自行车风扇及传动机构设计.docx
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自行车风扇及传动机构设计
摘要3
1绪论4
1.1研究的背景与意义4
1.1.1自行车的历史4
1.1.2自行车的原理4
1.1.3自行车风扇的意义5
1.2研究的方法与内容5
1.2.1传动方案的设计5
1.2.2链轮的设计6
1.2.3轴承的选用6
1.2.4其他零件的结构设计6
1.2.5计算机的辅助设计6
2总体方案的设计7
2.1总体方案的确定7
2.2圆锥齿轮变速器及风扇方案的确定7
3链传动的设计8
3.1链传动类型及特点8
3.1.1链传动的类型8
3.1.2链传动的特点8
3.2滚子链设计8
3.2.1滚子链的结构和规格8
3.2.2滚子链链轮9
3.3链传动的设计计算12
3.3.1链传动的失效形式12
3.3.2滚子链的额定功率曲线12
3.3.3设计计算步骤13
3.3.4设计计算过程15
4圆锥齿轮变速器的设计16
4.1齿轮传动的设计计算16
4.2按接触强度计算d118
4.3校核d119
4.4几何尺寸计算19
4.5受力分析20
4.6齿轮轴的设计20
5其他零件的设计23
5.1箱体的设计23
5.2键的设计23
5.3滚动轴承的设计23
5.4密封与润滑的设计24
6结论24
参考文献26
摘要
提供安装在自行车上的风扇及其传动机构,用于给骑车者提供风力和降温。
风扇动力来自自行车的前轮,经链传动、圆锥齿轮传动将动力传至安装在自行车车头上的风扇,从而达到一边骑车一边有风力的休闲骑车的目的。
当自行车在运动时,风扇也随之转动,风吹向骑车者的上半身,为骑车者提供风力,创造了一个简易的降温条件,并有明显的舒适感。
关键词:
自行车,风扇
Abstract
Toprovidethefaninstalledonthebicycleanditstransmissionmechanism,usedtoprovidewindandtemperaturecycling.Fandrivenbythefrontwheel,thechaindrive,bevelgeardrivewillbeinstalledinthebikecardrivingforcetransmittedtotheheadofthefan,soastoachievethewindwhileyouareridingabikeforleisurepurposes.Whenthebicycleinmotion,thefanalsowillturnthewindtotherider'supperbody,toprovidefortheridethewind,creatingasimplecoolingconditions,andobviouscomfort.
Keywords:
bicycle,fan
1绪论
1.1研究的背景与意义
1.1.1自行车的历史
世界上第一批真正实用型的自行车出现于19世纪初。
1817年,德国人德莱斯在法国巴黎发明了带车把的木制两轮自行车。
自行车问世后迅速成为当时欧洲人青睐的交通工具。
19世纪一些欧洲人也构思出了一些理想的自行车图。
自行车发明的早期阶段,人们认为越大的轮子行驶的速度越快,两名男子骑着一辆车轮几乎为一人高的自行车。
在自行车的发明阶段,有些人并没有把自行车的两个轮子设计成前后放置,而是把两个轮子做成了左右放置,这种自行车的外形有些类似轮椅。
这是欧洲人早期设计的一种三轮自行车。
三轮自行车的平衡能力更好,人们更容易学会骑乘三轮自行车。
随着日后自行车技术的改进,三轮自行车逐渐发展成一种运货的交通工具。
图1-1公路自行车
1.1.2自行车的原理
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。
其中,车架是自行车的骨架,它所承受的人和货物的重量最大。
按照各部件的工作特点,大致可将其分为导向系统、驱动系统、制动系统:
导向系统:
由车把、前叉、前轴、前轮等部件组成。
乘骑者可以通过操纵车把来改变行驶方向并保持车身平衡。
驱动(传动或行走)系统:
由脚蹬、中轴、曲柄、链条、飞轮、后轴、后轮等部件组成。
人的脚的蹬力是靠脚蹬通过曲柄,链轮、链条、飞轮、后轴等部件传动的,从而使自行车不断前进。
制动系统:
它由车闸部件组成、乘骑者可以随时操纵车闸,使行驶的自行车减速、停驶、确保行车安全。
此外,为了安全和美观,以及从实用出发,还装配了车灯,支架等部件。
1.1.3自行车风扇的意义
提供安装在自行车上的风扇及其传动机构,用于给骑车者提供风力和降温。
风扇动力来自自行车的前轮,经链传动、圆锥齿轮传动将动力传至安装在自行车车头上的风扇,从而达到一边骑车一边有风力的休闲骑车的目的。
当自行车在运动时,风扇也随之转动,风吹向骑车者的上半身,为骑车者提供风力,创造了一个简易的降温条件,并有明显的舒适感。
1.2研究的方法与内容
1.2.1传动方案的设计
风扇动力来自自行车的前轮,经链传动、圆锥齿轮传动将动力传至安装在自行车车头上的风扇,从而达到一边骑车一边有风力的休闲骑车的目的。
利用自行车运动时前轮作为动力,通过链传动、圆锥齿轮传动来传递动力,包括链轮、链条、圆锥齿轮和传动轴。
其中在前轮前叉内装一链轮并与前轮固联在一起,并与前轮一起转动,另一链轮安装在固定在车架上的套筒内的转轴上,转轴的另一端装有圆锥齿轮之一,并与另一圆锥齿轮之二啮合,将装于该圆锥齿轮的风扇轴转动,从而将风扇带动,风扇轴用滚动轴承安装在另一套筒内,该套筒固定在车把手上。
这样,当自行车在运动时,风扇也随之转动,风吹向骑车者的上半身。
图1-2传动方案示意图
1.2.2链轮的设计
设计步骤:
1.链轮齿数z1、z2和传动比i
2.确定计算功率Pca
3.初选中心距a0
4.链节数Lp
5.节距和排数的确定
6.验算链速
判断是否与假设符。
7.确定实际中心距
8.小链轮毂孔最大直径
9.计算压轴力Q
10.链轮的结构设计,材料和尺寸。
1.2.3轴承的选用
选用轴承时,首先是选择轴承的类型。
由于该轴上的轴承所受载荷为径向载荷,轴的中心线与轴承座中心线不重合而有角度误差,轴承力可能发生弯曲或倾斜,所以选用调心滚子轴承。
初步定出轴承类型及型号之后,对其进行校核。
1.2.4其他零件的结构设计
其他零件部件包括一些标准件(螺栓,螺母,弹性挡圈和油毡封圈等)和非标准件,如轴套,轴承端盖等,根据相关参考书的建议值和公式选取确定,然后进行强度校核。
1.2.5计算机的辅助设计
在做毕业设计时,会用到计算机对于数据的计算,参考。
还有传动示意图;轴零件图;链轮零件图,其他必要的零件图的绘制。
2总体方案的设计
2.1总体方案的确定
利用自行车运动时前轮作为动力,通过链传动、圆锥齿轮传动来传递动力,包括链轮、链条、圆锥齿轮和传动轴。
其中在前轮前叉内装一链轮并与前轮固联在一起,并与前轮一起转动,另一链轮安装在固定在车架上的套筒内的转轴上,转轴的另一端装有圆锥齿轮之一,并与另一圆锥齿轮之二啮合,将装于该圆锥齿轮的风扇轴转动,从而将风扇带动,风扇轴用滚动轴承安装在另一套筒内,该套筒固定在车把手上。
如图2-1总体方案示意图所示。
图2-1总体方案示意图
2.2圆锥齿轮变速器及风扇方案的确定
圆锥齿轮变速器放置在自行车手柄的中间输入轴联接小链轮,输出轴联接风扇。
如图2-2一级圆锥齿轮变速器及风扇示意图所示。
图2-2一级圆锥齿轮变速器及风扇示意图
3链传动的设计
3.1链传动类型及特点
3.1.1链传动的类型
链传动是以链条为中间传动件的啮合传动。
如图3-1所示链传动由主动链轮1、从动链轮2和绕在链轮上并与链轮啮合的链条3组成。
按照用途不同,链可分为起重链、牵引链和传动链三大类。
起重链主要用于起重机械中提起重物,其工作速度v≤0.25m/s;牵引链主要用于链式输送机中移动重物,其工作速度v≤4m/s;传动链用于一般机械中传递运动和动力,通常工作速度v≤15m/s。
图3-1链传动
图3-2齿形链
传动链有齿形链和滚子链两种。
齿形链是利用特定齿形的链片和链轮相啮合来实现传动的,如图3-2所示。
齿形链传动平稳,噪声很小,故又称无声链传动。
齿形链允许的工作速度可达40m/s,但制造成本高,重量大,故多用于高速或运动精度要求较高的场合。
3.1.2链传动的特点
(1)和带传动相比。
链传动能保持平均传动比不变;传动效率高;张紧力小,因此作用在轴上的压力较小;能在低速重载和高温条件下及尘土飞扬的不良环境中工作。
(2)和齿轮传动相比。
链传动可用于中心距较大的场合且制造精度较低。
(3)只能传递平行轴之间的同向运动,不能保持恒定的瞬时传动比,运动平稳性差,工作时有噪声。
通常链传动传递的功率P≤100KW,中心距a≤5~6m,传动比i≤8,线速度v≤15m/s,广泛应用于农业机械、建筑工程机械、轻纺机械、石油机械等各种机械传动中。
3.2滚子链设计
3.2.1滚子链的结构和规格
滚子链由内链板1、套筒2、销轴3、外链板4和滚子5组成,如图3-3所示。
内链板和套筒、外链板和销轴用过盈配合固定,构成内链节和外链节。
销轴和套筒之间为间隙配合,构成铰链,将若干内外链节依次铰接形成链条。
滚子松套在套筒上可自由转动,链轮轮齿与滚子之间的摩擦主要是滚动摩擦。
图3-3滚子链
图3-4双排滚子链
链条上相邻两销轴中心的距离称为节距,用p表示,节距是链传动的重要参数。
节距p越大,链的各部分尺寸和重量也越大,承载能力越高,且在链轮齿数一定时,链轮尺寸和重量随之增大。
因此,设计时在保证承载能力的前提下,应尽量采取较小的节距。
载荷较大时可选用双排链(图3-4)或多排链,但排数一般不超过三排或四排,以免由于制造和安装误差的影响使各排链受载不均。
链条的长度用链节数表示,一般选用偶数链节,这样链的接头处可采用开口销或弹簧卡片来固定,如图3-5a、b)所示,前者用于大节距链,后者用于小节距链。
当链节为奇数时,需采用过渡链节如图3-5c)所示。
由于过渡链节的链板受附加弯矩的作用,一般应避免采用。
GB/T1243-97规定滚子链分为A、B系列,其中A系列较为常用,其主要参数如表3-1所示。
表中链号和相应的国际标准号一致,链号乘以25.4/16mm即为节距值。
a)b)c)
图3-5滚子链接头形式
表3-1A系列滚子链的基本参数和尺寸(GB/T1243-97)
链号
节距p
(mm)
排距Pt
(mm)
滚子外径
d1(mm)
内链节内
宽b1(mm)
销轴直径
d2(mm)
内链板高
度h2(mm)
单排极限拉伸
载荷FQ(KN)
单排每米质量q(kg/m)
08A
12.70
14.38
7.92
7.85
3.98
12.07
13.8
0.60
10A
15.875
18.11
10.16
9.40
5.09
15.09
21.8
1.00
12A
19.05
22.78
11.91
12.57
5.96
18.08
31.1
1.50
16A
25.40
29.29
15.88
15.75
7.94
24.13
55.6
2.60
20A
31.75
35.76
19.05
18.90
9.54
30.18
86.7
3.80
24A
38.10
45.44
22.23
25.22
11.11
36.20
124.6
5.60
28A
44.45
48.87
25.40
25.22
12.71
42.24
169.0
7.50
32A
50.80
58.55
28.58
31.55
14.29
48.26
222.4
10.10
40A
63.50
71.55
39.68
37.85
19.85
60.33
347.0
16.10
48A
76.20
87.83
47.63
47.35
23.81
72.39
500.4
22.60
滚子链的标记为:
链号—排数—链节数标准号。
例如:
16A—1—82GB/T1243—97表示:
A系列滚子链、节距为25.4mm、单排、链节数为82、制造标准GB/T1243—97。
3.2.2滚子链链轮
一、链轮的基本参数及主要尺寸
链轮的基本参数为:
链轮的齿数z、配用链条的节距p、滚子外径d1及排距pt。
链轮的主要尺寸及计算公式如表3-2所示。
表3-2滚子链链轮主要尺寸(mm)
名称
代号
计算公式
备注
分度圆直径
齿顶圆直径
可在damax、damin范围内任意选取,但选用damax时,应考虑采用展成法加工时有发生顶切的可能性。
分度圆弦齿高
ha是为简化放大齿形图的绘制而引入的辅助尺寸(见表9-3)
hamax相应于damaxhamin相应于damin
齿根圆直径
df=d-d1
齿侧凸缘(或排间槽)直径
h2—内链板高度(见表3-1)
注:
da、dg值取整数,其他尺寸精确到0.01mm.
二、链轮的齿形
链轮的齿形应能保证链节平稳而自由地进入和退出啮合,不易脱链,且形状简单便于加工。
GB/T1243-97规定了滚子链链轮的端面齿形(表3-3)和轴面齿形(表3-4),由于滚子表面齿廓与链轮齿廓为非共轭齿廓,故链轮齿形设计有较大的灵活性,即在最大、最小范围内均可使用。
若链轮采用标准齿形,在链轮工作图上可不绘制出端面齿形,只须注明按GB/T1243-97制造即可。
但为了车削毛坯,需将轴面齿形画出。
三、链轮的结构和材料
链轮的结构如图3-6所示。
直径小的链轮常制成实心式(图a);中等直径的链轮常制成辐板式(图b);大直径(d>200mm)的链轮常制成组合式,可将齿圈焊接在轮毂上(图d)或采用螺栓联接(图c)。
表3-3滚子链链轮的齿槽尺寸计算公式
名称
单位
计算公式
最大齿槽形状
最小齿槽形状
齿面圆弧半径re
mm
齿沟圆弧半径ri
mm
齿沟角
(°)
注:
链轮的实际齿槽形状,应在最大齿槽形状和最小齿槽形状范围内
表3-4滚子链链轮轴向齿廓尺寸
名称
代号
计算公式
备注
p≤12.7
p>12..7
齿
宽
单排
双排、三排
四排以上
bf1
0.93b1
0.91b1
0.88b1
0.95b1
0.93b1
0.93b1
P>12.7时,经制造厂同意亦可使用P≤12.7时的齿宽。
b1—内链节内宽(见表3-1)
倒角宽
倒角半径
倒角深
圆角半径
链轮齿总宽
ba
rx
h
ra
bfm
ba=(0.1~0.15)p
rx≥p
h=0.5p
ra≈0.04p
bfm=(m-1)pt+bf1m—排数
仅适用于B型
链轮的材料应有足够的强度和耐磨性,齿面要经过热处理。
由于小链轮轮齿的啮合次数比大链轮轮齿的啮合次数多,受冲击也比较大,因此所用材料应优于大链轮。
链轮所用材料及热处理工艺见表3-5。
a)b)c)d)
图3-6链轮的结构
表3-5链轮材料及热处理
材料
热处理
齿面硬度
应用范围
15、20
渗碳淬火、回火
50~60HRC
z≤25有冲击载荷的链轮
35
正火
160~200HBS
z>25的主、从动链轮
45、50
45Mn、ZG310-570
淬火、回火
40~50HRC
无剧烈冲击振动和要求耐磨的主、从动链轮
15Cr、20Cr
渗碳淬火、回火
55~60HRC
z<30传递较大功率的重要链轮
40Cr、35SiMn、35CrMo
淬火、回火
40~50HRC
要求强度较高又要求耐磨的重要链轮
Q235-A、Q275
焊接后退火
140HBS
中低速、功率不大的较大链轮
灰铸铁(不低于HT200)
淬火、回火
260~280HBS
z>50的从动链轮及外形复杂或强度要求一般的链轮
夹布胶木
P<6KW,速度较高,要求传动平稳和噪声小的链轮
3.3链传动的设计计算
3.3.1链传动的失效形式
由于链条的强度比链轮的强度低,故一般链传动的失效主要是链条失效,其失效形式主要有以下几种:
(1)链条铰链磨损。
链条铰链的销轴与套筒之间承受较大的压力且又有相对滑动,故在承压面上将产生磨损。
磨损使链条节距增加,极易产生跳齿和脱链。
(2)链板疲劳破坏。
链传动紧边和松边拉力不等,因此链条工作时,拉力在不断地发生变化,经一定的应力循环后,链板发生疲劳断裂。
(3)多次冲击破断。
链传动在启动、制动、反转或重复冲击载荷作用下,链条、销轴、套筒发生疲劳断裂。
(4)链条铰链的胶合。
链速过高时销轴和套筒的工作表面由于摩擦产生瞬时高温,使两摩擦表面相互粘结,并在相对运动中将较软的金属撕下,这种现象称为胶合。
链传动的极限速度受到胶合的限制。
(5)链条的静力拉断。
在低速(v<0.6m/s)重载或突然过载时,载荷超过链条的静强度,链条将被拉断。
3.3.2滚子链的额定功率曲线
链传动的工作能力受到链条各种失效形式的限制。
通过试验可获得链条在一定条件下所能传递的功率P0。
图3-8A系列滚子链额定功率曲线
图3-8所示的A系列滚子链额定功率曲线图制定条件为:
z1=19;Lp=100节;i=3;a=40p;满负荷连续运转寿命为15000h;两轮端面共面;采用推荐的润滑方式润滑。
当链传动不能按推荐的方式润滑时,图中规定的功率P0应降低取下列数值:
v≤1.5m/s时,取(0.3~0.6)P0;1.5m/s
当要求实际工作寿命低于15000h时,可按有限寿命设计,此时允许传递的功率高些。
3.3.3设计计算步骤
链传动设计计算的原始条件为:
①传动的工作情况,原动机、工作机的种类;②传递的功率P;③主、从动轮的转速n1、n2或传动比i;④中心距大小,传动的布置等。
链传动设计计算内容包括:
①链条的型号、节距、排数和节数;②链轮的齿数、尺寸、结构和材料;③中心距a;④作用在轴上的力FQ等。
根据链速的大小,链传动的计算方法有以下两种:
一、中、高速链传动(v≥0.6m/s)的设计计算步骤:
链条在中、高速条件下,可能发生磨损、链板疲劳破坏、滚子和套筒点蚀以及套筒和销轴胶合失效,所以应按功率曲线设计计算。
(1)选择链轮的齿数z1、z2。
为减少运动的不均匀性和动载荷,小链轮的齿数不宜过少,通常zmin=17(链速极低时最少可到9),可按链速由表3-6选取z1。
大轮齿数z2=iz1,z2不宜过多,z2过多不仅使传动的尺寸和重量增加,而且链节伸长后易出现跳齿和脱链现象,通常z2max<120。
为使链条磨损均匀,一般链节数Lp多为偶数,链轮齿数多为奇数。
一般传动比i≤7;推荐i=2.0~3.5,低速和载荷平稳时i可达10。
i过大,链条在小链轮上的包角减小,啮合的轮齿数减小,轮齿的磨损加快。
表3-6滚子链传动的主动轮齿数z1
链速v(m/s)
0.6~3
3~8
>8
z1
≥15~17
≥19~21
≥23
(2)初定中心距a0。
中心距a小,结构紧凑,但链节数少,当链速一定时,单位时间内每一链节的应力循环次数增多,加快了疲劳和磨损。
中心距a大,链节数多,使用寿命长,但结构尺寸增大。
当中心距过大时,会使链条松边垂度过大,发生颤动,使传动平稳性下降。
一般取:
a0=(30~50)p
amax=80p,采用张紧装置时a0可大于80p。
(3)确定链节距p。
链传动传递的功率P与特定条件下链条的额定功率P0之关系为:
表3-7链传动的工作情况系数KA
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