自行車無(wú)級(jí)變速器的設(shè)計(jì)含15張CAD圖-版本3
自行車無(wú)級(jí)變速器的設(shè)計(jì)含15張CAD圖-版本3,自行車,無(wú)級(jí),變速器,設(shè)計(jì),15,CAD,版本
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XX（設(shè)計(jì)）任務(wù)書(shū)
論文（設(shè)計(jì)）題目： 自行車無(wú)級(jí)變速器設(shè)計(jì)
學(xué)號(hào)： 姓名： 專業(yè)：
指導(dǎo)教師： 系主任：
一、主要內(nèi)容及基本要求
設(shè)計(jì)內(nèi)容：1、根據(jù)自行車的特點(diǎn)選擇合適的傳動(dòng)比；
2、對(duì)比和選取合理的方案；
3、完成自行車無(wú)級(jí)變速器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算；
4、對(duì)關(guān)鍵部件進(jìn)行強(qiáng)度和壽命校核。
設(shè)計(jì)要求：1、傳動(dòng)比范圍0.7~1.22；
2、變速器尺寸要盡可能小，輕便；
3、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)使制造成本盡可能低；
4、安裝拆卸要方便；
5、外觀要?jiǎng)蚍Q，美觀；
6、調(diào)速要靈活，調(diào)速過(guò)程中不能出現(xiàn)卡死現(xiàn)象，能實(shí)現(xiàn)無(wú)極調(diào)速；
7、關(guān)鍵部位滿足強(qiáng)度壽命要求；
8、畫(huà)出零件圖和裝配圖。
二、重點(diǎn)研究的問(wèn)題
1、總體方案的確定；
2、選定方案的設(shè)計(jì)與計(jì)算；
3、主要零部件的校核；
4、自行車的安裝、調(diào)整。
三、進(jìn)度安排
序號(hào)
各階段完成的內(nèi)容
完成時(shí)間
1
查閱資料、調(diào)研
3.8-3.18
2
總體方案的確立
3.19-3.26
3
無(wú)極變速器的設(shè)計(jì)與計(jì)算
3.27-4.17
4
主要零件選型
4.18-4.20
5
畫(huà)裝配圖及零件圖
4.21-4.28
6
論文撰寫(xiě)
4.29-5.7
7
英文翻譯
5.9-5.14
8
畢業(yè)設(shè)計(jì)論文檢查、準(zhǔn)備答辯
5.15-5.16
四、應(yīng)收集的資料及主要參考文獻(xiàn)
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XXXX
XXX（設(shè)計(jì)）評(píng)閱表
學(xué)號(hào) 姓名 專業(yè)
畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）題目：自行車無(wú)級(jí)變速器設(shè)計(jì)
評(píng)價(jià)項(xiàng)目
評(píng) 價(jià) 內(nèi) 容
選題
1.是否符合培養(yǎng)目標(biāo)，體現(xiàn)學(xué)科、專業(yè)特點(diǎn)和教學(xué)計(jì)劃的基本要求，達(dá)到綜合訓(xùn)練的目的；
2.難度、份量是否適當(dāng)；
3.是否與生產(chǎn)、科研、社會(huì)等實(shí)際相結(jié)合。
能力
1.是否有查閱文獻(xiàn)、綜合歸納資料的能力；
2.是否有綜合運(yùn)用知識(shí)的能力；
3.是否具備研究方案的設(shè)計(jì)能力、研究方法和手段的運(yùn)用能力；
4.是否具備一定的外文與計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力；
5.工科是否有經(jīng)濟(jì)分析能力。
論文
（設(shè)計(jì)）質(zhì)量
1.立論是否正確，論述是否充分，結(jié)構(gòu)是否嚴(yán)謹(jǐn)合理；實(shí)驗(yàn)是否正確，設(shè)計(jì)、計(jì)算、分析處理是否科學(xué)；技術(shù)用語(yǔ)是否準(zhǔn)確，符號(hào)是否統(tǒng)一，圖表圖紙是否完備、整潔、正確，引文是否規(guī)范；
2.文字是否通順，有無(wú)觀點(diǎn)提煉，綜合概括能力如何；
3.有無(wú)理論價(jià)值或?qū)嶋H應(yīng)用價(jià)值，有無(wú)創(chuàng)新之處。
綜
合
評(píng)
價(jià)
論文選題符合培養(yǎng)目標(biāo)要求，能體現(xiàn)學(xué)科專業(yè)特點(diǎn)，達(dá)到了綜合訓(xùn)練的目的。該生具有強(qiáng)大的文獻(xiàn)查閱、資料綜合歸納整理的能力。能在設(shè)計(jì)中熟練運(yùn)用所學(xué)知識(shí)。設(shè)計(jì)方案可行，工作量飽滿，論文質(zhì)量符合本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)要求。
同意參加答辯。
評(píng)閱人：
2014年5月 日
XXX
XXX（設(shè)計(jì)）鑒定意見(jiàn)
學(xué)號(hào)： 姓名： 專業(yè)：
畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)） 43 頁(yè) 圖 表 15 張
論文（設(shè)計(jì)）題目： 自行車無(wú)級(jí)變速器設(shè)計(jì)
內(nèi)容提要： 無(wú)級(jí)變速自行車是現(xiàn)今社會(huì)人們正積極研發(fā)設(shè)計(jì)的一種新型自行車。
本文首先介紹機(jī)械無(wú)級(jí)變速器的發(fā)展概況及其特征和應(yīng)用，然后歸納了現(xiàn)今幾種無(wú)級(jí)變
速自行的發(fā)展概況，在以上內(nèi)容的基礎(chǔ)上，提出兩種可行方案，經(jīng)過(guò)仔細(xì)的分析與比較
選出鋼球外錐式無(wú)級(jí)變速器為最佳方案，并對(duì)該裝置的調(diào)速部分進(jìn)行改進(jìn)，以滿足該設(shè)
計(jì)裝置能在自行車上使用的要求；對(duì)該變速器的部分零件進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和尺寸計(jì)算，另
外其中一部分零件還要進(jìn)行壽命計(jì)算和強(qiáng)度校核，以保證該無(wú)級(jí)變速自行車能夠滿足正
常的設(shè)計(jì)要求；最后對(duì)部分零件進(jìn)行選型，并用CAD繪圖軟件繪制出該裝置的裝配圖
以及所有標(biāo)準(zhǔn)零件的零件圖。
指導(dǎo)教師評(píng)語(yǔ)
指導(dǎo)老師評(píng)語(yǔ)：
肖明希同學(xué)在畢業(yè)設(shè)計(jì)期間態(tài)度比較認(rèn)真，其畢業(yè)設(shè)計(jì)的內(nèi)容為自行車無(wú)級(jí)變速
的設(shè)計(jì)，并采用了鋼球外錐式無(wú)級(jí)變速器，在認(rèn)真閱讀國(guó)內(nèi)外相關(guān)參考文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上
基本了解相關(guān)領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀。在畢業(yè)設(shè)計(jì)期間，對(duì)自行車無(wú)級(jí)變速器的機(jī)械部分進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)
計(jì)及相關(guān)的設(shè)計(jì)計(jì)算，通過(guò)畢業(yè)設(shè)計(jì)肖明希同學(xué)對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)相關(guān)技巧，以及機(jī)械設(shè)計(jì)制造相關(guān)領(lǐng)
域的基礎(chǔ)知識(shí)的掌握有了較大的進(jìn)步，初步掌握了相關(guān)制圖軟件在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。論文達(dá)到
畢業(yè)設(shè)計(jì)要求，同意其參加答辯，建議成績(jī)?cè)u(píng)定為 。
指導(dǎo)教師：
年 月 日
答辯簡(jiǎn)要情況及評(píng)語(yǔ)
根據(jù)答辯情況，答辯小組同意其成績(jī)?cè)u(píng)定為 。
答辯小組組長(zhǎng)：
年 月 日
答辯委員會(huì)意見(jiàn)
經(jīng)答辯委員會(huì)討論，同意該畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）成績(jī)?cè)u(píng)定為 。
答辯委員會(huì)主任：
年 月 日
附錄1
Dynamic Modeling of Vehicle Gearbox for Early
Detection of Localized Tooth Defect
Nagwa Abd-elhalim, Nabil Hammed, Magdy Abdel-hady,
Shawki Abouel-Seoud and Eid S. Mohamed
Helwan University
ABSTRACT
Dynamic modeling of the gear vibration is a useful tool to study the vibration response of a geared system under various gear parameters and operating conditions. An improved understanding of vibration signal is required for early detection of incipient gear failure to achieve high reliability. However, the aim of this work is to make use of a 6-degree-of-freedom gear dynamic model including localized tooth defect for early detection of gear failure. The model consists of a gear pair, two shafts, two inertias representing load and prime mover and bearings. The model incorporates the effects of time-varying mesh stiffness and damping, backlash, excitation due to gear errors and modifications. The results indicate that the simulated signal shows that as the defect size increases the amplitude of the acceleration signal increases. The crest factor and kurtosis values of the simulated signal increase as the fault increases. Though the crest factor and kurtosis values give similar trends, kurtosis is a better indicator as compared to crest factor.
KEYWORDS：Vibration acceleration, system modeling, Crest Factor, Kurtosis value, defect size, gear meshing, pinion, gear
NOMENCLATURE
，，， Drive motor, pinion, gear, and load mass moment of inertia
replacement decision in a suitable time.
， Masses of pinion and gear.
Driving motor torque.
Load torque.
， Friction torque.
， Viscous damping coefficient of pinion and gear bearing.
Gear mesh damping.
Gear mesh stiffness.
， Pinion and gear shaft stiffness.
The variance square.
The number of samples.
The defect width in face direction.
Unit width Hertzian stiffness.
，，， Angular displacement of drive motor, pinion, gear and load.
，，， Angular velocity of drive motor, pinion, gear and load.
，，， Angular acceleration of drive motor, pinion, gear and load.
INTRODUCTION
Much of the past research in the dynamic modeling area has concluded that an essential solution to the problem is to use a comprehensive computer modeling and simulation tool to aid the transmission design and experiments. These have been two major obstacles to such an approach: (1) Progress in understanding of the basic gear rattle phenomenon has been limited and slow. This is because the engine-clutch-transmission system involves some strong nonlinearities including gear backlash, multi-valued springs, dry friction, hysteresis, and the like. (2)The gear rattle is a system problem and not only problem of gear teeth. Even through the research and industrial community has discussed the difficulties in varies stages of the problem, yet no thorough frame work covering the entire investigation process of such problem currently exists. This is largely due o the complexity of the power train system, which may make a computer analysis tool inefficient, in particularly when many different elements and clearances are encountered (e.g., gears, bearings, splines, synchronizers, and clutch) [1-3].
A comprehensive review of mathematical models used in gear dynamics, published before 1986, has been presented by [4]. In this review, gear dynamic models without defects have been discussed. In the past few years, researchers have been working on the gear dynamic models which include defects like pitting, spalling, crack and broken tooth.
A single-degree-of-freedom model is used which include the e4ffects of variable mesh stiffness, damping, gear errors, profile modifications and backlash. The effect of time-varying meshing damping is also included in this case, The solution is obtained by using the harmonic balance methods. A method of calculated the optimum profile modification has been proposed in order to obtain a zero vibration of the gear pair [5-7]. They also proposed a linear approximate equation to mode the gear pair by using a single-degree-of freedom model
Gear rattle vibration is a undesirable vibration for passenger cars and light trucks equipped with manual transmissions. Unlike automatic transmissions, manual transmission do not have the high viscous damping inherent to a hydrodynamic torque converter to suppress the impacting of gear teeth oscillating through their gear backlash. Therefore a significant level of vibration an be produced by the gear rattle and transmitted both inside the passenger compartment and outside the vehicle. Gear rattle, idle shake, and other vibration generated in the automobile driveline have become an important concern to automobile manufactures in their pursuit of an increased level of perception of high vibration quality. The torsional vibration o driveline is a major source of gear rattle vibration. The manual transmission produces gear rattle by the impacting of gear oscillating through their gear backlash. The impact collisions are transmitted to the transmission housing via shafts and bearings [8].
The gear pair dynamic models including defects have been done by [9]. The study suggests that little work has been done on modeling of gear vibration with defect and an accurate analytical procedure to predict gear vibrations in the presence of local tooth fault has yet to be developed.However, the purpose of this paper is to develop a multidegree-of-freedom nonlinear model for a gear pair that can be used to study the effect of lateral-torsional vibration coupling on vibration response in the presence of localized tooth defect. A typical fault signal is assumed to be impulsive in nature because of the way it is generated. The simulation artificially introduced pitting in gears in multi-stage automotive transmission gearbox at different operation conditions (load, speed, etc). The processing of simulated and experimental signals is also introduced.
SIGNAL-PROCESSING TECHNIQUE
Among various signal-processing techniques, crest factor and kurtosis analysis have been used for analyzing the whole vibration signal for the early detection of fault. In this section, crest factor and kurtosis value have been explained.
MATHEMATICAL MODEL FORMULATION
Helical gears are almost always used in automotive transmissions. The meshing stiffness of a helical tooth pair is time-varying [10], and was modeled as a series of
suggested spur gears so that the simulation techniques for spur gears can be applied. where M is Module (mm), b is Face width (mm), is pressure angle (deg), is helix angle (deg) and D1 is pitch diameter (mm). Fig. 2 shows the equivalent gear system in the first gear-shift, where the main parameters for the gear system of Fiat-131 gearbox and the equivalent gear system in the first gear-shift are also shown in the figures.
附錄2
汽車變速箱動(dòng)態(tài)建模輪齒局部缺陷的早期檢測(cè)
Nagwa Abd-elhalim, Nabil Hammed, Magdy Abdel-hady,
Shawki Abouel-Seoud and Eid S. Mohamed
阿勒旺大學(xué)
摘要
在研究齒輪系統(tǒng)中各種齒輪參數(shù)的振動(dòng)響應(yīng)和操作條件時(shí)，齒輪振動(dòng)的動(dòng)態(tài)建模是一個(gè)非常有用的工具。對(duì)早期的齒輪檢測(cè)提出了一種改進(jìn)理解的振動(dòng)信號(hào)，但還沒(méi)達(dá)到高的可靠性。但是，這項(xiàng)工作的目的是利用一個(gè)6自由度的齒輪動(dòng)力學(xué)模型對(duì)齒輪輪齒缺陷故障的早期檢測(cè)。該模型包括一對(duì)齒輪副、兩個(gè)軸、兩個(gè)慣性負(fù)載、動(dòng)力傳動(dòng)裝置和軸承。由于齒輪的誤差和變動(dòng)，該模型被采用時(shí)受到時(shí)變嚙合剛度、阻尼、反彈和勵(lì)磁的影響。模擬信號(hào)顯示的結(jié)果表明，隨著缺陷尺寸的增加加速度信號(hào)的振幅增加。模擬信號(hào)的波峰因素和峰值隨著缺陷的增加而增加。雖然波峰因素和峰值做同樣的趨勢(shì)，但和波峰因素相比峰值是一個(gè)比較好的指標(biāo)。
關(guān)鍵詞：振動(dòng)加速度、系統(tǒng)建模、波峰因素、峰值、缺陷大小、齒輪嚙合、齒輪
專業(yè)術(shù)語(yǔ)
，，， 驅(qū)動(dòng)電機(jī)、小齒輪、大齒輪和負(fù)載在一定時(shí)間內(nèi)的慣性矩
， 大齒輪、小齒輪的模數(shù)
發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩
負(fù)載力矩
， 摩擦力矩
， 齒輪、軸承的粘滯阻尼系數(shù)
齒輪嚙合阻尼
齒輪嚙合剛度
， 齒輪、齒輪軸的剛度
平方差
樣本數(shù)量
寬度方向的缺陷
單位寬度的剛度
，，， 驅(qū)動(dòng)電機(jī)、小齒輪、大齒輪和負(fù)載的角位移
，，， 驅(qū)動(dòng)電機(jī)、小齒輪、大齒輪和負(fù)載的角速度
，，， 驅(qū)動(dòng)電機(jī)、小齒輪、大齒輪和負(fù)載的角加速度
引言
在大多數(shù)過(guò)去的動(dòng)態(tài)建模研究領(lǐng)域中，解決問(wèn)題的重要辦法是全面使用計(jì)算機(jī)建模和仿真工具來(lái)輔助變速器的設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)。這種方法有兩種主要的障礙：（1）對(duì)齒輪傳動(dòng)中噪聲基本認(rèn)識(shí)的進(jìn)展是有限的和緩慢的。這是因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)離合器傳動(dòng)系統(tǒng)中包括齒輪側(cè)隙、多值彈簧、非線性滯后等等。（2）齒輪發(fā)出的噪聲是一個(gè)系統(tǒng)問(wèn)題，并不是齒輪的唯一問(wèn)題。既使是工業(yè)研究領(lǐng)域已經(jīng)討論了這個(gè)問(wèn)題在不同階段所出現(xiàn)的不同問(wèn)題，但并沒(méi)有徹底覆蓋工作的框架，整個(gè)研究過(guò)程中的問(wèn)題依然存在。這主要是由于列車電力系統(tǒng)的復(fù)雜性，可能導(dǎo)致你的計(jì)算機(jī)的分析工具效率不高，尤其是工作中遇到許多不同的因素和間隙（例如：齒輪、軸承、花鍵、同步器和離合器）。
在1986年出版之前，對(duì)齒輪動(dòng)力學(xué)中提出的齒輪動(dòng)態(tài)建模進(jìn)行了審查。這次審查中，對(duì)不存在齒輪缺陷的齒輪動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行了討論。在過(guò)去的幾年里，研究人員對(duì)齒輪的動(dòng)態(tài)模型缺陷進(jìn)行了研究，其中包括點(diǎn)蝕、剝落、裂縫和齒輪折斷等。
單自由度系統(tǒng)模型中，對(duì)嚙合剛度的影響包括4個(gè)方面的因素，阻尼、齒輪誤差、輪廓變動(dòng)和齒側(cè)間隙，時(shí)變嚙合阻尼效應(yīng)也包含在這種情況中。解決問(wèn)題的方法是利用諧波平衡的方法。為了實(shí)現(xiàn)齒輪副的零振動(dòng)，提出了一種最優(yōu)化的計(jì)算方法。他們還利用齒輪副單自由度模型提出了一個(gè)近似的線性方程模型。
齒輪噪聲振動(dòng)是轎車和輕型貨車手動(dòng)變速箱中的不良振動(dòng)。不同于自動(dòng)變速箱的是，手動(dòng)變速箱沒(méi)有一個(gè)固有的高粘性阻尼液力變矩器以制止通過(guò)齒輪側(cè)隙造成的齒輪擺動(dòng)的影響。因此，無(wú)論是在車廂內(nèi)外由齒輪振動(dòng)和傳動(dòng)產(chǎn)生的噪聲，對(duì)車輛振動(dòng)的影響都非常大。隨著人們對(duì)汽車高性能振動(dòng)的追求，齒輪松動(dòng)、振動(dòng)以及其他汽車傳動(dòng)系產(chǎn)生的噪聲已成為人們關(guān)注的重點(diǎn)。傳動(dòng)系統(tǒng)中的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)是齒輪振動(dòng)的一種主要噪聲來(lái)源。手動(dòng)變速箱產(chǎn)生的齒輪噪聲是由于齒輪受到齒輪間隙振動(dòng)的影響。通過(guò)軸和軸承把碰撞產(chǎn)生的影響傳輸?shù)阶兯傧錃んw。
對(duì)齒輪副的動(dòng)態(tài)模型缺陷的研究結(jié)果表明，對(duì)齒輪副動(dòng)態(tài)模型缺陷已做了大量工作，用準(zhǔn)確的分析方法對(duì)齒輪振動(dòng)的檢測(cè)在當(dāng)時(shí)輪齒故障方面還沒(méi)得到發(fā)展。然而，本研究的目的是建立一個(gè)多自由度非線性模型用于研究，結(jié)果表明輪齒局部缺陷的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)是耦合振動(dòng)的響應(yīng)。由于他的產(chǎn)生一個(gè)典型的故障信號(hào)被假設(shè)為自然的脈沖信號(hào)。在不同操作條件下（負(fù)荷、轉(zhuǎn)速等），模擬人工對(duì)多級(jí)汽車變速器齒輪缺陷進(jìn)行了介紹。同時(shí)也對(duì)信號(hào)的仿真和實(shí)驗(yàn)處理進(jìn)行了介紹。
信號(hào)處理技術(shù)
在各種各樣的信號(hào)處理技術(shù)中，波峰因素、峰值已用于分析整個(gè)振動(dòng)信號(hào)的早期故障。在本節(jié)中，波峰因素和峰值已被解釋。
數(shù)學(xué)模型
汽車變速器中的齒輪大都是斜齒圓柱齒輪。被視為一系列齒輪仿真技術(shù)適用于螺旋狀的輪齒時(shí)變嚙合剛度。式中m是模數(shù)(毫米),b齒面寬(毫米),是壓力角(度),是螺旋角(度)，D1是直徑(毫米)。圖2的數(shù)據(jù)顯示了等效齒輪系統(tǒng)在齒輪變動(dòng)中變速箱齒輪系統(tǒng)的主要參數(shù)。
XXXXX
題 目： 自行車無(wú)級(jí)變速器設(shè)計(jì)
專 業(yè)：
學(xué) 號(hào)：
姓 名：
指導(dǎo)教師：
完成日期： 20XX年5月9日
自行車無(wú)級(jí)變速器設(shè)計(jì)
摘 要
無(wú)極變速器是一種能適應(yīng)工藝工藝要求多變、工藝流程機(jī)械化和自動(dòng)化發(fā)展以及改善機(jī)械工作性能的一種通用傳動(dòng)裝置。無(wú)級(jí)變速器傳動(dòng)是指在某種控制的作用下，使機(jī)器的輸出軸轉(zhuǎn)速可在兩個(gè)極值范圍內(nèi)連續(xù)變化的傳動(dòng)方式。而無(wú)級(jí)變速器是一種獨(dú)立的傳動(dòng)部件，它具有輸入和輸出兩根軸，并能通過(guò)傳遞轉(zhuǎn)矩的中間介質(zhì)（固體、流體、電磁流）把兩根軸直接或間接地聯(lián)系起來(lái)，以傳遞動(dòng)力。當(dāng)輸入、輸出軸的聯(lián)系關(guān)系進(jìn)行控制時(shí)，即可使兩軸間的傳動(dòng)比發(fā)生變化（在兩極值范圍內(nèi)連續(xù)而任意地變化）。本文在分析各種無(wú)級(jí)變速器和無(wú)級(jí)變速自行車的基礎(chǔ)上，將剛性定軸無(wú)級(jí)變速器和傳統(tǒng)的鏈?zhǔn)綗o(wú)極變速器進(jìn)行對(duì)比，把鋼球外錐式無(wú)級(jí)變速器進(jìn)行部分改裝，從而形成了自行車的無(wú)級(jí)變速裝置。該裝置通過(guò)八個(gè)鋼球利用摩擦力將動(dòng)力進(jìn)行輸入輸出，用一對(duì)斜齒輪進(jìn)行分度調(diào)速，從而使自行車在0.75～1.22之間進(jìn)行無(wú)級(jí)調(diào)速。同時(shí)進(jìn)行對(duì)部分零件進(jìn)行校、潤(rùn)滑、調(diào)整和使用方法的研究，并以此作為本次無(wú)級(jí)變速設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)。表明：無(wú)級(jí)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(fèi)者使用。
關(guān)鍵字: 無(wú)級(jí)變速自行車 機(jī)械無(wú)級(jí)變速器 調(diào)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(jī)械無(wú)級(jí)變速器的特征和應(yīng)用 3
1.2 機(jī)械無(wú)級(jí)變速器的分類 3
1.3 機(jī)械無(wú)級(jí)變速器的發(fā)展概況 6
1.4 無(wú)級(jí)變速自行車發(fā)展史及研究現(xiàn)狀 7
1.5 自行車無(wú)級(jí)變速器運(yùn)用實(shí)例 10
1.6 研究的目的和意義 12
1.7 畢業(yè)論文設(shè)計(jì)內(nèi)容和要求 12
2 自行車無(wú)級(jí)變速器總體方案的選擇 13
2.1 鏈?zhǔn)綗o(wú)級(jí)變速器 13
2.2 剛性定軸無(wú)級(jí)變速器 14
2.3 兩方案的比較與選擇 17
3 鋼球外錐式無(wú)級(jí)變速器部分零件的設(shè)計(jì)與計(jì)算 18
3.1 鋼球與主﹑從動(dòng)錐齒輪的設(shè)計(jì)與計(jì)算 18
3.2 加壓盤(pán)的設(shè)計(jì)與計(jì)算 19
3.3 調(diào)速齒輪上變速曲線槽的設(shè)計(jì)與計(jì)算 20
3.4 輸入軸的設(shè)計(jì)計(jì)算與校核 21
3.5 輸出軸的設(shè)計(jì)計(jì)算與校核 24
3.6 輸入﹑輸出軸上軸承的選擇與壽命計(jì)算 27
3.7 輸入﹑輸出軸上端蓋的設(shè)計(jì)與計(jì)算 29
3.8 調(diào)速機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與計(jì)算 30
3.9 外錐式無(wú)級(jí)變速器的安裝 31
4 自行車變速器的簡(jiǎn)單說(shuō)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(jié)論 33
參考文獻(xiàn) 34
致謝 35
1緒論
1.1 機(jī)械無(wú)級(jí)變速器的特征和應(yīng)用
機(jī)械無(wú)級(jí)變速器是一種傳動(dòng)裝置，是在輸入轉(zhuǎn)速一定的情況下實(shí)現(xiàn)輸出轉(zhuǎn)速在一定范圍內(nèi)連續(xù)變化的一種運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力傳遞裝置，由變速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、調(diào)速機(jī)構(gòu)及加壓裝置或輸出機(jī)構(gòu)組成。
機(jī)械無(wú)級(jí)變速器轉(zhuǎn)速穩(wěn)定、滑動(dòng)率小、具有恒功率機(jī)械特性、傳動(dòng)效率較高，能更好地適應(yīng)各種機(jī)械的工況要求及產(chǎn)品需要，易于實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的機(jī)械化、自動(dòng)化，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維修方便、價(jià)格相對(duì)便宜。
無(wú)級(jí)變速傳動(dòng)主要用于下列場(chǎng)合：
（1） 為適應(yīng)工藝參數(shù)多變或輸出轉(zhuǎn)速連續(xù)變化的要求，運(yùn)轉(zhuǎn)中需經(jīng)?；蜻B續(xù)的改變速度，但不應(yīng)在某一固定速度下長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)，如機(jī)床、卷繞機(jī)、車輛和攪拌機(jī)等；
（2） 探求最佳工作速度，如試驗(yàn)機(jī)、自動(dòng)線等；
（3） 幾臺(tái)機(jī)器或一臺(tái)機(jī)器的機(jī)器的幾個(gè)部分協(xié)調(diào)運(yùn)轉(zhuǎn)；
（4） 緩速啟動(dòng)以合理利用動(dòng)力，通過(guò)調(diào)速以快速越過(guò)共振區(qū)；
（5） 車輛變速箱，可節(jié)省燃料約9%，縮短加速時(shí)間，簡(jiǎn)化操縱。
綜上所述?？梢钥闯霾捎脽o(wú)級(jí)變速器，尤其是配合減速傳動(dòng)時(shí)進(jìn)一步擴(kuò)大其變速范圍與輸出轉(zhuǎn)矩，能更好的適應(yīng)各種工況要求，使之效能最佳，在提高產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量，適應(yīng)產(chǎn)品變換需要，節(jié)約能源，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的機(jī)械化、自動(dòng)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(dòng)無(wú)級(jí)變速器，則有吸震、緩沖和自適應(yīng)性。采用無(wú)級(jí)變速傳動(dòng)有利于簡(jiǎn)化變速傳動(dòng)結(jié)構(gòu)、提高生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量、合理利用動(dòng)力和節(jié)能、便于實(shí)現(xiàn)遙控及自動(dòng)控制，同時(shí)也減輕了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。故無(wú)級(jí)變速器目前已成為一種基本的通用傳動(dòng)形式，應(yīng)用于紡織、輕工、食品、包裝、化工、機(jī)床、電工、起重運(yùn)輸?shù)V山冶金、工程、農(nóng)業(yè)、國(guó)防及試驗(yàn)等各類機(jī)械。
1.2 機(jī)械無(wú)級(jí)變速器的分類
按照機(jī)械特性的不同，無(wú)級(jí)變速傳動(dòng)可分三類。
（1） 恒功率型：這種傳動(dòng)的輸出轉(zhuǎn)矩與輸出轉(zhuǎn)速成反比關(guān)系，輸出功率恒定不變，這種特性的經(jīng)濟(jì)性好；機(jī)床的主傳動(dòng)系統(tǒng)、恒張力卷繞裝置、實(shí)驗(yàn)裝置和某些起重運(yùn)輸機(jī)械的傳動(dòng)需要這種特性。
（2） 恒轉(zhuǎn)矩型：其輸出轉(zhuǎn)矩不隨轉(zhuǎn)速變化，而輸出功率與輸出轉(zhuǎn)速成正比關(guān)系；機(jī)床的進(jìn)給系統(tǒng)、某些工藝輸送帶（烘干、酸洗、染色等）和某些運(yùn)輸機(jī)的傳動(dòng)需要這種特性。
（3） 變轉(zhuǎn)矩、變功率型：輸出轉(zhuǎn)矩和功率均隨輸出轉(zhuǎn)速變化，例如紡織工業(yè)中的經(jīng)紗卷繞裝置的傳動(dòng)就是這中使用特性。
實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速大致可以從下列三種途徑著手。
（1） 改變動(dòng)力機(jī)（一次動(dòng)力機(jī)————內(nèi)燃機(jī)、汽輪機(jī)；二次動(dòng)力機(jī)————電動(dòng)機(jī)、液壓馬達(dá)等）的能源參數(shù)（油、汽量和電壓、電流、供電頻率等）以調(diào)速動(dòng)力機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速。由于一次動(dòng)力機(jī)的調(diào)速范圍小，二次動(dòng)力機(jī)的慣量小、恒功率特性差，需要接入機(jī)械傳動(dòng)裝置進(jìn)行匹配。
（2） 改變輸入、輸出軸間傳動(dòng)元件的尺寸比例關(guān)系（如各種機(jī)械無(wú)級(jí)變速器），或改變工作腔中的油量（如液力耦合器和變矩器）來(lái)實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)系統(tǒng)的無(wú)級(jí)變速。
（3） 通過(guò)調(diào)節(jié)作用在傳動(dòng)中某元件上的制動(dòng)負(fù)載來(lái)實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)系統(tǒng)的無(wú)級(jí)變速，如摩擦、電磁滑差和磁粉離合器，以及液粘傳動(dòng)，以耗能制動(dòng)的方式進(jìn)行無(wú)極變速，缺點(diǎn)是效率低、發(fā)熱嚴(yán)重。
按照傳動(dòng)介質(zhì)不同，無(wú)級(jí)變速可分三類
（1） 液力無(wú)級(jí)變速傳動(dòng)：液體傳動(dòng)分為兩類：一類是液壓式，主要是由泵和馬達(dá)組成或者由閥和泵組成的變速傳動(dòng)裝置，適用于中小功率傳動(dòng)。另一類為液力式，采用液力耦合器或液力矩進(jìn)行變速傳動(dòng)，適用于大功率（幾百至幾千千瓦）。 液體傳動(dòng)的主要特點(diǎn)是：調(diào)速范圍大，可吸收沖擊和防止過(guò)載，傳動(dòng)效率較高，壽命長(zhǎng)，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化：制造精度要求高，價(jià)格較貴，輸出特性為恒轉(zhuǎn)矩，滑動(dòng)率較大，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)容易發(fā)生漏油。
（2） 電力無(wú)級(jí)變速傳動(dòng)：電力傳動(dòng)基本上分為三類：一類是電磁滑動(dòng)式，它是在異步電動(dòng)機(jī)中安裝一電磁滑差離合器，通過(guò)改變其勵(lì)磁電流來(lái)調(diào)速，這屬于一種較為落后的調(diào)速方式。其特點(diǎn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，操作維護(hù)方便：滑動(dòng)最大，效率低，發(fā)熱嚴(yán)重，不適合長(zhǎng)期負(fù)載運(yùn)轉(zhuǎn)，故一般只用于小功率傳動(dòng)。 二類是直流電動(dòng)機(jī)式，通過(guò)改變磁通或改變電樞電壓實(shí)現(xiàn)調(diào)速。其特點(diǎn)是調(diào)速范圍大，精度也較高，但設(shè)備復(fù)雜，成本高，維護(hù)困難，一般用于中等功率范圍（幾十至幾百千瓦），現(xiàn)已逐步被交流電動(dòng)機(jī)式替代。 三類是交流電動(dòng)機(jī)式，通過(guò)變極、調(diào)壓和變頻進(jìn)行調(diào)速。實(shí)際應(yīng)用最多者為變頻調(diào)速，即采用一變幅器獲得變幅電源，然后驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)變速。其特點(diǎn)是調(diào)速性能好、范圍大、效率較高，可自動(dòng)控制，體積小，適用功率范圍寬：機(jī)械特性在降速段位恒轉(zhuǎn)矩，低速時(shí)效率低且運(yùn)轉(zhuǎn)不夠平穩(wěn)，價(jià)格較高，維修需專業(yè)人員。近年來(lái)，變頻器作為一種先進(jìn)、優(yōu)良的變速裝置迅速發(fā)展，對(duì)機(jī)械無(wú)級(jí)變速器產(chǎn)生了一定的沖擊。
（3） 機(jī)械無(wú)級(jí)變速傳動(dòng)：機(jī)械無(wú)級(jí)變速器與液力無(wú)級(jí)變速器和電力無(wú)級(jí)變速器相比，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維護(hù)方便，價(jià)格低廉，傳動(dòng)效率較高，實(shí)用性強(qiáng)，傳動(dòng)平穩(wěn)性好，工作可靠。特別是某些機(jī)械無(wú)級(jí)變速器在很大范圍內(nèi)具有恒功率的機(jī)械特性（這是電力和液壓無(wú)級(jí)調(diào)速裝置所難達(dá)到的）。因此，可以實(shí)現(xiàn)能適應(yīng)變工況工作，簡(jiǎn)化傳動(dòng)方案，節(jié)約能源和減少污染等要求，但不能從零開(kāi)始變速。機(jī)械式無(wú)級(jí)變速器按傳動(dòng)原理一般可分為：摩擦式、帶式、鏈?zhǔn)胶兔}動(dòng)式四大類,約 30種類型。
1、摩擦式
摩擦式無(wú)級(jí)變速器是指利用主、從動(dòng)剛性元件(或通過(guò)中間元件)在接觸處產(chǎn)生的摩擦力和潤(rùn)滑油膜牽引力進(jìn)行傳動(dòng)，并可通過(guò)改變其接觸處的工作半徑進(jìn)行無(wú)級(jí)變速的一種變速器。摩擦式無(wú)級(jí)變速器由三部分組成:傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的摩擦變速傳動(dòng)機(jī)構(gòu);保證產(chǎn)生摩擦力所需的加壓裝置;實(shí)現(xiàn)變速的調(diào)速機(jī)構(gòu)。它具有各種不同的結(jié)構(gòu)類型，一般可分為:
直接傳動(dòng)式，即主、從動(dòng)摩擦元件直接接觸傳動(dòng);
中間元件式，即主、從動(dòng)元件通過(guò)中間元件進(jìn)行傳動(dòng);
行星傳動(dòng)式，即中間元件作行星運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。
目前，國(guó)內(nèi)應(yīng)用較廣或已形成系列進(jìn)行生產(chǎn)的主要有:錐盤(pán)環(huán)盤(pán)式、多盤(pán)式、轉(zhuǎn)環(huán)直動(dòng)式、鋼球錐輪式、菱錐式、行星錐盤(pán)和行星環(huán)錐無(wú)級(jí)變速器等。
2、鏈傳動(dòng)式
鏈?zhǔn)綗o(wú)級(jí)變速器是一種利用鏈輪和鋼質(zhì)撓性鏈條作為傳動(dòng)元件來(lái)傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的機(jī)械變速裝置。它屬于開(kāi)發(fā)較早、應(yīng)用較多的一種通用型變速器。
鏈?zhǔn)綗o(wú)級(jí)變速器由鏈輪和鏈條構(gòu)成的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、調(diào)速機(jī)構(gòu)和鏈條張緊加壓機(jī)構(gòu)三部分組成。它是通過(guò)主、從動(dòng)鏈輪的兩對(duì)錐盤(pán)的軸向移動(dòng)實(shí)現(xiàn)調(diào)速的。按鏈條結(jié)構(gòu)形式可分為以下幾類:滑片鏈無(wú)級(jí)變速器、滾柱鏈無(wú)級(jí)變速器、套環(huán)鏈無(wú)級(jí)變速器、擺銷鏈無(wú)級(jí)變速器等幾種。前兩種變速器發(fā)展比較成熟，應(yīng)用廣泛，后兩種變速器體現(xiàn)了鏈?zhǔn)綗o(wú)級(jí)變速器的發(fā)展方向。
3、帶傳動(dòng)式
它與鏈?zhǔn)阶兯倨飨嗨?，其變速傳?dòng)機(jī)構(gòu)是由作為主、從動(dòng)帶輪的兩對(duì)錐盤(pán)及張緊在其上的傳動(dòng)帶組成。其工作原理是利用傳動(dòng)帶左右兩側(cè)面與錐盤(pán)接觸所產(chǎn)生的摩擦力進(jìn)行傳動(dòng)，并通過(guò)改變兩錐盤(pán)的軸向距離以調(diào)整它們與傳動(dòng)帶的接觸位置和工作半徑，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速。它由于具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)，在機(jī)械無(wú)級(jí)變速器中可以說(shuō)是應(yīng)用最廣的一種。
帶式無(wú)級(jí)變速器根據(jù)傳動(dòng)帶的形狀不同，可分為平帶無(wú)級(jí)變速器和 V 帶無(wú)級(jí)變速器兩種類型。帶式無(wú)級(jí)變速器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、承載能力強(qiáng)、變速范圍大、制造容易、工作平穩(wěn)、易損件少、能吸收振動(dòng)、噪聲低、節(jié)能環(huán)保、帶的更換方便，尤其是它克服了以往各類無(wú)級(jí)變速器傳遞功率較小的缺點(diǎn) ,可用于需要中大功率范圍。因而是機(jī)械無(wú)級(jí)變速器中廣泛應(yīng)用的一種；其缺點(diǎn)是外形尺寸較大而變速范圍較小。
4、脈動(dòng)式
脈動(dòng)式無(wú)級(jí)變速器主要由傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、輸出機(jī)構(gòu)(超越離合器)和調(diào)速機(jī)構(gòu)三個(gè)基本部分組成的低副機(jī)構(gòu)，故具有以下特點(diǎn)：傳動(dòng)可靠、壽命長(zhǎng)、變速范圍大、調(diào)速精度高、最低輸出轉(zhuǎn)速可為零、調(diào)速性能穩(wěn)定、靜止和運(yùn)動(dòng)時(shí)均可調(diào)速、結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單、制造較容易。但它存在著有待進(jìn)一步解決的問(wèn)題，例如：調(diào)速范圍在擴(kuò)大之后，在結(jié)構(gòu)和使用上如何實(shí)現(xiàn)增速變速傳動(dòng)和采用復(fù)合式超越離合器；高速輸出時(shí)不平衡慣性力所引起的振動(dòng)增大，如何避免共振現(xiàn)象；低速輸出時(shí)脈動(dòng)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(guó)際上，在機(jī)械式脈動(dòng)無(wú)級(jí)變速器領(lǐng)域，目前以德國(guó)、美國(guó)和日本的技術(shù)水平較高，其成熟技術(shù)以德國(guó)的 GUSA型及美國(guó)的 ZERO-MAX 型系列產(chǎn)品為代表。就目前來(lái)說(shuō)，鑒于結(jié)構(gòu)性能上的局限性，現(xiàn)有脈動(dòng)式無(wú)級(jí)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(duì)輸出軸旋轉(zhuǎn)均勻性要求不嚴(yán)格的場(chǎng)合。例如在熱處理設(shè)備、清洗設(shè)備以及化工、醫(yī)藥、塑料、食品和電器裝配運(yùn)輸線等領(lǐng)域的應(yīng)用。
1.3 機(jī)械無(wú)級(jí)變速器的發(fā)展概況
無(wú)級(jí)變速器分為機(jī)械無(wú)級(jí)變速器，液壓傳動(dòng)無(wú)級(jí)變速器，電力傳動(dòng)無(wú)級(jí)變速器三種，但本設(shè)計(jì)任務(wù)要求把無(wú)級(jí)變速器安裝在自行車上，所以一般只能用機(jī)械無(wú)級(jí)變速器，所以以下重點(diǎn)介紹機(jī)械無(wú)級(jí)變速器。
機(jī)械無(wú)級(jí)變速器是適合現(xiàn)今生產(chǎn)工藝流程機(jī)械化自動(dòng)化發(fā)展以及改善機(jī)械工作性能的一種通用傳動(dòng)裝置。它的研制在國(guó)外已有百余年的歷史，初始階段受條件限制，進(jìn)展緩慢。直到20世紀(jì)50年代以后，一方面隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，在材質(zhì)、工藝個(gè)潤(rùn)滑方面的限制因素相繼解決，另一方面隨著經(jīng)歷發(fā)展，需求迅速增加，相應(yīng)地促進(jìn)了機(jī)械無(wú)級(jí)變速器的研制和生產(chǎn)，使各種類型的系列產(chǎn)品快速增長(zhǎng)并獲得了廣泛的應(yīng)用。
國(guó)內(nèi)機(jī)械無(wú)級(jí)變速器在二十世紀(jì)六十年底前后起步，基本上時(shí)作為一些專業(yè)機(jī)械。如紡織、機(jī)床及化工機(jī)械等的配套零部件，由專業(yè)機(jī)械廠進(jìn)行仿制和生產(chǎn)，品種規(guī)格不多，產(chǎn)量不大。直到八十年代中期以后，大量引進(jìn)國(guó)外各種先進(jìn)設(shè)備，工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)代化以及自動(dòng)流水線的迅速發(fā)展，對(duì)機(jī)械無(wú)級(jí)變速器在品種、規(guī)格和數(shù)量方面的需求都大幅度增加。在這種形勢(shì)下，專業(yè)廠開(kāi)始建立并進(jìn)行規(guī)?；a(chǎn)，一些高等院校也開(kāi)展了這方面的研究工作，短短幾十年時(shí)間，系列產(chǎn)品已包括機(jī)械無(wú)級(jí)變速器現(xiàn)有的摩擦式、鏈?zhǔn)?、帶式、和脈動(dòng)式四大類及其各種主要結(jié)構(gòu)型式，初步滿足了生產(chǎn)發(fā)展的需求。與此同時(shí)，無(wú)級(jí)變速器專業(yè)協(xié)會(huì)、行業(yè)協(xié)會(huì)及情報(bào)網(wǎng)等組織相繼建立。定期出版網(wǎng)訊及召開(kāi)學(xué)術(shù)信息會(huì)議進(jìn)行交流。自90年代以來(lái)，我國(guó)先后制定的機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)共14個(gè)：
1. JB/T 5984-92 《寬V帶無(wú)級(jí)變速裝置基本參數(shù)》
2. JB/T 6950-93 《行星錐盤(pán)無(wú)級(jí)變速器》
3. JB/T 6951-93 《三相并聯(lián)連桿脈動(dòng)無(wú)級(jí)變速器》
4. JB/T 6952-93 《齒鏈?zhǔn)綗o(wú)級(jí)變速器》
5. JB/T 7010-93 《環(huán)錐行星無(wú)級(jí)變速器》
6. JB/T 7254-94 《無(wú)級(jí)變速擺線針輪減速機(jī)》
7. JB/T 7346-94 《機(jī)械無(wú)級(jí)變速器試驗(yàn)方法》
8. JB/T 7515-94 《四相并列連桿脈動(dòng)無(wú)級(jí)變速器》
9. JB/T 7668-95 《多盤(pán)式無(wú)級(jí)變速器》
10. JB/T 7683-95 《機(jī)械無(wú)級(jí)變速器 分類及型號(hào)編制方法》
11. JB/T 7686-95 《錐盤(pán)環(huán)盤(pán)式無(wú)級(jí)變速器》
12. JB/T 50150-1999 《行星錐盤(pán)無(wú)級(jí)變速器 質(zhì)量分等》
13. JB/T 53083-1999 《三相并聯(lián)連桿脈動(dòng)無(wú)級(jí)變速器 質(zhì)量分等》
14. JB/T 50020-×××× 《無(wú)級(jí)變速擺線針輪減速機(jī)產(chǎn)品質(zhì)量分等》（報(bào)批稿）
現(xiàn)在，機(jī)械無(wú)級(jí)變速器從研制、生產(chǎn)、組織管理到情報(bào)網(wǎng)信息各方面已組成一較完
整的體系，發(fā)展成為機(jī)械領(lǐng)域中一個(gè)新型行業(yè)。
1.4 無(wú)級(jí)變速自行車發(fā)展史及研究現(xiàn)狀
1791年，法國(guó)人西弗拉克發(fā)明了最原始的自行車。它只有兩個(gè)輪子而沒(méi)有傳動(dòng)裝置，人騎在上面，需用兩腳蹬地驅(qū)車向前滾動(dòng)。
1801年，俄國(guó)人阿爾塔馬諾夫設(shè)計(jì)出世界上第一輛用踏板踩動(dòng)的自行車。
1817年德國(guó)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(fā)明的自行車被世界公認(rèn)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(gè)腳踏板之間用兩個(gè)連桿連接。騎者只要反復(fù)的蹬腳踏板，就可以驅(qū)動(dòng)車子前進(jìn)。這是利用了杠桿的原理，腳踏搖桿為主動(dòng)構(gòu)件，通過(guò)連桿傳動(dòng)給曲柄，使后輪轉(zhuǎn)動(dòng)。
1865年法國(guó)人拉利門(mén)特為了提高行車速度，將曲柄移至于前輪，用前輪驅(qū)動(dòng)。并且將前輪裝在可轉(zhuǎn)動(dòng)的車架上，后輪上有杠桿制動(dòng)。這種自行車當(dāng)腳踏板轉(zhuǎn)動(dòng)一周時(shí)，前輪隨著也轉(zhuǎn)動(dòng)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(zhì)量，在加大前輪直徑的同時(shí)減小后輪的直徑。最后導(dǎo)致使用極不方便，也不安全，終究被淘汰。
1867年，英國(guó)人麥迪遜設(shè)計(jì)出第一輛裝有鋼絲輻條的自行車。
1869年德國(guó)斯圖加特出現(xiàn)了由后輪導(dǎo)向和驅(qū)動(dòng)的自行車，同時(shí)車上采用了滾動(dòng)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(qū)動(dòng)，并采用了鏈傳動(dòng)形式，加大傳動(dòng)比，避免了使用大直徑車輪來(lái)提高車速，成為現(xiàn)代自行車的雛形。
1886年英國(guó)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(xiàn)代自行車基本相同。
1888年英國(guó)人鄧洛普用橡膠制造出內(nèi)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(dòng)軸承等。時(shí)至今日，自行車已成為全世界人們使用最多，最簡(jiǎn)單，最實(shí)用的交通工具。
隨著科技的不斷發(fā)展，人們對(duì)產(chǎn)品的要求越來(lái)越高，運(yùn)用希望點(diǎn)與缺點(diǎn)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(kāi)發(fā)出來(lái)。
1.傳動(dòng)系統(tǒng)
采用齒輪傳動(dòng)代替鏈傳動(dòng)，腳蹬帶動(dòng)齒輪，通過(guò)傳動(dòng)軸將運(yùn)動(dòng)傳至后輪，提高了傳動(dòng)效率，避免了掉鏈的煩惱。
另外在鏈傳動(dòng)的自行車中也不斷開(kāi)發(fā)新的傳動(dòng)形式，如變速輪，雙級(jí)鏈傳動(dòng)，用以提高車速。另外為提高車速，還運(yùn)用空氣動(dòng)力學(xué)原理對(duì)車的外形進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。
2.驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)
為了省力，讓騎車者從腳蹬中解放出來(lái)，又開(kāi)發(fā)了電動(dòng)自行車，用干電池作動(dòng)力源，采用小巧的電動(dòng)機(jī)與減速裝置。也有汽油發(fā)動(dòng)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(jié)構(gòu)，一次模壓成型，車體呈流線型，質(zhì)量輕，阻力小。采用碳纖維作車身，車架，全車無(wú)聯(lián)接零件，采用高效黏合劑，既減輕了質(zhì)量，又減少了振動(dòng)。
4.新結(jié)構(gòu)
可以包括造型上的全新，如采用無(wú)橫梁結(jié)構(gòu)，流線外形；也包括結(jié)構(gòu)上的小型化，以及可折迭性，以方便外出旅游，以及搬運(yùn)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(jù)需要增加輔助功能 ，如車燈，氣筒，飲水器，載人載物裝置，無(wú)線電通話設(shè)備，手電筒支架，上坡用的電動(dòng)助力裝置，多人自行車設(shè)有單向離合器等。小型自行車則便于攜帶，可拆迭。美國(guó)研究人員發(fā)明了一輛可享受無(wú)線電上網(wǎng)樂(lè)趣，并便于騎車人之間的聯(lián)絡(luò)和信息交流。另一種巡警用的自行車，車上裝有無(wú)線電通話設(shè)備，手電筒支架，以及便于爬坡追擊的電動(dòng)助力裝置。還可以生產(chǎn)適合于不同地方使用的自行車，比如可生產(chǎn)適于極低溫環(huán)境下在雪地上行進(jìn)的自行車。
自行車發(fā)展到現(xiàn)在已經(jīng)有傳統(tǒng)的自行車演變成無(wú)級(jí)變速自行車，現(xiàn)代的無(wú)級(jí)變速自行車可謂是形式多樣，五花八門(mén)，以下是當(dāng)今社會(huì)上存在的部分無(wú)級(jí)變速自行車。
1.人力腳踏式無(wú)級(jí)變速自行車 一種人力腳踏式無(wú)級(jí)變速自行車，在自行車車架兩側(cè)面的中軸上，安裝有錐面相對(duì)的變速輪盤(pán)組成的主動(dòng)輪，主動(dòng)輪兩側(cè)安裝有腳蹬兩變速輪盤(pán)輪沿掛有三角皮帶，兩盤(pán)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(dòng)的挺桿，挺桿的近變速輪盤(pán)端安裝有可使兩變速輪盤(pán)靠近或分離的插件；在自行車后軸上的后輪輪輻兩側(cè)面支承有附輪，附輪的外沿輪面設(shè)有三角皮帶槽，附輪的內(nèi)側(cè)設(shè)有帶動(dòng)后輪單向轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)，成本低、重量輕，可實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速，速度轉(zhuǎn)換快，速比大。
2. 無(wú)鏈無(wú)級(jí)變速自行車 一種無(wú)鏈條傳動(dòng)，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(shè)有后齒輪、大齒輪和正反齒輪，橫梁右端設(shè)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(shè)有拉簧、活動(dòng)支架和鋼絲拉索。該自行車結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)速方便靈活，經(jīng)久耐用，適合各種型號(hào)。
3. 前置往復(fù)式無(wú)級(jí)變速自行車 針對(duì)自行車的驅(qū)動(dòng)、乘座和避震進(jìn)行改進(jìn)。包括：乘騎者坐靠休閑式椅，兩腳蹬踏前置的兩個(gè)懸搖桿曲柄，可進(jìn)行弧形的曲線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，用腳掌面的蹬踏角度或用手直接調(diào)動(dòng)搖桿上力臂的長(zhǎng)短實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速，高效能的帶動(dòng)撓性件驅(qū)動(dòng)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(jiǎn)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(wú)級(jí)變速自行車 是由低矮形車架把一個(gè)作驅(qū)動(dòng)的前輪和一個(gè)作導(dǎo)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(cè)。杠桿式曲柄無(wú)級(jí)傳動(dòng)裝置固定在前輪的前上方，通過(guò)左右曲柄桿上的滑塊鉸接鏈條交替?zhèn)鲃?dòng)前輪。操縱把手裝于前輪的正上方，由鋼絲繩牽引后輪轉(zhuǎn)向。這樣就不會(huì)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(wú)級(jí)傳動(dòng)裝置，適應(yīng)人體功能的要求。
5. 便攜式高安全型無(wú)級(jí)變速自行車 一種新式樣的自行車。其特征是由行走機(jī)構(gòu)，車椅式直立車龍頭轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，杠桿式無(wú)級(jí)變速驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。適用于交通擁擠，樓層高，住房緊，停放車輛不便的都市區(qū)。本裝置是由足踏杠桿式無(wú)級(jí)變速機(jī)構(gòu)，車架可橫向折疊，驅(qū)動(dòng)大車輪在前面，導(dǎo)向小車輪在后邊的行走機(jī)構(gòu)與帶靠背車坐椅式的直立車龍頭轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)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(dòng)式四個(gè)檔位無(wú)級(jí)變速自行車 一種純滾動(dòng)式四個(gè)檔位無(wú)級(jí)變速自行車，其中在中軸上的中心齒輪嚙合連接有一級(jí)行星輪和二級(jí)行星輪，中心齒輪的兩側(cè)分別套裝有推動(dòng)盤(pán)，一側(cè)固定在腳蹬輪軸上，另一側(cè)固定在鏈輪上；二級(jí)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(pán)，座盤(pán)上固定有升降檔位彈簧；在座盤(pán)上固定連接有自鎖離合器總成，自鎖離合器總成滾動(dòng)套裝在停轉(zhuǎn)盤(pán)上，停轉(zhuǎn)盤(pán)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(dòng)升降檔位拉桿。隨時(shí)變?cè)鰷p速檔位，對(duì)自行車零部件無(wú)影響，制造簡(jiǎn)單，性能可靠，操作簡(jiǎn)單，使用方便。
7. 帶傳動(dòng)無(wú)級(jí)變速自行車 一種無(wú)級(jí)變速自行車，改進(jìn)了現(xiàn)有自行車的動(dòng)力傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。該自行車的動(dòng)力傳動(dòng)機(jī)構(gòu)包括以下部件：小動(dòng)輪、小定輪、小動(dòng)輪撥叉，小動(dòng)輪、大動(dòng)輪、大定輪、大動(dòng)輪撥叉，大動(dòng)輪、Ｖ型傳動(dòng)帶、Ｖ型帶張緊裝置、調(diào)速器、閘線、飛輪，飛輪由飛輪軸套、飛輪底座、滾柱、滾珠構(gòu)成。其特征在于自行車的動(dòng)力傳動(dòng)機(jī)構(gòu)包括以下部件：小動(dòng)輪、小定輪、小動(dòng)輪撥叉，小動(dòng)輪、小定輪呈錐形，兩輪大小形狀一致，錐面相對(duì)，組成帶有Ｖ形溝槽的小傳動(dòng)輪，與自行車后軸上的飛輪軸套固定連接，小動(dòng)輪在撥叉控制下沿軸滑動(dòng)；大動(dòng)輪、大定輪、大動(dòng)輪撥叉，大動(dòng)輪、大定輪也呈錐形，兩輪大小形狀一致，錐面相對(duì)，組成帶有Ｖ形溝槽的大傳動(dòng)輪，固定在自行車中軸上，大動(dòng)輪在撥叉控制下沿軸滑動(dòng)；Ｖ型傳動(dòng)帶、Ｖ型帶張緊裝置、調(diào)速器、閘線、飛輪，Ｖ型傳動(dòng)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(dòng)帶；調(diào)速器裝在車把附近，與閘線連接，閘線帶動(dòng)調(diào)節(jié)大小動(dòng)輪位置的撥叉；飛輪由飛輪軸套、飛輪底座、滾柱、滾珠構(gòu)成，裝在后軸上，靠緊小傳動(dòng)輪，飛輪軸套與小傳動(dòng)輪固定連接，飛輪底座與后軸固定連接，飛輪軸套內(nèi)還設(shè)有流線型的槽，滾柱放置在槽內(nèi)。 這種無(wú)級(jí)變速自行車通過(guò)帶傳動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)自行車的無(wú)級(jí)變速，傳動(dòng)平穩(wěn)、噪音低、調(diào)速操作方便、變速范圍大；同時(shí)該無(wú)級(jí)變速自行車的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于加工，可以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模成批生產(chǎn)。
8. 蓄能型-全自動(dòng)無(wú)級(jí)變速自行車 一種蓄能型一全自動(dòng)無(wú)級(jí)變速自行車，屬于交通工具技術(shù)領(lǐng)域。本新型的目的通過(guò)如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：主要由設(shè)置每側(cè)腳蹬上的長(zhǎng)型齒盤(pán)交替工作，通過(guò)同側(cè)的鏈條傳動(dòng)同側(cè)的飛輪，飛輪連同帶動(dòng)設(shè)置在輪骨內(nèi)的發(fā)條內(nèi)端發(fā)條外端同輪骨固定。其中：同每側(cè)的飛輪安裝在同一軸套上還設(shè)置有防逆轉(zhuǎn)裝置，防逆轉(zhuǎn)裝置的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如同飛輪，外殼同車架子固定。騎行時(shí)由于每側(cè)長(zhǎng)型齒盤(pán)的作用，通過(guò)鏈條對(duì)同側(cè)的發(fā)條交替蓄能，從而實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)無(wú)級(jí)變速。
1.5 自行車無(wú)級(jí)變速器運(yùn)用實(shí)例
自行車所用無(wú)級(jí)變速器，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、耐用，調(diào)速準(zhǔn)確靈活，變速能力強(qiáng)，特別是其軸向尺寸極小。
這種自行車的變速是通過(guò)如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：如圖1所示，其包括輸入軸1，調(diào)整板2，擺臂3，棘輪12，棘齒13，連接片8傳動(dòng)盤(pán)15，輸出軸等組成。其中，輸入軸與棘輪為鍵連接，傳動(dòng)盤(pán)與輸出軸為一體，擺臂呈“U”型，棘輪在其內(nèi)，擺臂的“U”型上端通過(guò)兩個(gè)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(shù)量由輸出轉(zhuǎn)速的平穩(wěn)性要求決定，一般4個(gè)就可以了。擺臂與傳動(dòng)盤(pán)之間通過(guò)連接片8連接。
圖1 圖2 圖3
1.輸入軸 2.調(diào)速板 3.擺臂 8.連接片 10.擺臂上的銷 11.傳動(dòng)盤(pán)上的銷 12.棘輪 13.棘齒 15.傳動(dòng) 盤(pán) 25.導(dǎo)向桿 28.軸承外座 33.軸承內(nèi)座 35.鏈條盤(pán) 37.軸承外座 38.空心軸
連接片為一長(zhǎng)條型片狀鋼片，兩頭各有一孔，其中一個(gè)孔裝在擺臂上的銷10上。棘齒軸線與傳動(dòng)盤(pán)軸線常處于平行但不同軸線的狀態(tài)，只有在轉(zhuǎn)動(dòng)比為1時(shí)才會(huì)同軸線。
其工作過(guò)程是這樣的：由于棘齒、棘輪間只可單向傳動(dòng)，設(shè)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)為傳動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)，棘輪的轉(zhuǎn)動(dòng)則會(huì)通過(guò)棘齒的作用帶動(dòng)擺臂一起順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，擺臂的轉(zhuǎn)動(dòng)通過(guò)銷10、連接片8、銷11帶動(dòng)傳動(dòng)盤(pán)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。假設(shè)擺臂的轉(zhuǎn)動(dòng)也是勻速的，由于棘輪與傳動(dòng)盤(pán)的不同軸線，傳動(dòng)盤(pán)的轉(zhuǎn)速不是勻速的，而是在一個(gè)高于輸入軸轉(zhuǎn)速和一個(gè)低于輸入軸轉(zhuǎn)速之間變化。由于一般有多個(gè)擺臂，轉(zhuǎn)動(dòng)盤(pán)、輸出軸及其后的負(fù)荷有一定的運(yùn)動(dòng)慣性，同時(shí)由于棘輪、棘齒間的單向傳動(dòng)，傳動(dòng)盤(pán)上的實(shí)際轉(zhuǎn)速為一個(gè)高于輸入軸轉(zhuǎn)速且比較平穩(wěn)的輸出轉(zhuǎn)速。此轉(zhuǎn)速的大小與棘輪軸線和傳動(dòng)盤(pán)軸線間的距離有關(guān)，而此距離的大小則是由調(diào)速板2的上下移動(dòng)而實(shí)現(xiàn)的。必要說(shuō)明的是，圖1所示的變速器，其逆向傳動(dòng)（即把輸出軸作輸入軸）有與正向傳動(dòng)幾乎一樣的傳動(dòng)效果：?jiǎn)蜗颍傩偷膫鲃?dòng)。其區(qū)別是逆向傳動(dòng)時(shí)其輸出轉(zhuǎn)速的平穩(wěn)性差一些。
前面所訴的結(jié)構(gòu)，只是結(jié)構(gòu)示意圖，還不適合實(shí)際應(yīng)用，適合實(shí)際應(yīng)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(nèi)有內(nèi)螺紋與后輪輪轂上的外螺紋連接。16與35之間為滾動(dòng)軸承結(jié)構(gòu)，是這樣構(gòu)成的：在16的外端，35的內(nèi)端分別車有一環(huán)槽，在16或35上開(kāi)一小孔與環(huán)槽想通，從此小孔放進(jìn)球形鋼球，然后封閉小孔與環(huán)槽想通，從此小孔放進(jìn)球形鋼球，然后封閉小孔便構(gòu)成，這樣，調(diào)速機(jī)構(gòu)只要帶動(dòng)16徑向移動(dòng)，便可帶動(dòng)35也作徑向移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速。圖2所示結(jié)構(gòu)的傳動(dòng)過(guò)程是：鏈條盤(pán)35→35上的傳動(dòng)銷→連接片8→10、3、13→12、8→后輪，為使16可以作為徑向移動(dòng)，16的中心部分是部分空或全空而成一環(huán)形結(jié)構(gòu)。這樣的結(jié)構(gòu)在變速時(shí)，鏈條盤(pán)35要作為徑向移動(dòng)，因此，在移動(dòng)過(guò)程中若是不能保證前后鏈條盤(pán)距離一定的情況下，應(yīng)在鏈條的松邊（即非拉緊邊）加裝一張緊機(jī)構(gòu)。
在圖3所示的實(shí)施例中，其實(shí)際為兩級(jí)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(gè)好處是可以增大變速范圍，有更強(qiáng)的道路適應(yīng)能力。在圖3中，傳動(dòng)盤(pán)15為前后級(jí)共用，是一中空的環(huán)狀結(jié)構(gòu)，它可以相對(duì)于中心軸線（即前后的棘輪軸線）作徑向平移，而實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速。傳動(dòng)盤(pán)外端設(shè)置軸承外座37，制成圖2所示相似的軸承結(jié)構(gòu)。這樣調(diào)速機(jī)構(gòu)只要帶動(dòng)軸承外座37徑向移動(dòng)，便可帶動(dòng)傳動(dòng)盤(pán)15徑向移動(dòng)，而實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速。圖3所示結(jié)構(gòu)為一種專門(mén)設(shè)計(jì)來(lái)裝于后輪的變速器，它的機(jī)構(gòu)特點(diǎn)主要有：空心軸38的大內(nèi)孔端（即右端）通過(guò)內(nèi)螺紋與自行車后輪輪轂上的外螺紋連接。一體的鏈條盤(pán)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(pán)35專門(mén)設(shè)置于靠后輪的一邊，這是為了在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)不發(fā)生碰擦。因?yàn)楹筝喩系匿摼€（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(shí)已是在同一截面上。而較大直徑的鏈條盤(pán)35在裝上鏈條后，鏈條的寬度即會(huì)超過(guò)鏈條的厚度，而鋼線向內(nèi)靠的特點(diǎn)剛好能讓出這點(diǎn)空間。若不是這樣而裝于另一邊（圖中的右邊），就會(huì)極易發(fā)生碰擦。圖3的傳動(dòng)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(dòng)更平穩(wěn)，即前級(jí)為瞬時(shí)高傳動(dòng)時(shí)，后級(jí)為瞬時(shí)低傳動(dòng)比，后之亦然，為達(dá)到這樣，傳動(dòng)盤(pán)15上的前級(jí)傳動(dòng)銷與后級(jí)傳動(dòng)銷相互錯(cuò)開(kāi)一定的位置便可。此外前后級(jí)采用不一樣長(zhǎng)的連接片也可實(shí)現(xiàn)。
圖2所示結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，軸向尺寸最小，弱點(diǎn)是傳動(dòng)平穩(wěn)性稍差，圖3所示機(jī)構(gòu)，其優(yōu)點(diǎn)是傳動(dòng)平穩(wěn)，變速能力強(qiáng)，不須鏈條張緊機(jī)構(gòu)，弱點(diǎn)是結(jié)構(gòu)略為復(fù)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(shí)際上沒(méi)有圖示那樣大的軸向尺寸）。
1.6 研究的目的和意義
現(xiàn)今世界范圍內(nèi)的資源環(huán)境壓力日益加大，全世界都在努力提倡綠色環(huán)保。作為交通工具，現(xiàn)在的趨勢(shì)是從自行車-汽車-自行車的發(fā)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(shè)計(jì)得更加符合人們的需要、更加實(shí)用，就變得非常重要。
以內(nèi)變速器為代表的變速調(diào)控裝置，是改進(jìn)自行車性能的很好的技術(shù)應(yīng)用。由于與外變速器相比，它具有靈敏度高、結(jié)構(gòu)緊湊、適用性好、維修方便且密封性好的優(yōu)點(diǎn)，因此在實(shí)用中得到了廣泛的應(yīng)用。它的作用體現(xiàn)在很多方面，它的應(yīng)用可讓人輕松自如的騎行，它還可幫助人們?cè)隗w力不佳的情況下，有效的減少體力消耗。比如感冒時(shí)，體力消耗不能過(guò)大，所以如果騎車時(shí)選擇較輕的齒數(shù)比騎行時(shí)就會(huì)很輕松。還有女性身體不佳時(shí)、學(xué)生應(yīng)試疲倦時(shí)、年紀(jì)較大者都可靈活地使用變速自行車。所以內(nèi)變速器的好處確實(shí)是很多。不過(guò)很多人錯(cuò)誤地認(rèn)為自行車裝有內(nèi)變速器是為了可以加快騎行速度，其實(shí)人能夠發(fā)出的力最大只有0.4馬力。內(nèi)變速器是為幫助人們將這最大馬力輕松地發(fā)揮出來(lái)的工具而已。但是不管如何，內(nèi)變速器應(yīng)用于自行車，是自行車發(fā)展歷史中的一個(gè)重要里程碑。
本課題要求按照給定的技術(shù)和性能參數(shù)要求設(shè)計(jì)出符合要求的基于PM-79型男式自行車的內(nèi)變速裝置，根據(jù)實(shí)際情況和一般的應(yīng)用，本設(shè)計(jì)采用高-中-低三速的變速設(shè)計(jì)，要求設(shè)計(jì)出內(nèi)變速器的整體和內(nèi)部各元器件，對(duì)幾種方案進(jìn)行可行性分析和比較，選出最佳設(shè)計(jì)方案。此外，本課題還要求對(duì)變速器的整體運(yùn)行性能進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，保證變速器能穩(wěn)定工作。
1.7 畢業(yè)論文設(shè)計(jì)內(nèi)容和要求
設(shè)計(jì)內(nèi)容：根據(jù)男式自行車的特點(diǎn)選擇合適的傳動(dòng)比；比較和選擇合適的方案；完成自行車無(wú)級(jí)變速器變速器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算；對(duì)關(guān)鍵部件進(jìn)行強(qiáng)度和壽命校核。
設(shè)計(jì)要求：傳動(dòng)比范圍0.75～1.22；變速器尺寸要盡可能小，輕便；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)使制造成本盡可能低；安裝拆卸要方便；外觀要?jiǎng)蚍Q，美觀；調(diào)速要靈活，調(diào)速過(guò)程中不能出現(xiàn)卡死現(xiàn)象，能實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)無(wú)級(jí)調(diào)速；關(guān)鍵部件滿足強(qiáng)度和壽命要求；畫(huà)零件圖和裝配圖。
2 自行車無(wú)級(jí)變速器總體方案的選擇
自行車無(wú)級(jí)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(wú)極變速器和鏈?zhǔn)綗o(wú)級(jí)變速器，分別描述如下。
2.1 鏈?zhǔn)綗o(wú)級(jí)變速器
鏈?zhǔn)綗o(wú)級(jí)變速器（以下簡(jiǎn)稱鏈變速器）是鋼質(zhì)撓性變速傳動(dòng)。[45]指出：其功率和磨損率分別是帶傳動(dòng)的11倍和1/30，所以結(jié)構(gòu)緊湊、壽命長(zhǎng)。
鏈變速器與剛性摩擦變速器相比，有以下特點(diǎn)：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(wú)損的越過(guò)鏈輪上的微細(xì)疵?。晃挥诎^(qū)的各鏈節(jié)，按一定規(guī)律傳遞動(dòng)力，不需要特種措施來(lái)確保傳遞動(dòng)力的接觸位置的恒定；對(duì)超載峰值也不像剛性摩擦變速器那樣敏感，不會(huì)導(dǎo)致接觸表面和軌道的提前破壞；調(diào)速準(zhǔn)確、滑動(dòng)率約為2%~4%，但由于多邊形效應(yīng)面有微小的速度波動(dòng)，傳動(dòng)效率可達(dá)0.84~0.95；鏈變速器的制造成本相對(duì)較高，其鏈條重量較大，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的離心力較大，因而運(yùn)行速度不能過(guò)高；要使其適應(yīng)高速必需設(shè)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(zhuǎn)速提高到7000r/min,輸入轉(zhuǎn)矩達(dá)250N·m，傳動(dòng)功率可達(dá)170KW。用于汽車變速系統(tǒng)。
鏈變速器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)有傳動(dòng)原理：
兩對(duì)可作軸向移動(dòng)的錐輪1-1`和2-2`分別以花鍵或?qū)蜴I聯(lián)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(duì)錐輪之間形成楔形夾槽，夾持著特殊的變速傳動(dòng)鏈3，依靠壓緊力使鏈和鏈輪形成力封閉運(yùn)動(dòng)副依靠摩擦力來(lái)傳遞動(dòng)力。壓緊力有用壓靴與張鏈機(jī)構(gòu)聯(lián)合張緊和加壓的，也有張鏈機(jī)構(gòu)張緊而用自動(dòng)加壓凸輪加壓的。
兩對(duì)鏈輪在軸上可有三種軸向聯(lián)合聯(lián)動(dòng)方式：（1）1-1`合攏時(shí)2-2`張開(kāi)，1-1`張開(kāi)時(shí)2-2`合攏，四輪都可軸向移動(dòng)；（2）兩根軸上對(duì)角配置的鏈輪1和軸2軸向固定，而另一對(duì)配置的鏈輪1`和2`坐同向移動(dòng)，是一根軸上的鏈輪副合攏時(shí)，另一軸上的鏈輪副張開(kāi)；（3）每根軸上同側(cè)的鏈軸向固定，例如1和2`，而另外兩輪1`和2作反向移動(dòng)，以形成兩對(duì)鏈輪的合攏或張開(kāi)，但這時(shí)的固定輪是一個(gè)平盤(pán)，兩輪之間形成單斜楔槽。鏈在開(kāi)、合的鏈輪副中取得相應(yīng)的各種半徑位置，實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速。除上述傳動(dòng)機(jī)構(gòu)外，變速器還有使鏈輪開(kāi)、合的調(diào)速機(jī)構(gòu)、示速機(jī)構(gòu)，產(chǎn)生壓緊力和使鏈條張今年的加壓和張鏈機(jī)構(gòu)等。
鏈變速器的機(jī)械特性：
鏈變速器是通過(guò)改變鏈輪的工作圓的直徑來(lái)實(shí)現(xiàn)變速的，它所傳遞的轉(zhuǎn)矩的力臂在變速過(guò)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(dòng)比時(shí)，鏈速和傳動(dòng)效率也是不同的；所以鏈變速是變功率、變轉(zhuǎn)矩特性的傳動(dòng)，（圖2）為P4型滑片鏈變速器的額定功率P（實(shí)線）、額定轉(zhuǎn)矩T（虛線）和輸出轉(zhuǎn)速n2的關(guān)系曲線。因此，選用鏈變速器時(shí)要考慮在全變速區(qū)間是否能滿足所需傳遞的功和轉(zhuǎn)矩，決不能把某一轉(zhuǎn)速情況時(shí)所能傳遞的功率或轉(zhuǎn)矩作為全變速范圍傳遞值。有圖2及鏈變速器產(chǎn)品目錄中功率表所提供的、與各種變速比相對(duì)應(yīng)的最大許用功率，在最低輸出轉(zhuǎn)速時(shí)約為最高輸出轉(zhuǎn)速時(shí)的45%~75%；而最低輸出轉(zhuǎn)速時(shí)的輸出轉(zhuǎn)矩約為最高輸出轉(zhuǎn)速的2~3倍。實(shí)際生產(chǎn)中常見(jiàn)正常工況下輸出轉(zhuǎn)矩恒定，但在最高輸出轉(zhuǎn)速時(shí)需有最大功率，而短暫地在較低輸出轉(zhuǎn)速時(shí)又需較大的輸出轉(zhuǎn)矩，鏈變速器的特性恰好適應(yīng)這種要求。
圖2-1 圖2-2
為了避免鏈速度過(guò)高、鏈拉力及軸承壓力過(guò)大，在確定變速傳動(dòng)方案時(shí)，不宜將變速器的變速比定得大雨實(shí)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(zhuǎn)速、大輸出轉(zhuǎn)矩或恒功率工況時(shí)，更是如此。
2.2 剛性定軸無(wú)極變速器
剛性定軸無(wú)級(jí)變速器有剛性傳動(dòng)元件組成，不調(diào)速時(shí)各傳動(dòng)件的回轉(zhuǎn)軸軸線位置固定不變，而在調(diào)速時(shí)軸線位置變動(dòng)。它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、形式多樣的特點(diǎn)。它分為有中間滾輪和無(wú)中間滾輪的兩大類，前者有較大的傳動(dòng)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(dòng)方式。對(duì)于既升速又降速的變速裝置一般需用兩套加壓裝置。傳動(dòng)件接觸區(qū)可設(shè)計(jì)成初始點(diǎn)或線接觸的結(jié)構(gòu)，前者承載能力稍差，但相對(duì)滑動(dòng)較小，并能補(bǔ)償受力變形及加工裝配等誤差；后者承載能力較高，但對(duì)制造和裝配要求較高。
本次設(shè)計(jì)主要采用有中間滾動(dòng)體的鋼球錐輪式無(wú)級(jí)變速器，這類變速器常見(jiàn)的基本形式有圖3所示五中定軸式。中間輪為一個(gè)或多個(gè)鋼球，主、從動(dòng)輪是直母線的錐輪平盤(pán)，接觸區(qū)呈點(diǎn)接觸。圖a~c為同軸線的，調(diào)速時(shí)靠改變中間輪兩側(cè)工作半徑實(shí)現(xiàn)變速，用于動(dòng)力傳動(dòng)，離速時(shí)為恒功率型，低速時(shí)為恒轉(zhuǎn)矩型。圖d、e為平行軸的，靠改變主、從動(dòng)輪的工作半徑實(shí)現(xiàn)變速，用于恒轉(zhuǎn)矩的小功率傳動(dòng)。
圖2-3 鋼球錐輪無(wú)級(jí)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(jié)主要介紹Koop-B型變速器。
圖4為Koop-B型無(wú)級(jí)變速器的結(jié)構(gòu)圖。動(dòng)力由軸1輸入經(jīng)自動(dòng)加壓裝置2帶動(dòng)主動(dòng)輪3同速轉(zhuǎn)動(dòng)，再經(jīng)一組（3~8個(gè)）鋼球4利用牽引力驅(qū)動(dòng)外環(huán)7和從動(dòng)輪9，最后經(jīng)錐輪9、自動(dòng)加壓裝置10驅(qū)動(dòng)輸出軸11將動(dòng)力輸出。傳動(dòng)鋼球的支承軸8的兩端嵌裝在端蓋12和13的徑向弧形導(dǎo)槽內(nèi)，軸8通過(guò)調(diào)速渦輪5上的凸輪槽；調(diào)速時(shí)，通過(guò)蝸桿6使渦輪5轉(zhuǎn)動(dòng)，由于凸輪槽的作用，使鋼球軸心線的傾斜角θ發(fā)生變化，導(dǎo)致鋼球與主、從動(dòng)輪的工作直徑d1x、d2x改變，輸出軸的轉(zhuǎn)速得到調(diào)節(jié)。
鋼球4與支承軸8之間常用滾針或滾針軸承支承；對(duì)小功率者可以采用滑動(dòng)軸承，為了減少磨損，支承軸用青銅棒料制成。外環(huán)7是一個(gè)剛度適合的彈性環(huán)，其作用為：（1）保持鋼球始終與錐輪接觸且不沿徑向飛出，環(huán)剛性不足時(shí)將導(dǎo)致加壓不足而無(wú)法傳動(dòng)；（2）其潤(rùn)滑油環(huán)的作用；（3）緩沖與吸振。
在設(shè)計(jì)、制造與安裝時(shí)應(yīng)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(diào)速渦輪上凸輪槽的等分性，以及鋼球、錐輪、加壓盤(pán)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(dòng)錐輪 4-傳動(dòng)鋼球
5-調(diào)速蝸輪 6-調(diào)速蝸桿 7-外環(huán) 8-傳動(dòng)鋼球軸 12，13-端蓋
圖2-4 鋼球外錐式無(wú)級(jí)變速器的結(jié)構(gòu)
其動(dòng)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(yīng)用廣泛。
從動(dòng)調(diào)速齒輪5的端面分布一組曲線槽，曲0線槽數(shù)目與鋼球數(shù)相同。曲線槽可用阿基米德螺旋線，也可用圓弧。當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)主動(dòng)齒輪6使從動(dòng)齒輪5轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，從動(dòng)齒輪的曲線槽迫使傳動(dòng)鋼球軸8繞鋼球4的軸心線擺動(dòng)，傳動(dòng)輪3以及從動(dòng)輪9與鋼球4的接觸半徑發(fā)生變化，實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速。具體分析如下圖五：
圖2-5 鋼球外錐式無(wú)級(jí)變速器變速示意圖
主要由兩個(gè)錐輪1、2和一組鋼球3（通常為6個(gè)）組成。主、從動(dòng)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(zhuǎn)動(dòng)。工作時(shí)，主動(dòng)錐輪1依靠摩擦力帶動(dòng)鋼球3繞軸4旋轉(zhuǎn)，鋼球同樣依靠摩擦力帶動(dòng)從動(dòng)錐輪2轉(zhuǎn)動(dòng)。軸Ⅰ、Ⅱ傳動(dòng)比 ，由于 ，所以 。調(diào)整支承軸4的傾斜角與傾斜方向，即可改變鋼球3的傳動(dòng)半徑r1和r2，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速。
2.3 兩方案的比較與選擇
鏈?zhǔn)綗o(wú)級(jí)變速器結(jié)構(gòu)很簡(jiǎn)單，且使用參數(shù)更符合我們此次設(shè)計(jì)的要求，但鏈變速器的制造成本相對(duì)較高，其鏈條重量較大，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的離心力較大，因而運(yùn)行速度不能過(guò)高，如果此裝置用于自行車，成本會(huì)大大的提高，顯得不合理。
而鋼球外錐式無(wú)級(jí)變速器的結(jié)構(gòu)也比較簡(jiǎn)單，原理清晰，各項(xiàng)參數(shù)也比較符合設(shè)計(jì)要求，故選擇此變速器。只是選用此變速器的同時(shí)須對(duì)該裝置進(jìn)行部分更改。
須更改的部分是蝸輪蝸桿調(diào)速裝置部分。因?yàn)槲覀兪沁x用了8個(gè)鋼球，曲線槽設(shè)計(jì)見(jiàn)第三章，一個(gè)曲線槽跨度是900，也就是說(shuō)自行車從最大傳動(dòng)比調(diào)到最小傳動(dòng)比，需要使其轉(zhuǎn)過(guò)900，而普通蝸輪蝸桿傳動(dòng)比是1/8，那么其結(jié)構(gòu)和尺寸將完全不符合我們?cè)O(shè)計(jì)的要求。為此，我們想到了將它們改為兩斜齒輪傳動(dòng)，以用來(lái)調(diào)速。選用斜齒輪是因?yàn)樾饼X輪傳動(dòng)比較平穩(wěn)。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，將主動(dòng)斜齒輪的直徑設(shè)計(jì)成從動(dòng)斜齒輪的3/4，這樣只要主動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)1200，那么從動(dòng)輪就會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)900，符合設(shè)計(jì)要求。
3 鋼球外錐式無(wú)級(jí)變速器部分零件的設(shè)計(jì)與計(jì)算
鋼球外錐式無(wú)級(jí)變速器零件的設(shè)計(jì)與計(jì)算包括主﹑從動(dòng)錐齒輪，加壓盤(pán)，調(diào)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(diào)速機(jī)構(gòu)等部分的設(shè)計(jì)與計(jì)算，以下各章節(jié)分別介紹以上內(nèi)容。
3.1 鋼球與主﹑從動(dòng)錐齒輪的設(shè)計(jì)與計(jì)算
輸入功率
=0.4039 kw
其中：
，kg，kg，,，
輪胎直徑： mm
由力學(xué)知識(shí)可得：輪胎所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩與鋼球摩擦所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩應(yīng)平衡
其中：mm ，，，Q為鋼球所受正壓力
代入數(shù)據(jù)可得：
由于傳動(dòng)件的[σj]=2200～2500 Mpa 代入上式得：
，取 dq=25 mm,鋼球數(shù)
輸出轉(zhuǎn)速 n2==142.3 r/min
輸入轉(zhuǎn)速 n1=142.3/(0.75～1.22)=189.7～116.6 r/min
傳動(dòng)比
變速范圍
鋼球支軸的極限轉(zhuǎn)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(cè)隙
外環(huán)內(nèi)徑 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
3.2 加壓盤(pán)的設(shè)計(jì)與計(jì)算
加壓盤(pán)的作用直徑
= (0.5～0.6) × D1 = (0.5～0.6) × 54 = 27～32.4 mm
取 mm
滑動(dòng)摩擦角
加壓盤(pán)V形槽傾角 λ=arctan =14.850
傳動(dòng)鋼球的確接觸應(yīng)力為
σ=1353×=1353×=2251.35 Mpa ≦[σj]
每個(gè)鋼球作用在V形槽側(cè)面的正壓力 Qy=
=651.6 N
用鋼球加壓裝置時(shí) 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(yù)緊力為200 N ,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如下圖所示：
圖3-1 加壓裝置
3.3 調(diào)速齒輪上變速曲線槽的設(shè)計(jì)與計(jì)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(gè)特殊點(diǎn) A，B，C的坐標(biāo)系（以O(shè)為極點(diǎn)）分別為：
時(shí),
mm
其中：（0.5～1.0）=（0.5～1.0）=15.5 mm
I=1時(shí) ，ψB= ==49.460
mm
時(shí) ，,
mm
圖3-2 調(diào)速論
(3)用通過(guò)三點(diǎn)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(dòng)比Ix與齒輪轉(zhuǎn)角ψ呈線性變化時(shí)，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(shè)計(jì)與計(jì)算
1.輸入軸上傳遞的功率為 kw
轉(zhuǎn)速 n1=189.7～116.6 r/min ,取 n1=135 r/min
轉(zhuǎn)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(jì)算示意圖
由前計(jì)算可知： ， 其中mm
所以 N
單個(gè)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(diào)質(zhì)處理，取A0=100，于是得：
dmin = =100×=14.4 mm ，取 dmin=14.5 mm
4.軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
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(guī)格是d1=17 mm，Ⅳ-Ⅴ段為軸
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