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孙佳佳论文1课件

延安职业技术学院

毕业论文

题目：

自行车无极变速器的设计

所属系部：

机电工程系

专业：

机电一体化技术

班级：

10级

作者：

孙佳佳

学号：

101395003011001

指导教师：

评阅人：

2013年5月25日

自行车无级变速器设计

[摘要]：

本文在分析各种无级变速器和无级变速自行车的基础上，把钢球外锥式无级变速器进行部分改装，从而形成了自行车的无级变速装置。

该装置通过八个钢球利用摩擦力将动力进行输入输出，用一对斜齿轮进行分度调速，从而使自行车在0.75～1.22之间进行无级调速。

研究表明：

无级变速器被用于自行车方面可以大大改善自行车的使用性能，方便广大消费者使用。

关键词:

无级变速自行车；无级变速器；

目录

目录3

第一章绪论4

（一）机械无级变速器的发展概况4

（二）机械无级变速器的特征和应用4

（三）无级变速自行车研究现状5

第二章自行车无级变速器总体方案的选择7

（一）钢球长锥式（RC型）无级变速器7

（二）钢球外锥式无级变速器8

（三）两方案的比较与选择9

第三章自行车无级变速器的安装10

[参考文献]10

第一章绪论

（一）机械无级变速器的发展概况

机械无级变速器最初是在19世纪90年代出现的，至20世纪30年代以后才开始发展，但当时由于受材质与工艺方面的条件限制，进展缓慢。

直到20世纪50年代，尤其是70年代以后，一方面随着先进的冶炼和热处理技术，精密加工和数控机床以及牵引传动理论与油品的出现和发展，解决了研制和生产无级变速器的限制因素；另一方面，随着生产工艺流程实现机械化、自动化以及机械要改进工作性能，都需要大量采用无级变速器。

因此在这种形式下，机械无级变速器获得迅速和广泛的发展。

主要研制和生产的国家有美国、日本、德国、意大利和俄国等。

产品有摩擦式、链式、带式和脉动式四大类约三十多种结构形式。

国内无级变速器是在20世纪60年代前后起步的，当时主要是作为专业机械配套零部件，由于专业机械厂进行仿制和生产，例如用于纺织机械的齿链式，化工机械的多盘式以及切削机床的Kopp型无级变速器等，但品种规格不多，产量不大，年产量仅数千台。

直到80年代中期以后，随着国外先进设备的大量引进，工业生产现代化及自动流水线的迅速发展，对各种类型机械无级变速器的需求大幅度增加，专业厂才开始建立并进行规模化生产，一些高等院校也开展了该领域的研究工作。

经过十几年的发展，国外现有的几种主要类型结构的无级变速器，在国内皆有相应的专业生产厂及系列产品，年产量约10万台左右，初步满足了生产发展的需要。

（二）机械无级变速器的特征和应用

机械无级变速器是一种传动装置，其功能特征主要是：

在输入转速不变的情况下,能实现输出轴的转速在一定范围内连续变化，以满足机器或生产系统在运转过程中各种不同工况的要求；其结构特征主要是：

需由变速传动机构、调速机构及加压装置或输出机构三部分组成。

机械无级变速器的适用范围广，有在驱动功率不变的情况下，因工作阻力变化而需要调节转速以产生相应的驱动力矩者（如化工行业中的搅拌机械，即需要随着搅拌物料的粘度、阻力增大而能相应减慢搅拌速度）；有根据工况要求需要调节速度者（如起重运输机械要求随物料及运行区段的变化而能相应改变提升或运行速度，食品机械中的烤干机或制药机械要求随着温度变化而调节转移速度）；有为获得恒定的工作速度或张力而需要调节速度者（如断面切削机床加工时需保持恒定的切削线速度，电工机械中的绕线机需保持恒定的卷绕速度，纺织机械中的浆纱机及轻工机械中的薄膜机皆需调节转速以保证恒定的张力等）；有为适应整个系统中各种工况、工位、工序或单元的不同要求而需协调运转速度以及需要配合自动控制者（如各种各样半自动或自动的生产、操作或装配流水线）；有为探求最佳效果而需变换速度者（如试验机械或李心机需调速以获得最佳分离效果）；有为节约能源而需进行调速者（如风机、水泵等）；此外，还有按各种规律的或不规律的变化而进行速度调节以及实现自动或程序控制等。

综上所述。

可以看出采用无级变速器，尤其是配合减速传动时进一步扩大其变速范围与输出转矩，能更好的适应各种工况要求，使之效能最佳，在提高产品的产量和质量，适应产品变换需要，节约能源，实现整个系统的机械化、自动化等各方面皆具有显著的效果。

故无级变速器目前已成为一种基本的通用传动形式，应用于纺织、轻工、食品、包装、化工、机床、电工、起重运输矿山冶金、工程、农业、国防及试验等各类机械。

（三）无级变速自行车研究现状

1.低座无级变速自行车是由低矮形车架把一个作驱动的前轮和一个作导向的后轮连接在一块的自行车，带靠背的座椅安装在车架中部，骑行者可斜躺着坐在座椅上，两腿放在前轮二侧。

杠杆式曲柄无级传动装置固定在前轮的前上方，通过左右曲柄杆上的滑块铰接链条交替传动前轮。

操纵把手装于前轮的正上方，由钢丝绳牵引后轮转向。

这样就不会干扰车子的方向操纵。

由于降低了座位高度，减少了空气阻力。

采用杠杆式曲柄无级传动装置，适应人体功能的要求。

2.人力脚踏式无级变速自行车一种人力脚踏式无级变速自行车，在自行车车架两侧面的中轴上，安装有锥面相对的变速轮盘组成的主动轮，主动轮两侧安装有脚蹬两变速轮盘轮沿挂有三角皮带，两盘面间安装有压缩弹簧；在车架的前斜梁上，安装有由变速杆操纵可前后移动的挺杆，挺杆的近变速轮盘端安装有可使两变速轮盘靠近或分离的插件；在自行车后轴上的后轮轮辐两侧面支承有附轮，附轮的外沿轮面设有三角皮带槽，附轮的内侧设有带动后轮单向转动的棘齿；车架后斜梁上在三角皮带上方安装有可推压三角皮带张紧的张紧轮。

自行车的行走和变速不用成组链轮和链条传动，成本低、重量轻，可实现无级变速，速度转换快，速比大。

3.带传动无级变速自行车一种无级变速自行车，改进了现有自行车的动力传动机构。

该自行车的动力传动机构包括以下部件：

小动轮、小定轮、小动轮拨叉，小动轮、大动轮、大定轮、大动轮拨叉，大动轮、Ｖ型传动带、Ｖ型带张紧装置、调速器、闸线、飞轮，飞轮由飞轮轴套、飞轮底座、滚柱、滚珠构成。

其特征在于自行车的动力传动机构包括以下部件：

小动轮、小定轮、小动轮拨叉，小动轮、小定轮呈锥形，两轮大小形状一致，锥面相对，组成带有Ｖ形沟槽的小传动轮，与自行车后轴上的飞轮轴套固定连接，小动轮在拨叉控制下沿轴滑动；大动轮、大定轮、大动轮拨叉，大动轮、大定轮也呈锥形，两轮大小形状一致，锥面相对，组成带有Ｖ形沟槽的大传动轮，固定在自行车中轴上，大动轮在拨叉控制下沿轴滑动；Ｖ型传动带、Ｖ型带张紧装置、调速器、闸线、飞轮，Ｖ型传动带镶在大小轮的沟槽中；Ｖ型带张紧装置装在后轴上，其支承轮支撑传动带；调速器装在车把附近，与闸线连接，闸线带动调节大小动轮位置的拨叉；飞轮由飞轮轴套、飞轮底座、滚柱、滚珠构成，装在后轴上，靠紧小传动轮，飞轮轴套与小传动轮固定连接，飞轮底座与后轴固定连接，飞轮轴套内还设有流线型的槽，滚柱放置在槽内。

这种无级变速自行车通过带传动来实现自行车的无级变速，传动平稳、噪音低、调速操作方便、变速范围大；同时该无级变速自行车的结构简单、易于加工，可以实现大规模成批生产。

4.前置往复式无级变速自行车针对自行车的驱动、乘座和避震进行改进。

包

括：

乘骑者坐靠休闲式椅，两脚蹬踏前置的两个悬摇杆曲柄，可进行弧形的曲线往复运动，用脚掌面的蹬踏角度或用手直接调动摇杆上力臂的长短实现无级变速，高效能的带动挠性件驱动后轮；还包括装卸方便且不互换的休闲式座椅和防落物防盗的可带走座椅；简化的全避震使乘坐舒适并使货架携带的物品减小了颠簸。

5.纯滚动式四个档位无级变速自行车一种纯滚动式四个档位无级变速自行车，其中在中轴上的中心齿轮啮合连接有一级行星轮和二级行星轮，中心齿轮的两侧分别套装有推动盘，一侧固定在脚蹬轮轴上，另一侧固定在链轮上；二级行星轮和中心齿轮为棘轮总成与链轮啮合连接，在中轴和后轴的车架体上固定有座盘，座盘上固定有升降档位弹簧；在座盘上固定连接有自锁离合器总成，自锁离合器总成滚动套装在停转盘上，停转盘固定在中轴和后轴上；在中轴和后轴的自锁离合器总成上装有移动升降档位拉杆。

随时变增减速档位，对自行车零部件无影响，制造简单，性能可靠，操作简单，使用方便。

6.无链无级变速自行车一种无链条传动，可随意变换车速的自行车。

该自行

车包括车轮、把手、三角架和踏拐等，横梁左端设有后齿轮、大齿轮和正反齿轮，横梁右端设有中轴齿轮，齿轮与拐轴齿轮啮合，偏心连杆的上端和杠杆的右端同轴装在定位槽板的滑槽中，杠杆的左端与齿条连接，齿条与正反齿轮啮合，横梁上方设有拉簧、活动支架和钢丝拉索。

该自行车结构简单，调速方便灵活，经久耐用，适合各种型号。

7.蓄能型-全自动无级变速自行车一种蓄能型一全自动无级变速自行车，属于交通工具技术领域。

本实用新型的目的通过如下技术方案实现：

主要由设置每侧脚蹬上的长型齿盘交替工作，通过同侧的链条传动同侧的飞轮，飞轮连同带动设置在轮骨内的发条内端发条外端同轮骨固定。

其中：

同每侧的飞轮安装在同一轴套上还设置有防逆转装置，防逆转装置的内部结构如同飞轮，外壳同车架子固定。

骑行时由于每侧长型齿盘的作用，通过链条对同侧的发条交替蓄能，从而实现全自动无级变速。

本实用新型是现代变速自行车的换代产品。

8.便携式高安全型无级变速自行车一种新式样的自行车。

其特征是由行走机

构，车椅式直立车龙头转向机构，杠杆式无级变速驱动机构。

适用于交通拥挤，楼层高，住房紧，停放车辆不便的都市区。

本装置是由足踏杠杆式无级变速机构，车架可横向折叠，驱动大车轮在前面，导向小车轮在后边的行走机构与带靠背车坐椅式的直立车龙头转向机构组成的自行车装置。

该装置形体式样，较为奇特但骑行舒适，更安全，并能折叠便携带。

第二章自行车无级变速器总体方案的选择

自行车无级变速方式多种多样，在此，我只选择了两种方案供参考，作比较，选出理想方案。

该两种方案分别是钢球长锥式（RC型）无级变速器和钢球外锥式无级变速器，分别描述如下。

（一）钢球长锥式（RC型）无级变速器

图2-1钢球长锥式（RC型）无级变速器

如上图所示，为一种早期生产的环锥式无级变速器，是利用钢环的弹性楔紧作用自动加压而无需加压装置。

由于采用两轴线平行的长锥替代了两对分离轮，并且通过移动钢环来进行变速，所以结构特别简单。

但由于长锥的锥度较小，故变速范围受限制。

RC型变速器属升、降速型，其机械特性如下图所示。

技术参数为：

传动比i21=n2/n1=2～0.5,变速比Rb=4,输入功率P1=（0.1～2.2）kw，输入转速n1=1500r/min,传动效率η＜85%。

一般用于机床和纺织机械等.下图是RC型变速器的机械特性：

图2-2RC型变速器的机械特性

（二）钢球外锥式无级变速器

1,11-输入，输出轴2，10-加压装置3，9-主，从动锥轮4-传动钢球

5-调速蜗轮6-调速蜗杆7-外环8-传动钢球轴12，13-端盖

图2-3钢球外锥式无级变速器

如图所示，动力由轴1输入，通过自动加压装置2，带动主动轮3同速转动，经过一组（3～8）钢球4利用摩擦力驱动输出轴11，最后将运动输出。

传动钢球的支承轴8的两端，嵌装在壳体两端盖12和13的径向弧行倒槽内，并穿过调速涡轮5的曲线槽；调速时，通过蜗杆6和蜗轮5转动，由于曲线槽的作用使钢球轴线的倾斜角发生变化，导致钢球与两锥轮的工作半径改变，输出轴转速得到调节。

其动力范围为：

Rn=9，Imax=1/Imin，P≤11kw，ε≤4%，η＝0.80～0.92。

此种变速器应用广泛。

从动调速齿轮5的端面分布一组曲线槽，曲线槽数目与钢球数相同。

曲线槽可用阿基米德螺旋线，也可用圆弧。

当转动主动齿轮6使从动齿轮5转动时，从动齿轮的曲线槽迫使传动钢球轴8绕钢球4的轴心线摆动，传动轮3以及从动轮9与钢球4的接触半径发生变化，实现无级调速。

具体分析如下：

图2-4钢球外锥式无级变速器变速示意图主要由两个锥轮1、2和一组钢球3（通常为6个）组成。

主、从动锥轮1和2分别装在轴Ⅰ、Ⅱ上，钢球3被压紧在两锥轮的工作锥面上，并可在轴4上自由转动。

工作时，主动锥轮1依靠摩擦力带动钢球3绕轴4旋转，钢球同样依靠摩擦力带动从动锥轮2转动。

轴Ⅰ、Ⅱ传动比，由于，所以。

调整支承轴4的倾斜角与倾斜方向，即可改变钢球3的传动半径r：

和r，从而实现无级变速。

（三）两方案的比较与选择

钢球长锥式（RC型）无级变速器结构很简单，且使用参数更符合我们此次设计的要求，但由于在调速过程中，怎样使钢环移动有很大的难度，需要精密的装置，如果此装置用于自行车，成本会大大的提高，显得不合理。

而钢球外锥式无级变速器的结构也比较简单，原理清晰，各项参数也比较符合设计要求，故选择此变速器。

只是字选用此变速器的同时须对该装置进行部分更改。

须更改的部分是蜗轮蜗杆调速装置部分。

因为我们是选用了8个钢球，曲线槽设计，一个曲线槽跨度是900，也就是说自行车从最大传动比调到最小传动比，需要使其转过900，而普通蜗轮蜗杆传动比是1/8，那么其结构和尺寸将完全不符合我们设计的要求。

为此，我们想到了将它们改为两斜齿轮传动，以用来调速。

选用斜齿轮是因为斜齿轮传动比较平稳。

在设计过程中，将主动斜齿轮的直径设计成从动斜齿轮的3/4，这样只要主动轮转动1200，那么从动轮就会转动900，符合设计要求。

第三章自行车无级变速器的安装

无级变速器的输出轴上安装着自行车的后轮，输入轴上安装自行车的后飞轮，整个变速器位于后轮右侧。

变速器的主动调速齿轮上安装摇杆，该摇杆可以伸缩，这样在不调速时保证摇杆空间尺寸较小。

摇杆可转动1200，这样可带动从动调速论转动900,从而使自行车速度在最大速度和最小速度之间变动。

1、4、7-端盖2-轴承3-套筒5-轴套6-轴管

图3-12变速器安装示意图

自行车后轮与输出轴的安装方式如上图所示，1、4、7端盖是用来密封，保护轴

承5的，普通自行车的后轴管和花盘是分开的，我这里把它们作成一个整体，即轴管6，与后轴用键连，轴套5的作用是轴向定位轴管，轴承2与轴采用过盈配合，具体尺寸设计见输出轴的零件图。

[参考文献]

[1]濮良贵,纪名刚.机械设计[M].第八版.西安:

高等教育出版社,2005.

[2]孙恒,陈作模.机械原理[M].第六版.西安:

高等教育出版社,2000.

[3]徐灝.机械设计手册[M].第三卷.北京:

机械工业出版社,1991.

[4]吴宗泽,罗圣国.机械设计课程设计手册[M].第三版.北京:

高等教育出版社,2006.

[5]周良德,朱泗芳.现代工程图学[M].湘潭:

湖南科学技术出版社,2000.

[6]周有强.机械无级变速器[M].成都:

机械工业出版社,2001.

[7]葛志淇.机械零件设计手册[M].天津:

冶金工业出版社,1980.__

致谢

从论文选题到搜集资料，从写稿到反复修改，期间经历了喜悦、聒噪、痛苦和彷徨，在写论文的过程中心情是如此复杂。

如今，伴随着这篇毕业论文的最终成稿，复杂的心情烟消云散，自己甚至还有一点成就感。

那种感觉就宛如在一场盛大的颁奖晚会上，我在晚会现场看着其他人一个接着一个上台领奖，自己却始终未能被念到名字，经过了很长很长的时间后，终于有位嘉宾高喊我的大名，这时我忘记了先前漫长的无聊的等待时间，欣喜万分地走向舞台，然后迫不及待地开始抒发自己的心情，发表自己的感想。

这篇毕业论文的就是我的舞台，以下的言语便是有点成就感后在舞台上发表的发自肺腑的诚挚谢意与感想：

我要感谢，非常感谢我的导师李雄伟老师。

他为人随和热情，治学严谨细心。

在聊天中他总是能像知心朋友一样鼓励你，在论文的写作和格式等方面他也总会以“专业标准”严格要求你，从选题、定题开始，一直到最后论文的反复修改、润色，李老师始终认真负责地给予我深刻而细致地指导，帮助我开拓研究思路，精心点拨、热忱鼓励。

正是李老师的无私帮助与热忱鼓励，我的毕业论文才能够得以顺利完成，谢谢你，李老师！