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畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論文）
題目 無級(jí)變速自行車設(shè)計(jì)
專 業(yè)：
學(xué) 生 姓 名：
班 級(jí)：
學(xué) 號(hào)：
指 導(dǎo) 教 師：
完 成 時(shí) 間：
XX學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
摘要
本課題的主要研究內(nèi)容是無級(jí)變速自行車設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)自行車在使用過程中比較費(fèi)力，并且還達(dá)不到自己想要的車速。本文鑒于上述原因，并且在分析無級(jí)變速器和自行車的基礎(chǔ)上，將鋼球外錐式無級(jí)變速器進(jìn)行改裝，從而形成自行車無級(jí)變速裝置。該裝置通過八個(gè)鋼球利用摩擦力將動(dòng)力進(jìn)行輸入和輸出，用一對(duì)斜齒輪進(jìn)行分度調(diào)速，從而使自行車進(jìn)行無級(jí)調(diào)速，達(dá)到預(yù)想的效果。
關(guān)鍵詞：無級(jí)變速、自行車、無級(jí)變速器
ABSTRACT
The main contents of this paper is continuously variable bicycle design. In the course of a conventional bicycle more demanding, and has not yet reached their desired speed. In view of the above article, and the CVT based on the analysis of the bicycle and the outer cone CVT ball be modified to form a bicycle CVT. The device will be using friction ball through eight power input and output, with a pair of helical gear indexing speed, so that the variable speed bicycle, to achieve the desired effect.
Keywords: CVT, bicycles, transmission
I
目 錄
摘要 I
ABSTRACT I
第1章 緒論 3
1.1 自行車的發(fā)展概況 3
1.2 機(jī)械無級(jí)變速器的發(fā)展概況 4
1.3 無級(jí)變速自行車研究現(xiàn)狀 5
1.4 無級(jí)變速自行車的研究意義及實(shí)用價(jià)值 7
第2章 無級(jí)變速器總體方案的選擇 8
2.1 鋼球外錐式無級(jí)變速器 8
2.2 鋼環(huán)長錐式無級(jí)變速器 9
2.3 方案的分析與確定 9
第3章 無級(jí)變速器部分零件的設(shè)計(jì)與計(jì)算 10
3.1 鋼球與主﹑從動(dòng)錐齒輪的設(shè)計(jì)與計(jì)算 10
3.2 增壓盤的設(shè)計(jì)與計(jì)算 11
3.3 輸入軸的設(shè)計(jì)與計(jì)算 12
3.4 輸出軸的設(shè)計(jì)與計(jì)算 15
3.5 輸入﹑輸出軸上軸承的選擇與計(jì)算 17
3.6 輸入﹑輸出軸上端蓋的設(shè)計(jì)與計(jì)算 19
3.7 調(diào)速齒輪上變速曲線槽的設(shè)計(jì)與計(jì)算 19
3.8 調(diào)速機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與計(jì)算 21
3.9 無級(jí)變速器的安裝 22
第4章 結(jié)論 23
參考文獻(xiàn) 24
II
第1章 緒論
1.1 自行車的發(fā)展概況
自行車的誕生與發(fā)展已有幾百年了，在自行車的發(fā)展歷程中自行車的結(jié)構(gòu)有過幾次重大的變化，這些變化使自行車的設(shè)計(jì)發(fā)展中出現(xiàn)過“山窮水復(fù)疑無路，柳暗花明又一村”。每一次重大的變化都是自行車的設(shè)計(jì)思想上的一個(gè)大的突破，每一次大的變化都使自行車的發(fā)展進(jìn)入了一個(gè)新時(shí)代。
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(gè)輪子而沒有傳動(dòng)裝置，人騎在上面，需用兩腳蹬地驅(qū)車向前滾動(dòng)。
1801年，俄國人阿爾塔馬諾夫設(shè)計(jì)出世界上第一輛用踏板踩動(dòng)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(shí)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，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(shè)計(jì)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(dǎo)向和驅(qū)動(dòng)的自行車，同時(shí)車上采用了滾動(dòng)軸承、飛輪、腳剎、彈簧等部件。
1886年英國人詹姆斯把自行車前后輪改為大小相同，并增加了鏈條，使其車型與現(xiàn)代自行車基本相同。
1887年，德國曼內(nèi)斯公司將無縫鋼管首先用于自行車生產(chǎn)。
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(shí)至今日，自行車已成為全世界人們使用最多，最簡單，最實(shí)用的交通工具。也許人們應(yīng)該永遠(yuǎn)記住這些自行車的發(fā)明者們，他們的名字，絲毫不亞于汽車的發(fā)明者卡爾、本茨。
隨著自行車的誕生也興起了自行車運(yùn)動(dòng)。1868年在法國舉行了世界上首次自行車比賽，賽程為2公里。1893年第一屆世界業(yè)余自行車錦標(biāo)賽創(chuàng)辦，1895年第一界世界職業(yè)自行車錦標(biāo)賽創(chuàng)辦，1896年自行車比賽被列為奧運(yùn)會(huì)沖要比賽項(xiàng)目。至盡各類自行車比賽多達(dá)幾百個(gè)，其中尤以行程3900公里的環(huán)法自行車大賽最為著名。
自行車誕生于歐洲，但20世紀(jì)卻在亞洲的中國獲得了前所未有的普及和發(fā)展?，F(xiàn)在中國的自行車產(chǎn)量、消費(fèi)量、出口量均居世界第一。中國老百姓擁有5億多輛自行車，年出口達(dá)到2000萬輛。從某種意義上說，中國是一個(gè)自行車王國。每天清晨和落日時(shí)分，滾滾車流在中國的城市中移動(dòng)，這是最為壯觀的一道風(fēng)景，這是一條現(xiàn)在中國流動(dòng)的長城。
50年代，自行車還是較為稀少的寵物。60、70年代，自行車已經(jīng)在人們的生活中占有重要位置，縫紉機(jī)、手表、自行車被列為三大件，成為一個(gè)家庭是否富裕的象征。人們談?wù)摗帮w鴿、永久”，不啻于今天人們談?wù)摗敖葸_(dá)、富康”，誰家的自行車丟失了，公安局，派出所會(huì)立刻偵破。在以轎車為高官專屬的年代，自行車是百姓的自豪。80，90年代，自行車的生產(chǎn)發(fā)生了巨大的變化，千篇一律的老樣式被五光十色的新式自行車代替。“飛鴿、永久”也不在獨(dú)享殊榮。山地車、變速車、高檔賽車、電動(dòng)自行車等遍地開花。過去自行車單一的實(shí)用功能衍變出娛樂功能，人們不再僅僅是騎車而是玩車。人們對(duì)自行車的認(rèn)識(shí)度也遠(yuǎn)比50年代多。
1.2 機(jī)械無級(jí)變速器的發(fā)展概況
無級(jí)變速器分為機(jī)械無級(jí)變速器，液壓傳動(dòng)無級(jí)變速器，電力傳動(dòng)無級(jí)變速器三種，但本設(shè)計(jì)任務(wù)要求把無級(jí)變速器安裝在自行車上，所以一般只能用機(jī)械無級(jí)變速器，所以以下重點(diǎn)介紹機(jī)械無級(jí)變速器。
機(jī)械無級(jí)變速器最初是在19世紀(jì)90年代出現(xiàn)的，至20世紀(jì)30年代以后才開始發(fā)展，但當(dāng)時(shí)由于受材質(zhì)與工藝方面的條件限制，進(jìn)展緩慢。直到20世紀(jì)50年代，尤其是70年代以后，一方面隨著先進(jìn)的冶煉和熱處理技術(shù)，精密加工和數(shù)控機(jī)床以及牽引傳動(dòng)理論與油品的出現(xiàn)和發(fā)展，解決了研制和生產(chǎn)無級(jí)變速器的限制因素；另一方面，隨著生產(chǎn)工藝流程實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、自動(dòng)化以及機(jī)械要改進(jìn)工作性能，都需要大量采用無級(jí)變速器。因此在這種形式下，機(jī)械無級(jí)變速器獲得迅速和廣泛的發(fā)展。主要研制和生產(chǎn)的國家有美國、日本、德國、意大利和俄國等。產(chǎn)品有摩擦式、鏈?zhǔn)?、帶式和脈動(dòng)式四大類約三十多種結(jié)構(gòu)形式。
國內(nèi)無級(jí)變速器是在20世紀(jì)60年代前后起步的，當(dāng)時(shí)主要是作為專業(yè)機(jī)械配套零部件，由于專業(yè)機(jī)械廠進(jìn)行仿制和生產(chǎn)，例如用于紡織機(jī)械的齒鏈?zhǔn)?，化工機(jī)械的多盤式以及切削機(jī)床的Kopp型無級(jí)變速器等，但品種規(guī)格不多，產(chǎn)量不大，年產(chǎn)量僅數(shù)千臺(tái)。直到80年代中期以后，隨著國外先進(jìn)設(shè)備的大量引進(jìn)，工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)代化及自動(dòng)流水線的迅速發(fā)展，對(duì)各種類型機(jī)械無級(jí)變速器的需求大幅度增加，專業(yè)廠才開始建立并進(jìn)行規(guī)?；a(chǎn)，一些高等院校也開展了該領(lǐng)域的研究工作。經(jīng)過十幾年的發(fā)展，國外現(xiàn)有的幾種主要類型結(jié)構(gòu)的無級(jí)變速器，在國內(nèi)皆有相應(yīng)的專業(yè)生產(chǎn)廠及系列產(chǎn)品，年產(chǎn)量約10萬臺(tái)左右，初步滿足了生產(chǎn)發(fā)展的需要。與此同時(shí)，無級(jí)變速器專業(yè)協(xié)會(huì)、行業(yè)協(xié)會(huì)及情報(bào)網(wǎng)等組織相繼建立。定期出版網(wǎng)訊及召開學(xué)術(shù)信息會(huì)議進(jìn)行交流。
1.3 無級(jí)變速自行車研究現(xiàn)狀
自行車發(fā)展到現(xiàn)在已經(jīng)有傳統(tǒng)的自行車演變成無級(jí)變速自行車，現(xiàn)代的無級(jí)變速自行車可謂是形式多樣，五花八門，以下是當(dāng)今社會(huì)上存在的部分無級(jí)變速自行車。
1、低座無級(jí)變速自行車
由低矮形車架把一個(gè)作驅(qū)動(dòng)的前輪和一個(gè)作導(dǎo)向的后輪連接在一塊的自行車，帶靠背的座椅安裝在車架中部，騎行者可斜躺著坐在座椅上，兩腿放在前輪二側(cè)。杠桿式曲柄無級(jí)傳動(dòng)裝置固定在前輪的前上方，通過左右曲柄桿上的滑塊鉸接鏈條交替?zhèn)鲃?dòng)前輪。操縱把手裝于前輪的正上方，由鋼絲繩牽引后輪轉(zhuǎn)向。這樣就不會(huì)干擾車子的方向操縱。
2、人力腳踏式無級(jí)變速自行車
一種人力腳踏式無級(jí)變速自行車，在自行車車架兩側(cè)面的中軸上，安裝有錐面相對(duì)的變速輪盤組成的主動(dòng)輪，主動(dòng)輪兩側(cè)安裝有腳蹬兩變速輪盤輪沿掛有三角皮帶，兩盤面間安裝有壓縮彈簧；在車架的前斜梁上，安裝有由變速桿操縱可前后移動(dòng)的挺桿，挺桿的近變速輪盤端安裝有可使兩變速輪盤靠近或分離的插件；在自行車后軸上的后輪輪輻兩側(cè)面支承有附輪；車架后斜梁上在三角皮帶上方安裝有可推壓三角皮帶張緊的張緊輪。自行車的行走和變速不用成組鏈輪和鏈條傳動(dòng)，成本低、重量輕，可實(shí)現(xiàn)無級(jí)變速，速度轉(zhuǎn)換快，速比大。
3、帶傳動(dòng)無級(jí)變速自行車
一種無級(jí)變速自行車，改進(jìn)了現(xiàn)有自行車的動(dòng)力傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。該自行車的動(dòng)力傳動(dòng)機(jī)構(gòu)包括以下部件：小動(dòng)輪、小定輪等構(gòu)成。其特征在于自行車的動(dòng)力傳動(dòng)機(jī)構(gòu)包括以下部件：小動(dòng)輪、小定輪等，與自行車后軸上的飛輪軸套固定連接，小動(dòng)輪在撥叉控制下沿軸滑動(dòng)；大動(dòng)輪、大定輪、大動(dòng)輪撥叉，大動(dòng)輪、大定輪也呈錐形，兩輪大小形狀一致，錐面相對(duì)，組成帶有Ｖ形溝槽的大傳動(dòng)輪，固定在自行車中軸上，大動(dòng)輪在撥叉控制下沿軸滑動(dòng)；Ｖ型傳動(dòng)帶鑲在大小輪的溝槽中；Ｖ型帶張緊裝置裝在后軸上，其支承輪支撐傳動(dòng)帶；調(diào)速器裝在車把附近，與閘線連接，閘線帶動(dòng)調(diào)節(jié)大小動(dòng)輪位置的撥叉。 這種無級(jí)變速自行車通過帶傳動(dòng)來實(shí)現(xiàn)自行車的無級(jí)變速，傳動(dòng)平穩(wěn)、噪音低、調(diào)速操作方便、變速范圍大；同時(shí)該無級(jí)變速自行車的結(jié)構(gòu)簡單、易于加工，可以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模成批生產(chǎn)。
4、前置往復(fù)式無級(jí)變速自行車
針對(duì)自行車的驅(qū)動(dòng)、乘座和避震進(jìn)行改進(jìn)。包括：乘騎者坐靠休閑式椅，兩腳蹬踏前置的兩個(gè)懸搖桿曲柄，可進(jìn)行弧形的曲線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，用腳掌面的蹬踏角度或用手直接調(diào)動(dòng)搖桿上力臂的長短實(shí)現(xiàn)無級(jí)變速，高效能的帶動(dòng)撓性件驅(qū)動(dòng)后輪；還包括裝卸方便且不互換的休閑式座椅和防落物防盜的可帶走座椅；簡化的全避震使乘坐舒適并使貨架攜帶的物品減小了顛簸
5、純滾動(dòng)式四個(gè)檔位無級(jí)變速自行車
一種純滾動(dòng)式四個(gè)檔位無級(jí)變速自行車，其中在中軸上的中心齒輪嚙合連接有一級(jí)行星輪和二級(jí)行星輪，中心齒輪的兩側(cè)分別套裝有推動(dòng)盤，一側(cè)固定在腳蹬輪軸上，另一側(cè)固定在鏈輪上；二級(jí)行星輪和中心齒輪為棘輪總成與鏈輪嚙合連接，在中軸和后軸的車架體上固定有座盤，座盤上固定有升降檔位彈簧。隨時(shí)變?cè)鰷p速檔位，對(duì)自行車零部件無影響，制造簡單，性能可靠，操作簡單，使用方便。
6、無鏈無級(jí)變速自行車
一種無鏈條傳動(dòng)，可隨意變換車速的自行車。該自行車包括車輪、把手、三角架和踏拐等，橫梁左端設(shè)有后齒輪、大齒輪和正反齒輪，橫梁右端設(shè)有中軸齒輪，齒輪與拐軸齒輪嚙合，偏心連桿的上端和杠桿的右端同軸裝在定位槽板的滑槽中，杠桿的左端與齒條連接，齒條與正反齒輪嚙合，橫梁上方設(shè)有拉簧、活動(dòng)支架和鋼絲拉索。該自行車結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)速方便靈活，經(jīng)久耐用，適合各種型號(hào)。
7、蓄能型-全自動(dòng)無級(jí)變速自行車
一種蓄能型一全自動(dòng)無級(jí)變速自行車，屬于交通工具技術(shù)領(lǐng)域。本實(shí)用新型的目的通過如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：主要由設(shè)置每側(cè)腳蹬上的長型齒盤交替工作，通過同側(cè)的鏈條傳動(dòng)同側(cè)的飛輪，飛輪連同帶動(dòng)設(shè)置在輪骨內(nèi)的發(fā)條內(nèi)端發(fā)條外端同輪骨固定。騎行時(shí)由于每側(cè)長型齒盤的作用，通過鏈條對(duì)同側(cè)的發(fā)條交替蓄能，從而實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)無級(jí)變速。本實(shí)用新型是現(xiàn)代變速自行車的換代產(chǎn)品。
8、便攜式高安全型無級(jí)變速自行車
一種新式樣的自行車。其特征是由行走機(jī)構(gòu)，車椅式直立車龍頭轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，杠桿式無級(jí)變速驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。本裝置是由足踏杠桿式無級(jí)變速機(jī)構(gòu)，車架可橫向折疊，驅(qū)動(dòng)大車輪在前面，導(dǎo)向小車輪在后邊的行走機(jī)構(gòu)與帶靠背車坐椅式的直立車龍頭轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)組成的自行車裝置。該裝置形體式樣，較為奇特但騎行舒適，更安全，并能折疊便攜帶。
1.4 無級(jí)變速自行車的研究意義及實(shí)用價(jià)值
改進(jìn)現(xiàn)有齒輪式有級(jí)變速自行車不足。
1、換擋問題。一般變速自行車為前后輪雙齒輪組，以滿足更多種變速比。這種方式需要車主熟悉掌握變速的檔位數(shù)以搭配獲得最佳效果。無級(jí)變速自行車能夠?qū)崿F(xiàn)傳動(dòng)比的連續(xù)改變，免去記憶復(fù)雜的前后輪檔位搭配，增加了易用性。
2、重心問題。普通變速自行車的變速齒輪集中在一側(cè)，造成重心偏移。易倒。無級(jí)變速采用后輪2個(gè)并排，中間放置變速器，重心居中，便于轉(zhuǎn)彎操控。
3、鏈條問題。傳統(tǒng)變速自行車存在鏈條在齒輪組空隙中調(diào)整時(shí)易掉鏈的問題。無級(jí)變速自行車采取金屬帶式無級(jí)變速方式，錐形金屬帶夾在兩個(gè)錐形輪之間，不易掉鏈。而且金屬帶以及錐形輪盤較普通齒輪鏈條性能更加優(yōu)異。減小了保養(yǎng)難度。
4、維修問題。普通變速自行車因構(gòu)建過多，增加了維修難度，而無級(jí)變速自行車零件簡單，維修難度低，
5、舒適度問題。現(xiàn)有變速自行車最多擁有前7后9共63種檔位，但其跳躍性檔位設(shè)置有可能仍然使某些人找不到適于自己的傳動(dòng)比。無級(jí)變速自行車可以滿足各種人的不同需要。
6、轉(zhuǎn)彎問題。采取前輪小后輪大的設(shè)計(jì)方式，增加了轉(zhuǎn)彎的靈活性。由于主要構(gòu)件集中于后輪，重心靠后，可以減小前輪小容易前翻的問題。
7、上坡問題。普通變速自行車由于前后輪同時(shí)放置變速器，重心較無級(jí)變速自行車靠前。上坡難度比后置無級(jí)變速自行車大。
8、使用價(jià)值?？梢杂行Ы档统杀?，裝配難度，維修難度，生產(chǎn)難度都有所降低，適于普通家居生活。
9、操作難度降低，適用于中國最早一代使用自行車卻正在慢慢老去的群體。只需轉(zhuǎn)動(dòng)旋鈕即可實(shí)現(xiàn)變速。
10、外觀新穎時(shí)尚。
25
第2章 無級(jí)變速器總體方案的選擇
自行車無級(jí)變速方式多種多樣，在此，我只選擇了兩種方案參考并作比較，選出相對(duì)理想方案。該兩種方案分別是鋼球外錐式無級(jí)變速器和鋼球長錐式無級(jí)變速器，分別描述如下。
2.1 鋼球外錐式無級(jí)變速器
圖2-1 鋼球外錐式無級(jí)變速器
如圖所示，動(dòng)力由軸輸入，通過自動(dòng)增壓裝置，帶動(dòng)主動(dòng)輪同速轉(zhuǎn)動(dòng)，經(jīng)過一組鋼球利用摩擦力驅(qū)動(dòng)輸出軸，最后將運(yùn)動(dòng)輸出。傳動(dòng)鋼球的支承軸的兩端，嵌裝在殼體兩端蓋和的徑向弧行倒槽內(nèi)，并穿過調(diào)速渦輪的曲線槽；調(diào)速時(shí)，通過蝸桿和蝸輪轉(zhuǎn)動(dòng)，由于曲線槽的作用使鋼球軸線的傾斜角發(fā)生變化，導(dǎo)致鋼球與兩錐輪的工作半徑改變，輸出軸轉(zhuǎn)速得到調(diào)節(jié)。其動(dòng)力范圍為：Rn=9，Imax=1/Imin，P≤11 kw ，ε≤4% ，η＝0、80～0、92 。此種變速器應(yīng)用廣泛。
從動(dòng)調(diào)速齒輪的端面分布一組曲線槽，曲線槽數(shù)目與鋼球數(shù)相同。曲線槽可用阿基米德螺旋線，也可用圓弧。當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)主動(dòng)齒輪使從動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，從動(dòng)齒輪的曲線槽迫使傳動(dòng)鋼球軸繞鋼球的軸心線擺動(dòng)，傳動(dòng)輪以及從動(dòng)輪與鋼球的接觸半徑發(fā)生變化，實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速。具體分析為：主要由兩個(gè)錐輪和一組鋼球組成。主、從動(dòng)錐輪和分別裝在軸上，鋼球被壓緊在兩錐輪的工作錐面上，并可在軸上自由轉(zhuǎn)動(dòng)。工作時(shí)，主動(dòng)錐輪依靠摩擦力帶動(dòng)鋼球繞軸旋轉(zhuǎn)，鋼球同樣依靠摩擦力帶動(dòng)從動(dòng)錐輪轉(zhuǎn)動(dòng)。軸傳動(dòng)比 ，由于 ，所以 。調(diào)整支承軸的傾斜角與傾斜方向，即可改變鋼球的傳動(dòng)半徑r1和r2，從而實(shí)現(xiàn)無級(jí)變速。
2.2 鋼環(huán)長錐式無級(jí)變速器
鋼環(huán)長錐式無級(jí)變速器一種早期生產(chǎn)的環(huán)錐式無級(jí)變速器，是利用鋼環(huán)的彈性楔緊作用自動(dòng)增壓而無需增壓裝置。由于采用兩軸線平行的長錐替代了兩對(duì)分離輪，并且通過移動(dòng)鋼環(huán)來進(jìn)行變速，所以結(jié)構(gòu)特別簡單。但由于長錐的錐度較小，故變速范圍受限制。
這種變速器屬升、降速型，其機(jī)械特性技術(shù)參數(shù)為：傳動(dòng)比 i21 = n2/n1 =2～0、5,變速比Rb = 4,輸入功率P1=（0、1～2、2） kw ，輸入轉(zhuǎn)速 n1=1500 r/min ,傳動(dòng)效率η＜85% 。一般用于機(jī)床和紡織機(jī)械等、
2.3 方案的分析與確定
鋼球長錐式無級(jí)變速器結(jié)構(gòu)很簡單，且使用參數(shù)更符合我們此次設(shè)計(jì)的要求，但由于在調(diào)速過程中，怎樣使鋼環(huán)移動(dòng)有很大的難度，需要精密的裝置，如果此裝置用于自行車，成本會(huì)大大的提高，顯得不合理。
而鋼球外錐式無級(jí)變速器的結(jié)構(gòu)也比較簡單，原理清晰，各項(xiàng)參數(shù)也比較符合設(shè)計(jì)要求，故選擇此變速器。只是字選用此變速器的同時(shí)須對(duì)該裝置進(jìn)行部分更改。
須更改的部分是蝸輪蝸桿調(diào)速裝置部分。因?yàn)槲覀兪沁x用了8個(gè)鋼球，曲線槽設(shè)計(jì)，一個(gè)曲線槽跨度是900，也就是說自行車從最大傳動(dòng)比調(diào)到最小傳動(dòng)比，需要使其轉(zhuǎn)過900，而普通蝸輪蝸桿傳動(dòng)比是1/8，那么其結(jié)構(gòu)和尺寸將完全不符合我們?cè)O(shè)計(jì)的要求。為此，我們想到了將它們改為兩斜齒輪傳動(dòng)，以用來調(diào)速。選用斜齒輪是因?yàn)樾饼X輪傳動(dòng)比較平穩(wěn)。在設(shè)計(jì)過程中，將主動(dòng)斜齒輪的直徑設(shè)計(jì)成從動(dòng)斜齒輪的3/4，這樣只要主動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)1200，那么從動(dòng)輪就會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)900，符合設(shè)計(jì)要求。
第3章 無級(jí)變速器部分零件的設(shè)計(jì)與計(jì)算
鋼球外錐式無級(jí)變速器零件的設(shè)計(jì)與計(jì)算包括主﹑從動(dòng)錐齒輪，增壓盤，調(diào)速齒輪上變速曲線槽，輸入軸，輸出軸，輸入﹑輸出軸上軸承，輸入﹑輸出軸上端蓋，調(diào)速機(jī)構(gòu)等部分的設(shè)計(jì)與計(jì)算，以下各章節(jié)分別介紹以上內(nèi)容。
3.1 鋼球與主﹑從動(dòng)錐齒輪的設(shè)計(jì)與計(jì)算
輸入功率
=0、4039 kw
其中：, kg, kg, , km/h m/s,
輪胎直徑： mm
由力學(xué)知識(shí)可得：輪胎所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩與鋼球摩擦所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩應(yīng)平衡
其中： mm ,， , Q為鋼球所受正壓力
代入數(shù)據(jù)可得：
σHmax=1353×=1353×=56284/dq
由于傳動(dòng)件的[σj]=2200～2500 Mpa帶入上式得：
～ mm ,取 dq=25 mm,鋼球數(shù)
輸出轉(zhuǎn)速 n2==142、3 r/min
輸入轉(zhuǎn)速 n1=142、3/(0、75～1、22)=189、7～116、6 r/min
傳動(dòng)比
變速范圍
鋼球支軸的極限轉(zhuǎn)角θ
增速方向
減速方向
圓錐工作直徑 mm
鋼球中心圓直徑 mm
鋼球側(cè)隙 []×=[]×25=2、43 mm
外環(huán)內(nèi)經(jīng) mm
外環(huán)軸向截面圓弧半徑
R=(0、7～0、8)×dq=(0、7～0、8)×25=17、5～20 mm ,取 R=18 mm
錐輪工作圓之間的軸向距離
mm
3.2 增壓盤的設(shè)計(jì)與計(jì)算
增壓盤的作用直徑
= (0、5～0、6) × D1 = (0、5～0、6) × 54 = 27～32、4 mm
取 mm
滑動(dòng)摩擦角
增壓盤V形槽傾角
λ=arctan =14、850
傳動(dòng)鋼球的確接觸應(yīng)力為
σ=1353×=1353×=2251、35 Mpa ≦[σj]
每個(gè)鋼球作用在V形槽側(cè)面的正壓力 Qy=
=651、6 N
用鋼球增壓裝置時(shí) σjmax=1370×=1370× =4865、6 Mpa ≤[σj]
其中：[σj]為4000～5000 Mpa
鋼球半徑 mm
mm
碟形彈簧預(yù)緊力為200 N ,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如下圖所示：
圖3-1 增壓裝置
3.3 輸入軸的設(shè)計(jì)與計(jì)算
1、輸入軸上傳遞的功率為 kw
轉(zhuǎn)速 n1=189、7～116、6 r/min ,取 n1=135 r/min
轉(zhuǎn)矩 T1=9550000=9550000×=28572 N·mm
2、如圖所示，作用于錐輪的正壓力 Q
圖3-2 正壓力計(jì)算示意圖
由前計(jì)算可知： , 其中mm
所以 N
單個(gè)錐輪的軸向力 Fa=徑向力 N
3、初步確定軸的最小直徑
選取軸的材料是40Cr ,調(diào)質(zhì)處理 、取A0=100 ,于是得：
dmin = =100×=14、4 mm ,取 dmin=14、5 mm
4、軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
圖3-3 輸入軸
如圖所示，Ⅰ-Ⅱ段裝飛輪， Ⅱ-Ⅲ段裝端蓋， Ⅲ-Ⅳ段裝軸承，規(guī)格是d=17 mm , Ⅳ-Ⅴ段為軸肩，d=19、4 mm,Ⅴ-Ⅵ段裝軸承，規(guī)格d=12 mm ,Ⅵ-Ⅶ ,Ⅶ-Ⅷ段裝壓緊裝置以及裝錐輪，具體尺寸如零件圖所示
求軸上的載荷
Ⅱ-Ⅲ段不承受徑向載荷
兩軸承的距離為 mm
飛輪壓軸力方向線與軸承的距離為 mm
圖3-4 壓軸力受力模型
a、計(jì)算壓軸力Fp
Fe=1000 v=
選定鏈條型號(hào)和節(jié)距 查《機(jī)械設(shè)計(jì)》表，單排鏈
kw
r/min由PCA和n’的值查《機(jī)械設(shè)計(jì)》圖9-11，得可選10A-1，鏈條節(jié)距 mm
故 v==0、904857 m/s
所以 Fe==446、4 N
所以 n（鏈條水平布置時(shí)的壓軸力系數(shù)KFP=1、15）
b、
所以 N
所以 n
計(jì)算最大彎矩
N、mm
5、校核扭矩
T=9550000=9550×=28572 N·mm
σCA==
=34、7 Mpa﹤[σ-1]=60 Mpa
鍵槽處軸的校核
W(c)===224、7
σ（AC）== 57、22 Mpa ＜[σCA]=60 Mpa
6、鍵強(qiáng)度的校核
平鍵的尺寸為 ，鍵槽軸深
σp===147、8 Mpa≤ [σp]=120～150 Mpa
滿足條件
花鍵校核 σp=2T×103/(ψzhldm)
其中： ψ為載荷分配不均系數(shù)，取0、8
花鍵齒數(shù)
齒的工作長度 mm
花鍵齒側(cè)的工作高度 mm
花鍵的平均直徑 mm
σp===41、34 Mpa ≤ [σp]=40～70 Mpa
花鍵的連接情況是：使用或制造情況不良，齒面未經(jīng)熱處理，故滿足要求
3.4 輸出軸的設(shè)計(jì)與計(jì)算
1、輸出軸上的傳遞功率為 kw
轉(zhuǎn)速 r/min
于是轉(zhuǎn)矩 T2= =9550000×=23311、9 N·mm
2、作用于錐輪的正壓力 Q
由前計(jì)算可知：
, 其中mm
所以 Q= N
單個(gè)錐輪的軸向力 Fa=徑向力
3、初步確定軸的最小直徑
選取軸的材料是40Cr ,調(diào)質(zhì)處理 、取A0=100 ,于是得：
dmin = =100×=13、5 mm 取d=14、5 mm
4、軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
圖3-5 輸出軸
Ⅱ-Ⅷ段與輸入軸的Ⅱ-Ⅷ段完全相同，只有Ⅰ-Ⅱ段不一樣，輸出軸Ⅰ-Ⅱ段裝的是后輪軸。這樣設(shè)計(jì)便于統(tǒng)一加工、
5、求軸上的載荷
兩軸承的距離為 mm
壓軸力F合壓與軸承的距離為mm
圖3-6 壓軸力受力模型
如上圖所示
F合壓===558、1 N
N
所以 N
N
6、計(jì)算最大彎矩
N
7、校核扭矩
所受扭矩： N·mm
A處校核
σCA==52、3 Mpa ＜ [σCA] Mpa
C出校核
W(c)===224、7
σ（AC）==41、5 Mpa ＜[σCA]=60 Mpa
故校核安全
8、鍵強(qiáng)度的校核
平鍵的尺寸為，鍵槽軸深
σp===26、8 Mpa ≤ [σp]=120～150 Mpa
滿足條件
花鍵校核σp=2T×103/(ψzhldm)
其中： ψ為載荷分配不均系數(shù)，取0、8
花鍵齒數(shù) mm
齒的工作長度
花鍵齒側(cè)的工作高度 mm
花鍵的平均直徑 mm
σp===29、99 Mpa ≤ [σp]=40～70 Mpa
花鍵的連接情況是：使用或制造情況不良，齒面未經(jīng)熱處理，故滿足要求
3.5 輸入﹑輸出軸上軸承的選擇與計(jì)算
1、 輸入軸上軸承的壽命計(jì)算
圖3-7 輸入軸軸承受力計(jì)算示意圖
N
2軸承被拉松
N
N
1軸承被壓緊
N
N
所以 軸承2的當(dāng)量載荷為 N
軸承1的當(dāng)量載荷為
N
所以 Lh1= ==1088 h
Lh2== h
2、 輸出軸上軸承的壽命計(jì)算
圖3-8 輸出軸軸承受力計(jì)算示意圖
N
2軸承被拉松
N
N
1軸承被壓緊
N
N
所以軸承1的當(dāng)量載荷為
N
軸承2的當(dāng)量載荷為
N
所以 Lh1===1127、3 h
Lh2== h
3.6 輸入﹑輸出軸上端蓋的設(shè)計(jì)與計(jì)算
密封件的設(shè)計(jì)如下：見下圖3-9
軸徑 mm ， mm ， mm ， mm
端蓋的設(shè)計(jì)及計(jì)算如下：見下圖 3-10
圖3-9 密封圈 圖3-10 端蓋
螺釘直徑 mm
mm
mm
mm
mm ,取 4 mm
mm
D4=D–﹝10～15﹞ mm
mm
D6=﹝2～4﹞==32 mm
mm , mm , mm
主從動(dòng)軸一樣、
3.7 調(diào)速齒輪上變速曲線槽的設(shè)計(jì)與計(jì)算
槽的張角ψ=800～120 ,取ψ=900。
(1)變速曲線槽的槽形曲線為圓弧，中心線上三個(gè)特殊點(diǎn) A，B，C的坐標(biāo)系（以O(shè)為極點(diǎn)）分別為：
時(shí),
mm
其中：（0、5～1、0）=（0、5～1、0）=15、5 mm
I=1時(shí) ，ψB= ==49、460
mm
時(shí) ，,
mm
圖3-11 調(diào)速論
(3)用通過三點(diǎn)作圓弧的方法確定槽圓弧確定曲線半徑R和中心O”
(4)要求傳動(dòng)比Ix與齒輪轉(zhuǎn)角ψ呈線性變化時(shí)，槽形曲線方程為：
R（ψ）=0、5D3+lsinθ
=0、5D3+lsin｛arctan[]｝
=0、5×71、7+15、5sin｛arctan[]｝
=35、85+15、5sin(arctan)
3.8 調(diào)速機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與計(jì)算
調(diào)速機(jī)構(gòu)采用兩斜齒輪分度調(diào)速。
1、調(diào)速齒輪的設(shè)計(jì)與計(jì)算
模數(shù) mm
螺旋角
法面壓力角
端面壓力角
所以
基圓柱螺旋角
所以
法面齒距 mm
端面齒距 mm
法面基圓齒距 mm
法面齒頂高系數(shù)
法面頂隙系數(shù)
分度圓直徑 mm
基圓直徑 mm
齒頂高 mm
齒根高 mm
齒頂圓直徑 mm
齒根圓直徑 mm
法面齒厚 mm
端面齒厚 mm
當(dāng)量齒數(shù)
2、主動(dòng)斜齒輪的設(shè)計(jì)與計(jì)算
模數(shù) mm
分度圓直徑 mm
基圓直徑 mm
齒頂圓直徑 mm
齒根圓直徑 mm
當(dāng)量齒數(shù)
兩齒輪的寬度均為 5 mm 但主動(dòng)斜齒輪只需轉(zhuǎn)過1200，只需做成不完全齒輪。
3.9 無級(jí)變速器的安裝
無級(jí)變速器的輸出軸上安裝著自行車的后輪，輸入軸上安裝自行車的后飛輪，整個(gè)變速器位于后輪右側(cè)。變速器的主動(dòng)調(diào)速齒輪上安裝搖桿，該搖桿可以伸縮，這樣在不調(diào)速時(shí)保證搖桿空間尺寸較小。搖桿可轉(zhuǎn)動(dòng)1200，這樣可帶動(dòng)從動(dòng)調(diào)速論轉(zhuǎn)動(dòng)900,從而使自行車速度在最大速度和最小速度之間變動(dòng)。
1、4、7-端蓋 2-軸承 3-套筒 5-軸套 6-軸管
圖3-12 變速器安裝示意圖
自行車后輪與輸出軸的安裝方式如上圖所示，1、4、7端蓋是用來密封，保護(hù)軸承5的，普通自行車的后軸管和花盤是分開的，我這里把它們作成一個(gè)整體，即軸管6，與后軸用鍵連，軸套5的作用是軸向定位軸管，軸承2與軸采用過盈配合。
第4章 結(jié)論
到此為止，在老師的指導(dǎo)、學(xué)生的幫助及自己努力下順利完成了本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)注重的就是“態(tài)度”問題，沒有一個(gè)好的、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度，就算設(shè)計(jì)一年也不可能把課題完成。在設(shè)計(jì)期間，我體會(huì)到：只要你肯去下工夫，什么事都難不倒你。本次設(shè)計(jì)我覺得我最大的一個(gè)收獲是：不管遇到什么困難，只要你肯問、肯交流、肯去查資料，就一定能夠把問題給解決。也就因?yàn)檫@樣，我學(xué)會(huì)了如何去查工具書，查專業(yè)資料，因?yàn)椴楣ぞ邥彩且环N技能。另外我從設(shè)計(jì)過程中鍛煉了自己的一項(xiàng)技能，那就是Auto CAD繪圖能力。因?yàn)楫厴I(yè)設(shè)計(jì)需要畫很多裝配圖、零件圖，這大大提高了自己的繪圖速度，再加上繪圖過程中的修修改改，讓我知道了好多CAD的繪圖標(biāo)準(zhǔn)。在設(shè)計(jì)過程中，我學(xué)到了同學(xué)之間的互相溝通、協(xié)調(diào)，體現(xiàn)了團(tuán)隊(duì)主義精神。
通過這次畢業(yè)設(shè)計(jì)我終于發(fā)現(xiàn)了我有很多欠缺的地方。在即將完成工作的同時(shí)，我才覺得我還有很多東西沒有學(xué)到，在設(shè)計(jì)的過程中，由于專業(yè)知識(shí)的欠缺，使得自己在設(shè)計(jì)的時(shí)候很吃力，有好多是以前學(xué)過的，但是由于時(shí)間的淡化，漸漸忘記了，還有也是以前學(xué)過的，但因?yàn)楫?dāng)時(shí)的自己處于困惑的狀態(tài)，沒有好好的學(xué)，現(xiàn)在想起來確實(shí)有點(diǎn)可惜了。
最后感謝我的老師、同伴及所有幫助我的人。祝你們身體健康、心想事成、萬事如意！同時(shí)也祝愿我的母校越來越好。
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