液压传动自行车动力机构设计Word文档下载推荐.docx
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但是现阶段的皮带传动技术具有很多的缺点，首先是皮带的价格较高，现阶段皮带传动主要用于高档的运动单车上，其次，皮带要用专用的飞轮和牙盘才能搭配使用，同样的，这种专用的配套零件价格不菲。
再者，皮带传动自行车需要设计特殊的车架来组装，不同于链条式传动自行车的可以从中间断开，先安装好车架再来安装链条，皮带传动自行车必须要设计一个特殊的可以安装皮带的车架，因此车架必须在后叉或者后三角尾钩设计一个开口结构来安装皮带。
而且皮带一旦损坏，就必须整条更换，维护成本在某些方面来说并不比链条传动自行车低。
最后，皮带传动自行车必须要使用特殊设计的变速装置，使用皮带传动，意味着自行车和外置变速器彻底决裂了，如果是单速的设计，可以取消变速器，但如果是变速设计，就只能选择内变速花鼓或者是中置变速箱，便宜的三倍内变速花鼓使用面极窄，9速以上的内变速器价格往往十分高昂，对比现在动搁21倍变速起步的链条传动自行车来说，皮带传动自行车在这方面毫无优势。
皮带传动自行车的传动系统可以说是全盘重新设计，各种特殊零件价格昂贵，与现存的链条传动自行车的零件不兼容，因此皮带传动只使用在少数高档自行车上，是一种小众的、非主流的设计。
轴传动与上述两者传动方式差异较大，典型的案例——摩拜单车第一代，就是用轴传动方案自行车大批量生产运用的案例。
摩拜一代为“免维护”这个特点，在其他方面付出了巨大的代价：
用封闭的轴传动使得腐蚀问题大大减轻，“掉链”现象也不存在了，而且在轮胎方面使用了5刀式设计替代了辐条设计、用橡胶式免充气轮胎，确实使轮胎损坏降到最低。
具有“免维护”优点的摩拜一代，也不能掩盖其在其他方面的巨大缺陷：
轴传动的摩拜重量相比传统自行车重量增加显著，重达25千克（链条传动的摩拜二代仅重15.5千克）！
再配上轴传动的低效率，使得摩拜一代脚感硬重，非常地难骑，甚至达到了“上坡要靠推”的地步，因此摩拜一代很快退出了市场，更新换代的摩拜二代重新采用了链条传动和充气辐条轮胎，完完全全的传统链条自行车设计彻底地否定了轴传动单车的实际应用可行性。
图1-11采用轴传动的摩拜一代
图1-12采用链条传动的摩拜二代
本设计采用液压传动代替链条传动，意在克服链条传动的许多缺点，液压传动具有许多优点：
①寿命较长。
封闭装置的设计，避免风吹日晒，而且磨损极低，超长寿命减小成本。
②故障率低，稳定性高。
比链条故障率低，减少维修成本。
③免维护。
封闭式的设计有效避免了润滑油的快速损耗，不用像链条那样要时常加油。
④齿轮泵的传动平稳性高，振动小，噪音小。
⑤液压系统可承受扭矩大，具有过载保护的特性。
综上所述，运用液压传动系统的共享单车，比摩拜一代自行车效率高，比ofo自行车故障率低，具有巨大市场前景。
1.2本设计在国内外的发展概况及存在的问题
液压传动的自行车的概念并不是我们提出来的，早上个世纪末就有人提出这个概念，但是那时候的液压传动的元件太过笨重，传递效率也太低下，因此无法达到轻量化的设计要求，经常会出现的漏油使得没有厂家愿意尝试研发液压传动的自行车。
我们本次设计主要是要解决上述概念出现的问题，使液压单车从幻想变成具体的、可行的方案。
液压传动自行车目前存在的主要问题有：
①液压传动系统重量大：
现在的已有的液压传动自行车基本上都十分笨重，这主要是选择的液压元件不是特别符合实际的运用要求，例如选用的液压泵的可输入功率太大，使得液压泵尺寸和重量十分巨大，降低了骑行（低功率运转）时的传动效率。
另外，选择了不合适的液压泵类型也会导致传动效率低下，本设计在选用液压泵和液压马达是特别注重轻量化，计算出自行车的实际运行功率，在可以满足设计要求的前提下，尽量选择体积重量小，总效率高的液压元件。
②结构布置合理性：
使用液压传动的自行车，在取消了原来的链条传动系统的前提下，应该将液压元件合理布置在车架上，首先满足强度要求，然后再进行简化设计和轻量化设计。
1.3本设计应解决的主要问题
本设计液压传动自行车的问题主要有三个：
①轻量化：
液压传动系统因其结构较为笨重，一般用于重型机械上，但本设计需要的传递功率较低，所以系统的压力和流量也要求较低，本设计选用的液压泵和液压马达可采用小型的国标产品满足设计要求，此外，一旦产品需要量产，可以考虑将国标的铸铁液压泵和液压马达换成铝合金的非标产品可，进一步减小体积和重量，达到轻量化的目的。
②压缩量和稳定性：
液压油的压缩量具有两面性，太大的压缩量可能会导致出现功率损失和强烈的顿挫感，需要设计机构来补偿；
太少的压缩量则会失去缓压特性，导致骑行的刚度不足，导致传递效率低下。
经过分析，本设计选用MARGUA的DOT矿物油，在1.65MPa的工作压力下，留有合适的压缩量，还提供了足够压缩刚度。
在一般密封条件下，可达到连续运行1000小时不出现漏油的设计要求，此设计比传统的链条传动更加顺滑。
③寿命：
不同于链条传动的裸露设计，液压传动系统避免了外界的腐蚀和损坏，减少了事故导致的损伤，使得设计寿命可达5年以上，而实际使用寿命则有望可达7年以上。
2液压传动自行车动力机构设计
（1）在掌握中低压液压传动系统的结构特点和工作原理的基础上，选择合适的国标零件作为动力元件和执行元件，以达到设计要求的功率、效率和寿命，并尽量降低成本。
（2）利用CAD、PROE等计算机辅助软件建立模型，并根据装配图和零部件图，完成机构的设计。
2.1设计原理
2.1.1可行性分析
科学研究表明，成年男性在连续骑行自行车5分钟时的极限最大功率密度约为3.57~7.60W/kg（Moderate~Worldclass），若取成年男性体重为75千克，则功率约为267.75W~570W，考虑到本设计的适用场景为共享单车、通勤车，则可取功率密度为3.57W/kg，则系统的输入最大功率为267.75W，本设计中液压泵的设计最大功率可初步取为300W。
在压力要求方面，本设计的由于传递的功率较低，仅为300W左右，因此可选用中压或者是低压的液压泵，虽然高压的液压泵也可以实现中低压液压泵的功能，但其适用场景决定了高压液压泵在中压或低压运行时的容积效率较低，因此总效率也较低，所以，液压泵的压力选择排除了高压液压泵。
筛选合适的液压泵应该将液压泵的输入功率定为300~500W之间，因此排除了结构复杂，径向尺寸大，转动惯量大的适用于大型机械的径向柱塞泵。
至于轴向柱塞泵，因其结构复杂，价格较贵，油液对清洁度要求较高，耐冲击振动性较差，所以也不作考虑。
螺杆泵不仅重量较轻，其结构也是液压泵当中较为简单的，具有流量脉动小、噪声小、工作可靠、寿命长等诸多优点，还对油中的杂质颗粒度不敏感，比较适用于液压传动自行车的设计，但是在后续的资料查询中，并未发现螺杆液压泵有合适的运用于小型机械，功率在300~500W之间的国标产品，因此本设计并未选用螺杆液压泵，但是螺杆液压泵可作为后续本设计改进时，设计非标液压泵的选择之一。
叶片泵是主要应用在中低压，速度中等的液压系统中，叶片泵对液体介质的清洁度要求较高，在实际的自行车运行中，难免会有灰尘等杂质进入泵体，而且叶片泵的结构复杂，叶片加工的高难度导致了叶片泵的价格居高不下，不太适用于液压传动自行车的设计，因此排除了叶片液压泵。
剩下的只有一种结构的液压泵——齿轮泵，作为液压泵中结构最简单的一种泵，齿轮泵的抗污染能力极强，价格也非常便宜，在购物平台“*宝”上，有大量出售液压泵的商家，价格从35元到几百元不等，批量生产时，齿轮泵的价格甚至可以做到低于实现相同功能的自行车链条的成本。
齿轮泵的结构简单，所以工作可靠性非常高，维护十分方便，齿轮液压泵只需要使用成本非常低的矿物油作为液体介质即可，在运行过程中及时有灰尘进入也不会影响正常的运行。
虽然齿轮液压泵相较于其他结构的液压泵运行噪声较大，但是其在自行车这种低功率、低压力的应用场景下噪声不太明显，而且自行车的骑行是在室外进行的，室外环境的噪声足以掩盖大部分的齿轮泵发出的噪声，因此本设计初步选择齿轮泵作为液压泵。
齿轮泵按照结构分类有两种，一种是外啮合齿轮泵，另一种是内啮合齿轮泵，外啮合齿轮泵的结构比内啮合齿轮泵简单，所以重量和体积都相对较小，价格也较低，而且外啮合齿轮泵的运行平稳性是两者中最好的，所以选择外啮合齿轮泵较为合适。
经过资料查找和详细的分析，型号为cb-b10的国标液压齿轮泵重量仅为2千克左右，输入功率也在500W左右，较为合适。
由公式
，
可得出在额定工作压力为2.5Mpa、输入功率为300W时，流量约为6.7L/min，此时输入轴转速为966rpm，为了便于计算，取转速为1080rpm，则最大输入功率可达310W，此时输入流量为7.5L/min，满足设计要求。
下表为选用的CB-B系列齿轮液压泵的技术参数：
表2-11CB-B系列液压泵技术参数
型号
额定流量
额定压力
额定转速
容积效率
总效率
压力脉动
噪声值
驱动功率
重量
L/min
MPa
r/min
ηv%
ηt%
分贝
kW
kg
CB-B2.5
2.5
1450
≥70
≥63
0.15
62~65
0.18
1.6
CB-B4
4
≥80
≥72
0.21
1.7
CB-B6
6
0.31
1.8
CB-B10
10
≥90
≥81
0.51
2.1
CB-B16
16
67~70
0.82
4.2
CB-B20
20
1.02
4.4
CB-B25
25
1.30
4.6
CB-B32
32
≥94
≥85
1.65
5.0
CB-B40
40
74~77
7.2
CB-B50
50
2.6
7.6
CB-B63
63
3.3
7.8
CB-B80
80
80~83
4.1
12.6
CB-B100
100
≥95
≥86
5.1
13.3
CB-B125
125
6.5
14.5
CB-B160
160
8.2
15.6
图2-11cb-b10系类液压泵技术规格
成年男性骑行自行车时脚蹬处（轴2）的最大转速约为180rpm，则需要设计6倍加速器使得液压泵端（轴1）的最大输入转速为1080rpm。
此外，根据资料显示，人力骑行自行车的平均转速约为60rpm，此时液压泵的平均输入功率为103.3W，流量为2.5L/min。
图2-12加速齿轮和液压泵
图2-12人体骑行自行车时的最大功率
基本原理：
人体通过踏板转动，做功产生机械能，通过液压泵转化为液压能，以压力和流量的形式存在，液体介质流过导管，抵达后轮的液压马达上，将液压能转化为机械能，驱动后轮转动，期间各机械部分的合理转速由减速齿轮合理调节，使得液压系统高效运转，整个传动系统主要的技术参数如表2-11所示：
表2-11
轴1
轴2
轴3
轴4
驱动转矩
2.741Nm
16.61Nm
-
最高转速
1080rpm
180rpm
540rpm
额定功率
0.310KW
0.313KW
最大流量
7.5L/min
压力
2.5Mpa
平均转速
360rpm
60rpm
平均功率
0.103KW
0.104KW
平均流量
2.5L/min
2.2方案选择
动力输入端：
选用国标元件，CB-B10R（带安装孔，正转/右旋型）型液压泵，配以6倍齿轮减速器，使转速合理，液压泵达到高效运转。
动力输出端：
选用国标元件，BMM-12.5型液压马达，是市面上较为符合设计要求的产品。
图2-21CB-B10R型液压泵
图2-22BMM-12.5型液压马达
2.2.1分析问题
工况分析：
本设计中的液压传动自行车的应用场景主要为共享单车、家用通勤代步车，设计要求该液压传动系统可连续工作5年，每年365天，每天工作6小时，要求结构表面具有基本的防止风吹日晒导致的腐蚀的能力，表面应进行表面工程处理。
2.2.2设计过程
以下设计计算过程的参考书籍为《机械设计》-濮良贵第八版：
加速齿轮的设计计算：
1.选择齿轮材料、热处理、精度
采用平行轴齿轮传动，圆柱直齿轮传动，渐开线齿轮
小齿轮选用45钢，调质处理，齿面硬度217~255HBS
大齿轮选用45钢，正火处理，齿面硬度162~217HBS
选小齿轮的齿数为20，则大齿轮的齿数为20×
6=120
2.按齿面接触强度进行设计
选用载荷系数Kt=1.563
计算小齿轮传递的转矩
T1=95.5×
105P1/n1=95.5×
105×
0.310/1080=2741N·
mm
根据实际的液压元件情况，小齿轮作悬臂布置，查表10-7选定齿轮的齿宽系数ø
d=0.5，由表10-6查得材料为锻钢的弹性影响系数ZE=188.9MPa
按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限σHlim1=600Mpa;
大齿轮的接触疲劳强度极限σHlim2=550Mpa
3.计算应力循环次数
N1=60n1jLh=60×
1080×
1×
（6×
365×
5）=7.1×
108;
N2=60×
180×
5）=1.2×
108
4.计算接触疲劳许用应力
=582.50Mpa
=575.25Mpa
4.计算分度圆直径
试算小齿轮分度圆的直径，代入[σH]中较小的值
=
=23.763mm，取整为24mm
计算圆周的速度v
=
=1.36m/s
计算齿宽
b=ø
d·
d1t=0.5·
24=12mm
计算齿宽和齿高之比
模数mt=d1t/z1=24/20=1.2mm
齿高h=2.25mt=2.25·
1.2=2.7mm
b/h=24/2.7=8.89
计算载荷系数
根据v=1.36m/s，8级精度，得动载荷系数kv=1.13
可选择使用系数KA=1.25
直齿轮KHɑ=KFɑ=1,则Kɑ=1
悬臂布置的齿轮可选KHβ=1.383KFβ=1.3,则Kβ=1.80
K=KA×
kv×
Kɑ×
Kβ=1.13×
1.25×
1.80=2.54
按实际的载荷的系数校正所算得的分度圆直径
=28.216mm
计算模数
m=d1/z1=28.216/20=1.41
按齿根弯曲强度设计
查表得小齿轮的弯曲强度极限ɑFE1=500Mpa
查表得大齿轮的弯曲强度极限ɑFE2=380Mpa
查表可得弯曲疲劳寿命系数KFN1=0.95,KFN2=0.96
计算弯曲疲劳许用应力
取弯曲疲劳安全系数S=1.4
[ɑF]1=ɑFE1·
KFN1/S=0.95·
500/1.4=339.29Mpa
[ɑF]2=ɑFE2·
KFN2/S=0.96·
380/1.4=260.57Mpa
计算载荷系数K
KFɑ×
KFβ=1.13×
1.3=1.836
查齿形系数
YFa1=2.80,YFa2=2.35,
查取应力校正系数
YSa1=1.55,YSa2=1.68
计算大小齿轮的YFa·
YSa/[ɑF]并比较
YFa1·
YSa1/[ɑF]1=0.01279
YFa1·
YSa1/[ɑF]1=0.01515
大齿轮的数值大
设计计算
=0.91mm
可取由弯曲强度算得的模数0.91，取第一系类m=1.5，小齿轮齿数
m=d1/m=28.216/1.5≈19，因为车架结构空间有限，将小齿轮设计得大一点会增大齿轮组的中心距，有利于液压泵的结构放置，于是取合理的齿数z1=30，
大齿轮齿数z2=30×
6=180
这样设计出的齿轮传动，既满足了齿面接触疲劳强度，又满足了齿根弯曲疲劳强度，并做到结构紧凑，避免了浪费
几何尺寸计算
计算分度圆直径
d1=z1m=30×
1.5=45
d2=z2m=180×
1.5=270
计算中心距
a=（d1+d2）/2=157mm
计算齿轮宽度
dd1=22.5mm
取B2=20mm，B1=25mm
所以，设计的液压泵配套的加速齿轮为小齿轮选用45钢调质处理，大齿轮选用45钢正火处理的的圆柱直齿轮，其主要尺寸表如下：
表2-11
小齿轮
大齿轮
分度圆直径
45
270
齿宽B
模数m
1.5
齿数z
30
180
齿顶高ha
齿根高hf
1.875
齿高h
3.375
齿顶圆直径da
48
273
齿根圆直径df
41.25
443.75
压力角
20度
中心距a
157
轴径d
12
--
平键
4（w）
3液压传动自行车驱动机构设计
（1）通过传统链条传动自行车的工况分析，设计液压泵-液压马达传动系统代替链条传动系统。
（2）分析自行车驱动机构实现的基本运动，设计可以实现与传统的链条传动自行车实现相同运动的液压动力机构。
（3）用计算机辅助设计软件ProE进行结构设计。
3.1液压执行元件的选择
液压执行元件的主要功能：
将液压泵输出的液压能转换为以转动形式存在的机械能，使自行车的后轮转动。
液压执行元件分为：
液压马达、液压
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