自行車無級變速器的結構設計【鋼球外錐式無級變速器】

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I based on the analysis of the chain CVT, belt CVT, ball cone CVT, ball separation of CVT and other mechanical CVT transmission and CVT bikes, the transmission principle and party each kind of transmission type were compared, the final selection with the simple structure, parameters of ball outer cone CVT mounted on a bicycle, the CVT is mainly composed of a main driven bevel wheel, input shaft, output shaft, and the regulating mechanism, pressure plate, steel ball, cover and other parts, the working principle of CVT for input shaft rotation and by with the pressure plate device drives the 8 ball movement, at the same time, the use of friction ball movement in the process of driving the output shaft to rotate through the speed regulating mechanism can make the ball during the swing within a certain angle, thus changing the steel ball and the main driven bevel wheel radius ratio, thus changing the transmission ratio, the transmission can be compared to the range of arbitrary transform. After the final design and calculation, the CVT can speed ratio range of 0.75--1.22 in drive. Research shows that: stepless speed variator for bicycle favorable solves the shortcomings of traditional variable speed bicycle, greatly improved the performance of the bicycle, convenience to the consumers to use. Key words: automatic transmission; CVT bike; CVT; speed control III 1引言 1.1 機械式無級變速器的定義及其應用 無級變速器分為液壓傳動無級變速器、機械式無級變速器、電力傳動無級變速器三種，因為本設計的課題是自行車的無級變速器，而自行車的動力源來自人體動力輸入，所以用在自行車上的變速器只能考慮機械式無級變速器，以下主要介紹的是機械式的無級變速器。 機械無級變速器是輸入輸出機構、實現傳動變速機構、調速裝置、加壓盤裝置等零部件組成的一種傳動裝置。該機構的主要特點是：在輸入機構中輸入轉速保持不變的條件下，輸出機構中的輸出轉速能夠在一定傳動比的范圍內隨意且不斷的變化，即使得速度在傳動比范圍內任意的變化，從而有利于大至企業(yè)生產設備在不同生產要求及工藝條件下實現產品的生產需求，小到生活中一些工具利用該變速裝置完成不同的事情，或是在安裝在自行車上的使用，大大的改善了傳統(tǒng)變速器的不足之處。并且該無級變速器由于依靠摩擦力實現變速具有轉速穩(wěn)定，鋼球式的轉動使其滑動率較小，傳動的效率很高。該裝置機構比較簡單，安裝及維修方便，制造成本相對較便宜。 機械式無級變速器的應用范圍很廣，主要表現在以下幾個方面： 1）、因為此無級變速器所能承受的扭矩較小，因此在汽車領域中，不能被應用于扭矩較大的發(fā)動機，在此領域中比較常見的例子有通過鏈條傳動的小型轎車，鏈條傳動所產生的扭矩一般比較??；生活常見的依靠鏈條、皮帶等傳動的電動車、踏板車、摩托車、卡丁車等等。據新聞消息了解，東風日產現已研究出了能夠承受扭矩在300-400N.m的機械式無級變速器，這是機械式無級變速器領域的一個突破。 2）、在輸入功率不變的情況下，因為產品工藝要求或是生產需求不同的條件下，亦或是在受到一些阻力限制的條件下，需要調整不同的速度以達到不同生產要求，實現不同的目的，例如：在福耀玻璃公司的預處理生產線上有的噴粉液、玻璃膠等需要根據其不同的粘稠度使用不同的速度進行攪拌，攪拌機械設備根據不同的物料粘稠度，通過攪拌機阻力大小的變化利用無級變速原理能夠時時的改變攪拌機的攪拌速度。與之類似的設備還有車床、銑床、卷繞機等； 3）、在工業(yè)生產以及建筑工地中需要根不同的工況要求來調節(jié)所需要不同的速度，例如：在福耀玻璃公司生產線中的連續(xù)烘彎爐，提升機在提升玻璃小車快接近小車軌道的時候會自動將速度降低，此方法就是利用無級變速器原理來實現的，與其類似的還有起重運輸機械設備，此機械設備在運輸不同的物料隨不同區(qū)域地點的變化相應的需要改變控制提升機的運行速度；再例如食品機械中的烤干機以及制藥機械需要隨著溫度的變化而調節(jié)轉移速度； 4）、一些生產設備需要通過調節(jié)速度以得到保持恒定的工作速度或者張力，例如:福耀玻璃公司生產線中對PVB膜片進行鎢絲的繞線機設備需保持恒定的卷繞速度； 5）、為了節(jié)約資源對一些設備需要在不同的時間階段進行調速，例如：福耀玻璃公司生產線中大量的水泵在不同的情況下調節(jié)其不同的速度達到節(jié)約資源的目的，類似還有散熱風機等。 6）、還有許多按照規(guī)律性和不規(guī)律性的變化而對速度進行不同程度的控制與調節(jié)，從而實現自動化的生產，工業(yè)PLC的程序控制。 總之，機械式無級變速器具有價格便宜，結構簡單，維修及其維護方便，傳動效率和傳動平穩(wěn)性好，實用性較強的一種裝置，能夠實現適應不同的變工況工作，簡化傳動方案，節(jié)約能源和減少污染等要求。 1.2 機械式無級變速器的發(fā)展概況 機械式無級變速器適用于生產過程自動化發(fā)展，萬向傳動裝置的機械性能的一種裝置。在國外的發(fā)展已經有超過數百年的歷史，在受條件限制的初始階段，進展一直很緩慢。直到1950年之后，一個原因是隨著科學技術的發(fā)展，材料的限制因以及工藝潤滑問題的解決，另外一個因素是市場需求的增加，從而促進機械式無級變速器裝置的開發(fā)和生產，使各類產品的快速增長得到了廣泛的應用。 1791年，最原始的自行車誕生于法國，是由西弗拉克發(fā)明的。此自行車只有兩個輪子，依靠人騎在自行車上用兩腳蹬著地面使自行車前進。 1801年，世界上第一輛車的腳踏自行車由俄國人阿爾塔馬設計出。 1817年，運動方向可以改變的自行車誕生，它是由德國人德雷斯在自行車上安裝了一個方向舵。 1839年，第一輛被世界公認的自行車誕生了，該自行車利用杠桿原理在自行車的后輪上安裝了曲柄，使用連桿將曲柄與踏板聯接起來，騎車手只要反復的蹬腳踏板，就可以驅使自行車向前進。 1865年法國拉里門將后輪驅動改為前輪驅動,即將曲柄為前輪，前輪驅動, 提高了行車速度。同時保持前輪旋轉支架，杠桿制動后輪。使得這種自行車行駛速度是前輪的直徑成正比。為了提高速度，就需要增加前輪直徑。為了減輕自行車的重量，減小后輪的直徑。最終由于使用不方便，同時也存在安全隱患被淘汰。 1867年，英國的麥迪遜將鋼絲輻條配備在自行車使用。 1869年,在德國出現在了后輪定位的自行車，并且在自行車上采用安裝了腳剎車, 彈簧,飛輪，滾動軸承等零部件. 1879年，英格蘭勞森為了避免大直徑車輪帶來的不便,采用了鏈傳動，提高了傳輸率，使其成為現代自行車的雛形的標志。 1886年,英國杰姆斯改變自行車前后對同一尺寸鏈中的增加，使其模型和現代自行車基本上是相同的。 1888英國鄧祿普使用橡膠制造了車輪的內胎和外胎,并以充氣的方式提高了輪胎的效率,使得騎行省力、方便，時代發(fā)展至今，自行車已經成為世界上人們使用最普遍、最簡單、最實用的交通方式。 國內機械無級變速器的發(fā)展，在第二十世紀60年代末才開始興起，基本上主要應用于一些專業(yè)的機械設備。例如：機床、紡織、化工機械和其他輔助部件，由專業(yè)機械廠生產的通用，品種不多，產量少。直到八十年代，大量的引進了國外先進設備，現代工業(yè)生產和自動裝配線的快速發(fā)展，市場對于機械無級變速器的需要求日益增大，在這種情況下，制造商開始建立和大規(guī)模生產，一些高校也開始開展研究工作， 短短的幾十年里的發(fā)展，品種包括了機械式無級變速器存在的摩擦式，鏈條，皮帶輸送機系列和脈沖等其他機構型式，滿足了市場與生產發(fā)展的需要。同時，無級變速器專業(yè)協(xié)會、行業(yè)協(xié)會和組織機構一一簡歷。定期出版和學術信息交流的WebEx會議。90年代以來，我國制定了機械行業(yè)標準共計14個。 隨著不斷的發(fā)展，國內的機械式無級變速器產業(yè)發(fā)展為機械領域中的一個新興產業(yè)。目前，該產業(yè)的生產研發(fā)主要是基于國外的先進技術，主要產品類型有：1）、皮帶式無級變速器：寬V帶，普通V帶；2）、摩擦式無級變速器：多盤（貝爾型）、環(huán)錐式（RX）、行星錐盤式（迪斯科）、錐盤（干、濕）等；3）、脈動無級變速器：三相平行連桿式（基因型）和四階段和連桿式（零-最大）。4）、齒鏈式無級變速器：刮板鏈，鏈條，鏈卷。 隨著國內在該領域技術的逐漸成熟，近年來，國內主要的機械式無級變速器的新發(fā)展趨勢，開發(fā)和生產的：1）、汽車無級變速器的研究與開發(fā)：國內已發(fā)表的金屬帶式無級變速器，通過實驗，已工業(yè)化生產；進口關鍵部件金屬鋼帶也將生產。?2）、原有的產品創(chuàng)新提高：在原行星錐盤無級變速器的基礎上，研發(fā)出了“恒功率行星摩擦無級變速器”和“沒有物理主軸行星齒輪無級變速器的基礎上創(chuàng)新，后者的速度比增加了4倍以上，輸出扭矩也增加了一倍多。 1.3 機械式無級變速自行車研究現狀 無極變速自行車的發(fā)展已逐漸的代替了一些比較傳統(tǒng)的變速自行車，現代的形式是 多樣的，各種各樣，以下是今天的社會上存在的無級變速自行車的部分類型。 1）、便攜式高安全無級變速自行車新型自行車 行走的特點是機構，車椅式垂直領導的轉向機構，杠桿式無級變速傳動機構。適用于重交通，樓層高，住房，停車不便都市區(qū)。該裝置由杠桿式無級變速器，該框架可橫向折疊，前面和后面的小輪子的旅行指南機制并帶回一個汽車座椅在垂直轉向齒輪自行車龍頭驅動輪。該裝置主體風格，更奇特但乘坐舒適，更安全，可折疊攜帶。 2）、往復式無級變速自行車 對車的懸架系統(tǒng)進行了改進，乘客座椅，前兩吊柄和圓弧曲線可往復運動，隨著手的引導角度或長度的唯一直接將搖臂實現無級變速，高效能驅動的靈活的后輪；還包括裝卸方便不掉休閑椅和保衛(wèi)秋季防盜可以坐；簡化懸架舒適性和貨架和攜帶物品減少紊流 3）、低座無級變速自行車 是由低架驅動前輪和自行車上的連接后導向，中央與安裝在機架上的桶形座椅，騎手可以躺坐在椅子上，前輪兩側放置兩條腿。曲柄連桿式無級變速裝置是固定在上面的前輪前，由曲柄滑塊桿繞鉸鏈驅動輪交替方式。在上部前面的手柄操縱，由鋼絲繩牽引的后輪轉向。為了不影響自行車的方向。由于較低的座椅高度，減少空氣阻力。采用曲柄連桿式無級變速裝置，符合人體功能的要求。 4）、 無鏈無級變速自行車 可任意變換速度的自行車。自行車如車輪，手柄，一個三腳架，打開后，在左欄有齒輪，齒輪和倒檔齒輪，和梁的右端設有中心軸齒輪，齒輪和軸齒輪嚙合，在定位槽板槽的偏心連桿和杠桿對同軸結束前，杠桿的左端連接齒條，齒條與陽性和陰性，梁上面有拉簧，活動支持和電線電纜。自行車結構簡單，方便靈活的調速，耐用，適用于各種車型。 5）、人力腳踏驅動式無級變速自行車 在中軸線兩側的車架，安裝包括錐相對速度驅動輪，驅動輪兩側安裝有腳踏兩輪盤隨著三角皮帶傳動，兩盤壓縮彈簧；在對斜梁框架前，配備了由挺桿操縱變速桿可以前后移動，靠近挺桿安裝變速輪可以使這兩個變速輪附近或分離的插件；在兩側支撐輪的后輪輻條的自行車后軸，輪對槽V帶輪的外表面，隨著車輪的內側設有單向旋轉棘輪驅動后輪；后斜梁上的V帶上安裝有推三角皮帶張緊張力輪架。走路和變速自行車沒有組鏈輪和鏈條傳動，成本低，重量輕，可實現無級調速，快速轉換，速度比。 6）、帶傳動無級變速自行車 無級變速自行車，改進了現有的電力自行車傳動機構。自行車的動力傳動機構包括以下幾個部分：小滑輪，滑輪小圓形，小叉，小車輪，滑輪，大輪，輪叉，大帶輪和V帶，V帶的張緊裝置，速度，剎車線，飛輪，飛輪的飛輪軸套，飛輪底座，滾子，滾珠軸承。填充在后軸上，靠緊小的驅動輪，小車輪輪軸套固定連接，飛輪底座連接到后軸是固定的，領子里的飛輪也有流線型的槽，滾輪置于槽。無級變速自行車通過皮帶傳動來實現自行車，傳動平穩(wěn)，噪音低無級變速，操作方便， 調速，調速范圍大；無級變速自行車的同時，結構簡單，加工方便，可實現大批量生產。 1.4機械式無級變速器研究的目的和意義 關于無級變速自行車的研究意義、實用價值如下：?? 1）、換擋的問題 滿足更多種類的速度比，一般的變速自行車設計為前后雙齒輪組。無級變速自行車可以實現速比的連續(xù)變化，對前、后齒輪的記憶復雜的搭配，增加易用性。 2）、鏈條問題 傳統(tǒng)變速自行車變速時由于在齒輪組空隙中容易掉鏈，無級變速自行車采取金屬帶式無級變速方式，錐形金屬帶夾兩錐輪之間，不易脫鏈。和金屬帶和錐輪比普通齒輪鏈更優(yōu)異的性能。降低維護難度。 3）、重心問題 傳統(tǒng)變速自行車的變速齒輪齒盤基本上都是安裝到自行車的一側，導致重心偏移，容易傾倒。無極變速后輪并排，中間傳輸，重力中心，便于轉彎控制。 4)、操作難度降低，適用于中國最早一代使用自行車卻正在慢慢老去的群體。只需轉動旋鈕即可實現變速。? 5)、上坡問題 普通變速自行車由于前后輪同時放置變速器，重心較無級變速自行車靠前。上坡難度比后置無級變速自行車大。 6)、維修問題 普通變速自行車因構建過多，增加了維修難度，而無級變速自行車零件簡單，維修難度低。 7)、轉彎問題 采取前輪小后輪大的設計方式，增加了轉彎的靈活性。由于主要構件集中于后輪，重心靠后，可以減小前輪小容易前翻的問題。? 這個時代的主題，是企業(yè)生存發(fā)展的主題，換句話說，自行車企業(yè)要在競爭的社會是如此之大，必須順應時代的發(fā)展，以人為本，讓更多的人通過設計變頻調速系統(tǒng)的青睞。毫無疑問，自行車企業(yè)要加快在變速系統(tǒng)的自行車的發(fā)展，提高其市場競爭力。 2 自行車無級變速器總體方案的確立 自行車無級變速方式有鏈式無級變速器、鋼環(huán)分離錐式(RC型)無級變速器、剛性定軸無級變速器等許多形式。在此，我選擇了兩種方案作參考和比較，最終選擇一種理想的方案。這兩種方案分別是鏈式無級變速器和鋼球外錐式無級變速器，分別描述如下。 2.1 鏈式無級變速器的分析 圖2-1 鏈式無級變速器 鏈式無級變速器是一個鋼制柔性變速驅動。此變速器的磨損率的1／30，功率是帶傳動的11倍，與剛性摩擦傳動相比，其具有以下特點：結構緊湊，使用壽命長，鏈條對于鏈輪表面的損壞程度較低，。鏈式無級變速器的缺點是：制造成本高，運行速度過高會導致離心力太大，重量大；要使它能夠高速度運行必須要盡量減少鏈的重量。 鏈式無級變速器主要由兩對可以軸向移動的錐輪、輸入軸、輸出軸、導向鍵、花鍵、變速傳動鏈等零部件構成。其工作原理是：依靠兩對可以軸向移動的錐輪通過導向鍵聯接到相互平行的輸入軸與輸出軸上，兩錐輪間形成一個夾槽，夾槽里有變速傳動鏈，依靠壓緊力使鏈輪和鏈條形成一個封閉的空間，在封閉空間中運動副依靠摩擦力來傳遞動力。 在軸關節(jié)聯動兩對鏈輪有三種方式：1）、錐輪1-1中的一個鏈輪與錐輪2-2中的一個鏈輪進行對角配置，從而使其作軸向移動。同理，另外一對鏈輪進行對角配置，使其作同向移動，使得軸上的鏈輪副關閉時，另一個軸鏈輪副開放；2）、如圖2-1所示，錐輪1-1`合攏時錐輪2-2`張開，錐輪1-1`張開時錐輪2-2`合攏，兩對錐輪都可以作軸向 移動；3）、類似方式一，兩對錐輪其中各取一個行程一對進行軸向固定，另外的兩輪作反方向的移動，這樣便形成了兩對鏈輪的張開或者是合攏，為了形成兩對鏈輪的關閉或開啟，但固定輪扁，兩輪之間形成單楔槽。在開鏈和鏈輪，代理各種半徑的對應位置，實現無級變速。除了以上的傳動機構外，還有使鏈輪驅動調速機構、夾緊力使鏈、連鎖機構等。 鏈式無極變速器由于其傳遞的轉矩在變速過程中是不斷變化的，鏈條具有一定得壽命以及一定極限的工作拉力，所以鏈式無級變速器具有變功率、變轉矩特性。在較低的輸出轉速，輸出扭矩大，功率恒定的條件下，為了避免鏈過度的張力、承載力和速度過快，應將鏈式無級變速器的速度比調整為比實際工作的速度比更小，從而在更好的條件下使傳動工作，并能減小變速器的尺寸和成本，通過對體積和成本的傳輸速度比始終高于小功率傳動變速比。 2.2 鋼球外錐式無級變速器的分析 圖2-2 鋼球外錐式無級變速器 如圖2-2所示，鋼球外錐式無級變速器主要由輸入軸、輸出軸、加壓裝置、主動錐輪、從動錐輪、傳動鋼球、調速斜齒輪、傳動鋼球、外環(huán)、端蓋等零部件組成。其中兩端蓋里有徑向弧行倒槽，鋼球的支撐軸的兩端嵌裝在殼體兩端蓋的徑向弧行倒槽內，并且穿過斜齒輪的曲線槽。其工作原理是由輸入軸輸入動力，主動錐輪通過加壓裝置與輸入軸進行同速轉動，鋼球與主動輪表面有接觸，通過摩擦力作用，主動輪轉動帶動鋼球旋轉，而鋼球旋轉通過摩擦力又帶動從動輪轉動。同樣，從動輪通過加壓裝置帶動輸出 軸轉動，將動力輸出。進行調速時通過兩對斜齒輪轉動，因為曲線槽的作用使鋼球軸線的傾斜角發(fā)生變化，從而使得鋼球與兩錐輪的工作半徑發(fā)生改變，最終改變了傳動比，使輸出軸轉速得到調節(jié)。這種變速器應用廣泛。 圖2-3 鋼球外錐式無級變速器變速示意圖 在從動輪的端面有一組圓弧或者是阿基米德螺旋線的曲線槽,數量與轉動鋼球的數量一樣多.當從動輪轉動時,曲線槽會迫使鋼球繞鋼球的軸心上下擺動,從而導致主動輪、從動輪與鋼球的半徑發(fā)生變化，即傳動比發(fā)生變化，從而實現無級變速。具體工作原理為：如圖2-3所示，主動錐輪1和從動錐輪2分別安裝在軸Ⅰ和軸Ⅱ上，鋼球3可繞軸4自由的轉動，并且被加壓盤壓緊在兩錐輪的工作錐面上。 2.3 兩方案的比較與選擇 由于鏈式無級變速器的制造成本高，運行速度過高會導致離心力太大，重量大，運行速度不能太高，所以不適合使用在自行車上。鋼球外錐式無級變速器結構簡單，原理清晰，所有參數也符合設計要求，所以選擇此變速器。 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主要包括調速機構，鋼球與主﹑從動錐齒輪，輸入﹑輸出軸上軸承，調速齒輪上的變速曲線槽，輸入﹑輸出軸上端蓋，輸入軸與輸出軸，加壓盤等部分的設計與計算，以下各章節(jié)分別介紹以上各零部件的設計與計算。 3.1 調速機構的設計與計算 調速機構采用一對傳動比較平穩(wěn)的斜齒輪來分度調速，在設計過程中，為了確保主動斜齒輪轉動1200，從動斜齒輪跟著轉動900 ，那么只要將主動斜齒輪的直徑設計成從動斜齒輪的3/4，就可實現這一目的。根據斜齒輪的設計方法，主要對斜齒輪的模數、螺旋角、法面壓力、端面壓力、齒距、直徑等參數進行設置。 （1）、從動斜齒輪的設計與計算 模數 mm 螺旋角 法面壓力角 端面壓力角 所以 基圓柱螺旋角 所以 法面齒距 mm 端面齒距 mm 法面基圓齒距 mm 法面齒頂高系數 法面頂隙系數 分度圓直徑 mm 基圓直徑 mm 齒頂高 mm 齒根高 mm 齒頂圓直徑 mm 齒根圓直徑 mm 法面齒厚 mm 端面齒厚 mm 當量齒數 (2)、主動斜齒輪的設計與計算 模數 mm 分度圓直徑 mm 基圓直徑 mm 齒頂圓直徑 mm 齒根圓直徑 mm 當量齒數 其余參數均與從動斜齒輪相同，兩齒輪的寬度均為5 mm，但主動斜齒輪只需轉過1200，所以該斜齒輪只需設計成不完全齒輪。 3.2 鋼球與主﹑從動錐輪的設計與計算 主要是通過計算主、從動錐輪的工作直徑、兩錐輪間的軸向直徑、輸入轉速與輸出轉速從而確定傳動比，即變速范圍。以此來確定鋼球的工作直徑、轉動的角度范圍等參數的設計與計算。 輸入功率 =0.4039 kw 其中： ，kg，kg，,， 輪胎直徑： mm（普遍自行車的直徑尺寸） 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： 根據材料力學元器件許用應力參考可知傳動件的[σj]=170～500 Mpa 帶入上式得： ，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(huán)內經 mm 外環(huán)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 3.3 輸入﹑輸出軸上軸承的選擇與計算 通過對輸入軸、輸出軸軸承的校核與壽命計算，選擇最佳的軸承。 （1）、輸入軸軸承的壽命計算 圖3-3.1 輸入軸軸承受力計算示意圖 N 軸承2被拉松 N N 軸承1被壓緊 N N 所以 軸承2的當量載荷為 N 軸承1的當量載荷為 N 所以 Lh1= ==1088 h Lh2== h （2）、輸出軸上軸承的壽命計算 圖3-3.2 輸出軸軸承受力計算示意圖 N 軸承2被拉松 N N 軸承1被壓緊 N N 所以軸承1的當量載荷為 N 軸承2的當量載荷為 N 所以 Lh1===1127.3 h Lh2== h 3.4 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3-4 變速曲線槽 (2)、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” (3)、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) 3.5 輸入﹑輸出軸上端蓋的設計與計算 主要是對端蓋各尺寸的設計與計算，端蓋密封圈的設計與計算。 密封圈的設計如圖3-5.1所示 軸徑 mm ， mm ， mm ， mm 端蓋的設計及計算如圖3-5.2所示 圖3-5.1 密封圈 圖3-5.2 端蓋 mm mm mm mm mm ,取 4 mm mm D4=D–﹝10～15﹞ mm mm D6=﹝2～4﹞==32 mm mm , mm , mm 3.6 輸入軸、輸出軸的設計與校核 通過對軸上傳遞功率以及作用于錐輪上的正壓力的計算來確定軸的直徑尺寸大小，最后對軸進行載荷計算、彎矩校核、鍵校核。 1）、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=9550000=9550000×=28572 N·mm （2）、如圖所示，作用于錐輪的正壓力 Q 圖3-6.1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）、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）、軸的機構設計 圖3-6,2 輸入軸 如圖3-6.2所示，Ⅰ-Ⅱ段裝飛輪，Ⅱ-Ⅲ段裝端蓋，Ⅲ-Ⅳ段裝軸承，規(guī)格是d1=17 mm，Ⅳ-Ⅴ段為軸肩，d=19.4 mm，Ⅴ-Ⅵ段裝軸承，規(guī)格d2=12 mm，Ⅵ-Ⅶ ,Ⅶ-Ⅷ段裝壓緊裝置以及裝錐輪。 (5)、軸上的載荷計算 Ⅱ-Ⅲ段不承受徑向載荷 兩軸承的距離為 mm 飛輪壓軸力方向線與軸承的距離為 mm 圖3-6.3壓軸力受力模型 壓軸力Fp 的計算 Fe=1000 v= 選定鏈條型號和節(jié)距 查《機械設計》【1】表9-7，9-13，單排鏈 kw r/min由PCA和n’的值查《機械設計》【1】圖9-11，得可選10A-1，鏈條節(jié)距 mm 故 v==0.904857 m/s 所以 Fe==446.4 N 所以 n（鏈條水平布置時的壓軸力系數KFP=1.15） 所以 N 所以 n 計算最大彎矩 N.mm （6）、彎矩的校核 T=9550000=9550×=28572 N·mm σCA== =34.7 Mpa﹤[σ-1]=60 Mpa 鍵槽處軸的校核 W(c)===224.7 σ（AC）== 57.22 Mpa ＜[σCA]=60 Mpa （7）、鍵強度的校核 平鍵的尺寸為 ，鍵槽軸深 σp===147.8 Mpa≤ [σp]=120～150 Mpa 滿足條件 花鍵校核 σp=2T×103/(ψzhldm) 其中： ψ為載荷分配不均系數，取0.8 花鍵齒數 齒的工作長度 mm 花鍵齒側的工作高度 mm 花鍵的平均直徑 mm σp===41.34 Mpa ≤ [σp]=40～70 Mpa 花鍵的連接情況是：使用或制造情況不良，齒面未經熱處理，故滿足要求 2）、輸出軸的設計與計算 （1）、輸出軸上的傳遞功率為 kw 轉速 r/min 于是轉矩 T2= =9550000×=23311.9 N·mm （2）、作用于錐輪的正壓力 Q 由前計算可知： , 其中mm 所以Q= N 單個錐輪的軸向力 Fa=徑向力 （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×=13.5 mm 取d=14.5 mm （4）、軸的結構設計 圖3-6.4輸出軸 只有Ⅰ-Ⅱ段不一樣，輸出軸Ⅰ-Ⅱ段裝的是后輪軸。這樣設計便于統(tǒng)一加工。 （5）、求軸上的載荷 兩軸承的距離為 mm 壓軸力F合壓與軸承的距離為mm 圖3-6.5壓軸力受力模型 如圖3-6.5所示 F合壓===558.1 N N 所以 N N （6）、計算最大彎矩 N （7）、校核扭矩 所受扭矩： N·mm A處校核 σCA==52.3 Mpa ＜ [σCA] Mpa C出校核 W(c)===224.7 σ（AC）==41.5 Mpa ＜[σCA]=60 Mpa 故校核安全 （8）、鍵強度的校核 平鍵的尺寸為，鍵槽軸深 σp===26.8 Mpa ≤ [σp]=120～150 Mpa 滿足條件 花鍵校核σp=2T×103/(ψzhldm) 其中： ψ為載荷分配不均系數，取0.8 花鍵齒數 mm 齒的工作長度 花鍵齒側的工作高度 mm 花鍵的平均直徑 mm σp===29.99 Mpa ≤ [σp]=40～70 Mpa 花鍵的連接情況是：使用或制造情況不良，齒面未經熱處理，故滿足要求 3.7 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3-7.1加壓裝置 3.9 自行車無級變速器的安裝 無級變速器的輸出軸上安裝著自行車的后輪，輸入軸上安裝自行車的后飛輪，整個變速器位于后輪右側。變速器的主動調速齒輪上安裝搖桿，該搖桿可以伸縮，這樣在不調速時保證搖桿空間尺寸較小。搖桿可轉動1200，這樣可帶動從動調速論轉動900,從而使自行車速度在最大速度和最小速度之間變動。 1、4、7-端蓋 2-軸承 3-套筒 5-軸套 6-軸管 圖3-12 變速器安裝示意圖 自行車后輪與輸出軸的安裝方式如上圖所示，1、4、7端蓋是用來密封，保護軸承5的，普通自行車的后軸管和花盤是分開的，我這里把它們作成一個整體，即軸管6，與后軸用鍵連，軸套5的作用是軸向定位軸管，軸承2與軸采用過盈配合。 4 自行車變速器的調整與使用方法 4.1 自行車變速器的調整 以品牌SHIMANO DEORE LX雙控指撥為例，對自行車后輪上的兩枚螺絲（如下圖所示）進行調試： H螺絲——用于定位在最大盤片時鏈條的位置。逆時針即旋出：前撥臂遠離坐管；順時針即旋進：前撥臂靠近坐管。 注意：逆時針（旋出）要掌握好尺度，太過，會導致鏈條脫盤，卡在曲柄與大盤之間。 L螺絲——用于定位在最小盤片時鏈條的位置。逆時針即旋出：前撥臂靠近坐管；順時針即旋進：前撥臂遠離坐管。注意：逆時針（旋出）要掌握好尺度，太過，會導致鏈條脫盤，卡在五通與小盤之間。 4.2.自行車變速器的使用方法 無極變速自行車是一種根據道路和阻力狀況，自行調整自行車傳動速比和扭矩大小的機械變速機構，不必用手或腳控制掛擋，自動進行無級變速，比傳統(tǒng)自行車的騎行效率有明顯的提高。 在普通的路上騎行時，前齒盤(由左邊的變速桿操作)固定在中間(或者最大齒盤)。只用后齒盤(由右邊的變速桿操作)比較容易理解。最小的前齒盤則上坡時使用。 后齒盤的齒輪比如何選擇好呢？這要由踩蹬的旋轉數來決定〔前齒盤(中軸)1分鐘的旋轉數〕。那么旋轉數多少較適合呢？要根據腳力、技巧、心肺機能不同而各異。一般70～80rpm 較合適。要加快速度時，開始時以較低的齒盤(后邊的較大的齒盤)起跑，隨著速度的加快換為高的擋次(后面的小齒盤)；上坡時速度會降低，降低齒輪比來保持一定的 踩蹬力度；順風時會加快速度，提升齒輪比來保持一定的踩蹬力度。 山路上的變速：山路有上坡、下坡。后齒盤無法應付路段的變化情況。需要改變前齒盤。只改變前齒盤時，齒輪比相差太大，因此后齒盤也隨著一起改變，以便減少差距(踩蹬的力度)。降低前齒盤時，提升后齒盤。提升前齒盤時，降低后齒盤。左右變速桿要同時起動。 5 結論 本次自行車無級變速器的設計讓我深刻體會到了機械這個專業(yè)知識的高深與奧妙之處，并且通過近兩個月的實習更加讓我對機械行業(yè)充滿了興趣。在本次設計過程中不僅讓我學到了機械設計方面的知識，通過實踐與知識結合，不僅提高了自己機械設計的整體綜合素質，同時也使得自己對機械設計有了更深的了解?？傊?，機械設計，是一門綜合性相當強的技術課程，它融合了大學期間所學的課程。 在設計過程中存在的問題：（1）、對于一些零件的尺寸設計公式的理解與應用不夠熟練；（2）、對于繪圖工具CAD的使用還不夠熟練。 進一步研究的建議：對各個零部件進行優(yōu)化設計，使得變速器的功能更加的優(yōu)化。 參考文獻 [1]范崇洛主編.機械加工工藝學.東南大學出版社,2009. [2]邱宣懷主編.機械設計[M].第四版.北京高等教育出版社,2007. [3]周有強主編.機械無級變速器[M].成都:機械工業(yè)出版社,2001. [4]孫恒、陳作模主編.機械原理[M].第六版.西安高等教育出版社,2000. [5]吳宗澤、羅圣國主編.機械設計課程設計手冊[M].第三版.北京高等教育出版社,2006. [6]葛志淇主編.機械零件設計手冊.天津冶金工業(yè)出版社,1980. [7]徐灝主編.機械設計手冊[M].第三卷.北京機械工業(yè)出版社,1991. [8]阮忠唐主編.機械無級變速器.北京機械工業(yè)出版社,1983. [9]機械設計手冊編委會主編.減速器和變速器[M].第四版.北京機械設計出版社,2007. [10]周良德、朱泗芳主編.現代工程圖學.湘潭湖南科學技術出版社,2000. [11]傅水根主編.機械制造工藝學基礎.清華大學出版社,2011. [12]馬俊、王玫主編.機械制圖[M].第四版.北京郵電大學出版社,2007. [13]麥智生主編.自行車無級變速器[J].中國自行車,2002（第2期）. [14]秦世倫主編.材料力學,成都四川大學出版社. [15]周有強、崔學良、董志峰主編.機械無級變速器發(fā)展概述[J].機械傳動,2005(第1期). [16]李新、洪泉、王艷梅主編.國內外通用標準件手冊.南京江蘇科技出版,2006. [17]周有強.崔學良.董志峰.機械無級變速器發(fā)展概述[J].機械傳動.2005.(第1期). [18]阮忠唐.機械無級變速器設計與選用指南[M].北京：化學工業(yè)出版社，1999. 致謝 本文的完成得到來自各方面的指導與幫助，特別要感謝指導老師陳金蘭老師，在陳老師的悉心指導下，我的畢業(yè)設計才得以按時的完成，也是老師的教導讓我通過這次畢業(yè)設計更加深入的了解了自己所學的這個專業(yè)。 畢業(yè)設計的時間雖然不長，通過這次設計卻讓我更加鞏固了以往三年所學的知識，并且通過查閱各種資料，讓自己掌握了許多在課堂上沒有學到的一些新的專業(yè)知識，這些必將有利于我以后的工作。在做畢業(yè)設計的這幾個月里，我深深的體會到，機械這個行業(yè)是非?？简炓粋€人的耐心和細心的，有時候你需要查閱許多資料才能將一個知識點弄明白，才能繼續(xù)做設計，每一個公式每一次計算都要檢查好幾遍，一個點的錯誤可能會影響到整個設計的計算，所以你畢業(yè)認真仔細的做好每一個步驟。同時我也了解到，我們專業(yè)擁有一個龐大的知識體系，在學習過程中應該要不斷擴展閱讀，并且閱讀的同時還應該加強思考，永遠不要只滿足于課堂上的那點知識。再則，畫圖方面，我們用CAD制圖，這讓我熟悉了CAD的制圖方法，為我兩個月后走上工作崗位打下了一個好的基礎。 最后，再次感謝這個過程中給予我很大幫助的指導老師，感謝您耐心的為我修改設計和熱心的指導。 - 36 -