自行车变速器设计.docx
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自行车变速器设计
桂林理工大学
GUILINUNIVERSITYOFTECHNOLOGY
本科毕业设计(论文)
题目:
自行车变速器设计
学院:
机械与控制工程学院
专业(方向):
机械(模具)
摘要
一直以来,自行车都是家喻户晓的交通工具,有着悠久的历史。
然而在当今交通发达的社会,越来越多的人注重对生活的享受,把自行车当成交通工具的时代已经过去。
出现了各种各样的自行车,例如场地自行车、公路自行车、山地自行车、斜躺自行车、广告自行车、旅游自行车、折叠自行车、电动自行车、小轮车等等一系列的现在自行车。
人们更加注重自行车的轻量化、灵活化设计。
自行车看似结构简单的车系,其关键部分却有着较大的学问,很多机构学家也做了很深入的研究,将自行车向着可靠化、强度化、创新化方向发展。
而在当今追求挑战的时代,更希望自行车能够更少的力获取更大的扭转力使自行车能够更快的运行,这是对变速系统的考验,也是对刹车系统的考验。
而本文主要是对自行车的变速系统进行设计,设计的主要工作有下面几点:
通过查阅大量关于变速系统的工作原理;对变速指拨、前拨、后拨的设计和计算验证。
将设计的各装置进行模拟仿真再结合它的工作环境、工作方式进行优化。
本设计主要理论设计和经验设计相结合,对各部分数据进行可靠性分析,再通过以上数据利用CAD画出零件图和装配图。
关键词:
自行车;变速系统;零件图
Designonthebicycleshiftingsystem
Abstract:
Allalong,thebicycleisawell-knownmeansoftransport,hasalonghistory.However,intoday'strafficdevelopedsociety,moreandmorepeoplefocusontheenjoymentoflife,thebicycleasavehiclehaspassed.Emergenceofavarietyofbikes,suchastrackcycling,roadcycling,mountainbiking,recumbentbicycles,advertisingbicycles,touringbikes,foldingbikes,electricbikes,BMXbikesandsoaseriesofnow.Peoplepaymoreattentiontolightweight,flexibledesignofthebicycle.Bicyclecarsseeminglysimplestructure,buthasakeypartofalargerlearning,manyorganizationshavedoneaverythoroughscientistsstudythebiketowardreliabletechnology,strength,innovationdirection.Thepursuitofthechallengesintoday'sera,thebicyclecanhopetoobtaingreaterforcewithlesstwistingforcetothebicyclecanrunfaster,whichisthetransmissionsystemtest,butalsoatestofthebrakesystem.
Thepaperisofvariablespeedsystemdesign,thedesignhasthefollowingmainpoints:
areviewofalargenumberofworksonabicycletransmissionsystem;Toshiftthedip,thefrontderailleur,rearderailleurdesignandcalculationverification.Eachdeviceisdesignedtosimulatesimulationcombinedwithitsworkenvironment,howtooptimizeit.Thisdesignismainlytheoreticaldesignandexperiencedesigncombinesthereliabilityofpartsofthedataanalysis,andthendrawatwo-dimensionalCADdiagrams.
Keywords:
Bicycle;Transmissionsystem;Simulation
目次
1引言
1.1自行车变速器研究的背景和意义
1.1.1变速自行车简介
人们对自行车的利用不仅是交通工具,而越来越多的运用于旅游骑行,锻炼身体。
而为了满足需求,更多的人选择变速自行车。
目前自行车用于休闲工具越来越普遍,但在山区骑行需要不断变化速度,变速器的作用凸现出来,同时也满足了人们游玩的刺激感。
而自行车的机构简单,组件也不复杂,但要完成它的可靠性和美观性一直都激发着很多研究者的兴趣,同时也产生了许多著名的企业----捷安特、美利达,再一次的革新了自行车的代步理念,向更高一层迈进。
而在变速系统的设计中,也出现了许多企业,例如禧玛诺,速联等企业。
可见在变速器上的研究仍然还在继续。
对于变速自行车来说,变速系统显得尤为重要,它是使车系能够达到省力、省车的效果。
但是在普通车上增加变速装置又会对车的机构、强度方面造成影响,因而不能够简单的看成是机构的叠加,应该从机构的整体性上去分析。
这对当今的研究者带来很大的研究前景[1],以满足当今社会的需求。
1.1.2变速自行车的现状和前景
在我国,自行车有着悠久的历史,早在公元前500多年,我国就出现独轮车随而出现的当今的自行车。
而今我国涉足于研究自行车的人甚少,市场几乎被国外占有,在大多数欧美国家及日本生产车架采用钨极惰性气体保护焊、机械钎焊、氩弧焊等各种先进焊接技术。
而在车架和前叉的喷漆上,德国采用了比较传统的喷丸处理技术;日本采用了喷淋和磷化处理;瑞士的自行车生产商采用手工磨削处理及表面清洗、净化和后道磷化处理技术;美国的处理技术各国的也大同小异[2]。
近年来,世界工业发达的欧美国家及日本打造各类自行车的产品,无论是材料、还是外观设计一直到整车装备各个方面都有发展迅速。
尤其在变速系统上,日趋朝向高端技术方向发展,之前国外的变速自行车档位有三速、五速、十速、十二速、十五速、十八速,但是在现在出现了很多车系达到二十一速、甚至二十四速、二十七速。
拨链机构逐步变小,导向板也逐渐加长,更加具有流线感。
此外,欧美国家及日本先后开发出了电子控制定位旋转把套变速控制系统[3],而且自行车变速系统技术含量日趋提升。
现在国外很多国家变速系统正朝着变速、制动、导向一体化及自动定位、自动变速、操作富有人性化这方向阔步发展。
1.1.3变速自行车的发展史
自行车到底是有谁发明的,是哪个时代发明的很少有人知道,在1791年,曾有法国人发表了两轮的木马车;一个德国的男爵卡尔杜莱斯是被公认为自行车的发明者,他在1817年就制造除了把手的脚踢木马自行车,在车子前轮上装了个方向把手,这就是人们第一次看到的不需要马拉的奇怪车,当然这也是人们心中最早的自行车印象。
1819年,英国、德国也都先后成立了历史最早的自行车学校;那时候没有汽车和火车,以马车为交通工具的德国、英国、美国形成了争骑木马的风气,那时人们跨上玩具车用力蹬,速度越快,车也就越稳,而且这种风气在这些国家持续了十来年之久。
到了1830年,法国政府正式决定使用玩具车来作为邮差送信的交通工具;1939年英国的汤马士麦米伦不断思考如何能够坐在车上,在不断的思考下,最后设计出了一辆前轮大于后轮并加上踏板及杠杆在后轮来驱动车子的自行车,这样就使在骑行时不需要以脚踩地面去转动轮子前行,这为自行车的发展迈进了一大步。
1888年一个爱尔兰的兽医发明橡皮充气轮胎,这也是自行车发展史上非常重要的发明,这不仅解决了自行车多久来最令人难受的震动问题,还把自行车的车速推进了很多,但由于当时橡皮很贵,不能够广泛使用。
1970年,由一群美国人相互竞速发展出公路车、山地车、旅行车等等车系,材料也不断的改进,是它变得更加的轻量化,越来越满足现代人对自行车的要求,自行车的研发又与人体合二为一的表现越显重要。
1.1.4变速自行车在如今生活中的运用
发明改变世界,发明改变了人们的生活。
变速自行车不断地发展,不断的改进并是它更能够贴近人们生活,更能够满足人们的需要。
过去的一段时间,人们主要运用它来作为短距离的代步工具,及平时锻炼身体的运动器具,例如山地车,在当今世界,变速自行车在体育赛事的运用得到了广大人们的喜好,如世界著名的赛事环法赛就是世界影响最广、规模最大,也是比赛水平最高的自行车赛。
其次是环西班牙和环意大利。
当然它的奖励也是相当的丰厚。
在我国,越来越多的骑友不约而同的组队骑云南、骑川藏等来增加生活的情趣;不少人还用来当做生活的主要交通工具、社交、外出郊游的各种场合,自行车都发挥这轻便这独特的作用。
但当今社会主要人群还是学生族、骑游族、城市上班族及休闲锻炼身体等等。
1.2变速自行车的结构组成
变速自行车由车架、刹车、变速系统、轮胎、链条等25个部件构成,其中基本部件缺一不可。
一般可以变速自行车可以分为五个部分:
动力部分、传动部分、工作部分、控制部分、变速部分[4]。
图1-1自行车结构
图1-2自行车变速器结构图
1.2.1自行车组成
车架
车架是变速自行车的一个基本组成部分,是自行车的主体和骨架,没有它也无所谓现在的自行车了。
其他部件都是直接或间接的安装在车架部件上。
车架部件有很多种结构,但我们一般可以分为两大类即男式车架和女式车架。
大部分的车架采用普通碳素铜管经过组合、焊接而成。
一般来说,为了减轻管的重量,提高强度,大多数高档自行车采用了低合金钢管制造而成。
现今,为了减少快速行驶的阻力,不少自行车还采用了流线型的低合金钢管。
自行车是靠人体脚踩的驱动力和骑行技术而行驶,车架便成为自行车在行驶过程中产生冲击载荷及能否安全舒坦地运载人体的重要结构部件,车架制造精度的优劣,能够直接影响骑行的安全性、平稳性、轻快性。
一般辐条都是等径的,为减轻重力,也有制成中间小、两端大的变径辐条。
现今,还有为了减少空气阻力将辐条制成流线型[5]。
1)脚蹬部件
这个部件都是装配在中轴的左右曲柄上,它是一个能够将平动力转化为转动力的装置,在骑行自行车时,脚踏力首先传给脚蹬部件,再由脚蹬轴转动曲柄,中轴、链条飞轮,从而后轮转动而使自行车前进。
因而脚蹬部件的结构和规格是否合适,将直接影响骑车人放脚位置是否适合,自行车的驱动能不能够顺利进行,当然一般的骑行感受不到,只有长期的骑行才会感受它的重要性,还会影响人大腿发力。
2)转动车把和前叉
它们可以使前轮改变方向,起到它的导向作用,还可以有控制自行车行驶的作用。
这里的前叉的受力属于悬臂梁受力性质,因此前叉必须要具备足够的强度、刚度等性质。
3)车链
车链又叫滚子链、链条,安装在飞轮和链轮上。
它的作用是将脚踏力由曲柄,链轮传到飞轮和后轮上去,从而带动自行车前进。
4)飞轮
飞轮是用内螺纹旋拧在后轴右端,并与链轮保持统一水平面,通过链条与链轮连接,构成自行车的驱动部分。
一般从结构上分为单级和多级飞轮两大类。
单级飞轮又称为单链轮片飞轮,主要有外套、芯子、千斤、千斤簧、平挡、丝挡钢球、垫圈等零部件构成。
它的工作原理为:
挡向前踩动脚踏时,链条会带动飞轮向前转动,这个时候飞轮内齿和千斤相含,这时飞轮的转动力通过千斤传到芯子,再通过芯子带动后轴及后轮转动,这样自行车就前行了。
当我们停止踩动脚踏板时,外套和链条转动,但这时后轮会在惯性作用仍然带动千斤和芯子向前旋转,此时,飞轮内齿会产生相对滑动,由此将芯子压缩到芯子槽口内,千斤又压缩千斤簧,当千斤齿顶滑到飞轮的内齿最上端时,千斤簧被压缩的最大,此时稍微向前滑动一点,千斤被千斤簧顶到齿根上,会发出”嗒嗒”的响声[7]。
芯子转速加快时,千斤也很快的在各个飞轮内齿上滑动,而发出响声。
当我们反向踩动脚踏时,外套会反向转动,因而会加速千斤的滑动,会使这声音更加急促。
由此,我们可以看出多级飞轮是变速自行车变速装置中一个非常重要的部件。
多级飞轮是在单级的基础上增加多个飞轮,并与中轴上的链轮相结合,构成各种不同的传动速比,由此改变自行车的速度,
5)车胎
车胎分为外胎和内胎,外胎又有硬边胎和软边胎。
一般硬边胎自重较轻,着力面积较小,适合于在平坦的道路上行驶,其优点是行驶轻而快、阻力比较小。
软边胎的断面宽,能够全部裹住内胎,着地面积大,能够适应多种路面行驶。
外胎的花纹是为了增加和地面的摩擦,当今世界最为流行的山地自行车的外胎宽度特别宽,而且花纹也深,能够适宜山地越野。
2自行车的变速系统的总体设计分析
2.1自行车的变速装置的工作原理
一般情况下,变速装置主要由H、L边去调节螺丝、前拨后拨、飞轮、链轮、链条、张力轮、导向轮等组成[8]。
在我们变速自行车中最常见的车系是山地自行车,而所有变速自行车的原理基本与山地车类似,下面以山地车的变速原理进行探究。
我们的山地车变速的工作方式与我们的汽车的变速工作方式相似,汽车大多是改变齿轮来改变传动比,而自行车主要是以链条为传动装置工作的。
在我们的山地车里面,通常把脚蹬两个踏板的轴叫做主动轴。
而我们以往看到的非变速自行车就是靠改变我们主动轴的转速来实现各路段的骑行。
我们把车架和后轮相连接的那根轴叫做从动轴。
前面已经起到过:
我们的主动轴与从动轴之间的联系是通过它们之间的的链条,当我们踩动踏板,使主动轴获得动力,通过链条传递给从动轴,而我们就在这个过程来改变他们的传动比,从而达到以更小的动力获得更加快的速度,具有省力、省车的效果。
现今,山地车的变速级别越来越多,我们研究普遍生活用的十八速级变速设计。
一般山地车在主动轴上装配3个依次增大的齿轮,在从动轴上安装6~10个依次从大到小顺序排列的齿轮,然后用分别在前后轴安装变速杆用一根变速线连接到车把手上或者任意一个手很方便控制的位置上,当我们需要变速时,我们只需转动对应的变速杆使链条拨到不同大小的齿轮上去,实现轻松变速。
后拨导向轮是固定链条的位置,张力轮必须保证链条有一定的张力,让它卡在齿轮上,张力轮的位置是固定在摆臂上的,并由弹簧控制。
变速原理:
在主动轴适合位置安装一个前拨装置,我们通过转变变速杆,是前拨的位置发生微小的变化,将链条拨到不同大小的齿轮上去,这时我们再转动调节从动轴上的变速杆,就可以达到在这个范围内我们想要的速度[9]。
这个过程中,我们的从动轮和主动轮都采用了变得设计,而形成不同的不一样的传动比,达到设计目的。
其实我们都明白:
当你主动轴的牵引力频率越高,从动轴的转速就越快,所以单单靠改变传动比是不一定好使的。
所以有经验的骑行者会根据不同的路况选择不同的传动比,当上坡时,主动轮选用最小齿轮,从动轴选用最大的齿轮,这个时候获得最小的速度,但却很省力;同样的道理,下坡时,主动轴上选用最大的齿轮,从动轴上选用最小的齿轮,这时可以获得最大的速比,却很费力,因而在下坡用最为合适。
一般情况,我们都是固定前轮,在从动轴上齿轮越小,越能够加速。
2.2变速器设计方案的确定及设计过程
2.2.1确定变速系统的方案
本课题设计的变速系统是3*6级别,即是链轮为3个齿轮,飞轮为6个齿轮,这套变速级别相对低,但是在生活中普遍适用。
结合大学所学的《机械设计》和《机械原理》为基础能够完成本设计。
本设计拟定两套设计方案分别如下:
方案一:
本设计可以采用齿轮传递速比
方案二:
采用链条传递速比
方案对比,显然方案一中会有很多的问题,最主要是高精度齿轮成本高昂,且不利于山地越野,而链条传动显得更加合理
2.3变速器的总体设计过程
首先确定变速比,然后确定链轮和飞轮的齿数。
再根据骑行的功率,确定主要部件的参数和机构。
前面提到过,本设计通过经验设计和理论设计相结合,通过研究以往的自行车的变速链条的各项参数,参照《机械设计》的链条传动,然后计算出相配合的链轮、飞轮的各项参数,得出这些数据后,在进行理论验算,强度校核等。
最后设计前、后拨的各项参数选择合适的材料。
2.3.1确定各零件的设计顺序
本设计由:
链条→后拨→飞轮→链轮→前拨
2.3.2运动过程的计算及拟定草图
1)计算变速比和各飞轮的齿数,画出零件图
2)校核链轮和飞轮的刚度和强度,
3)画出变出变速系统的整体装配图。
3链条设计
3.1确定变速系统链条参数
本设计选用的是6级飞轮和3级链轮,查《中国自行车标准》得,我们要保证多级变速,飞轮齿数为14、16、18、21、24、28,链轮齿数取28、38、48。
设计低速飞轮和高速链轮的滚子链传动,其链传动主要失效形式有四种:
链条的疲劳破坏、链条的铰链胶合、链条的铰链磨损、链条的静力破坏,因而在设计过程中一定要避免这几种失效形式[10]。
链条型号根据主动链轮转速n1和当量的单排链计算的功率Pca由图3-1确定。
然后再由表3-1确定链条节距p。
图3-1滚子链GB/T1243A系列
表3-1滚子链规格和主要参数
滚子链规格和主要参数
链号
节距P
排距P1
滚子外径b1
内链条内宽度b1
销轴直径d2
内链板高度h2
极限拉伸载荷
每米质量(单排)
mm
KN
Kg/m
05B
8
5.64
5
3
2.31
7.11
4.4
0.18
06B
9.525
10.24
6.35
5.72
3.28
8.26
8.9
0.4
08B
12.7
13.92
8.51
7.75
4.45
11.81
17.8
0.7
08A
12.7
14.38
7.95
7.85
3.96
12.07
13.8
0.6
10A
15.875
18.11
10.16
9.4
5.08
15.09
21.8
1
12A
19.05
22.78
11.91
12.57
5.94
18.08
31.1
1.5
16A
25.4
29.29
15.88
15.75
7.92
24.13
55.6
2.6
因此,由设计功率Pca=88.2W,n1=6.3r/min,可选取链型号为08A标准化滚子链,再由3-2链条的规格p=12.7mm的节距的一系列尺寸参数。
根据GB/T1716-93,选用自行车链条1/2*3/32,内外导板组合内宽尺寸10±0.5mm。
3.2链条的长度
一般单片链轮的链长在绷紧链条后还外加四节链片。
双片链条长度在装配后拨链器绷紧链条,要使张紧轮和导轮中心线约地垂直。
三片链轮链长在飞轮高速齿与低速齿装配链条,绷紧后加两节即可。
3.3确定链条的材料
链条主要由滚子链和齿形链,滚子链由滚子、套筒、销轴、内链板及外链板组成。
齿形链是有一组带有两个链板左右交错并列铰接而成。
目前,链条已经标准化为A、B两个系列,其中A系列适用于美国为中心的西半球区域,B适用于欧洲区域。
而我国主要采用A系列滚子链传动设计[11]。
自行车的链条采用冷轧钢带,其强度高,但耐性、可焊性较差。
表3-2零件材料及其热处理
零件名称
材料
热处理
滚子
45钢
渗碳+淬+回
套筒
45钢
淬+回
销轴
45钢
淬+回
内链板
45钢
淬+回
外联板
低碳钢盘条
渗碳+淬+回
4变速装置的设计
4.1拨链器
4.1.1拨链器的分类
拨链器是指改变链条在多级飞轮或多级链轮上的位置,以获得不同传动比的机构。
拨链装置是由前拨链器、后拨链器、拨链器钢丝绳及调速控制器等构件组成。
前拨链器是指改变链条在链轮上位置的机构;后拨链器则是改变链条在飞轮上位置的机构;拨链器钢丝绳是控制前和后拨链器的传动构件;调速控制器是手上操纵前、后拨链器的操作机构。
4.2后拨链器设计
4.2.1后拨链器的构成
后拨通常由连接组、拆片组、导轮组三个部分构成。
其中连接组由内连接板和外连接板构成,内有一个弹簧保证复位以保证稳定的行程,内连接板有高位组块,而外连接板有低位限块和连接紧绳螺栓的通孔;拆片组由定位螺丝、后座、后座轴、后座扭簧、拆片等部件组成;导轮组则是扭簧、张紧轮、导轮、内导板、外导板、下座轴等部件构成,而这里主要是利用导轮及扭簧保证链条不出现掉链现象[12]。
4.2.2后拨材料的选择
保证产品质量,又要节约成本,均可采用碳素结构钢Q235,但弹簧选用弹簧钢65Mn。
4.2.3飞轮各齿间距
查《中国自行车标准》,飞轮间的间距以确定。
其中T-5间距为3.33mm;5-4为3.23mm;4-3为3.23mm;3-2为3.2mm,2-1为4.0mm,这样,后拨的传动行程就与之确定。
4.2.4变速性能
1)当链轮静止调速时,链轮转动270度以内为调速完成。
2)当链轮转动调速时,链轮转动180度以内调速完成。
4.2.5弹簧的设计要求:
1)导弹簧工作在3*104以上;
2)前、后扭簧在3*104以上。
4.2.6连接组设计
1)导弹簧设计(本设计的方法和公式来于《机械设计手册》)
设计条件为:
一个圆柱形拉伸弹簧,载荷均衡;Fmax=28.7±0.01N;λmax=35mm;其总工作数为104次;长度H0不大于45mm;外径D2不大于15mm。
(1)材料的选择:
根据弹簧的工作条件,选用碳素弹簧钢丝,弹簧工作次数约104次,则[τ]=0.45σB
(2)确定旋绕比C,一般取5~9,曲度系数K≈4C-1/4C-4+0.615/C
(3)弹簧丝直径d‘,
d‘≧1.6
(4-1)
(4)估算D。
由D1>9mm,D2≦15mm,D可取10mm、11mm、12mm。
(5)初算弹簧丝直径,d‘=D/C。
表4-1弹簧丝直径d
C
5
6
7
8
9
K
1.31
1.25
1.21
1.19
1.17
D
12
10
11
12
12
σB
2.5
1.7
1.6
1.25
1.33
d‘
1650
1700
1750
1750
2000
[τ]
743
765
788
788
900
d
0.8
0.85
0.89
1.12
1.2
其中C为5、6、7时,d、d‘相差较大,不予使用。
(6)弹簧的工作圈数n,
n=
(4-2)
D取12mm,G取8*104,λmax=35mm,C=9、8
当C=8,n≈23,当C=9,n≈11
节距p=1.2mm
自由高度H0
H0≈pn+3d(4-3)
当n=8,H0≈49.1;n=9,H0≈34.8
但H0≈49.1,不符合安装要求,不予使用。
确定弹簧丝的几何参数及结构尺寸
外径D2=d+D=1.2+12=13.2mm
内径D1=D-d=12-1.2=10.8mm
展开长度L=
π(4-4)
=11*12*3.14/
=41
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