自行车无级变速器的设计【含17张CAD图纸和说明书】
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自行车无级变速器 本 科 毕 业 论 文（设 计）题目： 自行车无级变速器 学 院姓 名学 号专 业班 级指导教摘 要无级变速器的传动方式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性变化。然而，无级变速器是这样的一种装置，它具有主动轴和从动轴，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（即在两极值范围内连续而任意地变化）。本设计在分析各种无级变速器和无级变速自行车的基础上，把钢球式无级变速器（XB型）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和输出，用两根钢绳拉伸调速，从而使自行车在0.81.25之间进行无级调速。实验表明，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AbstractHave no the class gearbox spread to mean under the function that is a certain to control, make the exportation stalk of machine turn soon can at two pole is worth the continuous variety in the scope of spread a way.But have no class gearbox is such a kind of device, it has active with from move two stalks, and can pass to deliver the middle of turning the Ju to lie quality(the solid, fluid and electromagnetism flows) to contact two stalks directly or indirectly to deliver power.When to lord, from move an axial contact relation to carry on a control, can immediately make spreading of 2 compare occurrence variety.(be worth to change in a row but at will inside the scope in two poles).Based on the analysis of various CVT and CVT bikes,in this dissertation ,we change some parts of the Kopp-XB CVT forming a new kind of CVT used to the bicycle .They are used to input or output the power through the friction and a pair of wire cable is also used to adjust the speed, so the speed can change between 0.8 and 1.25.This research shows that when the CVT are used in the bicycle ,they can significant improve the performance of bike so that all customers can use it convenient.Keyword: CVT bike ；CVT（Constant Variable Transmission）；Speed control.II目 录 摘 要IAbstractII1绪 论11.1机械无级变速器的特征和应用11.2机械无级变速器的分类21.3 研究的目的和意义31.4 毕业论文设计内容和设计32 自行车无级变速器总体方案的选择52.1 钢环分离锥式(RC型)无级变速器52.2 钢球内锥式无级变速器62.3 两方案的比较和选择73 钢球内锥式无级变速器部分零件的83.1 钢球与主、从动锥轮的设计与计算83.2 加压盘的设计与计算123.3 调速轮上变速曲线槽的设计与计算133.4 输入轴的设计与计算153.5 输出轴的设计与计算223.6 自行车无级变速器的安装254 结 论27参 考 文 献285 致谢2911 绪 论1.1 机械无级变速器的特征和应用机械无级变速器是这样的一种运动和动力装置即：当输入转速为某一定值时，可以通过调整传递转矩的中间机构从而实现输出转速在一定范围里面连续性变化。调速机构、变速传动机构和加压装置以及输出机构是机械无级变速器的四大主要机构。转速稳定、传动效率较高，恒功率机械特性、滑动率小等是机械无级变速器具有的主要优点，因为它所具有的这些优点，从而它可以更好的满足各种各样的机械工作条件要求和关于对产品设计的需要，可以更好的适应整个系统的机械化和自动化的要求，结构简单，价格相对便宜、维修方便等也是它所具备的优点。机械无级变速器它适用于很多领域，它可应用到生活中的非常多行业，有在P输入不发生变化的条件下，当f工作阻力发生大小变化时从而需要通过调整n（转速）的大小来产生相应的T(驱动力矩)者（比如食品行业中的搅拌机械，即需要随着搅拌物料的f（阻力）、（粘度）增大而能相应的降低搅拌V（速度）；有为得到恒定的工作V(速度)或F(张力)时而需要调整n(转速)大小者（比如纺织机械中的浆纱机需要调节n以确保恒定的F）；有为寻求最优结果而需要通过对V(速度)调整者（比如对机械离心机进行试验时而需要通过对V速度进行调整从而获得最佳的分离效果）；有为节约能源从而需要对V(速度)进行调整者（如风机、抽水机等）；此外，还有为了实现自动或者程序控制的效果而需要通过按各种规律或不规律变化调节V（速度）等。综上所述，我们可以从中知道假如在减速传动中采用无级变速器与之配合将可以使它的变速范围和输出转矩进一步扩大，这样的话将实现能量最大利用率和使之更好的达到各种工作条件的要求，使效果达到最好。机械无级变速器它可以使产品的产量和质量得到很大的提高，对能源损耗具有非常好的减少作用，可以达到产品变换所要的要求，并且对整个机械系统的机械化、自动化等各方面都具有很明显的促进作用。无级变速器在纺织、包装、轻工、机床、化工、起重运输矿山冶金、机床、食品、电工、工程、农业、国防及试验等各类机械产业都具有广泛的应用，它也逐渐成为一种基本的传动形式。1.2 机械无级变速器的分类机械无级变速器可分为链式、摩擦式、脉动式和带式四大类。a链式无级变速器：变速器的变速传动机构主要包括主动链轮、从动链轮以及套在它们上面的钢制挠性链，主要通过摩擦力进行传动，摩擦力钢制挠性链条的工作平面（左右两侧面）与作为链轮的两锥盘接触来产生。为了实现无级变速传动，则等价于使得传动比r发生连续性变化，则只需要通过改变两锥盘的d（轴向间距）来调整它们与链的接触位置从而使R(工作半径)发生变化。由此可见，一般的利用链与链轮啮合的链传动机构和该变速传动机构是不一样的。制造有浅齿槽在锥盘接触面上的滑片链变速器是现在应用最广、最旗本的变速传动机构，浅齿槽可以使它具有使张紧力与滑动率减少的作用，这主要还是因为它与链条接触时可以形成准啮合式。b摩擦式无级变速器：该变速器主要是可以通过对主动元件和从动元件在接触处的摩擦力的利用进行传动，并且通过使它们在接触处的工作半径的改变，因为接触处的速度是相等的，而它们的工作半径不同，从而使的它们的角速度不同，可以实现无级变速。但这种类型的变速传动它又被叫为牵引传动，因为它了不单单可以通过对摩擦力f的利用，还可以通过对润滑油膜牵引力加压设计利用进行传动。但是事实上，牵引传动现实情况下只有当它处于液体润滑状态时才能实现无级变速，但一般变速器大多数都只是处于混合润滑状态，实现不了液体润滑状态的条件要求，所以摩擦力f还是它的最主要的用于传动的力。c脉动式无级变速器：变速器的变速传动机构主要由35根连接杆机构组成，或者是由凸轮与连杆和齿轮等机构的组合而成，它的工作原理和连杆机构的工作原理是相同的，当然为了使输出轴了获得可以连续的旋转引得，从而使无级变速得到实现，输出机构（比如超越离合器）的配置也是必不可少的。 d带式无级变速器：该变速器和链式变速器具有很多的相似的地方，它的变速传动机构是主要包括由作为主动带轮、从动带轮的面对锥盘和张紧在它上的传动带。它的工作原理：为了实现无级变速传动，则等价于使得传动比r发生连续性变化，则只需要通过改变两锥盘的d（轴向间距）来调整它们与链的接触位置从而使R(工作半径)发生变化。1.3 研究的目的和意义如今，社会发展已经开始由工业社会向后工业社会、信息社会进行过渡， 人们对“以人为本”、为人服务的宗旨越来越引起重视，因此，现在更加应该强调在以人为主体的前提条件下再结合当代现实情况下人们的衣食住行等一切生产活动和在生活中的各种综合习惯，再在人机工程学的合理基础上来对各种机械零部件进行设计和研究开发。自行车无级变速器是应该在符合人机工程学，以人为本的前提下研究设计出来的。所有的设计都离不开生活这个话题，生活的需求是产品设计的来源也是动力，所以应该在满足人类需要和顺应时代的发展这个方向对自行车无级变速器系统进行研究和设计。要想赢得市场，赢得消费者的内心，那么就必须得设计出这个时代所需要的产品，所以现在的企业要想在这个竞争力如此之大的社会占有一席之地，那么它就必须得顺应时代的发展，满足人们的需要，坚持以人为本，研究设计出更为人们所喜爱的变速传动系统。毫无疑问，自行车企业行业应加大对自行车内变速系统的发展力度，从而提高自身的市场竞争力。1.4 毕业论文设计内容和设计毕业论文设计内容：为了设计出最佳的方案，以男式自行车的各种参数和特点为设计前提，再之从中选出最恰当的传动比r，并通过对几种方案的对比和选择出最优的设计方案；还有就是对自行车无级变速器的结构进行设计和计算；并对关键部件进行强度和寿命校核。毕业论文设计要求：传动比范围0.81.25；因为自行车本身的特点与现实情况，则必须得设计的变速器尺寸要尽量小，轻便；出于市场竞争力的情况在结构设计时应使制造成本尽可能低；安装拆卸要方便可行；要有匀称，美观的外形；要有灵活的调速，绝对不能再调整速度过程中一定不能出现卡死现象，可以实现动态无级调速；还必须对关键部件满足强度和寿命要求；画零件图和装配图。 1-1 总装配图2 自行车无级变速器总体方案的选择自行车无级变速方式形式多样，在此，我只挑选其中的两种方案以作参考，对此进行比较，从而选出最优方案。钢环分离锥式(RC型)无级变速器和钢球内锥式无级变速器是我根据该设计的需要所想的比较合理的两种方案，分别描述如下。2.1 钢环分离锥式(RC型)无级变速器图2-1 钢环分离锥式(RC型)无级变速器如上图所示，环锥式无级变速器这是一种在早期生产应用的变速器，它主要依靠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，所以结构比较简单。可因为它具有分离锥的锥度较小，故它的变速范围比较小。RC型变速器它是属于升、降速型变速器，它的机械特性如下图所示。技术参数为：传动比变速比输入功率 kw ，输入转速 ,传动效率85% 。主要用于用于机床和纺织机械等.下图是RC型变速器的机械特性：图2-2 RC型变速器的机械特性2.2 钢球内锥式无级变速器1、9 输入，输出轴 2、3、4 加压装置 5、7 主从动锥轮6 传动钢球 8 调速轮图2-3 钢球内锥式无级变速器如图所示，输入轴1使机械动力传入，通过自动加压装置2，3，可以带动主动锥轮轮5进行同速转动，再经过一组（6个）钢球6利用摩擦力带动从动锥轮7，再通过自动加压装置驱动输出轴9转动，将运动输出。传动钢球的支承轴心轴的两端，嵌装在支持盘和调速轮8的径向弧行槽内，并穿过调速轮8的曲线槽；通过调速轮上的两根钢绳的拉伸从而带动调速轮转动，从而调速转动。使支持钢球的心轴的轴线的倾斜角发生变化是由于曲线槽的作用，造成钢球与两锥轮的r改变，从而造成输入输出的转速比发生连续性变化。其动力范围为： 此种变速器应用广泛。8组曲线槽均匀分布在从动调速轮8的端面上，故钢球也有8个，因为曲线槽上安装心轴，心轴上再放一个钢球，故曲线槽数与钢球数相等。阿基米德螺旋线又称为等速曲线，故该曲线槽形即为阿基米德螺旋线，因为阿基米德螺旋线很难加工出来和画出来，它也可以近似的用圆弧代替。当拉动调速轮上的两根钢绳的时候从而可以带动调速轮的转动，从而迫使传动钢球轴心轴绕钢球6的轴心线摆动，传动轮5以及从动轮7与钢球6的接触半径发生变化，实现无级调速。如下图所示：图2-4 钢球内锥式无级变速器变速示意图2.3 两方案的比较和选择结构比较简单，使用参数较满足我们这次设计的要求是钢环分离锥式(RC型)无级变速器所具有的特点，但是可能在调整速度的过程中，想到将如何使钢环移动具有很大的难度，必须利用精密的装置，假设这种装置在自行车应用，这将使得成本会大大的提高，故明显不合理。结构也相对比较简单，清晰明了的原理，比较符合设计要求的各项参数，且钢球转动灵活，不需要增加精密的装置，紧凑、对称的结构，加工方便则是钢球内锥式无级变速器的优点，所以可选择此变速器。只是选用在这种变速器装置上还需要对该装置进行部分更改。8个钢球是我们选用的，机械设计手册第四册可以查到关于曲线槽参数的设计，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，需要将其转过900，我们想到了将它们改为钢绳拉伸使得调速轮传动，以用来调速。但拉钢绳时将使得调速轮转动，当钢绳拉长80mm（0.25*d）时，调速轮将转动90度，符合设计要求。 3 钢球内锥式无级变速器部分零件的钢球内锥式无级变速器的零件设计和计算主要涉及主从动锥轮，加压盘，调速齿轮上变速曲线槽，输入轴，输出轴等部分的设计和计算，以下分别介绍以上内容。3.1 钢球与主、从动锥轮的设计与计算3.1.1 确定校核功率与转速 设计的无级变速器的变速范围是：0.81.25；采用：额定输入转速 n1=100 r/min；额定输出转速n2 =n1*（0.81.25）=80125 r/min； 轮胎直径：d1=560 mm；骑车人的质量：m人=65 kg；自行车的质量：m车=20 kg；用来校核。则输出速度查机械设计手册可知；自行车轮胎是橡胶轮胎，它与混凝土地面的摩擦因素则最大输出功率： = = 305.7 无级变速器的传动效率查表可取：则最大输入功率：则选用 校核3.1.2 求传动参数图3-1 无级变速器的几何尺寸由传动比I=0.81.25可求钢球支轴的极限转角 （取锥轮锥角=45） 增速方向 1=|-arctan Imax|=|45-arctan 1.25|=6.34减速方向 2=|-arctan Imin|=|45-arctan 0.8|=6.34传动比 变速比钢球转速3.1.3 钢球直径dq的确定 钢球直径dq（mm）按点接触强度计算： 因为自行车变速器应该尽量体积小，则应使钢球的体积尽量小，则钢球选用个数在正常工作的情况下应尽量多选，现取钢球数z=8；由机械无级变速器书中表1.10-5可取 =2.05选钢球材料为GCr15，由表1.10-4可取 =0.1；则由：查表1.10-1可知： 则根据线性法则可得：取 而由上可知P1=0.4KW，变=0.86，n1=100 r/min，Imin =0.8 由上数据带入式可得： 选取dq=30mm，钢球数z=8;3.1.4 主要几何尺寸钢球间距必须大于0，即：则可得可取D1=110 mm；此时：则主从动锥轮的工作直径 ；钢球的中心圆直径内环工作直径锥轮距 图3-2 主从动锥轮3.2 加压盘的设计与计算加压盘的直径 取 加压钢球直径 mm取钢球=10mm ，取钢球个数m=8个加压盘V形槽升角： 则 : 每个钢球受到的轴向压紧力 ：钢球压紧的强度（MPa）：（其中）蝶形弹簧预紧力为200N （一般为100N500N）,结构设计如下图所示：图3-3 加压装置图3-4 加压装配图3.3 调速轮上变速曲线槽的设计与计算 槽的张角为 ，取 。 变速曲线槽的槽形曲线应为阿基米德螺旋线，但也可用圆弧代替，当选用圆弧计算时，中心线上三个特殊点A、B、C的极坐标（以O为极点）分别为： 当，；（其（取=10），则取）当时， 当 时 用通过三点作圆弧的方法确定槽圆弧曲线的半径R和中心 要求传动比与调速轮转角呈线性变化，则槽形曲线方程为： =（其中：=（）由时，则可取调速轮 图3-5 调速论3.4 输入轴的设计与计算3.4.1 由上可知：输入轴上传递的功率为 转速 转矩3.4.2 求作用于锥轮的正压力Q如图所示，图3-6 正压力计算示意图由力学平衡知识可得：轮胎所产生的转矩与钢球摩擦所产生的转矩应相等，则可得平衡方程：由上数据带入可得：=18962Nmm 单个锥轮上受到的轴向力=径向力=632sin3.4.3 初步确定轴的最小直径先按机械设计手册表38.3-1初步估算轴的最小直径，选取轴的材料为45号钢，调质处理，又知轴为空心轴，则根据表38.3-2，取=110，由，最小显然是在-和-取=0.87，此时=1.3，于是得：则可取=24mm则根据，可知=20.88mm又因为在-和-装有轴承，根据自行车现在所用轴承大多数是深沟球轴承，则在此处选用深沟球轴承61800，其尺寸为,固合理则主轴在此处的直径为10mm。3.4.4 轴的结构设计3.4.4.1 输入轴的结构设计图3-7 输入轴3.4.4.2 根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度1） 由上可知取=24mm，在-，-分别装有轴承61800和飞轮，飞轮与轴配合的毂孔长度=10mm,而B=5mm，则可取=18mm2） 为了满足飞轮的轴向定位要求，-轴段右端需制出一轴肩，故取-段的直径=28mm（轴肩高h=（0.0070.1）d=（1.682.4），取h=2mm），左端用圆螺母定位。3） 初步选择滚动轴承，因轴承主要承受径向力而只承受少量轴向力，故选用单列深沟球轴承。参照工作要求并根据=28mm，由轴承产品目录中初步选取0基游隙组，标准精度级的单列深沟球轴承61806型，其尺寸为，故=30mm，=7mm。右端采用轴环定位，轴肩高度h=（0.0070.1）d=（2.13）mm，现取h=2.5mm。则轴环处直径=35mm，而轴环宽度b 1.4h=3.5mm。现取=4mm。4） 轴承端盖的总宽度为8mm（由无级变速器及轴承端盖的结构设计而定）。根据轴承端盖的装拆及便于对轴承添加润滑脂的要求，取端盖的外端面与飞轮右端面间距离L=12mm。故取=20mm。5） 由上可知加压盘处的直径=66mm，安装厚取为14mm。故可取安装加压盘处轴段=28mm，=14mm。6） -段需安装碟形弹簧和锥轮（摩擦轮）还有轴承，应略小于，且在上安装的蝶形弹簧应选用序列C，其尺寸为。故取=25.4mm。锥轮（摩擦轮）的厚度）选用10mm，调整垫圈厚取为4mm，而锥轮与加压盘之间还有加压钢球，且=10mm，则-段应略大于10+2+10=22mm，可取=25mm。3.4.4.3 轴上零件的周向定位 飞轮与轴的周向定位采用平键连接。加压盘与轴的周向定位采用花键连接，锥轮（摩擦轮）空套在轴上。按=24mm，由机械设计表6-1查得平键截面，键槽用键槽铣刀加工，长为8mm，同时为了保证齿轮与轴配合有良好的对中性，故选择飞轮轮毂与轴的配合为；而加压盘与轴的连接采用矩形花键连接，根据=28mm，=14mm，选用花键尺寸为，长取L=10mm滚动轴承与轴的周向定位是由过渡配合来保证的，此处选轴的直径尺寸公差为m6。3.4.4.4 确定轴上圆角和倒角尺寸 参考机械设计书中表15-2，取轴端倒角为1.0mm，各各轴肩的圆角半径通过参考表15-2，和便于加工原则，都选取R=1.0mm。3.4.5 求轴上载荷 轴向主要承受径向载荷作用，故可用径向载荷来校核 左右两端轴承的距离为18+20+7+4+14+25-5=83mm 飞轮压轴力方向与左端轴承的距离为18- - =10.5mm图3-8 压轴力受力模型 3.4.5.1 计算压轴力 选定链条型号和节距 查机械设计表9-11,9-13，单排链=100r/min 由和的值查机械设计图9-11，的可选10A-1，链条节距p=15.875 mm故所以所以(链条水平布置时的压轴力系数)3.4.5.2 求轴上最大弯矩 由平衡方程可得 则 则计算最大弯矩3.4.6 校核扭矩3.4.7 键强度的校核 平键的尺寸为 ，键槽轴深t=3.0mm，k=h-t=3mm满足条件。花键校核 其中： 为载荷分配不均系数，取0.8 花键齿数 z=6 齿的工作长度 L=10mm 花键齿侧的工作高度 h=2mm 花键的平均直径 =（28+32）/2mm=30mm花键的连接情况是：使用或制造情况不良，齿面经热处理，故满足要求。图3-9 输入轴图形3.5 输出轴的设计与计算3.5.1 输出轴上的传递功率为 转速于是转矩 3.5.2 求作用于锥轮（摩擦轮）的正压力Q由前计算可知： 单个锥轮上受到的3.5.3 初步确定轴的最小直径选取轴的材料为45号钢，调质处理，又知轴为空心轴，则根据表38.3-2，取=110，由，最小显然是在-段处，取=0.87，此时=1.3，于是得：3.5.4 轴的结构设计图3-10 输出轴输出轴-段应该与输入轴的-段完全相同。只有-段不一样，输出轴-装的是后轮和和轴承。这样设计便于统一加工，由此可知输出轴=35mm，则可取=30mm，其后轮厚度取=12mm，-段应略小于，故可取=11mm.其后轮与轴的周向定位采用平键连接，由查机械设计表6-1查得平键截面,长度取8mm。3.5.5 求轴上的载荷两左右两端轴承距离为： 25+14+4+11-5=49mm后轮作用力与右端轴承的距离为：11-6-2.5=2.5mm图3-11 压轴力受力模型根据平衡方程可得： 则3.5.6 计算最大弯矩3.5.7 校核扭矩所受扭矩： 故校核安全。3.5.8 键强度的校核 平键的尺寸为 ，键槽轴深t=3mm，k=h-t=3mm满足条件。花键校核 其中： 为载荷分配不均系数，取0.8 花键齿数 z=6 齿的工作长度 =10mm 花键齿侧的工作高度 h=2mm 花键的平均直径 =（28+32）/2mm=30mm花键的连接情况是：使用或制造情况不良，齿面经热处理，故满足要求图3-12 输处轴图形3.6 自行车无级变速器的安装为了满足自行车的稳定性，无级变速器应安装在自行的后轮中间，则无级变速器的主轴两端安装在自行车的后轮的两端，轮胎钢绳安装在变速器上。变速器的调速钢绳连接在自行车的把手上，通过旋转把手来拉动传动钢绳，从而转动调速轮，实现无级变速。图3-13 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，无级变速器安装在1、2上，通过螺母来压紧。4 结 论这次关于自行车无级变速器的设计使我真正通过理论联系了实际、深入了解设计概念和设计过程，这对于我的机械设计的综合素
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