毕业设计变速自行车变速结构设计及速度比分析.docx
《毕业设计变速自行车变速结构设计及速度比分析.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《毕业设计变速自行车变速结构设计及速度比分析.docx（17页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
毕业设计变速自行车变速结构设计及速度比分析
成都农业科技职业学院
毕业设计
题目：
变速自行车变速结构设计及速度比分析
学号：
20090703114~
姓名：
吴..
专业班级：
09机制一班
指导老师：
包….
2011年12月
内容要求概述：
人民对于自行车的利用不仅仅是代步工具，更多的是游骑，锻炼身体。
为了满足更多需求，很多人喜欢购买变速自行车，但价格昂贵其原因就是可以满足更多需求，很多人喜欢购买变速自行车，但价格昂贵其原因就是可以实现自动变速，体力消耗较少。
借助三维软件合理设计一款性价比较高的变速自行车（主要考虑其变速原理），合理设计变速自行车的变速原理装置（铰链，前后轮盘机构），并根据实际情况计算其变速的范围。
第1章绪论
1.1变速自行车的发展概括：
1.1.1变速自行车的现状及前景：
自行车发明至今已历经两百年的岁月，其所扮演的角色也随着时代的变化而不同，自行车功能从早期单纯的交通或载货工具演变为人们现今日常生活中运动、娱乐、休闲以及其它各种特殊用途等不同目的一项器材。
在处于经济高度发展的都会时代，世界各国政府无不强力提倡环保的重要，自行车正是环保观念的代表，以人力和机械的自然作动，最简单与直接的力回馈，没有过多电子仪器的干扰与能源的浪费，拉近人类与自然的距离，而且随着变速器的出现进一步的提升了自行车行业的发展前景，自行车虽然诞生于欧洲，但20世纪却在亚洲获得了前所未有的普及和发展，尤其是在中国这个自行车王国更是获得了跳跃式的发展机遇，中国可以说是当今拥有世界上最多的自行车与自行车生产厂家。
根据《中国变速自行车行业深度调研与投资前景预测研究报告》显示在未来中国对于节能简单实用的变速自行车的需求将进一步扩大其产值也将是以几倍到几十倍的速度增加。
而相对于欧洲等一些发达国家人们对绿色环保的变速自行车也更是青睐有加，其政府也分分鼓励公民绿色出行。
相信在这高度重视环保的年代，相信变速自行车这项产品所具有的意义与价值会更加提升。
1.1.2变速自行车的发展历史演变：
变速自行车与普通自行车的区别主要是在变速器上。
而在变速器未发明时人们为了节约体力已经开始使用带传动比齿轮的自行车了因为这样更能节省体力，可是在改变链条在齿轮上的位置时候，需要人用手来拨动链条。
无疑，这样做是很危险的。
后来意大利人康帕吉奥罗（TullioCampagnolo），发明了手动变速系统，不是人的手去拨动链条，而是依靠机械装置来完成，不仅在操作上简便，而且也在安全方面做出了贡献。
随着技术的发展，产生了前变速器、后变速器的零部件，变速系统已经变得成熟了起来。
在1902年,英国史都梅----阿切尔公司在自行车后轮装上了变速器,变速自行车出现了。
使得我们更加方便的操控变速系统，用一只手就可以在自行车的斜梁上面，选择我们想要的齿轮比。
因为在他们出现之前的变速系统是一种很简单的拨杆系统，不能完成更复杂的任务。
后来变速的级数也开始逐渐的多了起来，从五速一直到当今这个时代，已经发展到了十级，也就是说后轮的齿轮数量已经达到了十片，我们的选择变得越来越多了。
自行车的发展在经历了百年的时间以后，已经进入了相对稳定的时期，无论是式样还是方式都没有了很大的突破。
但是变速器这一构想的发明和出现将自行车的发展又提升到了一个新的高度。
并且兴起了一种新的运动——公路赛车，譬如著名的法国环法赛车，和中国的环青海赛车等等，都是运用的变速自行车。
总的来说，变速自行车是朝着美、轻、牢、新、廉方向发展。
美是造型美观、色彩鲜艳、华丽而不俗；轻是自重轻、骑行轻、省力；牢是强度高；新是款式新、品种多；廉是成本低、竞争力强。
1.1.3变速自行车在如今人们生活中的应用
发明改变了世界，改变了人们的生活。
变速自行车随着科技的不断发展改进能够使其更加贴近人们的生活需要。
现在的人们主要运用其做距离较进的代步工具，和平时锻炼身体的运动产品譬如山地变速自行车，而变速自行车在体育赛事的应用也得到广大人们的喜爱，譬如世界著名的赛事环法赛是世界影响最广、规模最大，比赛水平最高的自行车比赛。
环意大利赛和环西班牙赛次之。
其奖励也是相当的丰厚。
变速自行车可以说在很大程度上使我们生活更加富有乐趣。
使其成为人们的“知己好友”。
工作、生活、社交、外出兜风……任何一个场合，任何一个特定的时刻，自行车都曾发挥过独特的重要的作用。
其主要人群主要适用与城市上班，学生族代步工具，以及休闲锻炼等。
1.2、变速自行车的结构组成：
图1
变速自行车的车架、轮胎、脚踏、刹车、链条等25个部件中，其基本部件缺一不可。
1.2.1车架部件
车架部件是构成自行车的基本结构体，也是自行车的骨架和主体，其他部件也都是直接或间接安装在车架上的。
车架部件的结构形式有很多，但总体可以分为两大类：
即男式车架和女式车架。
车架一般采用普通碳素铜管经过焊接、组合而成。
为了减轻管重量，提高强度，较高档的自行车采用低合金钢管制造。
为了减少快速行驶的阻力，有的自行车还采用流线型的钢管。
由于自行车是依靠人体自身的驱动力和骑车技能而行驶的，车架便成为承受自行车在行驶中所产生的冲击载荷以及能否舒适、安全地运载人体的重要结构体，车架部件制造精度的优劣，将直接影响乘骑的安全、平稳、和轻快。
一般辐条是等径的，为了减轻重力，也有制成两端大、中间小的变径辐条，还有为了减少空气阻力将辐条制成扁流线型
2、外胎
分软边胎和硬边胎两种。
软边胎断面较宽，能全部裹住内胎，着地面积比较大，能适宜多种道路行驶。
硬边胎自重轻，着地面积小适宜在平坦的道路上行驶，具有阻力小，行驶轻快等优点。
外胎上的花纹是为了增加与地面的摩擦力。
山地自行车的外胎宽度特别宽，花纹较深也是适应越野山地用。
3、脚蹬部件
脚蹬部件装配在中轴部件的左右曲柄上，是一个将平动力转化为转动力的装置，自行车骑行时，脚踏力首先传递给脚蹬部件，，然后由脚蹬轴转动曲柄，中轴，链条飞轮，使后轮转动，从而使自行车前进。
因此脚蹬部件的结构和规格是否合适，将直接影响骑车人的放脚位置是否合适，自行车的驱动能否顺利进行。
脚踏：
可分为整体式脚踏和组合式脚踏。
无论什么款式的脚踏都必须有脚踏面，必须安全可靠，具有一定的防滑性能，可以选用橡胶、塑料或金属材料制造。
脚踏必须转动灵活。
4、前叉部件
前叉部件在自行车结构中处于前方部位，它的上端与车把部件相连，车架部件与前管配合，下端与前轴部件配合，组成自行车的导向系统。
转动车把和前叉，可以使前轮改变方向，起到了自行车的导向作用。
此外，还可以起到控制自行车行驶的作用。
前叉部件的受力情况属悬臂梁性质，故前叉部件必须具有足够的强度等性质。
5、链条
链条又称车链、滚子链，安装在连轮和飞轮上。
其作用是将脚踏力由曲柄、链轮传递到飞轮和后轮上，带动自行车前进。
6、飞轮
飞轮以内螺纹旋拧固定在后轴的右端，与链轮保持同一平面，并通过链条与链轮相连接，构成自行车的驱动系统。
从结构上可分为单级飞轮和多级飞轮两大类。
单级飞轮又称为单链轮片飞轮，主要由外套、平挡和芯子、千斤、千斤簧、垫圈、丝挡几钢球等零件组成。
其单级飞轮工作原理：
当向前踏动脚踏是，链条带动飞轮向前转动，这时飞轮内齿和千斤相含，飞轮的转动力通过千斤传到芯子，芯子带动后轴和后轮转动，自行车就前进了。
当停止踏动脚踏板时，链条和外套都不旋转，但后轮在惯性作用下仍然带动芯子和千斤向前转动，这时飞轮内齿产生相对滑动，由此将芯子压缩到芯子的槽口内，千斤又压缩了千斤簧。
当千斤齿顶滑到飞轮内齿顶端时，千斤簧被压缩得最多，再稍微向前滑一点，千斤被千斤簧弹到齿根上，发出“嗒嗒”的声响。
芯子转动加快，千斤也很快在各个飞轮内齿上滑动，发出“嗒嗒”的声音。
当反向踏动脚踏时，外套反向转动，会加速千斤的滑动，使“嗒嗒”声响得更急促。
多级飞轮是自行车变速装置中的一个重要部件。
多级飞轮是在单级飞轮的基础上，增加几片飞轮片，与中轴上的链轮结合，组成各种不同的传递比，从而改变了自行车的速度主要是变速器工作原理将在下节介绍。
第2章自行车变速器的工艺设计分析
2.1选择设计变速器方案的原因及设计过程
选择设计此变速方案的原因：
我们将要设计的变速系统采用的是18级变速也就是说链轮3级，飞轮6级，因为这个变速方案变速级别相对较低，能满足普通的变速需求，设计要求也比较适合我们的所学基础知识架构，设计难度相对高级别变速的工艺尺寸要求简单实用更贴近人们日常生活中所广泛使用的变速自行车。
而且这种变速自行车在学校相对好找，便于我们观察研究讨论，以及获得必要的数据支持。
设计过程：
我们选择好设计的总体思路后就在学校同学的变速自行车中进行观察实践，以及测量各方面的数据尺寸以计算变速系统链，齿的各项参数。
随后我们大体参照《机械设计基础》的链传动章节选择确定链型号，确定链节数以及链轮中心距。
继而进一步计算与链相配合的链轮，飞轮的齿顶，齿底，齿形。
譬如：
齿面圆弧半径，齿沟圆弧半径，齿沟角等齿形参数。
这样大致设计出变速机构的基本参数的过程。
2.2变速自行车的变速装置及其原理
图2
变速装置主要有：
链条，飞轮，导向轮，张力轮，前拔后拔，变速调节螺丝等。
一般的变速自行车工作方式：
是靠一个变速器的装置来变速的,原理和汽车上的换档装置很像.在自行车的结构中,我们把连接两个踏板（脚蹬）的轴叫主动轴.非变速自行车就是靠我们人工改变主动轴的转速来走各种路段的.我们把连接自行车后轮和车架的轴叫从动轴.这里顺便提一句自行车运行的基本原理:
主动轴转动通过链条使从动轴一起转动,即为通过踩踏板带动后轮前进.变速器的设计就是为了改变主动轴和从动轴之间的传动比,从而达到省力,省车的目的
一般的变速自行车,是在主动轴上安装3-5大齿轮,从小到大排列好.在从动轴上安装6-9个齿轮,从大到小排列好.在你的车把或车身上有两个变速杆,分别对应着主动轴和从动轴.变速时,转动对应的变速杆,就可以使链条到不同的齿轮上.后拨的导向轮固定链条的位置，而张力轮保证链条有一定的张力，能够紧紧地裹在齿轮上。
张力轮固定在摆臂上，由弹簧拉进。
变速原理:
在主动轴附近的链条上有个装置叫前拨,我们转动变速杆,就会使前拨的位置发生变化,从而使链条到不同的前齿轮上,这时,我们在转动调节从动轴的变速杆,就可以了.也就是说主从动轴都采用了可变换的设计,从而形成不同的传动比,达到变速的目的.
靠一个在传送过程中从一个齿轮变到另一个齿轮的机械装置,达到变速,改变的是运转速度或牵引力
简单的改变链条的传动比是不一定好使的,我们需要明白,不同的路段需要不同的传动比.当主动轴选用最大的齿轮,从动轴选用最小的齿轮时,可以获得最大速度,但却最费力,所以建议在下坡选用.当主动轴选用最小的齿轮,从动轴选用最大的齿轮时,可以获得最小速度,但却十分省力,在上坡使用尤为有效.另外,当前齿轮固定时,从动轴上的齿轮越小,越能加速
2.3变速器的材料选择
2.3.1链条的材料选择
自行车链条用冷轧钢带（GB3643-83），它的强度很高，但韧性、可焊性差，比较硬、脆，表面光亮。
链条主要分为滚子链，齿行链两种。
滚子链结构简单，磨损较轻，故应用广泛。
自行车链条主要采用滚子链。
滚子链已标准化有A。
B两种系列产品，A系列用于重载，较高速度和重要的传动，B系列用于一般传动。
2.3.2链轮飞轮材料的选择
大体选用低中速，轻中载，无激烈冲击，振动和易磨损工作条件下的链轮。
而且用高强度钢材制成，保证其达到需要的拉力。
选用:
C45度钢，含碳（C）量是0.42~0.50%，Si含量为0.17~0.37%，Mn含量0.50~0.80%，Cr含量≤0.25%，Ni含量≤0.30%。
，Cu含量≤0.25%。
密度7.85g/cm3，弹性模量210GPa，泊松比0.31。
正火：
850淬火：
840回火：
600抗拉强度：
不小于600Mpa屈服强度：
不小于355Mpa伸长率：
16%收缩率：
40%冲击功：
39J钢材交货状态硬度：
不大于未热处理：
229HBS退火钢：
197HBS。
2.4变数器链轮飞轮的设计
图3
2.4.1设计条件
根据自行车骑行变速要求，确定各级传动比，然后确定链轮以及飞轮的齿数根据骑行的平均功率确定主要零件结构及参数。
根据设计传动比要求及资料查证，我们选用的是6级飞轮3级链轮的结构。
以保证其多级变速：
链轮齿数取28,38,48飞轮齿数14,16,18,21,24,28.
设计高速链轮与低速飞轮的滚子链传动，链轮最大轴功率根据骑行的最大载重以及脚到中心轴的距离确定，链轮轴的功率取P=180W,链轮平均转速取n1=378r/min,人对其作用的载荷相对平稳。
以下设计公式取自《机械设计基础》
1.链轮齿数我们参考的是《中国自行车标准》的推荐数值取Z1=48，Z2=28.
2.可知实际传动比为i=Z2/Z1=28/48=0.58
3.已知链轮转速n1=378r/min
可得飞轮转速n2=n1/i=378/0.58=652r/min
4.设计功率
按试10-1，Pc=Ka*kz*p=118.8w
已知：
Ka=1Kz=0.66p=180w
5链条型号以及节距参数的确定
由设计功率Pc=118.8W,和转速n1,可查图选取链型号为0.8A标准化的滚子链，查表10-1可知其链条规格P=12.7mm的节距等一系列滚子链尺寸参数。
图4滚子链GB/T1243A系列
6初定中心距
由a0=（30~50）p，取a0=33,33*p=41.9cm.
7链条节数
Lp=
=
=104
8.链条长度
L=Lp/1000=104*12.7/1000=1.32m
9.实际中心距
按试10-4计算实际中心距a=
[（Lp-
）+
]
=
=41.7cm
10链速
按试10-2得V=
v=
=2.24m/s
11有效圆周力
Fe=1000P/V=
=80.36N
12作用于轴上的拉力
FQ=KQ*Fe=1.15*80.36=92.41NKQ=1.15
13润滑方式的选定
如图10-9，选取滴油润滑。
2.4.2链轮的高速齿片（48齿）和飞轮（28齿）的设计参数
1.基本参数：
Z1=48，Z2=28,P1=P2=12.7mm
2.分度圆直径：
d链=P/sin
=12.7/sin
=194mm
d飞=p/sin
=12.7/sin
=113mm
3.齿顶圆、齿根圆直径（选用三圆弧一直线齿形）计算：
公式：
da链=P（0.54+cot
）
=
=200mm
df链=d链—d1=194—7.95=186.05mm
da飞=
=
=119.50mm
df飞=d飞—d1=113—7.95=105.05mm
4.分度圆弦齿高：
ha=0.27P
ha飞=ha链=0.27*12.7=3.43mm
2.4.3齿槽的形状设计
查表10—2，1.齿沟圆弧半径：
=
=4.15mm
2.齿沟角：
a链=
=118.130
a飞=
=116.790
3.齿面圆弧半径：
公式Re=0.008d1（Z2+180）
Re链=0.008*7.95*（482+180）=157.98mm
Re飞=0.008*7.95*（282+180）=61.31mm
其余链轮的齿28,38。
飞轮的齿14、16、18、21、24齿的设计方法计算参照以上齿轮的设计，以下就不再一一累叙计算。
第3章变速比
3.1变速自行车的变速比分析
自行车有前后两个飞轮,通过不同的齿数组合,可以产生不同的速比.比如我们设计的大盘3片,小盘6片,相乘=18,则称之为18档变速
1、齿轮比（变速比）:
主动轮对被动轮的齿数之比为齿轮比。
如果两个齿轮的齿数相同，那每踏蹬一周。
两个齿轮和后轮都各旋转一周。
假如主动齿轮的齿数大于被动齿轮的齿数，那么每踏蹬一周，被动齿轮转的圈数就大于一周多，速度加大。
因此，齿轮比与主动轮的齿数成正比，与被动齿轮的齿数成反比。
以g代表齿轮比，C代表主动齿轮的齿数，F代表被动齿轮的齿数，它们之间的关系用公式表示，即：
g=c/f
例如：
赛车轮盘为48齿，飞轮为16齿，代入公式即可求出齿轮比为:
g=c/f=48/16=3
也就是说蹬踏轮盘一周，飞轮转三周。
2、传动比（传动系数）：
齿轮比乘以后圈直径，即为传动比。
以D代表传动比，b代表后圈直径，它们之间关系用公式表示，即：
d=c/f×b=gb
由此可见，齿轮比确定之后，传动比是与后圈直径成正比的。
例如：
轮盘为48齿，飞轮为16齿，后圈直径为27时（英寸，是因为1888年苏格兰人邓洛普发明了内充空气的车胎），代人公式即可求出传动比：
D=C/F×b=48/16×27=3×27＝81
3、传动行程，每踏蹬一周，车子向前运动的距离则为传动，行程，也叫速比行程。
其计算方法是传动比乘以圆周率。
以M代表传动行程，π代表圆周率（此为常数，π＝3．14），它们之间关系用公式来表示。
即：
M=Dπ=C/F×b×π
自行车后轮直径的计量一般习惯用英制表示，而行程计算一般习惯用公制，因此在计算中需要把英制换算为公制。
一英时=2．54CM，用K来代表，即：
K＝2．54CM。
代入公式，即：
M=G/F×B×π×k
例如，赛车轮盘为48齿，飞轮为16齿,后轮真径为主教黄时，求它行程距离时，求它行程距离，代人公式：
M=C/F×b×π×k=48/16×27×3.14×2.54=646CM
以上数据是自行车每踏蹬一周，车子向前行进行646cm,即6.46m。
3.2设计用变速自行车的各齿变速比对照
表1
从图中可以看出链轮转动一圈各飞轮转几圈的变速比列，传动比以及其传动行程参照上节分析计算以下就不一一计算。
3.3自行车变速器简图
图5变数器简图
图6链轮简图
总结
经过毕业设计的锻炼，我基本完成了对自行车变速系统的了解和分析，充分了解了变速系统的工作原理和必要变速系统的设计比如链条的选用链轮飞轮的设计等等。
这类变速器是应用于普通人们对代步工具自行车的需要而产生的。
其变速可达18级的变速由链轮飞轮齿不同的配比完成的，档位的切换是通过手柄以及前后拔器来完成的。
当然变速器的材料选择以及工艺处理也是一件很重要的过程譬如变速装置大多都采用45度中碳钢经过淬火回火等。
由于设计时间的仓促以及必要资料的缺乏，和必要的设计经验，设计的很多方面都缺乏工艺性。
因此我深刻的感悟到所学知识的不足，在以后工作中我必定会继续努力学习。
当然在设计中我们学会了独立思考，解决问题。
在设计中不断遇到问题不断去想办法去查资料上网收讯息等等。
都为我们将来严谨的态度打下咯基础。
再者设计一个东西使我深深的认识到认真努力是必不可少的元素，团队协作与同学之间的支持也是我们成功的关键所在。
我的设计也存在着许多的不足，希望老师能给予进一步的指导与改正。
参考文献
张键中，周家泽 《机械设计基础》 高等教育出版社
钟毅芳 《机械设计原理与方法》 华中科技大学出版社
苏建修张学良《机械制造基础》机械工业出版社
中国自行车标准
中华人民共和国国家标准（滚子链传动）
升级会员 