷蘭Van Doome`s Transmission公司（VDT）在80年代推出的P系列推塊式V型金屬鏈已將變速器的最高輸入轉速提高到7000r/min,輸入轉矩達250N·m，傳動功率可達170KW。用于汽車變速系統。 鏈變速器的結構特點有傳動原理： 兩對可作軸向移動的錐輪1-1`和2-2`分別以花鍵或導向鍵聯接在相互平行的輸入軸4和輸出軸5上（圖1），軸間距a為定值，兩相對錐輪之間形成楔形夾槽，夾持著特殊的變速傳動鏈3，依靠壓緊力使鏈和鏈輪形成力封閉運動副依靠摩擦力來傳遞動力。壓緊力有用壓靴與張鏈機構聯合張緊和加壓的，也有張鏈機構張緊而用自動加壓凸輪加壓的。 兩對鏈輪在軸上可有三種軸向聯合聯動方式：（1）1-1`合攏時2-2`張開，1-1`張開時2-2`合攏，四輪都可軸向移動；（2）兩根軸上對角配置的鏈輪1和軸2軸向固定，而另一對配置的鏈輪1`和2`坐同向移動，是一根軸上的鏈輪副合攏時，另一軸上的鏈輪副張開；（3）每根軸上同側的鏈軸向固定，例如1和2`，而另外兩輪1`和2作反向移動，以形成兩對鏈輪的合攏或張開，但這時的固定輪是一個平盤，兩輪之間形成單斜楔槽。鏈在開、合的鏈輪副中取得相應的各種半徑位置，實現無級變速。除上述傳動機構外，變速器還有使鏈輪開、合的調速機構、示速機構，產生壓緊力和使鏈條張今年的加壓和張鏈機構等。 鏈變速器的機械特性： 鏈變速器是通過改變鏈輪的工作圓的直徑來實現變速的，它所傳遞的轉矩的力臂在變速過程中是變化的，而鏈的工作拉力有一定極限，考慮在不同的傳動比時，鏈速和傳動效率也是不同的；所以鏈變速是變功率、變轉矩特性的傳動，（圖2）為P4型滑片鏈變速器的額定功率P（實線）、額定轉矩T（虛線）和輸出轉速n2的關系曲線。因此，選用鏈變速器時要考慮在全變速區間是否能滿足所需傳遞的功和轉矩，決不能把某一轉速情況時所能傳遞的功率或轉矩作為全變速范圍傳遞值。有圖2及鏈變速器產品目錄中功率表所提供的、與各種變速比相對應的最大許用功率，在最低輸出轉速時約為最高輸出轉速時的45%~75%；而最低輸出轉速時的輸出轉矩約為最高輸出轉速的2~3倍。實際生產中常見正常工況下輸出轉矩恒定，但在最高輸出轉速時需有最大功率，而短暫地在較低輸出轉速時又需較大的輸出轉矩，鏈變速器的特性恰好適應這種要求。 圖2-1 圖2-2 為了避免鏈速度過高、鏈拉力及軸承壓力過大，在確定變速傳動方案時，不宜將變速器的變速比定得大雨實際工作所需的變速比，這樣可使變速器在較佳的工況下工作，并可減小變速器的體積和成本，因變速比大的變速器的體積和成本總是高于同功率變速比小的變速器。在需要低輸出轉速、大輸出轉矩或恒功率工況時，更是如此。 2.2 剛性定軸無極變速器 剛性定軸無級變速器有剛性傳動元件組成，不調速時各傳動件的回轉軸軸線位置固定不變，而在調速時軸線位置變動。它具有結構簡單、形式多樣的特點。它分為有中間滾輪和無中間滾輪的兩大類，前者有較大的傳動比（Ra≤16~20），后者的Rb＜6。為提高功率體積比常采用多中間體的分匯流傳動方式。對于既升速又降速的變速裝置一般需用兩套加壓裝置。傳動件接觸區可設計成初始點或線接觸的結構，前者承載能力稍差，但相對滑動較小，并能補償受力變形及加工裝配等誤差；后者承載能力較高，但對制造和裝配要求較高。 本次設計主要采用有中間滾動體的鋼球錐輪式無級變速器，這類變速器常見的基本形式有圖3所示五中定軸式。中間輪為一個或多個鋼球，主、從動輪是直母線的錐輪平盤，接觸區呈點接觸。圖a~c為同軸線的，調速時靠改變中間輪兩側工作半徑實現變速，用于動力傳動，離速時為恒功率型，低速時為恒轉矩型。圖d、e為平行軸的，靠改變主、從動輪的工作半徑實現變速，用于恒轉矩的小功率傳動。 圖2-3 鋼球錐輪無級變速的型式 (a)Koop-B型；(b)Contraves型；(c)Koop-M型；(d)Heynau型；(e)PIV-KS型 本節主要介紹Koop-B型變速器。 圖4為Koop-B型無級變速器的結構圖。動力由軸1輸入經自動加壓裝置2帶動主動輪3同速轉動，再經一組（3~8個）鋼球4利用牽引力驅動外環7和從動輪9，最后經錐輪9、自動加壓裝置10驅動輸出軸11將動力輸出。傳動鋼球的支承軸8的兩端嵌裝在端蓋12和13的徑向弧形導槽內，軸8通過調速渦輪5上的凸輪槽；調速時，通過蝸桿6使渦輪5轉動，由于凸輪槽的作用，使鋼球軸心線的傾斜角θ發生變化，導致鋼球與主、從動輪的工作直徑d1x、d2x改變，輸出軸的轉速得到調節。 鋼球4與支承軸8之間常用滾針或滾針軸承支承；對小功率者可以采用滑動軸承，為了減少磨損，支承軸用青銅棒料制成。外環7是一個剛度適合的彈性環，其作用為：（1）保持鋼球始終與錐輪接觸且不沿徑向飛出，環剛性不足時將導致加壓不足而無法傳動；（2）其潤滑油環的作用；（3）緩沖與吸振。 在設計、制造與安裝時應注意：一組鋼球直徑的一致性、球孔軸線與直徑的一致性、端蓋徑向圓弧槽的等分性及其圓弧中心和球心的一致性、調速渦輪上凸輪槽的等分性，以及鋼球、錐輪、加壓盤的制造精度和表面硬度。 1,11-輸入，輸出軸 2，10-加壓裝置 3，9-主，從動錐輪 4-傳動鋼球 5-調速蝸輪 6-調速蝸桿 7-外環 8-傳動鋼球軸 12，13-端蓋 圖2-4 鋼球外錐式無級變速器的結構 其動力范圍為：Rn=9，Imax=1/Imin，P≤11 kw ，ε≤4% ，η＝0.80～0.92 。此種變速器應用廣泛。 從動調速齒輪5的端面分布一組曲線槽，曲0線槽數目與鋼球數相同。曲線槽可用阿基米德螺旋線，也可用圓弧。當轉動主動齒輪6使從動齒輪5轉動時，從動齒輪的曲線槽迫使傳動鋼球軸8繞鋼球4的軸心線擺動，傳動輪3以及從動輪9與鋼球4的接觸半徑發生變化，實現無級調速。具體分析如下圖五： 圖2-5 鋼球外錐式無級變速器變速示意圖 主要由兩個錐輪1、2和一組鋼球3（通常為6個）組成。主、從動錐輪1和2分別裝在軸Ⅰ、Ⅱ上，鋼球3被壓緊在兩錐輪的工作錐面上，并可在軸4上自由轉動。工作時，主動錐輪1依靠摩擦力帶動鋼球3繞軸4旋轉，鋼球同樣依靠摩擦力帶動從動錐輪2轉動。軸Ⅰ、Ⅱ傳動比 ，由于 ，所以 。調整支承軸4的傾斜角與傾斜方向，即可改變鋼球3的傳動半徑r1和r2，從而實現無級變速。 2.3 兩方案的比較與選擇 鏈式無級變速器結構很簡單，且使用參數更符合我們此次設計的要求，但鏈變速器的制造成本相對較高，其鏈條重量較大，運轉時的離心力較大，因而運行速度不能過高，如果此裝置用于自行車，成本會大大的提高，顯得不合理。 而鋼球外錐式無級變速器的結構也比較簡單，原理清晰，各項參數也比較符合設計要求，故選擇此變速器。只是選用此變速器的同時須對該裝置進行部分更改。 須更改的部分是蝸輪蝸桿調速裝置部分。因為我們是選用了8個鋼球，曲線槽設計見第三章，一個曲線槽跨度是900，也就是說自行車從最大傳動比調到最小傳動比，需要使其轉過900，而普通蝸輪蝸桿傳動比是1/8，那么其結構和尺寸將完全不符合我們設計的要求。為此，我們想到了將它們改為兩斜齒輪傳動，以用來調速。選用斜齒輪是因為斜齒輪傳動比較平穩。在設計過程中，將主動斜齒輪的直徑設計成從動斜齒輪的3/4，這樣只要主動輪轉動1200，那么從動輪就會轉動900，符合設計要求。 3 鋼球外錐式無級變速器部分零件的設計與計算 鋼球外錐式無級變速器零件的設計與計算包括主﹑從動錐齒輪，加壓盤，調速齒輪上變速曲線槽，輸入軸，輸出軸，輸入﹑輸出軸上軸承，輸入﹑輸出軸上端蓋，調速機構等部分的設計與計算，以下各章節分別介紹以上內容。 3.1 鋼球與主﹑從動錐齒輪的設計與計算 輸入功率 =0.4039 kw 其中： ，kg，kg，,， 輪胎直徑： mm 由力學知識可得：輪胎所產生的轉矩與鋼球摩擦所產生的轉矩應平衡 其中：mm ，，，Q為鋼球所受正壓力 代入數據可得： 由于傳動件的[σj]=2200～2500 Mpa 代入上式得： ，取 dq=25 mm,鋼球數 輸出轉速 n2==142.3 r/min 輸入轉速 n1=142.3/(0.75～1.22)=189.7～116.6 r/min 傳動比 變速范圍 鋼球支軸的極限轉角θ 增速方向 減速方向 圓錐工作直徑 mm 鋼球中心圓直徑 mm 鋼球側隙 外環內徑 mm 外環軸向截面圓弧半徑 mm ,取 R=18 mm 錐輪工作圓之間的軸向距離 mm 3.2 加壓盤的設計與計算 加壓盤的作用直徑 = (0.5～0.6) × D1 = (0.5～0.6) × 54 = 27～32.4 mm 取 mm 滑動摩擦角 加壓盤V形槽傾角 λ=arctan =14.850 傳動鋼球的確接觸應力為 σ=1353×=1353×=2251.35 Mpa ≦[σj] 每個鋼球作用在V形槽側面的正壓力 Qy= =651.6 N 用鋼球加壓裝置時 σjmax=1370×=1370× =4865.6 Mpa ≤[σj] 其中：[σj]為4000～5000 Mpa 鋼球半徑 mm mm 碟形彈簧預緊力為200 N ,結構設計如下圖所示： 圖3-1 加壓裝置 3.3 調速齒輪上變速曲線槽的設計與計算 槽的張角ψ=800～120 ,取ψ=900。 (1)變速曲線槽的槽形曲線為圓弧，中心線上三個特殊點 A，B，C的坐標系（以O為極點）分別為： 時, mm 其中：（0.5～1.0）=（0.5～1.0）=15.5 mm I=1時 ，ψB= ==49.460 mm 時 ，, mm 圖3-2 調速論 (3)用通過三點作圓弧的方法確定槽圓弧確定曲線半徑R和中心O” (4)要求傳動比Ix與齒輪轉角ψ呈線性變化時，槽形曲線方程為： R（ψ）=0.5D3+lsinθ =0.5D3+lsin｛ arctan[]｝ =0.5×71.7+15.5sin｛arctan[]｝ =35.85+15.5sin(arctan) 3.4 輸入軸的設計與計算 1.輸入軸上傳遞的功率為 kw 轉速 n1=189.7～116.6 r/min ,取 n1=135 r/min 轉矩 T1=9550=9550×=28572 N·mm 2.如圖所示，作用于錐輪的正壓力 Q 圖3-3 正壓力計算示意圖 由前計算可知： ， 其中mm 所以 N 單個錐輪的軸向力 Fa=徑向力 N 3.初步確定軸的最小直徑 選取軸的材料是40Cr，調質處理，取A0=100，于是得： dmin = =100×=14.4 mm ，取 dmin=14.5 mm 4.軸的結構設計 圖3-4 輸入軸 如圖所示，Ⅰ-Ⅱ段裝飛輪，Ⅱ-Ⅲ段裝端蓋，Ⅲ-Ⅳ段裝軸承，規格是d1=17 mm，Ⅳ-Ⅴ段為軸