自行車無級變速器的結(jié)構(gòu)設(shè)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 controlIII1引言1.1 機械式無級變速器的定義及其應(yīng)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(shè)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(gòu)、實現(xiàn)傳動變速機構(gòu)、調(diào)速裝置、加壓盤裝置等零部件組成的一種傳動裝置。該機構(gòu)的主要特點是：在輸入機構(gòu)中輸入轉(zhuǎn)速保持不變的條件下，輸出機構(gòu)中的輸出轉(zhuǎn)速能夠在一定傳動比的范圍內(nèi)隨意且不斷的變化，即使得速度在傳動比范圍內(nèi)任意的變化，從而有利于大至企業(yè)生產(chǎn)設(shè)備在不同生產(chǎn)要求及工藝條件下實現(xiàn)產(chǎn)品的生產(chǎn)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(xiàn)變速具有轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，鋼球式的轉(zhuǎn)動使其滑動率較小，傳動的效率很高。該裝置機構(gòu)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(yīng)用范圍很廣，主要表現(xiàn)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(lǐng)域中，不能被應(yīng)用于扭矩較大的發(fā)動機，在此領(lǐng)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(chǎn)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(jù)新聞消息了解，東風(fēng)日產(chǎn)現(xiàn)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(lǐng)域的一個突破。2）、在輸入功率不變的情況下，因為產(chǎn)品工藝要求或是生產(chǎn)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(diào)整不同的速度以達到不同生產(chǎn)要求，實現(xiàn)不同的目的，例如：在福耀玻璃公司的預(yù)處理生產(chǎn)線上有的噴粉液、玻璃膠等需要根據(jù)其不同的粘稠度使用不同的速度進行攪拌，攪拌機械設(shè)備根據(jù)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(shè)備還有車床、銑床、卷繞機等；3）、在工業(yè)生產(chǎn)以及建筑工地中需要根不同的工況要求來調(diào)節(jié)所需要不同的速度，例如：在福耀玻璃公司生產(chǎn)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(xiàn)的，與其類似的還有起重運輸機械設(shè)備，此機械設(shè)備在運輸不同的物料隨不同區(qū)域地點的變化相應(yīng)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(diào)節(jié)轉(zhuǎn)移速度； 4）、一些生產(chǎn)設(shè)備需要通過調(diào)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(chǎn)線中對PVB膜片進行鎢絲的繞線機設(shè)備需保持恒定的卷繞速度；5）、為了節(jié)約資源對一些設(shè)備需要在不同的時間階段進行調(diào)速，例如：福耀玻璃公司生產(chǎn)線中大量的水泵在不同的情況下調(diào)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(fēng)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(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)自動化的生產(chǎn)，工業(yè)PLC的程序控制?？傊?，機械式無級變速器具有價格便宜，結(jié)構(gòu)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?qū)崿F(xiàn)適應(yīng)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(chǎn)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(jīng)有超過數(shù)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(xué)技術(shù)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(chǎn)，使各類產(chǎn)品的快速增長得到了廣泛的應(yīng)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(shè)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?yán)酶軛U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(lián)接起來，騎車手只要反復(fù)的蹬腳踏板，就可以驅(qū)使自行車向前進。1865年法國拉里門將后輪驅(qū)動改為前輪驅(qū)動,即將曲柄為前輪，前輪驅(qū)動, 提高了行車速度。同時保持前輪旋轉(zhuǎn)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(xiàn)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(xiàn)代自行車的雛形的標(biāo)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(xiàn)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(nèi)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(jīng)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(nèi)機械無級變速器的發(fā)展，在第二十世紀(jì)60年代末才開始興起，基本上主要應(yīng)用于一些專業(yè)的機械設(shè)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(chǎn)的通用，品種不多，產(chǎn)量少。直到八十年代，大量的引進了國外先進設(shè)備，現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)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(chǎn)，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(gòu)型式，滿足了市場與生產(chǎn)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(gòu)一一簡歷。定期出版和學(xué)術(shù)信息交流的WebEx會議。90年代以來，我國制定了機械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)共計14個。隨著不斷的發(fā)展，國內(nèi)的機械式無級變速器產(chǎn)業(yè)發(fā)展為機械領(lǐng)域中的一個新興產(chǎn)業(yè)。目前，該產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)研發(fā)主要是基于國外的先進技術(shù)，主要產(chǎn)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?zhǔn)綗o級變速器：刮板鏈，鏈條，鏈卷。隨著國內(nèi)在該領(lǐng)域技術(shù)的逐漸成熟，近年來，國內(nèi)主要的機械式無級變速器的新發(fā)展趨勢，開發(fā)和生產(chǎn)的：1）、汽車無級變速器的研究與開發(fā)：國內(nèi)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(chǎn)；進口關(guān)鍵部件金屬鋼帶也將生產(chǎn)。2）、原有的產(chǎn)品創(chuàng)新提高：在原行星錐盤無級變速器的基礎(chǔ)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(chǔ)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(xiàn)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(xiàn)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(gòu)，車椅式垂直領(lǐng)導(dǎo)的轉(zhuǎn)向機構(gòu)，杠桿式無級變速傳動機構(gòu)。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(zhuǎn)向齒輪自行車龍頭驅(qū)動輪。該裝置主體風(fēng)格，更奇特但乘坐舒適，更安全，可折疊攜帶。2）、往復(fù)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(fù)運動，隨著手的引導(dǎo)角度或長度的唯一直接將搖臂實現(xiàn)無級變速，高效能驅(qū)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(qū)動前輪和自行車上的連接后導(dǎo)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(cè)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(qū)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(zhuǎn)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(shè)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(jié)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(jié)構(gòu)簡單，方便靈活的調(diào)速，耐用，適用于各種車型。5）、人力腳踏驅(qū)動式無級變速自行車 在中軸線兩側(cè)的車架，安裝包括錐相對速度驅(qū)動輪，驅(qū)動輪兩側(cè)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(cè)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(nèi)側(cè)設(shè)有單向旋轉(zhuǎn)棘輪驅(qū)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(xiàn)無級調(diào)速，快速轉(zhuǎn)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(xiàn)有的電力自行車傳動機構(gòu)。自行車的動力傳動機構(gòu)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(qū)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(lǐng)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(xiàn)自行車，傳動平穩(wěn)，噪音低無級變速，操作方便，調(diào)速，調(diào)速范圍大；無級變速自行車的同時，結(jié)構(gòu)簡單，加工方便，可實現(xiàn)大批量生產(chǎn)。1.4機械式無級變速器研究的目的和意義關(guān)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(shè)計為前后雙齒輪組。無級變速自行車可以實現(xiàn)速比的連續(xù)變化，對前、后齒輪的記憶復(fù)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(cè)，導(dǎo)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(zhuǎn)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(zhuǎn)動旋鈕即可實現(xiàn)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(gòu)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(zhuǎn)彎問題 采取前輪小后輪大的設(shè)計方式，增加了轉(zhuǎn)彎的靈活性。由于主要構(gòu)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(yīng)時代的發(fā)展，以人為本，讓更多的人通過設(shè)計變頻調(diào)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?zhǔn)綗o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?zhǔn)綗o級變速器和鋼球外錐式無級變速器，分別描述如下。2.1 鏈?zhǔn)綗o級變速器的分析 圖2-1 鏈?zhǔn)綗o級變速器鏈?zhǔn)綗o級變速器是一個鋼制柔性變速驅(qū)動。此變速器的磨損率的130，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(jié)構(gòu)緊湊，使用壽命長，鏈條對于鏈輪表面的損壞程度較低，。鏈?zhǔn)綗o級變速器的缺點是：制造成本高，運行速度過高會導(dǎo)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?zhǔn)綗o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(dǎo)向鍵、花鍵、變速傳動鏈等零部件構(gòu)成。其工作原理是：依靠兩對可以軸向移動的錐輪通過導(dǎo)向鍵聯(lián)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(guān)節(jié)聯(lián)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(guān)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(guān)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(yīng)位置，實現(xiàn)無級變速。除了以上的傳動機構(gòu)外，還有使鏈輪驅(qū)動調(diào)速機構(gòu)、夾緊力使鏈、連鎖機構(gòu)等。鏈?zhǔn)綗o極變速器由于其傳遞的轉(zhuǎn)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?zhǔn)綗o級變速器具有變功率、變轉(zhuǎn)矩特性。在較低的輸出轉(zhuǎn)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(yīng)將鏈?zhǔn)綗o級變速器的速度比調(diào)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(diào)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(nèi)，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(zhuǎn)動，鋼球與主動輪表面有接觸，通過摩擦力作用，主動輪轉(zhuǎn)動帶動鋼球旋轉(zhuǎn)，而鋼球旋轉(zhuǎn)通過摩擦力又帶動從動輪轉(zhuǎn)動。同樣，從動輪通過加壓裝置帶動輸出軸轉(zhuǎn)動，將動力輸出。進行調(diào)速時通過兩對斜齒輪轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速得到調(diào)節(jié)。這種變速器應(yīng)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(shù)量與轉(zhuǎn)動鋼球的數(shù)量一樣多.當(dāng)從動輪轉(zhuǎn)動時,曲線槽會迫使鋼球繞鋼球的軸心上下擺動,從而導(dǎo)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(xiàn)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分別安裝在軸和軸上，鋼球3可繞軸4自由的轉(zhuǎn)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?zhǔn)綗o級變速器的制造成本高，運行速度過高會導(dǎo)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(jié)構(gòu)簡單，原理清晰，所有參數(shù)也符合設(shè)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(shè)計與計算鋼球外錐式無級變速器零件的設(shè)計與計算主要包括調(diào)速機構(gòu)，鋼球與主從動錐齒輪，輸入輸出軸上軸承，調(diào)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(shè)計與計算，以下各章節(jié)分別介紹以上各零部件的設(shè)計與計算。3.1 調(diào)速機構(gòu)的設(shè)計與計算調(diào)速機構(gòu)采用一對傳動比較平穩(wěn)的斜齒輪來分度調(diào)速，在設(shè)計過程中，為了確保主動斜齒輪轉(zhuǎn)動1200，從動斜齒輪跟著轉(zhuǎn)動900 ，那么只要將主動斜齒輪的直徑設(shè)計成從動斜齒輪的3/4，就可實現(xiàn)這一目的。根據(jù)斜齒輪的設(shè)計方法，主要對斜齒輪的模數(shù)、螺旋角、法面壓力、端面壓力、齒距、直徑等參數(shù)進行設(shè)置。（1）、從動斜齒輪的設(shè)計與計算模數(shù) 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(shù) 法面頂隙系數(shù) 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(dāng)量齒數(shù) (2)、主動斜齒輪的設(shè)計與計算模數(shù) 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(dāng)量齒數(shù) 其余參數(shù)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(zhuǎn)過1200，所以該斜齒輪只需設(shè)計成不完全齒輪。3.2 鋼球與主從動錐輪的設(shè)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(zhuǎn)速與輸出轉(zhuǎn)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(zhuǎn)動的角度范圍等參數(shù)的設(shè)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(xué)知識可得：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： 根據(jù)材料力學(xué)元器件許用應(yīng)力參考可知傳動件的j=170500 Mpa 帶入上式得：，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/(0.751.22)=189.7116.6 r/min傳動比 變速范圍 鋼球支軸的極限轉(zhuǎn)角 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)經(jīng) 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 mm3.3 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(dāng)量載荷為 N 軸承1的當(dāng)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(dāng)量載荷為 N 軸承2的當(dāng)量載荷為N所以 Lh1=1127.3 h Lh2= h3.4 調(diào)速齒輪上變速曲線槽的設(shè)計與計算槽的張角=800120 ,取=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(biāo)系（以O(shè)為極點）分別為：時, mm其中：（0.51.0）=（0.51.0）=15.5 mm I=1時 ，B= =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(zhuǎn)角呈線性變化時，槽形曲線方程為：R（）=0.5D3+lsin =0.5D3+lsinarctan =0.571.7+15.5sinarctan =35.85+15.5sin(arctan)3.5 輸入輸出軸上端蓋的設(shè)計與計算主要是對端蓋各尺寸的設(shè)計與計算，端蓋密封圈的設(shè)計與計算。密封圈的設(shè)計如圖3-5.1所示 軸徑 mm ， mm ， mm ， mm端蓋的設(shè)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=D1015 mm mm D6=24=32 mm mm , mm , mm3.6 輸入軸、輸出軸的設(shè)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(shè)計與計算（1）、輸入軸上傳遞的功率為 kw轉(zhuǎn)速 n1=189.7116.6 r/min ,取 n1=135 r/min轉(zhuǎn)矩 T1=9550000=9550000=28572 Nmm（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(diào)質(zhì)處理，取A0=100，于是得：dmin = =100=14.4 mm ，取 dmin=14.5 mm（4）、軸的機構(gòu)設(shè)計圖3-6,2 輸入軸如圖3-6.2所示，-段裝飛輪，-段裝端蓋，-段裝軸承，規(guī)格是d1=17 mm，-段為軸肩，d=19.4 mm，-段裝軸承，規(guī)格d2=12 mm，- ,-段裝壓緊裝置以及裝錐輪。 (5)、軸上的載荷計算-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(shè)計【1】表9-7，9-13，單排鏈 kw r/min由PCA和n的值查機械設(shè)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(shù)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 NmmCA=34.7 Mpa-1=60 Mpa 鍵槽處軸的校核 W(c)=224.7 （AC）= 57.22 Mpa CA=60 Mpa（7）、鍵強度的校核平鍵的尺寸為 ，鍵槽軸深 p=147.8 Mpa p=120150 Mpa滿足條件花鍵校核 p=2T103/(zhldm) 其中： 為載荷分配不均系數(shù)，取0.8花鍵齒數(shù) 齒的工作長度 mm 花鍵齒側(cè)的工作高度 mm 花鍵的平均直徑 mm p=41.34 Mpa p=4070 Mpa 花鍵的連接情況是：使用或制造情況不良，齒面未經(jīng)熱處理，故滿足要求2）、輸出軸的設(shè)計與計算（1）、輸出軸上的傳遞功率為 kw轉(zhuǎn)速 r/min于是轉(zhuǎn)矩 T2= =9550000=23311.9 Nmm（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(diào)質(zhì)處理，取A0=100，于是得：dmin = =100=13.5 mm 取d=14.5 mm（4）、軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計圖3-6.4輸出軸只有-段不一樣，輸出軸-段裝的是后輪軸。這樣設(shè)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： NmmA處校核 CA=52.3 Mpa CA MpaC出校核W(c)=224.7（AC）=41.5 Mpa CA=60 Mpa故校核安全（8）、鍵強度的校核 平鍵的尺寸為，鍵槽軸深p=26.8 Mpa p=120150 Mpa滿足條件花鍵校核p=2T103/(zhldm)其中： 為載荷分配不均系數(shù)，取0.8花鍵齒數(shù) mm 齒的工作長度 花鍵齒側(cè)的工作高度 mm 花鍵的平均直徑 mm p=29.99 Mpa p=4070 Mpa花鍵的連接情況是：使用或制造情況不良，齒面未經(jīng)熱處理，故滿足要求3.7 加壓盤的設(shè)計與計算加壓盤的作用直徑 = (0.50.6) D1 = (0.50.6) 54 = 2732.4 mm取 mm滑動摩擦角加壓盤V形槽傾角 =arctan =14.850傳動鋼球的確接觸應(yīng)力為 =1353=1353=2251.35 Mpa j每個鋼球作用在V形槽側(cè)面的正壓力 Qy= =651.6 N用鋼球加壓裝置時 jmax=1370=1370 =4865.6 Mpa j其中：j為40005000 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(cè)。變速器的主動調(diào)速齒輪上安裝搖桿，該搖桿可以伸縮，這樣在不調(diào)速時保證搖桿空間尺寸較小。搖桿可轉(zhuǎn)動1200，這樣可帶動從動調(diào)速論轉(zhuǎn)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(diào)整與使用方法4.1 自行車變速器的調(diào)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(diào)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(dǎo)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(dǎo)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(jù)道路和阻力狀況，自行調(diào)整自行車傳動速比和扭矩大小的機械變速機構(gòu)，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(zhuǎn)數(shù)來決定前齒盤(中軸)1分鐘的旋轉(zhuǎn)數(shù)。那么旋轉(zhuǎn)數(shù)多少較適合呢？要根據(jù)腳力、技巧、心肺機能不同而各異。一般7080rpm 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(fēng)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(yīng)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(jié)論本次自行車無級變速器的設(shè)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(xí)更加讓我對機械行業(yè)充滿了興趣。在本次設(shè)計過程中不僅讓我學(xué)到了機械設(shè)計方面的知識，通過實踐與知識結(jié)合，不僅提高了自己機械設(shè)計的整體綜合素質(zhì)，同時也使得自己對機械設(shè)計有了更深的了解。總之，機械設(shè)計，是一門綜合性相當(dāng)強的技術(shù)課程，它融合了大學(xué)期間所學(xué)的課程。在設(shè)計過程中存在的問題：（1）、對于一些零件的尺寸設(shè)計公式的理解與應(yīng)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(shè)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(xué).東南大學(xué)出版社,2009.2邱宣懷主編.機械設(shè)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(shè)計課程設(shè)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(shè)計手冊.天津冶金工業(yè)出版社,1980.7徐灝主編.機械設(shè)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(shè)計手冊編委會主編.減速器和變速器M.第四版.北京機械設(shè)計出版社,2007.10周良德、朱泗芳主編.現(xiàn)代工程圖學(xué).湘潭湖南科學(xué)技術(shù)出版社,2000.11傅水根主編.機械制造工藝學(xué)基礎(chǔ).清華大學(xué)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(xué)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(xué),成都四川大學(xué)出版社.15周有強、崔學(xué)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(nèi)外通用標(biāo)準(zhǔn)件手冊.南京江蘇科技出版,2006.17周有強.崔學(xué)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(shè)計與選用指南M.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1999.致謝本文的完成得到來自各方面的指導(dǎo)與幫助，特別要感謝指導(dǎo)老師陳金蘭老師，在陳老師的悉心指導(dǎo)下，我的畢業(yè)設(shè)計才得以按時的完成，也是老師的教導(dǎo)讓我通過這次畢業(yè)設(shè)計更加深入的了解了自己所學(xué)的這個專業(yè)。畢業(yè)設(shè)計的時間雖然不長，通過這次設(shè)計卻讓我更加鞏固了以往三年所學(xué)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(xué)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(shè)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(shè)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(shè)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(xué)習(xí)過程中應(yīng)該要不斷擴展閱讀，并且閱讀的同時還應(yīng)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(chǔ)。最后，再次感謝這個過程中給予我很大幫助的指導(dǎo)老師，感謝您耐心的為我修改設(shè)計和熱心的指導(dǎo)。- 36 -