自行车用无级变速器结构设计课案.docx

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自行车用无级变速器结构设计课案

自行车用无级变速器结构设计

专业:

机械设计制造及其自动化

学生:

朱杨华指导老师：

聂松辉

摘要

无级变速器传动是指在某种控制的作用下，使机器的输出轴转速可在两个极值范围内连续变化的传动方式。

而无级变速器是这样的一种装置，它具有主动和从动两根轴，并能通过传递转矩的中间介质（固体、流体、电磁流）把两根轴直接或间接地联系起来，以传递动力。

当对主、从动轴的联系关系进行控制时，即可使两轴间的传动比发生变化（在两极值范围内连续而任意地变化）。

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。

关键字:

无级变速自行车无级变速器调速

ThedesignoftheCVTonbicycle

Major:

Mechanicaldesignmanufacturingandautomation

Student:

ZhuYangHuaSupervisor:

NeiSongHui

Abstract

Havenotheclassgearboxspreadtomeanunderthefunctionthatisacertaintocontrol,maketheexportationstalkofmachineturnsooncanattwopoleisworththecontinuousvarietyinthescopeofspreadaway.Buthavenoclassgearboxissuchakindofdevice,ithasactivewithfrommovetwostalks,andcanpasstodeliverthemiddleofturningtheJutoliequality（thesolid,fluidandelectromagnetismflows）tocontacttwostalksdirectlyorindirectlytodeliverpower.Whentolord,frommoveanaxialcontactrelationtocarryonacontrol,canimmediatelymakespreadingof2compareoccurrencevariety.（beworthtochangeinarowbutatwillinsidethescopeintwopoles）.BasedontheanalysisofvariousCVTandCVTbikes,inthisdissertation,wechangesomepartsoftheKopp-BCVTforminganewkindofCVTusedtothebicycle.Theyareusedtoinputoroutputthepowerthroughthefrictionandapairofhelicalgearsisalsousedtoadjustthespeed,sothespeedcanchangebetween0.75and1.22.ThisresearchshowsthatwhentheCVTareusedinthebicycle,theycansignificantimprovetheperformanceofbikesothatallcustomerscanuseitconvenient.

Keyword:

CVTbikeCVTSpeedcontrol.

1绪论

1.1机械无级变速器的概述及应用

机械无级变速器是一种传动装置，是在输入转速一定的情况下实现输出转速在一定范围内连续变化的一种运动和动力传递装置，由变速传动机构、调速机构及加压装置或输出机构组成。

机械无级变速器转速稳定、滑动率小、具有恒功率机械特性、传动效率较高，能更好地适应各种机械的工况要求及产品需要，易于实现整个系统的机械化、自动化，且结构简单，维修方便、价格相对便宜。

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（如试验机械或离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。

1.2无级变速器的分类

机械无级变速器分为刚性式、行星式、链式、带式和脉动式四大类。

（1）摩擦式无级变速器由刚性传动元件组成，不调速时各传动件的回转轴线位置固定不变。

它具有结构简单、形式多样的特点。

它分为有中间滚轮与无中间滚轮两大类，前者有较大的调速比（Rb≤16～20），后者的Rb＜6。

为提高功率体积比常采用多中间体的分汇流传传动方式。

对于既升速又降速的变速装置一般需用两套加压装置。

传动件接触区可设计成初始点或线接触的结构，前者承载能力稍差，但相对滑动较小，并能补偿受力变形及加工装配等误差；后者承载能力较高，但对制造和装配要求较高。

（2）行星式无级变速器具有作行星运动的中间滚动体，依靠滚动副间的牵引（摩擦）力，通过改变太阳轮或行星轮的工作半径来实现变速的无级变速器。

其传动原理与一般锥齿轮行星轮系很相似，但没有轮齿因而工作半径在运动过程中可以调整。

由于上述传动原理的特点，使行星无级变速器的结构、性能与刚性式无级变速器不同。

行星无级变速器的共同特点：

1、变速范围较宽广；2、输出转速恒低于输入转速；3、输出特性好；4、采用多行星轮分汇流传动；5、结构紧凑，加压和调速操纵机构比较简单。

（3）链式无级变速器通过两相对锥轮之间形成楔形夹槽，夹持着特殊结构的变速传动链，依靠压紧力使链和链轮形成力（或准形）封闭运动副，依靠摩擦力来传递动力，它属于钢质挠性变速传动，其功率和磨损率分别是带传动的11倍和1/3。

所以结构紧凑、寿命长。

（4）带式无级变速器其结构简单、制造容易、工作平稳、能吸收振动、易损件少、带的更换方便；因而是机械无级变速器中广泛应用的一种；其缺点是外形尺寸较大而变速范围较小。

它由主、从动锥（带）轮、紧套在两轮上的带、调速操纵机构和加压装置等组成。

当主动轮转动时，借带与锥轮间的摩擦力驱动从动轮并传递动力；通过调速操纵机构改变带在锥轮上的位置，使主、从动轮的工作半径改变，以达到无级变速的目的。

（5）脉动式无级变速器由连杆机构与单向超越礼盒器组成的变速器。

它通过调速机构来改变连杆机构中某一构件的长度，以形成构件间新的尺寸比例关系，使摇杆获得不同的摆角，通过超越离合器使输出轴的转速发生变化，从而达到无级变速的目的。

1.3机械无级变速器的发展

无级变速器分为机械无级变速器，液压传动无级变速器，电力传动无级变速器三种，但本设计任务要求把无级变速器安装在自行车上，所以一般只能用机械无级变速器，所以以下重点介绍机械无级变速器。

机械无级变速器是适合现今生产工艺流程机械化自动化发展以及改善机械工作性能的一种通用传动装置。

它的研制在国外已有百余年的历史，初始阶段受条件限制，进展缓慢。

直到20世纪50年代以后，一方面随着科学技术的发展，在材质、工艺个润滑方面的限制因素相继解决，另一方面随着经历发展，需求迅速增加，相应地促进了机械无级变速器的研制和生产，使各种类型的系列产品快速增长并获得了广泛的应用。

国内机械无级变速器在二十世纪六十年底前后起步，基本上时作为一些专业机械。

如纺织、机床及化工机械等的配套零部件，由专业机械厂进行仿制和生产，品种规格不多，产量不大。

直到八十年代中期以后，大量引进国外各种先进设备，工业生产现代化以及自动流水线的迅速发展，对机械无级变速器在品种、规格和数量方面的需求都大幅度增加。

在这种形势下，专业厂开始建立并进行规模化生产，一些高等院校也开展了这方面的研究工作，短短几十年时间，系列产品已包括机械无级变速器现有的摩擦式、链式、带式、和脉动式四大类及其各种主要结构型式，初步满足了生产发展的需求。

与此同时，无级变速器专业协会、行业协会及情报网等组织相继建立。

定期出版网讯及召开学术信息会议进行交流。

自90年代以来，我国先后制定的机械行业标准共14个：

（1）JB/T5984-92《宽V带无级变速装置基本参数》

（2）JB/T6950-93《行星锥盘无级变速器》

（3）JB/T6951-93《三相并联连杆脉动无级变速器》

（4）JB/T6952-93《齿链式无级变速器》

（5）JB/T7010-93《环锥行星无级变速器》

（6）JB/T7254-94《无级变速摆线针轮减速机》

（7）JB/T7346-94《机械无级变速器试验方法》

（8）JB/T7515-94《四相并列连杆脉动无级变速器》

（9）JB/T7668-95《多盘式无级变速器》

（10）JB/T7683-95《机械无级变速器分类及型号编制方法》

（11）JB/T7686-95《锥盘环盘式无级变速器》

（12）JB/T50150-1999《行星锥盘无级变速器质量分等》

（13）JB/T53083-1999《三相并联连杆脉动无级变速器质量分等》

（14）JB/T50020-××××《无级变速摆线针轮减速机产品质量分等》（报批稿）

现在，机械无级变速器从研制、生产、组织管理到情报网信息各方面已组成一较完

整的体系，发展成为机械领域中一个新型行业。

1.4无级变速自行车研究现状

自行车发展到现在已经有传统的自行车演变成无级变速自行车，现代的无级变速自行车可谓是形式多样，五花八门，以下是当今社会上存在的部分无级变速自行车。

（1）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。

（2）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。

（3）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

（4）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。

（5）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。

（6）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。

（7）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。

（8）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。

1.5毕业论文设计内容和要求

设计内容：

根据自行车的特点选择合适的传动比；比较和选择合适的方案；完成自行车无级变速器变速器的结构设计与计算；对关键部件进行强度和寿命校核。

设计要求：

输入功率P=0.15kw、最低转速n=20rpm、调速范围R=8；变速器尺寸要尽可能小，轻便；结构设计时应使制造成本尽可能低；安装拆卸要方便；外观要匀称，美观；关键部件满足强度和寿命要求；画零件图和装配图。

2钢球行星式无级变速器的总体方案选择

2.1采用螺旋传动实现球架的左右移动

图2.1方案图一

如图2.1所示，轴的一端为空心，中部开有一个槽，如图2.1所示将调速块插入轴的槽中，该零件是内带螺纹孔的，将一螺钉插入轴孔中如图2.1所示，该螺钉刚好与轴空端部接触，使之不能移动，在零件上装一个轴承，两边用如图所示的卡盘卡住，卡盘由球架的固定架固定，则拧动螺钉，轴承与卡盘会跟着零件而左右移动，套在轴承及卡盘上的球架的中心轴会因球架的上下浮动而有角度的倾斜，从而达到变速的目的。

2.2依靠左右推动实现球架的移动

图2.2方案图二

如图2.2所示，其余装配部分一样，但插入轴槽中的零件不再是内带螺纹孔，而是是实心的，在零件的左端部带有一弹簧，如图所示，弹簧的直径与孔径一样大小，当整个装置位于最右端是，弹簧与轴孔的端部有一定的预紧里力，从轴孔的右端插入一直径与孔径般大小的铁棒，则左右推动铁棒便可以实现整个装置的左右移动，从而达到变速的目的。

2.3两方案的选择与比较

两方案都能达到预期的变速目的，其中，螺旋传动能很好的保证变速过程中的精度、效率、磨损寿命和强度等的要求，便于制造，易于自锁；方案二也可以达到变速效果，而且弹簧制造简便，使用广泛，但如果采用方案二，不易于自锁，则在轴的右端还要加一自锁装置，从而使整个装置复杂化，站在人力的角度思考，方案二相比于方案一要费力，所以综合考虑，我选用方案1—采用螺旋传动来实现钢球架的左右移动从而实现自行车的无级变速。

3钢球行星式无级变速器部分零件的设计计算

3.1钢球的设计计算

由力学知识可知:

轮胎所产生的转矩与钢球摩擦所产生的转矩平衡

设钢球的个数为八个

×（M人+M车）×g×u1×R1=8×Q×u2×C×

其中：

M人=65kg,M车=20kg,u1=0.1,u2=0.1,g=9.8，R1=280mm，C=2.16，Q为钢球所受正压力

代入数据可得：

Q×Dq=17997

看参考文献[1]可知：

§Hmax=1353×

=1353×

由于传动件的[dj]=2200～2500MPa，带入上式得：

Dq=22.51～25.58mm

取Dq=25mm

该装置是自动加压装置，依靠固定连接在钢球支轴两端的固定架中的小球上下滑动从而使支轴有一转角变化，取小球直径d=8mm。

3.2钢球支轴转角的设计计算

本文钢球支轴极限转角图如图3.1所示：

图3.1钢球支轴极限转角图

如图3.1所示：

AO=BO∠0AC=∠BOD

则

RtΔOAC∽RtΔBOD

根据图3.2所知：

sin∠1=

cos∠1=

=cos∠2

则

tan∠1=

θ=45°-arctan

=45°-arctanI

参考参考文献[2]中钢球行星式无级变速器的规定，取Imin=0.3，又已知Rb=8，故Imax=1.6。

因此该无级变速器的调速范围在0.3～2.4之间。

钢球的极限转角为：

增速方向θ=arctanImax-45°=arctan2.4-45°=22.38°

减速方向θ=45°-arctanImin=45°-arctan0.3=28.3°

钢球的中心圆直径为：

D=（C1+cos45°）╳dq=（2.16+

）╳25≈71.7mm

钢球侧隙为：

[（C1+cos45°）╳sin

-1]╳dq=[（2.16+

）╳sin

-1]╳25≈2.43mm

3.3轴槽的长度及卡盘的倾斜角的设计计算

本文调速机构如图3.2所示：

图3.2调速机构

根据以上计算得：

增速方向θ=arctanImax-45°=arctan2.4-45°=22.38°

减速方向θ=45°-arctanImin=45°-arctan0.3=28.3°

由图3.2可知：

∠1=∠θ增=22.38°∠2=∠θ减=28.3°

由上面的计算可知：

钢球的半径R=12.5mm

L1-2=12.5Xcos22.38°=11.52mm

L3-4=12.5Xcos28.3°=11.01mm

由上面计算可得：

钢球向左偏移了0.98mm，向右偏移了1.49mm

L1-2=11.52+1.49=13.01≈14mm

L3-4=11.01+0.98=11.99≈12mm

增速方向钢球下降的距离为：

H1=12.5Xsin22.38°=4.76≈5mm

H2=12.5Xsin28.3°=5.93≈6mm

3.4轴的设计计算

3.4.1轴的选材及最小直径的计算

由于自行车在工作过程中受的载荷不大，工作环境比较平稳，根据参考文献[9]可选45号钢，并进行调质处理，HB217～255。

轴的最小直径为：

dmin≥A0╳

在参考文献[3]表15-3中可知：

取A0=115

对于空心轴而言

dmin≥A0╳

╳

由参考文献[3]可知：

μ=0.5

代入数据可得：

=1.022

由于设计要求P输入=0.15kwnmin=20rpmRb=8

由参考文献[4]得

Rb=

=8nmax=160rpm

从而可知转速n的范围在20～160rpm之间取n=150rpm

查参考文献[5]得取效率为η=0.82

P输出=0.15╳0.82=0.123kw

实心轴部最小直径为：

dmin≥A0╳

=11.50mm

空心轴部最小直径为：

dmin≥A0╳

╳

≈11mm

所以取轴的最小直径dmin=12mm

3.4.2轴的结构设计

（1）拟定轴上零件的装配方案

本文的装配方案如图3.3所示：

图3.3装配方案图

（2）根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度

1）由于前面计算可知dmin=12mm，Ⅰ–Ⅱ段有螺纹，取公称直径为14mm的螺纹，所以dⅠ–Ⅱ=14mm。

如图3.3所示，Ⅰ–Ⅱ段螺纹与自行车后轮相连，螺纹长度取15mm，螺纹右端到Ⅱ的长度也取15mm。

则LⅠ–Ⅱ=15+10=25mm。

2）初步选择滚动轴承。

由于主要受径向载荷，也同时承受小的轴向载荷，故选用深沟球轴承。

参照要求根据dⅠ–Ⅱ=14mm，由轴承产品目录中初步选取1基本游隙组、标准精度级的深沟球轴承6103，故dⅡ–Ⅲ=17mm。

为了方便输出输入端轴承装配部分加工，则LⅥ–Ⅶ=17mm。

取Ⅱ到链轮端面相距为3mm，轴承B=10mm，与输入轮盘的间距为3mm，输入轮盘的左端部取14mm，为了保证紧钉螺钉与链轮相连，轴承的右端用挡圈定位，取挡圈的厚度为2mm，所以LⅡ–Ⅲ=3+