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湘潭大學(xué)興湘學(xué)院畢業(yè)論文
題 目： 自行車用無級變速器結(jié)構(gòu)設(shè)計
專 業(yè)： 機械設(shè)計制造及自動化
學(xué) 號： 2010963142
姓 名： 朱楊華
指導(dǎo)教師： 聶松輝
完成日期：
36
目錄
1 緒 論 3
1.1 機械無級變速器的概述及應(yīng)用 3
1.2 無級變速器的分類 3
1.3 機械無級變速器的發(fā)展 4
1.4 無級變速自行車研究現(xiàn)狀 6
1.5 畢業(yè)論文設(shè)計內(nèi)容和要求 7
2 鋼球行星式無級變速器的總體方案選擇 9
2.1 采用螺旋傳動實現(xiàn)球架的左右移動 9
2.2 依靠左右推動實現(xiàn)球架的移動 10
2.3 兩方案的選擇與比較 10
3 鋼球行星式無級變速器部分零件的設(shè)計計算 11
3.1 鋼球的設(shè)計計算 11
3.2 鋼球支軸轉(zhuǎn)角的設(shè)計計算 12
3.3 軸槽的長度及卡盤的傾斜角的設(shè)計計算 13
3.4 軸的設(shè)計計算 14
3.4.1 軸的選材及最小直徑的計算 14
3.4.2 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計 15
3.4.3 軸的校核 16
3.5 滾動軸承的選擇 18
3.6 自行車無級變速器的安裝 19
4 鋼球行星式無級變速器的變速原理論證 20
4.1 關(guān)于本文的無級變速器 20
4.2 無級變速的運動結(jié)構(gòu)分析 20
4.2.1無級變速的運動 20
4.2.2 變速原理分析 22
5 結(jié)論 23
參考文獻 24
致謝 25
外文翻譯 26
自行車用無級變速器結(jié)構(gòu)設(shè)計
專業(yè):機械設(shè)計制造及其自動化
學(xué)生:朱楊華 指導(dǎo)老師：聶松輝
摘 要
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(zhuǎn)速可在兩個極值范圍內(nèi)連續(xù)變化的傳動方式。而無級變速器是這樣的一種裝置，它具有主動和從動兩根軸，并能通過傳遞轉(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，以傳遞動力。當對主、從動軸的聯(lián)系關(guān)系進行控制時，即可使兩軸間的傳動比發(fā)生變化（在兩極值范圍內(nèi)連續(xù)而任意地變化）。本文在分析各種無級變速器和無級變速自行車的基礎(chǔ)上，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(diào)速，從而使自行車在0.75～1.22之間進行無級調(diào)速。研究表明：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(guān)鍵字: 無級變速自行車 無級變速器 調(diào)速
The design of the CVT on bicycle
Major:Mechanical design manufacturing and automation
Student: Zhu Yang Hua Supervisor:Nei Song Hui
Abstract
Have no the class gearbox spread to mean under the function that is a certain to control, make the exportation stalk of machine turn soon can at two pole is worth the continuous variety in the scope of spread a way.But have no class gearbox is such a kind of device, it has active with from move two stalks, and can pass to deliver the middle of turning the Ju to lie quality(the solid, fluid and electromagnetism flows) to contact two stalks directly or indirectly to deliver power.When to lord, from move an axial contact relation to carry on a control, can immediately make spreading of 2 compare occurrence variety.(be worth to change in a row but at will inside the scope in two poles).Based on the analysis of various CVT and CVT bikes,in this dissertation ,we change some parts of the Kopp-B CVT forming a new kind of CVT used to the bicycle .They are used to input or output the power through the friction and a pair of helical gears is also used to adjust the speed, so the speed can change between 0.75 and 1.22.This research shows that when the CVT are used in the bicycle ,they can significant improve the performance of bike so that all customers can use it convenient.
Keyword: CVT bike CVT Speed control.
1 緒 論
1.1 機械無級變速器的概述及應(yīng)用
機械無級變速器是一種傳動裝置，是在輸入轉(zhuǎn)速一定的情況下實現(xiàn)輸出轉(zhuǎn)速在一定范圍內(nèi)連續(xù)變化的一種運動和動力傳遞裝置，由變速傳動機構(gòu)、調(diào)速機構(gòu)及加壓裝置或輸出機構(gòu)組成。
機械無級變速器轉(zhuǎn)速穩(wěn)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(yīng)各種機械的工況要求及產(chǎn)品需要，易于實現(xiàn)整個系統(tǒng)的機械化、自動化，且結(jié)構(gòu)簡單，維修方便、價格相對便宜。機械無級變速器的適用范圍廣，有在驅(qū)動功率不變的情況下，因工作阻力變化而需要調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速以產(chǎn)生相應(yīng)的驅(qū)動力矩者（如化工行業(yè)中的攪拌機械，即需要隨著攪拌物料的粘度、阻力增大而能相應(yīng)減慢攪拌速度）；有根據(jù)工況要求需要調(diào)節(jié)速度者（如起重運輸機械要求隨物料及運行區(qū)段的變化而能相應(yīng)改變提升或運行速度，食品機械中的烤干機或制藥機械要求隨著溫度變化而調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)移速度）；有為獲得恒定的工作速度或張力而需要調(diào)節(jié)速度者（如斷面切削機床加工時需保持恒定的切削線速度，電工機械中的繞線機需保持恒定的卷繞速度，紡織機械中的漿紗機及輕工機械中的薄膜機皆需調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速以保證恒定的張力等）；有為適應(yīng)整個系統(tǒng)中各種工況、工位、工序或單元的不同要求而需協(xié)調(diào)運轉(zhuǎn)速度以及需要配合自動控制者（如各種各樣半自動或自動的生產(chǎn)、操作或裝配流水線）；有為探求最佳效果而需變換速度者（如試驗機械或離心機需調(diào)速以獲得最佳分離效果）；有為節(jié)約能源而需進行調(diào)速者（如風(fēng)機、水泵等）；此外，還有按各種規(guī)律的或不規(guī)律的變化而進行速度調(diào)節(jié)以及實現(xiàn)自動或程序控制等。
綜上所述。可以看出采用無級變速器，尤其是配合減速傳動時進一步擴大其變速范圍與輸出轉(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，實現(xiàn)整個系統(tǒng)的機械化、自動化等各方面皆具有顯著的效果。故無級變速器目前已成為一種基本的通用傳動形式，應(yīng)用于紡織、輕工、食品、包裝、化工、機床、電工、起重運輸?shù)V山冶金、工程、農(nóng)業(yè)、國防及試驗等各類機械。
1.2 無級變速器的分類
機械無級變速器分為剛性式、行星式、鏈式、帶式和脈動式四大類。
（1） 摩擦式無級變速器 由剛性傳動元件組成，不調(diào)速時各傳動件的回轉(zhuǎn)軸線位置固定不變。它具有結(jié)構(gòu)簡單、形式多樣的特點。它分為有中間滾輪與無中間滾輪兩大類，前者有較大的調(diào)速比（Rb≤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(qū)可設(shè)計成初始點或線接觸的結(jié)構(gòu)，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。
（2） 行星式無級變速器 具有作行星運動的中間滾動體，依靠滾動副間的牽引（摩擦）力，通過改變太陽輪或行星輪的工作半徑來實現(xiàn)變速的無級變速器。其傳動原理與一般錐齒輪行星輪系很相似，但沒有輪齒因而工作半徑在運動過程中可以調(diào)整。
由于上述傳動原理 的特點，使行星無級變速器的結(jié)構(gòu)、性能與剛性式無級變速器不同。行星無級變速器的共同特點：1、變速范圍較寬廣；2、輸出轉(zhuǎn)速恒低于輸入轉(zhuǎn)速；3、輸出特性好；4、采用多行星輪分匯流傳動；5、結(jié)構(gòu)緊湊，加壓和調(diào)速操縱機構(gòu)比較簡單。
（3） 鏈式無級變速器 通過兩相對錐輪之間形成楔形夾槽，夾持著特殊結(jié)構(gòu)的變速傳動鏈，依靠壓緊力使鏈和鏈輪形成力（或準形）封閉運動副，依靠摩擦力來傳遞動力，它屬于鋼質(zhì)撓性變速傳動，其功率和磨損率分別是帶傳動的11倍和1/3。所以結(jié)構(gòu)緊湊、壽命長。
（4） 帶式無級變速器 其結(jié)構(gòu)簡單、制造容易、工作平穩(wěn)、能吸收振動、易損件少、帶的更換方便；因而是機械無級變速器中廣泛應(yīng)用的一種；其缺點是外形尺寸較大而變速范圍較小。它由主、從動錐（帶）輪、緊套在兩輪上的帶、調(diào)速操縱機構(gòu)和加壓裝置等組成。當主動輪轉(zhuǎn)動時，借帶與錐輪間的摩擦力驅(qū)動從動輪并傳遞動力；通過調(diào)速操縱機構(gòu)改變帶在錐輪上的位置，使主、從動輪的工作半徑改變，以達到無級變速的目的。
（5） 脈動式無級變速器 由連桿機構(gòu)與單向超越禮盒器組成的變速器。它通過調(diào)速機構(gòu)來改變連桿機構(gòu)中某一構(gòu)件的長度，以形成構(gòu)件間新的尺寸比例關(guān)系，使搖桿獲得不同的擺角，通過超越離合器使輸出軸的轉(zhuǎn)速發(fā)生變化，從而達到無級變速的目的。
1.3 機械無級變速器的發(fā)展
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(shè)計任務(wù)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(xiàn)今生產(chǎn)工藝流程機械化自動化發(fā)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(xué)技術(shù)的發(fā)展，在材質(zhì)、工藝個潤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)地促進了機械無級變速器的研制和生產(chǎn)，使各種類型的系列產(chǎn)品快速增長并獲得了廣泛的應(yīng)用。
國內(nèi)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(yè)機械。如紡織、機床及化工機械等的配套零部件，由專業(yè)機械廠進行仿制和生產(chǎn)，品種規(guī)格不多，產(chǎn)量不大。直到八十年代中期以后，大量引進國外各種先進設(shè)備，工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)代化以及自動流水線的迅速發(fā)展，對機械無級變速器在品種、規(guī)格和數(shù)量方面的需求都大幅度增加。在這種形勢下，專業(yè)廠開始建立并進行規(guī)?；a(chǎn)，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(chǎn)品已包括機械無級變速器現(xiàn)有的摩擦式、鏈式、帶式、和脈動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，無級變速器專業(yè)協(xié)會、行業(yè)協(xié)會及情報網(wǎng)等組織相繼建立。定期出版網(wǎng)訊及召開學(xué)術(shù)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(yè)標準共14個：
(1)JB/T 5984-92 《寬V帶無級變速裝置基本參數(shù)》
(2)JB/T 6950-93 《行星錐盤無級變速器》
(3)JB/T 6951-93 《三相并聯(lián)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(huán)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(huán)盤式無級變速器》
(12)JB/T 50150-1999 《行星錐盤無級變速器 質(zhì)量分等》
(13)JB/T 53083-1999 《三相并聯(lián)連桿脈動無級變速器 質(zhì)量分等》
(14)JB/T 50020-×××× 《無級變速擺線針輪減速機產(chǎn)品質(zhì)量分等》（報批稿）
現(xiàn)在，機械無級變速器從研制、生產(chǎn)、組織管理到情報網(wǎng)信息各方面已組成一較完
整的體系，發(fā)展成為機械領(lǐng)域中一個新型行業(yè)。
1.4 無級變速自行車研究現(xiàn)狀
自行車發(fā)展到現(xiàn)在已經(jīng)有傳統(tǒng)的自行車演變成無級變速自行車，現(xiàn)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(cè)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(cè)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(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)有帶動后輪單向轉(zhuǎn)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(xiàn)無級變速，速度轉(zhuǎn)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(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、活動支架和鋼絲拉索。該自行車結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)速方便靈活，經(jīng)久耐用，適合各種型號。
(3)前置往復(fù)式無級變速自行車 針對自行車的驅(qū)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(fù)運動，用腳掌面的蹬踏角度或用手直接調(diào)動搖桿上力臂的長短實現(xiàn)無級變速，高效能的帶動撓性件驅(qū)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(qū)動的前輪和一個作導(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?zhèn)鲃忧拜啞２倏v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(yīng)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(gòu)，車椅式直立車龍頭轉(zhuǎn)向機構(gòu)，杠桿式無級變速驅(qū)動機構(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級變速機構(gòu)，車架可橫向折疊，驅(qū)動大車輪在前面，導(dǎo)向小車輪在后邊的行走機構(gòu)與帶靠背車坐椅式的直立車龍頭轉(zhuǎn)向機構(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(cè)分別套裝有推動盤，一側(cè)固定在腳蹬輪軸上，另一側(cè)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(zhuǎn)盤上，停轉(zhuǎn)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(xiàn)有自行車的動力傳動機構(gòu)。該自行車的動力傳動機構(gòu)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(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力傳動機構(gòu)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(diào)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(diào)速器裝在車把附近，與閘線連接，閘線帶動調(diào)節(jié)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(gòu)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(nèi)還設(shè)有流線型的槽，滾柱放置在槽內(nèi)。 這種無級變速自行車通過帶傳動來實現(xiàn)自行車的無級變速，傳動平穩(wěn)、噪音低、調(diào)速操作方便、變速范圍大；同時該無級變速自行車的結(jié)構(gòu)簡單、易于加工，可以實現(xiàn)大規(guī)模成批生產(chǎn)。
(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(shù)領(lǐng)域。本新型的目的通過如下技術(shù)方案實現(xiàn)：主要由設(shè)置每側(cè)腳蹬上的長型齒盤交替工作，通過同側(cè)的鏈條傳動同側(cè)的飛輪，飛輪連同帶動設(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。騎行時由于每側(cè)長型齒盤的作用，通過鏈條對同側(cè)的發(fā)條交替蓄能，從而實現(xiàn)全自動無級變速。
1.5 畢業(yè)論文設(shè)計內(nèi)容和要求
設(shè)計內(nèi)容：根據(jù)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(jié)構(gòu)設(shè)計與計算；對關(guān)鍵部件進行強度和壽命校核。
設(shè)計要求：輸入功率P=0.15kw、最低轉(zhuǎn)速n=20rpm、調(diào)速范圍R=8；變速器尺寸要盡可能小，輕便；結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)使制造成本盡可能低；安裝拆卸要方便；外觀要勻稱，美觀；關(guān)鍵部件滿足強度和壽命要求；畫零件圖和裝配圖。
2 鋼球行星式無級變速器的總體方案選擇
2.1 采用螺旋傳動實現(xiàn)球架的左右移動
圖2.1 方案圖一
如圖2.1所示，軸的一端為空心，中部開有一個槽，如圖2.1所示將調(diào)速塊插入軸的槽中，該零件是內(nèi)帶螺紋孔的，將一螺釘插入軸孔中如圖2.1所示，該螺釘剛好與軸空端部接觸，使之不能移動，在零件上裝一個軸承，兩邊用如圖所示的卡盤卡住，卡盤由球架的固定架固定，則擰動螺釘，軸承與卡盤會跟著零件而左右移動，套在軸承及卡盤上的球架的中心軸會因球架的上下浮動而有角度的傾斜，從而達到變速的目的。
2.2 依靠左右推動實現(xiàn)球架的移動
圖2.2 方案圖二
如圖2.2所示，其余裝配部分一樣，但插入軸槽中的零件不再是內(nèi)帶螺紋孔，而是是實心的，在零件的左端部帶有一彈簧，如圖所示，彈簧的直徑與孔徑一樣大小，當整個裝置位于最右端是，彈簧與軸孔的端部有一定的預(yù)緊里力，從軸孔的右端插入一直徑與孔徑般大小的鐵棒，則左右推動鐵棒便可以實現(xiàn)整個裝置的左右移動，從而達到變速的目的。
2.3 兩方案的選擇與比較
兩方案都能達到預(yù)期的變速目的，其中，螺旋傳動能很好的保證變速過程中的精度、效率、磨損壽命和強度等的要求，便于制造，易于自鎖；方案二也可以達到變速效果，而且彈簧制造簡便，使用廣泛，但如果采用方案二，不易于自鎖，則在軸的右端還要加一自鎖裝置，從而使整個裝置復(fù)雜化，站在人力的角度思考，方案二相比于方案一要費力，所以綜合考慮，我選用方案1—采用螺旋傳動來實現(xiàn)鋼球架的左右移動從而實現(xiàn)自行車的無級變速。
3 鋼球行星式無級變速器部分零件的設(shè)計計算
3.1 鋼球的設(shè)計計算
由力學(xué)知識可知: 輪胎所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩與鋼球摩擦所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩平衡
設(shè)鋼球的個數(shù)為八個
×（M人+ M車）×g×u1×R1=8×Q×u2×C×
其中：
M人=65 kg , M車=20 kg , u1=0.1 , u2=0.1 , g=9.8 ，R1=280mm ，C=2.16，Q為鋼球所受正壓力
代入數(shù)據(jù)可得：
Q×Dq=17997
看參考文獻[1]可知：
§Hmax=1353×=1353×
由于傳動件的[dj]=2200～2500MPa，帶入上式得：
Dq=22.51～25.58mm
取Dq=25mm
該裝置是自動加壓裝置，依靠固定連接在鋼球支軸兩端的固定架中的小球上下滑動從而使支軸有一轉(zhuǎn)角變化，取小球直徑d=8mm。
3.2 鋼球支軸轉(zhuǎn)角的設(shè)計計算
本文鋼球支軸極限轉(zhuǎn)角圖如圖3.1所示：
圖3.1 鋼球支軸極限轉(zhuǎn)角圖
如圖3.1所示：
AO=BO ∠0AC=∠BOD
則
RtΔOAC∽RtΔBOD
根據(jù)圖3.2所知：
sin∠1= cos∠1==cos∠2
則
tan∠1=
θ=45°-arctan=45°-arctanI
參考參考文獻[2]中鋼球行星式無級變速器的規(guī)定，取Imin=0.3，又已知Rb=8，故Imax=1.6。因此該無級變速器的調(diào)速范圍在0.3～2.4之間。
鋼球的極限轉(zhuǎn)角為：
增速方向θ=arctanImax-45°=arctan2.4-45°=22.38°
減速方向θ=45°-arctanImin=45°-arctan0.3=28.3°
鋼球的中心圓直徑為：
D=（C1+cos45°）╳dq=(2.16+)╳25≈71.7mm
鋼球側(cè)隙為：
[(C1+cos45°)╳sin-1]╳dq=[(2.16+)╳sin-1]╳25≈2.43mm
3.3 軸槽的長度及卡盤的傾斜角的設(shè)計計算
本文調(diào)速機構(gòu)如圖3.2所示：
圖3.2 調(diào)速機構(gòu)
根據(jù)以上計算得：
增速方向θ=arctanImax-45°=arctan2.4-45°=22.38°
減速方向θ=45°-arctanImin=45°-arctan0.3=28.3°
由圖3.2可知：
∠1=∠θ增=22.38° ∠2=∠θ減=28.3°
由上面的計算可知：鋼球的半徑R=12.5mm
L1-2=12.5 X cos22.38°=11.52mm
L3-4=12.5 X cos28.3°=11.01mm
由上面計算可得：鋼球向左偏移了0.98 mm，向右偏移了1.49 mm
L1-2=11.52+1.49=13.01≈14mm
L3-4=11.01+0.98=11.99≈12mm
增速方向鋼球下降的距離為：
H1=12.5 X sin22.38°=4.76≈5mm
H2=12.5 X sin28.3°=5.93≈6mm
3.4 軸的設(shè)計計算
3.4.1 軸的選材及最小直徑的計算
由于自行車在工作過程中受的載荷不大，工作環(huán)境比較平穩(wěn)，根據(jù)參考文獻[9]可選45號鋼，并進行調(diào)質(zhì)處理，HB217～255。
軸的最小直徑為：
dmin≥A0╳
在參考文獻[3]表15-3中可知：
取 A0=115
對于空心軸而言
dmin≥A0╳╳
由參考文獻[3]可知：
μ=0.5
代入數(shù)據(jù)可得：
=1.022
由于設(shè)計要求 P輸入=0.15kw nmin=20rpm Rb=8
由參考文獻[4]得
Rb==8 nmax=160rpm
從而可知轉(zhuǎn)速n的范圍在20～160rpm之間 取n=150rpm
查參考文獻[5]得 取效率為η=0.82
P輸出=0.15╳0.82=0.123kw
實心軸部最小直徑為：
dmin≥A0╳=11.50mm
空心軸部最小直徑為：
dmin≥A0╳╳≈11mm
所以取軸的最小直徑dmin=12mm
3.4.2 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計
（1）擬定軸上零件的裝配方案
本文的裝配方案如圖3.3所示：
圖3.3 裝配方案圖
（2）根據(jù)軸向定位的要求確定軸的各段直徑和長度
1）由于前面計算可知 dmin=12mm，Ⅰ–Ⅱ段有螺紋，取公稱直徑為14 mm的螺紋，所以dⅠ–Ⅱ=14mm。如圖3.3所示，Ⅰ–Ⅱ段螺紋與自行車后輪相連，螺紋長度取15mm，螺紋右端到Ⅱ的長度也取15mm。則LⅠ–Ⅱ=15+10=25mm。
2）初步選擇滾動軸承。由于主要受徑向載荷，也同時承受小的軸向載荷，故選用深溝球軸承。參照要求根據(jù)dⅠ–Ⅱ=14mm，由軸承產(chǎn)品目錄中初步選取1基本游隙組、標準精度級的深溝球軸承6103，故dⅡ–Ⅲ=17mm。為了方便輸出輸入端軸承裝配部分加工，則LⅥ–Ⅶ=17mm。?、虻芥溳喍嗣嫦嗑酁?mm，軸承B=10mm，與輸入輪盤的間距為3mm，輸入輪盤的左端部取14mm，為了保證緊釘螺釘與鏈輪相連，軸承的右端用擋圈定位，取擋圈的厚度為2mm，所以LⅡ–Ⅲ=3+10+3+14+2=32mm。
3）軸上零件的軸向定位。為了軸承的軸向定位要求，Ⅱ-Ⅲ段軸端右端需制出一軸肩，故取dⅢ–Ⅳ=20mm，dⅤ–Ⅵ=20mm。Ⅲ–Ⅳ段與鋼球固定架相連（焊接），長度取15mm，由于變速曲線部分小球半徑r=4mm，所以LⅢ–Ⅳ=15+4=19mm，為了使軸相對稱，則LⅤ–Ⅵ=19mm。由于前面對軸槽的計算可知LⅢ–Ⅵ=15+15+25+8+8=71mm。
4）對于空心軸部分的最小半徑dmin=12mm，因此Ⅶ–Ⅷ段的螺紋公稱直徑也為14mm，dⅦ–Ⅷ=14mm，LⅦ–Ⅷ=25mm。軸的中心孔孔徑為d孔=4mm。由于緊釘螺釘與變速器外殼相連，輸出輪盤內(nèi)端面與軸承距離取為7mm，則LⅥ–Ⅶ=3+10+7+14+2=36mm。
5）確定軸上圓角和倒角尺寸
參考參考文獻[6]表15-2，取軸端倒角為1╳45°
3.4.3 軸的校核
本文軸的受力分析模型如圖3.4所示：
圖3.4 軸的受力分析模型
鏈輪壓軸力方向線與軸承1的距離為4+3=7mm
兩軸承的距離為2+2+71=75mm
1）計算壓軸力Fp
如圖3.4所示
Fe=1000 v=
N為鏈輪的轉(zhuǎn)速，Z為鏈輪的齒數(shù)，P為鏈條節(jié)距。
選定鏈條型號和節(jié)距
查參考文獻[3]表9-7和圖9-13
取鏈輪齒數(shù)為25，KA=1.0，Kz=0.99，P=0.15kw
所以
Pca=KA╳KZ╳P=1.0╳0.99╳0.15=0.1485kw
查參考文獻[3]圖9-11和表9-1可以取Pca和n的值，通過圖9-11可選10A-1，查表9-1可得鏈條節(jié)距P=15.875mm。
故 V=0.99219m/s
所以
Fe=151.18N
查參考文獻[3]9-18式可得 鏈條水平布置時的壓軸力系數(shù)KFP=1.15
所以
FP=151.18╳1.15=173.86N
根據(jù)力矩平衡原理可知：
FP╳L1=F2╳L2
由于L1=7mm L2=75mm
則
F2=16.23N
F1=173.86+32.37=190.1N
2)計算最大彎矩
Mmax=M=173.86╳7=1217.02 N.Mm
由于此軸是固定不動的
所以其扭矩近似為零
T=9550000=9550 N·mm
σCA=
由參考文獻[7]可知：
W≈0.1╳d3（1-β4）=335.787
取α=0.6
則
σCA≈17.36 MP<[σ-1]=60 Mpa
故軸的強度滿足要求
3.5 滾動軸承的選擇
考慮軸受力較小且主要是徑向力，故選用深溝球軸承
軸承根據(jù)軸頸值查參考文獻[8]預(yù)選6103（GB/T276-1993）
壽命計劃：
由參考文獻[8]式13-8可知：
P=XFr+YFa
由于兩軸承承受純徑向載荷
Fr=190.1N ，F(xiàn)a≈0N
查參考文獻[8]中的表13-5可知：
X=1，Y=0
則
P=Fr=206.2N
對于深溝球軸承來說
з=3，ft=1
由參考文獻[10]查得c=440KG
代入數(shù)據(jù)可得：
Lh==952575 h
預(yù)期壽命為：20年，每天工作10h
L=20╳300╳10=60000
O在從壓縮機輪子的后面面孔用機器制造的盤樣品進行。在渦輪增壓器組件測試中，檢測的細胞受康明斯渦輪增壓技術(shù)的限制，結(jié)果列于圖8。圖8顯示了鑄造c355，2618和SSM 319s相比的耐久性。SSM 319s和偽造2618壓縮機輪之間，雖然他們都優(yōu)越鑄造c355的耐久性。SSM 319s和偽造的2618的這重大改善主要來自材料的改善和鑄件瑕疵的排除，例如氧化物。除對材料的完整性，鍛造和SSM的改進清潔。鍛造2618和SSM 319s比鑄造的C355和354.0的晶粒結(jié)構(gòu)細化和顯微組織是對壓縮機輪子的耐久性改善的另一貢獻(圖9)。
圖5顯示了SSM 319s鑄造優(yōu)越的抗拉性能C355, 354.0 and 319 while comparable with forged 2618c355，354和319，與鍛造2618
圖6通過鑄造SSM 319s顯示出c355與鍛造2618優(yōu)越的耐疲勞性
圖7 SSM 319s顯示出在鑄造c355阻力優(yōu)越的單軸疲勞resistance over cast C355
圖8 SSM 319s壓縮機輪表現(xiàn)出在鑄造c355壓縮機輪與forged 2618鍛造2618優(yōu)越的耐久性
圖9晶粒結(jié)構(gòu)的鑄造c355（a），2618（b）和鍛造SSM 319s (c), indicating comparable grain size between forgedSSM 319s（c），表明類似的晶粒尺寸之間鍛造and SSM alloys, while both significant finer than cast alloy和SSM合金，而顯著小于鑄造合金。
5 執(zhí)行總結(jié)
1）渦輪增壓是實現(xiàn)大幅減排和燃油經(jīng)濟一個最成功的技術(shù)。渦輪增壓發(fā)動機在過去10年已經(jīng)取得大約7%的體積增加，并且未來10年預(yù)測增長8%。
2）SSM已被成功地應(yīng)用于生產(chǎn)極其復(fù)雜的幾何渦輪增壓器的壓縮機車輪。
3）SSM壓縮機輪取得了拉伸，疲勞性能和部件的耐久性。所以，它接近2618鍛造，優(yōu)于鑄造c355。
6 未來的挑戰(zhàn)
雖然制造業(yè)的SSM汽車零部件已取得重大進展，研究人員努力開發(fā)新的合金和工藝，仍有需要更多的努力來滿足工業(yè)要求。這些措施包括：
1）更多選擇的合金
有汽車的工業(yè)應(yīng)用不同要求，一些需要高強度，而有些人可能需要高的熱性能，疲勞性，耐腐蝕性和耐磨性。這些都需要不同的合金系統(tǒng)滿足一個或多個工業(yè)應(yīng)用的要求。
2）高熔點合金系統(tǒng)
發(fā)展SSM是最大的努力過程歷史上以相對較低的熔化點、合金如鋁和鎂合金。一些努力和成功取得了高熔點點合金如鋼[ 34 ]，但進一步的研究需要發(fā)展的材料系統(tǒng)的鑄鐵，鋼鎳基合金。這些材料具有顯著的比鋁和鎂合金密度更高，所以有更大的潛在節(jié)省更多的重量汽車零部件，從而更多的燃油經(jīng)濟性，和提高質(zhì)量和性能，耐久性在SSM過程改進的光比合金。
3）復(fù)雜的幾何部件
一些汽車零部件的復(fù)雜幾何，例如一個渦輪增壓器壓氣機輪和發(fā)動機缸頭，使得它很難實現(xiàn)嚴格的性能要求，在鑄造鍛坯加工效率/成本。因此，SSM幾何組成有制造復(fù)雜的巨大潛力。非常低的剪切強度在半固態(tài)狀態(tài)合金使它實現(xiàn)制造復(fù)雜的幾何部件時澆注系統(tǒng)的合理設(shè)計與模具結(jié)構(gòu)在低剪切強度達到可容納相對較高的抗壓強度。
4）還原電流SSM元件成本
在使用SSM加工過程中減少零件的制造成本實現(xiàn)鍛坯。然而，由于成本高制造原料棒料，復(fù)雜性澆注系統(tǒng)和模具結(jié)構(gòu)以及相對高成本，SSM組件的成本仍然顯著高于鑄造。因此，應(yīng)作出努力，進一步達到降低成本棒料的原材料，設(shè)計和制造澆注系統(tǒng)和模具結(jié)構(gòu)和工藝。
致謝
作者想表達他們的感謝，在康明斯渦輪增壓邁克爾鳳博士對批判性閱讀和科技有限公司本文的評論。多虧了安得烈.杰克遜的鋁成分復(fù)雜，開發(fā)工具和一般支持successfully manufacturing the SSM impelle成功地生產(chǎn)的SSM葉輪。
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