畢業(yè)設計論文自行車傳動系統(tǒng)

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1、論文：自行車傳動系統(tǒng) 摘要 自十九世紀初第一輛自行車問世以來發(fā)展到今天,自行車已發(fā)展成為一種綜合代步、運輸、健身、競技、娛樂等多功能產(chǎn)品。自行車結構看似簡單，實質是結合人體工程學、動力學、機械、美學等多方面的綜合設計，可分為山地車、公路賽車、輕便城市車、休閑運動車等四類。中國在世界上是自行車王國，人均擁有1.5輛自行車，但長期以來，自行車僅僅是作為國人的一種簡單的代步工具。 自行車主要由三大部件構成，它們分別是：驅動傳動系統(tǒng)、導向系統(tǒng)和制動系統(tǒng)?？偟膩碚f，驅動系統(tǒng)是整個自行車結構的靈魂。一輛自行車的好壞，往往也就是取決月驅動傳動系統(tǒng)的好壞。下面我們來看看這個最神奇的驅動傳動系統(tǒng)的神秘

2、所在。我們都知道，自行車的前進是在人的腳蹬踏作用下從輪盤到鏈條再到飛輪而后后輪得到動力的。這個過程中，傳遞力的效率高低，往往決定了一輛自行車的使用性能。傳動系統(tǒng)的效率是自行車的變速系統(tǒng)所決定的。因此，我們本文對自行車的傳動系統(tǒng)，變速系統(tǒng)等方面做一個簡單的了解。 關鍵詞：自行車傳動、驅動系統(tǒng)、變速系統(tǒng)、 Abstract Since the beginning of the nineteenth Century first bicycle since the advent of development today, the bicycle has developed into a

3、comprehensive transport, transport, health, sports, entertainment and other multi-function products. Bicycle structure appears to be simple, essence is the combination of human engineering, dynamics, mechanical, aesthetics and other aspects of the overall design, can be divided into mountain biking,

4、 road racing, portable city car, leisure sports car four Since the beginning of the nineteenth Century first bicycle since the advent of development today, the bicycle has developed into a comprehensive transport, transport, health, sports, entertainment and other multi-function products. Bicycle cl

5、ass. China is a kingdom of bicycles in the world, per capita1.5 bicycles, but long-term since, the bike is only as a people with a simple tool of ride instead of walk. The bicycle is mainly composed of three parts, they are: drive transmission system, steering system and brake system. In general, t

6、he driving system is the whole structure of the bicycle s soul. A bicycle is good or bad, often also is determined on drive system. Here we have a look the most fantastic drive system of mystery. As we all know, the bicycle forward in the foot pedaling under from disk to the chain to get power flywh

7、eel and rear wheel. In this process, transfer efficiency, often determines a bike performance. Transmission efficiency of the system is determined by a bicycle transmission system. Therefore, we in this paper, a bicycle transmission system, transmission system and other aspects of a simple to unders

8、tand. Keywords: bicycle transmission, driving system, variable speed drive system, 一、自行車的發(fā)展歷史 1791年，法國人西弗拉克發(fā)明了最原始的自行車。它只有兩個輪子而沒有傳動裝置，人騎在上面，需用兩腳蹬地驅車向前滾動。1801年，俄國人阿爾塔馬諾夫設計出世界上第一輛用踏板踩動的自行車。1817年德國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，蘇格蘭人麥克米倫制造出木制車輪，裝實心橡膠輪胎、前輪小、后輪大、坐墊較低、裝有腳踏板和曲柄連桿裝置，騎者可以雙腳離開地面的自行車。同年，

9、麥克米倫又將木制自行車改為鐵制自行車。1867年，英國人麥迪遜設計出第一輛裝有鋼絲輻條的自行車。1869年德國斯圖加特出現(xiàn)了由后輪導向和驅動的自行車，同時車上采用了滾動軸承、飛輪、腳剎、彈簧等部件。1888年英國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。從此，基本奠定了現(xiàn)代自行車的雛形。時至今日，自行車已成為全世界人們使用最多，最簡單，最實用的交通工具。 二、自行車的基本結構 自行車結構雖不復雜，但是每一部分的設計都是有著豐富的物理原理。要研究自行車，首先要研究的便是自行車的基本結構。下面，我們通過圖文結合的方式來了解下自行車的基本結構。 自行車

10、的整體結構 車座 前后輪自行車的牙盤 自行車的三腳架 三、自行車的傳動模型分析 我們來看看下面的傳統(tǒng)自行車傳動模型：后 輪 Rr21 R1 R2 R3 后鏈輪 L 前鏈輪 從圖中可以看到，當前輪以ω1的速度轉動時，后鏈輪的轉動速度應該是: 同時，由于后輪和后鏈輪是同一個軸上的同步轉動的，所以又有如下關系： 那么就可以得到，當人以每分鐘n轉的速度騎行的時候，應該有自行車的前進速度即為后輪的前進速度： 因為人體每分鐘能提供的n可以看做常數(shù)，且是有限的，即如果將上面表達式中常數(shù)部分以一個量a來表示時，上式即變成： 不難看出，要提高車的

11、速度，唯一可行的辦法是提高R1R3/R1的值。因此，可以把前鏈輪做的大一些，后鏈輪較之后輪和輪盤小很多，那么就可以提高騎行速度。但是，當R1R3/R2的值過大，我們會發(fā)現(xiàn)問題，自行車不但沒有像理想中那樣提速，反而連騎動都很費力，當然這樣的自行車在市場中是不存在的(不會有商家弱智到這種地步，但是分析是有意義的，因為設計時必須要考慮的問題就是分析的重點)。其原因是什么呢，經(jīng)過分析不難看出，當人騎車時，通過腳踏板和曲軸給輪盤一個轉動力偶，這個力也是基本已定的。當這個動能通過鏈條傳遞到后鏈輪后，車后輪就和后鏈輪一起被驅動，當假設地面是光滑的時候，后輪應該是在原地繞著軸轉動。正是由于地面不光滑，后輪受到

12、了一個來自地面的摩擦力，所以它才在人力驅動下相對地面做以一個繞無窮遠點為中心的轉動，也就是沿著輪和地面接觸點切線方向向前進。來自大地的摩擦力既有滑動摩擦力、滾動摩擦力也有少部分靜摩擦力，而其中靜摩擦力的上限稍稍大于滑動摩擦力。在未開始騎行時，將可以把這三種摩擦力的合力視為滑動摩擦來處理，這時將整個車受到的靜摩擦和滾滑動摩擦一起設為，人和車總重為G，橡膠輪與地面的摩擦因素設為，那么有：。這個就是我們需要通過踏板給予車輪的。先不考慮腳踏板和輪盤間傳動效果，設人能給予輪盤的力即后鏈輪受到的帶動拉力為F，那么F和對后輪輪盤中心的力矩為零。所以就有關系: 即 同時注意到，由于橡膠和地面間摩擦系數(shù)

13、接近于1（為了安全，剎車時能更快停下來所以在輪胎上設計了很多條紋突起等增大摩擦），那么，一旦R3/R2設計過大，假設為10，那么上式就近似為：，要想滿足上式，鏈條將要承受多大的力啊。由于鏈條能承受的拉力是有限的，所以過大的拉力將會導致鏈條被拉斷。另外，鏈條在長期的載荷下，必將產(chǎn)生不可恢復的塑性形變，久之就使得鏈條不能張緊、傳動無力等“疲乏”現(xiàn)象。 考慮腳踏板和輪盤間的力傳動，設腳踏板到輪盤轉軸距離為d，人對腳踏板的力為，可以知道有如下關系： 考慮到上面幾個關系式，可以得到： 可見，當R1R3/R2值設計越大（即希望轉速越快）時，需要人提供的蹬力就越大。而人體構造決定了自行車d的上

14、限，所以，要想省力，就要控制R1R3/R2的比值，這也決定了傳統(tǒng)自行車的騎行車速。 同時我們從上面的式子也可以看出，只要改變R1R3/R2的值，自行車前進速度就會隨人蹬腳踏板的速度相應地改變，這也就是變速自行車的變速原理。如下圖: （導鏈輪） 換擋變速器 換擋推手 當轉動變速器時，推手將作用于換擋變速器，換擋變速器的工作原理就是將鏈條向里或向外推，由于齒輪的齒尖向鏈條方向翻出了一定角度，當鏈條被推到該齒尖接觸范圍時，由于換擋變速器和后輪連接軸的張緊作用，將使得自行車鏈條轉接到后輪后鏈輪不同的檔位，實現(xiàn)不同的變速要求。前面的前鏈輪的換擋原理和后輪基本一致，只是略有一些不同而已。由此

15、可以看出，兩輪（腳踏輪和后鏈輪）的不同半徑輪越多，可變速檔位也就越多。 四、自行車變速器的物理分析 自行車的運動主要是將人腳交替對腳踏板的壓力轉化為車輪與地面的摩擦力，轉化的重要部分是自行車的傳動部分。 現(xiàn)在市場上還出現(xiàn)了橢圓輪盤，通過改善鏈條傳動受力情況，以達到減少騎行過程中鏈條受到的沖擊、延長鏈條壽命的目的。 現(xiàn)在還有一種更加省力、高效、實用的自行車傳動系統(tǒng)，叫做自行車雙向蹬力傳動機構。它打破了傳統(tǒng)自行車單向傳動直徑圓周運動方式, 創(chuàng)立了自行車多向傳動半徑運動驅動方式, 使百年來自行車的運動方式有了新的突破。本實用新型系統(tǒng)與一般蹬力傳動機構一樣也包含有腳蹬裝置及鏈條傳動裝置

16、,其特點是具有兩只對稱且交錯設置的腳蹬裝置和兩組鏈條傳動裝置, 每一腳蹬裝置各與一組鏈條傳動裝置相連; 每一組鏈條傳動裝置包含有一鏈輪及一前轉軸, 一單向轉動的后鏈輪, 一鏈條、一輪轂、后軸、一前轉軸;每一腳蹬裝置主要包含有一腳蹬桿和一腳踏板, 腳踏板鉸接在腳蹬桿的一端, 腳蹬桿的另一端連接在前鏈輪中心位置和前轉軸一側, 鏈條則環(huán)齒過前鏈輪和后鏈輪相接; 兩前轉軸內(nèi)側上設有三只相互嚙合直角傘型齒輪, 并安置在一齒輪箱內(nèi); 兩后鏈輪連接在同一輪轂和一后軸上。在騎行時，首先以前轉軸為中心, 作前轉軸前半徑內(nèi)的上下往返的運動：腳踏腳蹬用力由上向下時, 該腳蹬隨前鏈輪和前轉軸一起向下轉動, 其結果是在

17、與前鏈輪相連的鏈條作相應的向前動, 一方面拖動后鏈輪和輪轂( 該輪轂上裝有車輪)轉動, 同時前鏈輪使裝在前轉軸內(nèi)側上的齒輪轉動, 則與之嚙合的另二只齒輪向后產(chǎn)生反轉,該反轉的齒輪則使與其連接的前轉軸和前鏈輪及腳蹬轉動, 結果與該前鏈輪相連的鏈條也產(chǎn)生反轉, 形成兩腳蹬一下一上之勢, 此時當用力腳踏在上方一腳蹬時, 則產(chǎn)生與上述相反的運動狀態(tài); 雙腳輪換向下施力的結果, 使得車輛即向前行駛。 善于觀察的人一定會問一個問題，那就是，為什么自行車后鏈輪轉動會帶動后輪轉動而鏈條卻不會隨后輪轉動而帶動后鏈輪鏈條和腳踏板呢轉動？ 這里面實際上有如下巧妙的設計：鏈輪里面有一個彈簧頂住的卡子（里面有一個或

18、者一串）鋼珠，它們被控制在一個斜槽中，當后鏈輪向前或者向后轉動時，鋼珠將會在斜槽中向較窄或者較寬的一方滾動，這樣就可以保證當鏈條前進的時候后鏈輪會卡住輪子帶動后輪轉動，當鏈條靜止或后轉時后鏈輪和鏈條不隨之運動，不影響輪子自由轉動。 自行車的轉向和制動系統(tǒng)主要則是運用了杠桿原理，從而達到省力而靈活的特點。 另外自行車應當騎起來越輕松、越靈活才越好、越省力，所以在自行車轉動的地方，中軸、后軸、車把轉動處，腳蹬轉動處、飛輪等地方，都安有鋼珠。轉動地方安裝鋼珠是為了減小摩擦力，保護零件，節(jié)省動力，因為滾動摩擦比滑動摩擦小得多，用滾動來代替滑動可以大大減小摩擦，并經(jīng)常加潤滑油，使接觸面彼此離開，摩擦

19、變得更小、更省力。 自行車變速系統(tǒng)應包括飛輪、鏈輪、前撥鏈器、后撥鏈器四部分。飛輪一般包括三級以上，最多可達九級。每級齒片的齒數(shù)不同，一般選用奇齒數(shù)，以便于變速的輕便和快捷。鏈輪有單片、雙片和三片之粉。鏈輪是主動輪，由騎行者通過曲柄旋轉鏈輪產(chǎn)生原動力，在鏈條的傳動下，帶動鏈輪。鏈輪齒和飛輪齒的齒數(shù)決定傳動比。選擇不同配對的齒可以是騎行者根據(jù)路況以及自己體力選擇不同的傳動比，以達到騎行輕便的要求。前撥鏈器由變速手柄拉動或放松鋼繩來改變它的行程，從而撥動鏈條來選擇不同的鏈輪齒與其傳動。后撥鏈器也利用變速手柄來調節(jié)它的行程，用以撥動鏈條不同的飛輪齒。因此自行車變速系統(tǒng)為騎行者提供了良好的騎行環(huán)

20、境。例如：鏈輪為三片鏈輪，飛輪為七級飛輪，則騎行者可選擇21種不同傳動比的傳動類型。因此自行車變速系統(tǒng)是極其重要的。 前撥鏈器、后撥鏈器由于要不斷地改變著行程，故而彈簧的設計極其重要。它要求能在規(guī)定的使用周期內(nèi)保持良好的回復力和效率。但更重要的是機構的設計，因為變速手柄在調節(jié)一個擋位后鋼繩伸長或縮短一固定的數(shù)值，同時拉動或放松撥鏈器，而前撥鏈器改變的行程必須滿足將鏈條準確地從一個齒到另一個齒上，如果行程過大或過小，則變速不準確，鏈條與齒輪產(chǎn)生較大的摩擦音，同時加劇了鏈輪或飛輪齒的磨損。 鏈輪和飛輪的設計必須考慮到傳動比和軸傳遞的功率。從而設計出不同齒數(shù)、不同分度圓直徑的齒片，從而使變速性能

21、達到最優(yōu)化。同時最重要的是確定齒片的間隙，這必須等于撥鏈器的行程。 山地車和公路賽車一般都有變速系統(tǒng)，可根據(jù)騎行的路況選擇不同的擋位，使得騎行者輕便、快捷。變速系統(tǒng)包括鏈輪、飛輪、前撥鏈器和后撥鏈器。在變速車系列中，變速器無疑是它的靈魂，會直接影響其性能，甚至還會影響到騎行者的情緒。在國外優(yōu)秀的變速系統(tǒng)中，已告別了依賴于操作維修和技術的變速時代，實現(xiàn)了無論晴天還是雨天，無論平坦的柏油路還是崎嶇的山路都簡單、準確、安穩(wěn)地進行變速。撥鏈器中有GS、SS型號，在此基礎上又可分為上拉式、下拉式和為不同直徑的五通管而設計的多種類型，從而滿足了不同的消費者和廠商的要求。同時又采用了非平行調速機構，將過去

22、變速器改為非平行圓弧移動，使低速變速更加平穩(wěn)順暢。這種機構徹底清除了過去強迫上鏈等勉強的操作，使變速工作實現(xiàn)了理想的軌跡。飛輪經(jīng)電腦輔助設計，更加地優(yōu)化，實現(xiàn)了在最短的理想距離內(nèi)變速，使原來換鏈時滑鏈、拉鏈的現(xiàn)象消失了。 五、自行車的發(fā)展趨勢 中國在世界自行車生產(chǎn)格局中具有舉足輕重的地位。據(jù)不完全統(tǒng)計，2006年中國自行車的產(chǎn)量為8000多萬輛、出口量6000多萬輛。中國自行車的產(chǎn)量、出口量和消費量均居世界首位。 　　自行車是大眾普遍使用的代步和健身工具，只有選用輕質材料顯著的降低重量，才能提高自行車的品質，提高性能，滿足人們對自行車產(chǎn)品的多樣需求。特別是對電動自行車降低重量

23、有著更為重要的意義，因為整車重量減輕，對電池的消耗就會減小，相應就可以延長蓄電池一次充電后的行駛里程。因此進行材料革命，實施自行車產(chǎn)品結構調整勢在必行。 　　據(jù)專家介紹，鎂是繼鋼鐵、鋁之后的第三大金屬工程材料，被譽為"21世紀綠色工程材料"。鎂及鎂合金在減重、節(jié)能、環(huán)保和可循環(huán)利用方面的巨大潛力，引起了國內(nèi)外越來越廣泛的關注。近年來，在我國及美國、日本、俄羅斯等國家都在自行車車架、車輪、轉向、傳動等系統(tǒng)開發(fā)應用鎂合金材料。鎂合金材料與現(xiàn)在自行車普遍使用的鋁合金材料相比成本相當，強度增加，但重量卻輕了約三分之一。因此該材料成為國際自行車產(chǎn)業(yè)關注的新型材料。而加快推進鎂合金自行車產(chǎn)業(yè)化，則是我國

24、自行車行業(yè)發(fā)展的必然趨勢。 六、結論 自行車傳動系統(tǒng)的原理是將人體輸出的生物能轉化為自行車前進的動能，這就要求其轉化率需要達到一個較高的水平，避免浪費過多的體力，同時傳動系統(tǒng)須簡潔，過于復雜會造成質量大，成本高，裝配難度大，失敗概率高，同時保養(yǎng)困難，是一個本應是出行更方便之物變成麻煩的源泉，得不償失。 致 謝 本文是在尊敬的導師常靜的精心指導下完成的，導師高尚的品德，淵博的學識，嚴謹?shù)膶W風和高度的責任心深深地影響著學生。導師的教誨是學生寶貴的精神財富，并將使學生受益終生。在此，謹向尊敬的導師表示真誠的感謝和崇高的敬意！ 在課題的研究過程中，黃河科技大學工學院的

25、各位領導和老師對論文的完成給予了很大支持和幫助，在此表示由衷的感謝！ 最后，作者還要深深地感謝默默支持本人完成學業(yè)的父母及親友，感謝他們?yōu)槲宜龀龅臒o私奉獻和巨大支持！ 謹向所有在本文的完成中給予作者關懷和幫助而在此無法一一提及的老師、同學和朋友致以誠摯的謝意！ 參考文獻 1 錢可強.機械制圖.北京：高等教育出版社，2009 2張定華工程力學.北京：高等教育出版，20008 3黃健求.機械制造技術基礎.北京：機械工業(yè)出版社，2010 4盧玉明.機械設計基礎.高等教育出版社，1998 5.劉鴻文.簡明材料力學.北京：高等教育出版社，1997