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傳動(dòng)軸式自行車的設(shè)計(jì)
郝良慶
（塔里木大學(xué)機(jī)械電氣化工程學(xué)院， 阿拉爾 843300）
摘 要：我國(guó)是一個(gè)自行車大國(guó)，針對(duì)傳統(tǒng)鏈傳動(dòng)自行車出現(xiàn)的一些問(wèn)題，容易掉鏈，傳動(dòng)效率地等問(wèn)題設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了傳動(dòng)軸式自行車。該自行車采用傳動(dòng)軸代替鏈條的方式，前部用一對(duì)錐齒輪改變方向中間采用傳動(dòng)軸后部采用一對(duì)錐齒輪改變方向再通過(guò)棘輪機(jī)構(gòu)與后輪相連接實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)，該自行車傳動(dòng)部分改為傳動(dòng)軸，其他部分與普通自行車相似。
關(guān)鍵詞：自行車；傳動(dòng)軸；錐齒輪；設(shè)計(jì)
中圖分類號(hào)： 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：
引言
在科技日益發(fā)達(dá)的當(dāng)今社會(huì)，新型技術(shù)不斷被研發(fā)并輻射到社會(huì)的實(shí)際運(yùn)用中去，隨著人們環(huán)境意識(shí)的不斷增強(qiáng)，人們都在尋著能夠省時(shí)省力節(jié)能的新型代步工具！都在為共創(chuàng)和諧的節(jié)約型社會(huì)而努力！
隨著居民生活水平的不斷提高，自行車的使用不僅僅再是普通的代步工具，而逐漸成為人們娛樂(lè)、休閑、鍛煉的首選工具。行駛途中，可以當(dāng)做普通自行車騎行鍛煉身體，隨著時(shí)間的推移，原始簡(jiǎn)單的鏈傳動(dòng)自行車已不再滿足人們的心里，人們都希望完善自行車的傳動(dòng)方式功用，以給人們帶來(lái)更多的方便。
從早期的自行車雛型出現(xiàn)，到今天種類繁多、形式多樣的自行車產(chǎn)品，已經(jīng)歷了近200年的歷史，隨著社會(huì)的發(fā)展、技術(shù)的進(jìn)步、產(chǎn)品的更新、生活節(jié)奏的加快, 人們?cè)谙硎芪镔|(zhì)生活的同時(shí), 更加注重產(chǎn)品的方便、舒適、可靠、價(jià)值、安全、效率等人機(jī)性能, 創(chuàng)新設(shè)計(jì)即充分發(fā)揮人的創(chuàng)造才能,利用技術(shù)原理進(jìn)行創(chuàng)新構(gòu)思的設(shè)計(jì)實(shí)踐活動(dòng)，其目的是為人類社會(huì)提供富有新穎性和先進(jìn)性的產(chǎn)品.因此，創(chuàng)新設(shè)計(jì)的基本特征是新穎性和先進(jìn)性?！靶路f性”就是設(shè)計(jì)者不拘于前人或別人已有的成就,敢于根據(jù)從未嘗試過(guò)的想法去進(jìn)行新的探索,設(shè)計(jì)出別具一格的產(chǎn)品。“先進(jìn)性”就是設(shè)計(jì)的產(chǎn)品不僅應(yīng)標(biāo)新立異，而且在技術(shù)水平上比現(xiàn)有的類似產(chǎn)品要超前一步，即在功能、性能、結(jié)構(gòu)等方面顯示出新的特點(diǎn)和實(shí)質(zhì)性的改進(jìn)，創(chuàng)新設(shè)計(jì)即充分發(fā)揮人的創(chuàng)造才能，任何一種設(shè)計(jì)都離不開(kāi)創(chuàng)新，工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域中,無(wú)論是對(duì)傳統(tǒng)產(chǎn)品的改進(jìn)性設(shè)計(jì),還是對(duì)新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)性設(shè)計(jì)都需要?jiǎng)?chuàng)新。因此,對(duì)自行車進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)和概念設(shè)計(jì)具有重要意義，對(duì)傳動(dòng)軸自行車設(shè)計(jì)通過(guò)對(duì)鏈輪改造，把前鏈輪改造成一對(duì)錐齒輪傳動(dòng) 中間通過(guò)傳動(dòng)軸代替鏈條，后輪在通過(guò)一對(duì)錐齒輪改變傳動(dòng)的方向設(shè)計(jì)要求
1 設(shè)計(jì)原理及機(jī)構(gòu)
1.1 設(shè)計(jì)原理
針對(duì)自行車的掉鏈和傳動(dòng)效率低問(wèn)題研制了傳動(dòng)軸式自行車，該自行車前部采用一對(duì)錐齒輪中間采用傳動(dòng)軸后部采用一對(duì)錐齒輪，從而就改變了現(xiàn)有自行車的缺點(diǎn)，掉鏈和傳動(dòng)效率低和有鏈傳動(dòng)帶來(lái)的噪音等問(wèn)題。傳動(dòng)部分如圖1所示。
1 錐齒輪 2錐齒輪 3傳動(dòng)軸 4錐齒輪 5錐齒輪
圖1 傳動(dòng)的主要零部件
其優(yōu)點(diǎn)是不會(huì)產(chǎn)生掉鏈，效率較高，不會(huì)對(duì)出現(xiàn)對(duì)褲子出現(xiàn)的撕咬，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)沒(méi)有該形式的自行車的空白，使對(duì)自行車感覺(jué)會(huì)更加舒適和平穩(wěn)，提高了各部分的通用性能，
1.2 總體設(shè)計(jì)
傳動(dòng)軸式自行車的整體布局如圖2
1車胎 2輻條 3后軸 4后部錐齒輪殼體 5軸承端蓋 6傳動(dòng)軸 7車座 8車架 9與車架固定螺栓 10軸承端蓋螺栓 11前部錐齒輪殼體 12自行車車把
圖2 傳動(dòng)軸自行車總體布局圖
該自行車在人的腳動(dòng)力下驅(qū)動(dòng)，工作時(shí)人腳驅(qū)動(dòng)腳蹬子帶動(dòng)軸，有軸帶動(dòng)前部一對(duì)錐齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，在通過(guò)軸傳遞給傳動(dòng)軸，再有傳動(dòng)軸傳遞給尾部的一對(duì)錐齒輪使其轉(zhuǎn)動(dòng)，然后在傳遞給棘輪機(jī)構(gòu)，有棘輪機(jī)構(gòu)傳遞給自行車后輪，使自行車能夠在大地上行駛，該自行車傳動(dòng)部分追要有三大部分，前部錐齒輪系統(tǒng)，中間傳動(dòng)軸系統(tǒng)，和尾部錐齒輪系統(tǒng)，前部錐齒輪系統(tǒng)主要作用是，改變傳動(dòng)的方向和增速，中間傳動(dòng)軸主要是能夠較遠(yuǎn)距離的傳遞動(dòng)力，傳動(dòng)軸花鍵的作用是能夠由于十字軸轉(zhuǎn)動(dòng)使傳動(dòng)軸的軸向的位移得到平衡，尾部錐齒輪的作用改變方向進(jìn)一步的使系統(tǒng)增速，
其主要技術(shù)參數(shù)如下:
外形尺寸/mm：1735×1040×520
作業(yè)速度/km/h ：10~15
驅(qū)動(dòng)力轉(zhuǎn)速r/min : 60
2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)
2.1 傳動(dòng)軸 錐齒輪
傳動(dòng)軸采用45剛制造，中間采用空心式的，外徑為12mm內(nèi)徑為6mm，傳動(dòng)軸分為兩段前段部分和后段部分，中間用矩形花鍵連接傳動(dòng)軸的設(shè)計(jì)公式如下
式中 d-計(jì)算截面處軸的直徑
-與材料有關(guān)的常數(shù)
P-軸傳遞的功率
-常數(shù)通常取0.5-0.6
n –軸的轉(zhuǎn)速
每對(duì)錐齒輪的小齒輪的材料使用40Cr，大齒輪使用45鋼，按吃面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)
-彈性影響系數(shù)
-需用應(yīng)力
K-動(dòng)載系數(shù)
-轉(zhuǎn)矩
-齒寬系數(shù)
-傳動(dòng)比
2.2 其它部件
對(duì)原有的棘輪機(jī)構(gòu)進(jìn)行改造如圖3
圖3改造后的棘輪
改造后的棘輪使其能夠與最后一級(jí)齒輪結(jié)合使其能夠?qū)崿F(xiàn)傳動(dòng)，
對(duì)車架的改造如圖4
圖4 對(duì)自行車架的改造
1處的改造使其能夠與齒輪箱相連接并將齒輪箱固定住，2處的改造是為了不讓傳動(dòng)軸與傳動(dòng)軸干擾。
3結(jié)論
1）該自行車能夠有效的避免普通鏈傳動(dòng)自行車所帶來(lái)的掉鏈，傳動(dòng)效率低，由于騎車不當(dāng)帶來(lái)了的撕咬衣服等問(wèn)題。該自行車完全滿足自行車的行駛要求。
2）該自行車首次提出了以傳動(dòng)軸傳動(dòng)代替普通自行車的鏈條傳動(dòng)。提高了傳動(dòng)效率傳動(dòng)效率在91%左右，使人騎起來(lái)感覺(jué)會(huì)更加的省力。
3）若這種新的傳動(dòng)方式能夠勾起那些近距離開(kāi)車的人放棄開(kāi)車，改為以這種自行車代步，那我們便會(huì)減少汽車的尾氣排放更好的保護(hù)我們的環(huán)境。
參考文獻(xiàn)
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Drive Axle Type Bicycle Design
Hao Liangqing
（College of Mechanical and Electrical Engineering，Tarim University，Alar 843300，China）
Abstract: China is a big country in view of the traditional bicycle, chain transmission bicycle problems, easy to swap chain, transmission efficiency, etc. Design and development of a transmission shaft type bicycle. The bike the drive shaft instead of the chain mode, front with a pair of bevel gear change direction is used in the middle drive shaft rear uses a pair of bevel gears change the direction through the ratchet mechanism and the rear wheel are connected to realize transmission, the bicycle transmission part to drive shaft, and the other parts are similar to ordinary bicycle.
Key words: Bicycle; drive shaft; bevel gear; design
傳動(dòng)軸式自行車的設(shè)計(jì)
1.傳動(dòng)方案初步確定
傳動(dòng)方案的確定
圖1-1傳動(dòng)方案的確定
該方案和普通鏈傳動(dòng)相比較有傳動(dòng)效率高，減少了鏈條式自行車因?yàn)椴季植缓盟鶐?lái)的對(duì)衣服咬合所帶來(lái)的危險(xiǎn)，也減少了鏈傳動(dòng)多邊形效應(yīng)對(duì)功率的損失和震動(dòng)噪音等產(chǎn)生，不會(huì)再出現(xiàn)關(guān)鍵時(shí)刻掉鏈子的可能，但是由于該傳動(dòng)有錐齒輪和傳動(dòng)軸組成帶來(lái)的問(wèn)題便是加工困難和成本較高。
2.傳動(dòng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
2.1動(dòng)力和轉(zhuǎn)速確定
一般腳踏以 60r/min 節(jié)奏轉(zhuǎn)動(dòng)較為合適
一般人能給自行車的轉(zhuǎn)矩在T=13000左右
2.2 圓錐齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)
2.2.1前部錐齒輪設(shè)計(jì)
按齒面強(qiáng)度設(shè)計(jì)
計(jì)算大端分度圓直徑d1選用直齒圓錐齒輪傳動(dòng)，選用直齒圓錐齒輪傳動(dòng)，自行車為一般工作機(jī)器，速度低故選用8 級(jí)精度。
機(jī)械設(shè)計(jì)表10-1 查得：
選擇小齒輪材料為40Cr（調(diào)質(zhì)），硬度為250HBS；
大齒輪材料為45 鋼（調(diào)質(zhì)），硬度為200HBS，
兩者材料硬度差為50HBS。
選小齒輪齒數(shù)Z1=17 ， 大齒輪齒數(shù)
Z2=17/0.6=28.3，取Z2=29
計(jì)算大端分度圓直徑
根據(jù)參考機(jī)械設(shè)計(jì)227頁(yè)公式10-26
估計(jì)V11m/s，并取8 級(jí)精度等級(jí)。
由機(jī)械設(shè)計(jì)194 頁(yè)圖10-8 查得： =1.05
由機(jī)械設(shè)計(jì)226 頁(yè)表10-9 查得：=1.00
而==1.5=1.51.00=1.5
取==1.0
由機(jī)械設(shè)計(jì)193 頁(yè)表10-2 查得：=1.00
故動(dòng)載系數(shù)K
==1.001.051.51.00=1.575
由機(jī)械設(shè)計(jì)201 頁(yè)表10-6 查得：
=189.8
并取=
由機(jī)械設(shè)計(jì)209 頁(yè)圖10-21d 查得齒輪1 和2 的接觸疲勞強(qiáng)度極限分別為：
=600 =550
齒輪1 和2 的工作應(yīng)力循環(huán)次數(shù)分別為：
=60600.6530010=3.2410
由機(jī)械設(shè)計(jì)207 頁(yè)圖10-19 查得：
=1.0 =1.2
取S=1故許用應(yīng)力：
===600
===660
應(yīng)取兩者中的較小者，故600
根機(jī)械設(shè)計(jì)227 頁(yè)式10-26
有萬(wàn)方數(shù)據(jù)相關(guān)資料查的T=13475左右?guī)霐?shù)據(jù)
與估計(jì)無(wú)太大差異。
分錐角
齒寬
取齒寬b=20mm。
大端模數(shù)
取m=3.25
大齒輪分度圓=3.2529=94.25mm
小齒輪分度圓=3.2517=55.25mm
錐距 mm
按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì)
由機(jī)械設(shè)計(jì)226 頁(yè)式10-23 知：
由機(jī)械設(shè)計(jì)200 頁(yè)表10-5，查取齒形系數(shù)校正系數(shù)
2.97 2.53
1.52 1.62
由機(jī)械設(shè)計(jì)208 頁(yè)圖10-20（c）得：
=550
=510
由機(jī)械設(shè)計(jì)206 頁(yè)圖10-18 得：
=0.85 =0.87
取彎曲安全系數(shù)S=1.4
=334
=317
計(jì)算大小齒輪的并加以比較：
==0.0135
==0.0129
小齒輪的數(shù)值大。
=1 1.05 1 1.5=1.575
=2.054
可見(jiàn)，由齒面疲勞強(qiáng)度計(jì)算而得的模數(shù)m 大于由齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算的模數(shù)，由于齒輪模數(shù)m 的大小主要取決于彎曲強(qiáng)度所決定的承載能力，而齒面接觸疲勞強(qiáng)度所決定的承載能力僅與齒輪直徑有關(guān)，選取齒面接觸的疲勞強(qiáng)度3.0094，取標(biāo)準(zhǔn)值m=3.25
最終效果圖如下
圖2-1錐齒輪1和錐齒輪2
2.2.2 尾部錐齒輪的設(shè)計(jì)
按齒面強(qiáng)度設(shè)計(jì)
計(jì)算大端分度圓直徑d1選用直齒圓錐齒輪傳動(dòng)，選用直齒圓錐齒輪傳動(dòng)，自行車為一般工作機(jī)器，速度低故選用8 級(jí)精度。
機(jī)械設(shè)計(jì)表10-1 查得：
選擇小齒輪材料為40Cr（調(diào)質(zhì)），硬度為250HBS；
大齒輪材料為45 鋼（調(diào)質(zhì)），硬度為200HBS，
兩者材料硬度差為50HBS。
選小齒輪齒數(shù)Z3=17 ， 大齒輪齒數(shù)
Z4=17/0.8=21.25，取Z4=22
計(jì)算大端分度圓直徑
根據(jù)參考機(jī)械設(shè)計(jì)227頁(yè)公式10-26
估計(jì)V11m/s，并取8 級(jí)精度等級(jí)。
由機(jī)械設(shè)計(jì)194 頁(yè)圖10-8 查得： =1.05
由機(jī)械設(shè)計(jì)226 頁(yè)表10-9 查得：=1.00
而==1.5=1.51.00=1.5
取==1.0
由機(jī)械設(shè)計(jì)193 頁(yè)表10-2 查得：=1.00
故動(dòng)載系數(shù)K
==1.001.051.51.00=1.575
由機(jī)械設(shè)計(jì)201 頁(yè)表10-6 查得：
=189.8
并取=
由機(jī)械設(shè)計(jì)209 頁(yè)圖10-21d 查得齒輪1 和2 的接觸疲勞強(qiáng)度極限分別為：
=600 =550
齒輪1 和2 的工作應(yīng)力循環(huán)次數(shù)分別為：
=60530010=9.010
由機(jī)械設(shè)計(jì)207 頁(yè)圖10-19 查得：
=0.97 =0.99
取S=1，故許用應(yīng)力：
==582
==544.5
應(yīng)取兩者中的較小者，故544.5
根機(jī)械設(shè)計(jì)227 頁(yè)式10-26
代入數(shù)據(jù)計(jì)算得
與估計(jì)無(wú)太大差異。
分錐角
齒寬
取齒寬b=15mm。
大端模數(shù)
取m=3.5
大齒輪分度圓=3.522=77mm
小齒輪分度圓=3.517=59.5mm
錐距 mm
按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì)
由機(jī)械設(shè)計(jì)226 頁(yè)式10-23 知：
由機(jī)械設(shè)計(jì)200 頁(yè)表10-5，查取齒形系數(shù)校正系數(shù)
2.97 2.72
1.52 1.57
由機(jī)械設(shè)計(jì)208 頁(yè)圖10-20（c）得：
=550
=510
由機(jī)械設(shè)計(jì)206 頁(yè)圖10-18 得：
=0.85 =0.87
取彎曲安全系數(shù)S=1.4
=334
=317
計(jì)算大小齒輪的并加以比較：
==0.0135
==0.0134
小齒輪的數(shù)值大。
=1 1.05 1 1.5=1.575
=2.53
可見(jiàn)，由齒面疲勞強(qiáng)度計(jì)算而得的模數(shù)m 大于由齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算的模數(shù)，由于齒輪模數(shù)m 的大小主要取決于彎曲強(qiáng)度所決定的承載能力，而齒面接觸疲勞強(qiáng)度所決定的承載能力僅與齒輪直徑有關(guān)，選取齒面接觸的疲勞強(qiáng)度3.44，取標(biāo)準(zhǔn)值m=3.5
最終效果圖
圖2-2 齒輪3和錐齒輪4
2.3對(duì)軸的初步設(shè)計(jì)
2.3.1對(duì)軸1的設(shè)計(jì)
已知條件，軸1轉(zhuǎn)矩T1=1347N mm
選軸的材料，因?yàn)閭鬟f的功率不大，并對(duì)重量及結(jié)構(gòu)尺寸無(wú)特殊要求，故有機(jī)械設(shè)計(jì)362頁(yè)表15-1選用常用材料45鋼，調(diào)制處理。
初步計(jì)算軸頸由機(jī)械設(shè)計(jì)表15-3得=103-126。取=110.則軸的直徑即為
公式中取=60r/min所以=0.085kw
所以=12.35mm
選用深溝球軸承選擇代號(hào)為6003，由機(jī)械設(shè)計(jì)332頁(yè)表13-10，由于速度不大故采用脂潤(rùn)滑。
初步對(duì)軸整體設(shè)計(jì)預(yù)選6003查手冊(cè)得：
d=17 D=35 B=10
取軸承端面到殼體內(nèi)壁距離為2mm，齒輪到殼體內(nèi)壁為10，兩端軸d勁=17部分長(zhǎng)度為：
=10+2=12
裝齒輪2的寬度預(yù)選30l=30-2=28
軸環(huán)寬度B=5 d=20 h=200.07+2=3.4 取3.5
另外還有與腳蹬相連接的部分，又對(duì)現(xiàn)有自行車的軸參考選軸總長(zhǎng)為200.
軸向定位
中間軸環(huán)，彈性卡簧，軸套等零件。
4軸上零件的周向定位
選用健配合齒輪2健 bh=66
軸承內(nèi)圈與軸過(guò)盈配合軸表面粗糙度0.8
軸承外圈與殼體間隙配合殼體表面粗糙度1.6
5軸的工藝要求或表面配合表面粗糙度3.2，其余12.5，軸端倒145
圖2-3軸1
軸的強(qiáng)度校核
由于該軸為轉(zhuǎn)軸，應(yīng)按彎扭組合強(qiáng)度進(jìn)行校核計(jì)算。
圖2-4 受力分析
根據(jù)受力分析，齒輪所受的轉(zhuǎn)矩：
T2==≈13.5N·m
齒輪作用力：Ft=2T2/ dm2=286N
Fr= Fttanα×cosδ1=80.1N
Fa= Fttanα×sinδ1=46.8N
求支反力
Rv1===49.2N
Rv2= Rv1-Fr=49.2-80.1=-30.9N
RH1= RH2===143N
求C點(diǎn)彎矩
MV1= Rv2L2=-30.9×28=-865.2N·mm
MV2= MVC1+Fa·= -865.2+46.8×=1340.25N·mm
MHC=RH2L2=143×28=4004N·mm
圖2-5 軸1彎矩
繪制扭矩圖（g）
T2==≈13.5N·m
計(jì)算合成彎矩
MC1==4096.4N·mm
MC2==4222.35N·mm
繪制扭矩圖（h）
圖2-5扭矩圖
軸的材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理，[σ-1]=25～45Mpa.從總當(dāng)量彎矩圖可以看出，截面C為危險(xiǎn)截面。
截面C為齒輪處，dC=20mm，則
σbC==8.4Mpa＜[σ-1]，軸的強(qiáng)度足夠。
2.3.2 軸2設(shè)計(jì)
選軸的材料，因?yàn)閭鬟f的功率不大，并對(duì)重量及結(jié)構(gòu)尺寸無(wú)特殊要求，故有機(jī)械設(shè)計(jì)362頁(yè)表15-1選用常用材料45鋼，調(diào)制處理。
初步計(jì)算軸頸由機(jī)械設(shè)計(jì)表15-3得=103-126。取=110.則軸的直徑即為
傳遞的功率=0.97=0.082kw n=60/0.6=100r/min
帶入數(shù)據(jù)得
所以=10.30mm
選用深溝球軸承選擇代號(hào)為6002，由機(jī)械設(shè)計(jì)332頁(yè)表13-10，由于速度不大故采用脂潤(rùn)滑。
初步對(duì)軸整體設(shè)計(jì)預(yù)選6002查手冊(cè)得：
d=15 D=32 B=9
擬定裝配方案：齒輪 軸套 軸承端蓋，
選用健配合齒輪2健 bh=55
軸承內(nèi)圈與軸過(guò)盈配合軸表面粗糙度0.8
軸承外圈與殼體間隙配合殼體表面粗糙度1.6
5軸的工藝要求或表面配合表面粗糙度3.2，其余12.5，軸端倒145.
和萬(wàn)向節(jié)連接處最小取最小直徑12，
圖2-6 軸2
軸的強(qiáng)度校核
由于該軸為轉(zhuǎn)軸，應(yīng)按彎扭組合強(qiáng)度進(jìn)行校核計(jì)算。
圖2-7 受力分析
根據(jù)受力分析，齒輪所受的轉(zhuǎn)矩：
T2==≈8.11N·m
齒輪作用力：Ft=2T2/ dm2=294.9N
Fr= Fttanα×cosδ1=82.67N
Fa= Fttanα×sinδ1=48.45N
求支反力
Rv1===74.79N
Rv2= Rv1-Fr=74.79-82.67=-7.8N
RH1= RH2===147.45N2）
求A點(diǎn)彎矩
MV1= Rv2L2=-7.8×40=-312N·mm
MV2= MVC1+Fa·= -312+48.45×=1027.8N·mm
MHC=RH2L2=147.45×40=5898N·mm
T2==≈8.11N·m
計(jì)算合成彎矩
MC1==5906.24N·mm
MC2==5986.88N·mm
軸的材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理，[σ-1]=25～45Mpa.從以上分析可以看出，截面A為危險(xiǎn)截面。
截面A為齒輪處，dA=20mm，則
σbC==8.25 Mpa＜[σ-1]，軸的強(qiáng)度足夠。
2.3.3軸3設(shè)計(jì)
選軸的材料，因?yàn)閭鬟f的功率不大，并對(duì)重量及結(jié)構(gòu)尺寸無(wú)特殊要求，故有機(jī)械設(shè)計(jì)362頁(yè)表15-1選用常用材料45鋼，調(diào)制處理。
初步計(jì)算軸頸由機(jī)械設(shè)計(jì)表15-3得=103-126。取=110.則軸的直徑即為
傳遞的功率為=0.98=0.0803 n=100r/min
代入數(shù)據(jù)得
=10.22mm
選用深溝球軸承選擇代號(hào)為6002，由機(jī)械設(shè)計(jì)332頁(yè)表13-10，由于速度不大故采用脂潤(rùn)滑。
初步對(duì)軸整體設(shè)計(jì)預(yù)選6002查手冊(cè)得：
d=15 D=32 B=9
擬定裝配方案：齒輪 軸套 軸承端蓋，
選用健配合齒輪2健 bh=55
軸承內(nèi)圈與軸過(guò)盈配合軸表面粗糙度0.8
軸承外圈與殼體間隙配合殼體表面粗糙度1.6
5軸的工藝要求或表面配合表面粗糙度3.2，其余12.5，軸端倒145.
和萬(wàn)向節(jié)連接處最小取最小直徑12，
圖2-8 軸3
軸的強(qiáng)度校核
由于該軸為轉(zhuǎn)軸，應(yīng)按彎扭組合強(qiáng)度進(jìn)行校核計(jì)算。
圖2-9 受力分析
根據(jù)受力分析，齒輪所受的轉(zhuǎn)矩：
T2==≈7.92N·m
齒輪作用力：Ft=2T2/ dm2=205.17N
Fr= Fttanα×cosδ1=52.73N
Fa= Fttanα×sinδ1=40.77N
求支反力
Rv1===65.6N
Rv2= Rv1-Fr=65.6-52.73=12.87N
RH1= RH2===102.58N
求A點(diǎn)彎矩
MV1= Rv2L2=12.87×40=514.8N·mm
MV2= MVC1+Fa·= 514.8+40.77×=2084N·mm
MHC=RH2L2=102.58×40=4103.2N·mm
T2==≈7.92N·m
計(jì)算合成彎矩
MC1==4135N·mm
MC2==4602N·mm
軸的材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理，[σ-1]=25～45Mpa.從以上分析可以看出，截面A為危險(xiǎn)截面。
截面A為齒輪處，dA=20mm，則
σbC==8.08 Mpa＜[σ-1]，軸的強(qiáng)度足夠。
2.4傳動(dòng)軸設(shè)計(jì)
由機(jī)械設(shè)計(jì)公式15-3
材料選擇45鋼 取=0.5 =110 P=0.82kw n=100
代入數(shù)據(jù)計(jì)算得 10.51mm
為了滿足強(qiáng)度要求=12mm =6mm
設(shè)作用于十字軸軸頸中點(diǎn)的力為F，則
==851.984N
十字軸軸頸根部的彎曲應(yīng)力σw和切應(yīng)力τ應(yīng)滿足
σw=≤[σw]
τ=≤[τ]
式中，取十字軸軸頸直徑d1=6mm，十字軸油道孔直徑d2=3mm，合力F作
用線到軸頸根部的距離s=2.5mm，[σw]為彎曲應(yīng)力的許用值，為250-350Mpa，[τ]為切應(yīng)力的許用值，為80-120 Mpa
∴σw==
=107Mpa<[σw]
τ= =
=40 Mpa<[τ]
故十字軸軸頸根部的彎曲應(yīng)力和切應(yīng)力滿足校核條件
十字軸效果圖如下
圖2-10 十字軸萬(wàn)向節(jié)
十字軸滾針的接觸應(yīng)力應(yīng)滿足
σj=272≤[σj]
式中，取滾針直徑d0=2mm，滾針工作長(zhǎng)度Lb=5mm，在合力F作用下一個(gè)滾針?biāo)艿淖畲筝d荷Fn=
即 =326.593N
當(dāng)滾針和十字軸軸頸表面硬度在58HRC以上時(shí)，許用接觸應(yīng)力[σj]為3000-3200 Mpa
∴σj=272=
=1.97 Mpa<[σj]
故十字軸滾針軸承的接觸應(yīng)力校核滿足
傳動(dòng)軸強(qiáng)度校核
按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件
τT=T/WT≈≤[τT]
式中，τT為扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，取軸的轉(zhuǎn)速n=100r/min，軸傳遞的功率P=0.085kw，Dc=12mm，dc=6mm分別為傳動(dòng)軸的外內(nèi)直徑，根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)表15-3得[τT]為25-45 Mpa
即=25 Mpa<[τT]
故傳動(dòng)軸的強(qiáng)度符合要求
傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)速校核及安全系數(shù)
傳動(dòng)軸的臨界轉(zhuǎn)速為
nk=1.2×108
式中，取傳動(dòng)軸的支承長(zhǎng)度Lc=400mm, dc=6mm, Dc=12mm分別為傳動(dòng)軸軸管的內(nèi)外直徑, nmax=100 r/min
∴nk=1.2×108×=6495r/min
6495遠(yuǎn)大于100所以軸管臨界轉(zhuǎn)速合格。
傳動(dòng)軸軸管斷面尺寸除應(yīng)滿足臨界轉(zhuǎn)速要求以外，還應(yīng)保證有足夠的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度。
軸管的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力τc=≤[τc]
式中[τc]=300 Mpa
∴τc=
=0.544 Mpa<[τc]
∴軸管的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力校核符合要求.
對(duì)于傳動(dòng)軸上的花鍵軸，通常以底徑計(jì)算其扭轉(zhuǎn)應(yīng)力τh，許用應(yīng)力一般按安全系數(shù)2-3確定
τh =
式中,取花鍵軸的花鍵內(nèi)徑dh=18mm，外徑Dh=22mm,
∴τh ==11.77 Mpa
傳動(dòng)軸花鍵的齒側(cè)擠壓應(yīng)力σy應(yīng)滿足
σy=T1K’/Lhn0≤[σy]
式中,取花鍵轉(zhuǎn)矩分布不均勻系數(shù)K’=1.35,花鍵的有效工作長(zhǎng)度Lh=40mm，花鍵齒數(shù)n0=6當(dāng)花鍵的齒面硬度大于35HRC時(shí)：許用擠壓應(yīng)力[σy]=25-50 Mpa
∴σy=
=31.89Mpa <[σy]
∴傳動(dòng)軸花鍵的齒側(cè)擠壓應(yīng)力σy滿足要求
傳動(dòng)軸華健效果圖如下
圖2-11 傳動(dòng)軸花鍵
傳動(dòng)軸最終效果圖如下
圖2-12 傳動(dòng)軸整體圖
3. 對(duì)自行車局部的改造
3.1 對(duì)車架改造
以現(xiàn)有的自行車架為基礎(chǔ)對(duì)其進(jìn)行改造以適應(yīng)對(duì)傳動(dòng)軸齒輪箱體的合理布局能夠使傳動(dòng)軸和自行車架結(jié)合到一體
圖3-1 改造后的車架
對(duì)1處采用圖示的改造，使該處能夠與齒輪箱相連接，對(duì)2處的改造如上圖所示，此處的改造是提高原本在底處的車架，為了減少對(duì)傳動(dòng)軸的干擾。
3.2對(duì)棘輪的改造
圖3-2 改造后的棘輪機(jī)構(gòu)
把原有的最外圈和小鏈輪連接的棘輪機(jī)構(gòu)改造成如上圖所示的結(jié)構(gòu)，使其能夠與上圖所示的錐齒輪相配合到一起，實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)。
最終的自行車裝配圖如下
圖3-3總體裝配圖
4. 對(duì)齒輪箱結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)計(jì)
機(jī)體的結(jié)構(gòu)尺寸
機(jī)座壁厚=
取機(jī)座壁厚為8
機(jī)蓋壁厚
取機(jī)蓋壁厚為8
機(jī)座凸緣厚度b=1.5=12
機(jī)蓋凸緣厚度=1.5=12
與車架連接螺栓直徑=
取=12
軸承旁連接螺栓直徑=9
機(jī)蓋與機(jī)座連接螺栓直徑（0.5~0.6）=6
軸承端蓋螺釘直徑=（0.4~0.5）=4.8
取=5
潤(rùn)滑與密封
由于齒輪速度較低選用脂潤(rùn)滑齒輪選用7407號(hào)齒輪潤(rùn)滑脂，軸承的潤(rùn)滑采用滾珠軸承潤(rùn)滑脂，采用氈圈密封。
5總結(jié)
經(jīng)歷了四年的學(xué)習(xí)，畢業(yè)設(shè)計(jì)終于告一段落。這也是在以前學(xué)習(xí)中一直沒(méi)有遇到過(guò)的，這次畢業(yè)設(shè)計(jì)讓我深深體會(huì)到了機(jī)械設(shè)計(jì)的嚴(yán)謹(jǐn)，復(fù)雜，系統(tǒng)性的設(shè)計(jì)一個(gè)傳動(dòng)軸自行車完全不像以往設(shè)計(jì)一個(gè)零件那么簡(jiǎn)單，其中一個(gè)小錯(cuò)誤都有可能導(dǎo)致最后傳動(dòng)軸自行車的設(shè)計(jì)錯(cuò)誤。最終實(shí)現(xiàn)對(duì)傳動(dòng)軸自行車的設(shè)計(jì)，本設(shè)計(jì)的有點(diǎn)改觀了自行車傳動(dòng)方式，傳動(dòng)軸自行車能夠更高效率的傳動(dòng)人的動(dòng)力，改變了因?yàn)殒渹鲃?dòng)所帶來(lái)的一些缺點(diǎn)，比如鏈傳動(dòng)所帶來(lái)的對(duì)褲子的咬合，有鏈傳動(dòng)多邊形效應(yīng)帶來(lái)的震動(dòng)和噪音，這種方式的自行車如果在市場(chǎng)推出肯定有不錯(cuò)的市場(chǎng)一是這種傳動(dòng)的新穎，最主要還是傳動(dòng)的效率高在同等條件下的鏈傳動(dòng)自行車相比較會(huì)感覺(jué)更省力，通過(guò)對(duì)自行車的三維建模使我更熟練的掌握使用solidworks和CAD，最后感謝指導(dǎo)老師的辛勤指導(dǎo)使我少走彎路更好的完成我的畢業(yè)設(shè)計(jì)。
致 謝
首先，我要感謝我的指導(dǎo)老師李宜峰老師，他嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致、一絲不茍的作風(fēng)一直是我工作、學(xué)習(xí)中的榜樣，給了起到了指明燈的作用；他們循循善誘的教導(dǎo)和不拘一格的思路給予我無(wú)盡的啟迪，讓我很快就感受到了設(shè)計(jì)的快樂(lè)并融入其中。其次我要感謝同組同學(xué)對(duì)我的幫助和指點(diǎn)，沒(méi)有他們的幫助和提供資料，沒(méi)有他們的鼓勵(lì)和加油，這次畢業(yè)設(shè)計(jì)就不會(huì)如此的順利進(jìn)行。
此次畢業(yè)設(shè)計(jì)歷時(shí)三個(gè)月，是我大學(xué)學(xué)習(xí)中遇到過(guò)的時(shí)段最長(zhǎng)、涉及內(nèi)容最廣、工作量最大的一次設(shè)計(jì)。用老師的一句話概括就是這次畢業(yè)設(shè)計(jì)相當(dāng)如是把以前的小課程設(shè)計(jì)綜合在一起的過(guò)程，只要把握住每個(gè)小課設(shè)的精華、環(huán)環(huán)緊扣、增強(qiáng)邏輯，那么這次的任務(wù)也就不難了。我此次的任務(wù)是做一個(gè)項(xiàng)目的招標(biāo)文件。雖說(shuō)老師說(shuō)的話讓此次的畢業(yè)設(shè)計(jì)看起來(lái)不是那么的可怕，但是當(dāng)我真的開(kāi)始著手時(shí)，還的確是困難重重。
俗話說(shuō)的好，“磨刀不誤砍柴工”，當(dāng)每次遇到不懂得問(wèn)題時(shí)，我都會(huì)第一時(shí)間記在本子上面，然后等答疑的時(shí)候問(wèn)兩位老師，老師對(duì)于我提出來(lái)的問(wèn)題都一一解答，從來(lái)都不會(huì)因?yàn)槲业膯?wèn)題稍過(guò)簡(jiǎn)單加以責(zé)備，而是一再的告誡我做設(shè)計(jì)該注意的地方，從課題的選擇到項(xiàng)目的最終完成，老師都始終給予我細(xì)心的指導(dǎo)和不懈的支持，他們真正起到了“傳道授業(yè)解惑疑”的作用，讓人油然而生的敬佩。除此之外，我們組和老師還有另外兩個(gè)交流途徑：打電話和上網(wǎng)，為此老師還特意建立一個(gè)群，以便大家第一時(shí)間接收到畢業(yè)設(shè)計(jì)的最新消息和資料，每次大家都在群不亦樂(lè)乎的討論著畢業(yè)設(shè)計(jì)的事情。多少個(gè)日日夜夜，兩位老師不僅在學(xué)業(yè)上給我以精心指導(dǎo)，同時(shí)還在思想、生活上給我以無(wú)微不至的關(guān)懷，除了敬佩老師們的專業(yè)水平外，他們的治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)和科學(xué)研究的精神也是我永遠(yuǎn)學(xué)習(xí)的榜樣，并將積極影響我今后的學(xué)習(xí)和工作。在此謹(jǐn)向xx老師致以誠(chéng)摯的謝意和崇高的敬意。
在論文即將完成之際，我的心情無(wú)法平靜，從開(kāi)始進(jìn)入課題到論文的順利完成，有多少可敬的師長(zhǎng)、同學(xué)、朋友給了我無(wú)言的幫助，在這里請(qǐng)接受我誠(chéng)摯的謝意! 最后我還要感謝機(jī)電學(xué)院和我的母校塔里木大學(xué)四年來(lái)對(duì)我的栽培。
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24
12 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)
傳動(dòng)軸自行車
設(shè)計(jì)說(shuō)明書
學(xué)生姓名 郝良慶
學(xué) 號(hào) 8011208105
所屬學(xué)院 機(jī)械電氣化工程學(xué)院
專 業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
班 級(jí) 機(jī)械12-1
指導(dǎo)教師 李宜峰
日 期 2012.5
塔里木大學(xué)教務(wù)處制
前 言
在科技日益發(fā)達(dá)的當(dāng)今社會(huì)，新型技術(shù)不斷被研發(fā)并輻射到社會(huì)的實(shí)際運(yùn)用中去，隨著人們環(huán)境意識(shí)的不斷增強(qiáng)，人們都在尋著能夠省時(shí)省力節(jié)能的新型代步工具！都在為共創(chuàng)和諧的節(jié)約型社會(huì)而努力！
隨著居民生活水平的不斷提高，自行車的使用不僅僅再是普通的代步工具，而逐漸成為人們娛樂(lè)、休閑、鍛煉的首選工具。行駛途中，可以當(dāng)做普通自行車騎行鍛煉身體，隨著時(shí)間的推移，原始簡(jiǎn)單的鏈傳動(dòng)自行車已不再滿足人們的心里，人們都希望完善自行車的傳動(dòng)方式功用，以給人們帶來(lái)更多的方便。
從早期的自行車雛型出現(xiàn)，到今天種類繁多、形式多樣的自行車產(chǎn)品，已經(jīng)歷了近200年的歷史，隨著社會(huì)的發(fā)展、技術(shù)的進(jìn)步、產(chǎn)品的更新、生活節(jié)奏的加快, 人們?cè)谙硎芪镔|(zhì)生活的同時(shí), 更加注重產(chǎn)品的方便、舒適、可靠、價(jià)值、安全、效率等人機(jī)性能, 創(chuàng)新設(shè)計(jì)即充分發(fā)揮人的創(chuàng)造才能,利用技術(shù)原理進(jìn)行創(chuàng)新構(gòu)思的設(shè)計(jì)實(shí)踐活動(dòng)，其目的是為人類社會(huì)提供富有新穎性和先進(jìn)性的產(chǎn)品.因此，創(chuàng)新設(shè)計(jì)的基本特征是新穎性和先進(jìn)性。“新穎性”就是設(shè)計(jì)者不拘于前人或別人已有的成就,敢于根據(jù)從未嘗試過(guò)的想法去進(jìn)行新的探索,設(shè)計(jì)出別具一格的產(chǎn)品。“先進(jìn)性”就是設(shè)計(jì)的產(chǎn)品不僅應(yīng)標(biāo)新立異，而且在技術(shù)水平上比現(xiàn)有的類似產(chǎn)品要超前一步，即在功能、性能、結(jié)構(gòu)等方面顯示出新的特點(diǎn)和實(shí)質(zhì)性的改進(jìn)，創(chuàng)新設(shè)計(jì)即充分發(fā)揮人的創(chuàng)造才能，任何一種設(shè)計(jì)都離不開(kāi)創(chuàng)新，工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域中,無(wú)論是對(duì)傳統(tǒng)產(chǎn)品的改進(jìn)性設(shè)計(jì),還是對(duì)新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)性設(shè)計(jì)都需要?jiǎng)?chuàng)新。因此,對(duì)自行車進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)和概念設(shè)計(jì)具有重要意義，對(duì)傳動(dòng)軸自行車設(shè)計(jì)通過(guò)對(duì)鏈輪改造，把前鏈輪改造成一對(duì)錐齒輪傳動(dòng) 中間通過(guò)傳動(dòng)軸代替鏈條，后輪在通過(guò)一對(duì)錐齒輪改變傳動(dòng)的方向設(shè)計(jì)要求
由于設(shè)計(jì)的水平有限，設(shè)計(jì)中難免存在錯(cuò)誤和不當(dāng)之處，懇請(qǐng)各位老師批評(píng)指正。
目 錄
1. 傳動(dòng)方案初步確定……………………………………………………………………….1
2. 傳動(dòng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)…………………………………………………………………….…….1
2.1動(dòng)力和轉(zhuǎn)速確定…………………………………………………….................................1
2.2 圓錐齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)………………………………………................................................1
2.2.1前部錐齒輪設(shè)計(jì)………………………………………………………………….....1
2.2.2 尾部錐齒輪的設(shè)計(jì)………………………………………………………...……….5
2.3 對(duì)軸的初步設(shè)計(jì)……………………………………………………………………..…8
2.3.1對(duì)軸1的設(shè)計(jì)……………………………………………..………………………..8
2.3.2 對(duì)軸2的設(shè)計(jì)……………………………………………………………………..12
2.3.3 對(duì)軸3的設(shè)計(jì)………………………………………………………………..……..14
2.4傳動(dòng)軸設(shè)計(jì)…………………………………………………………..…………….……16 3. 對(duì)自行車局部的改造………………………...……………………………………....……20
3.1 對(duì)車架改造……………………………………………………………….………….….20
3.2對(duì)棘輪的改造……………………………………………………………………………20
4. 對(duì)齒輪箱結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)計(jì) ……………………………………………………….……. 21
5.總結(jié)…………………………………………...………………………………………….……22
致謝………………………………………………………………………………………………23
參考文獻(xiàn)…………………………………………………….…………………….…………….24