畢業(yè)設(shè)計變速自行車變速結(jié)構(gòu)設(shè)計及速度比分析

成都農(nóng)業(yè)科技職業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計題目：變速自行車變速結(jié)構(gòu)設(shè)計及速度比分析學(xué)號：20090703114~姓名：吳..專業(yè)班級：09機制一班指導(dǎo)老師：包….2011年12月內(nèi)容要求概述：人民對于自行車的利用不僅僅是代步工具，更多的是游騎，鍛煉身體。為了滿足更多需求，很多人喜歡購置變速自行車，但價格昂貴其原因就是可以滿足更多需求，很多人喜歡購置變速自行車，但價格昂貴其原因就是可以實現(xiàn)自動變速，體力消耗較少。借助三維軟件合理設(shè)計一款性價比擬高的變速自行車〔主要考慮其變速原理〕，合理設(shè)計變速自行車的變速原理裝置〔鉸鏈，前后輪盤機構(gòu)〕，并根據(jù)實際情況計算其變速的范圍。目錄第1章緒論41.1變速自行車的開展概括：4變速自行車的現(xiàn)狀及前景：4變速自行車的開展歷史演變：4變速自行車在如今人們生活中的應(yīng)用51.2、變速自行車的結(jié)構(gòu)組成：5車架部件6第2章自行車變速器的工藝設(shè)計分析82.1選擇設(shè)計變速器方案的原因及設(shè)計過程82.2變速自行車的變速裝置及其原理82.3變速器的材料選擇9鏈條的材料選擇9鏈輪飛輪材料的選擇92.4變數(shù)器鏈輪飛輪的設(shè)計10設(shè)計條件10鏈輪的高速齒片〔48齒〕和飛輪〔28齒〕的設(shè)計參數(shù)12齒槽的形狀設(shè)計12第3章變速比133.1變速自行車的變速比分析133.2設(shè)計用變速自行車的各齒變速比對照143.3自行車變速器簡圖15總結(jié)16參考文獻16第1章緒論1.1變速自行車的開展概括：1.1.1變速自行車的現(xiàn)狀及前景：自行車創(chuàng)造至今已歷經(jīng)兩百年的歲月，其所扮演的角色也隨著時代的變化而不同，自行車功能從早期單純的交通或載貨工具演變?yōu)槿藗儸F(xiàn)今日常生活中運動、娛樂、休閑以及其它各種特殊用途等不同目的一項器材。在處于經(jīng)濟高度開展的都會時代，世界各國政府無不強力提倡環(huán)保的重要，自行車正是環(huán)保觀念的代表，以人力和機械的自然作動，最簡單與直接的力回饋，沒有過多電子儀器的干擾與能源的浪費，拉近人類與自然的距離，而且隨著變速器的出現(xiàn)進一步的提升了自行車行業(yè)的開展前景，自行車雖然誕生于歐洲，但20世紀(jì)卻在亞洲獲得了前所未有的普及和開展，尤其是在中國這個自行車王國更是獲得了跳躍式的開展機遇，中國可以說是當(dāng)今擁有世界上最多的自行車與自行車生產(chǎn)廠家。根據(jù)《中國變速自行車行業(yè)深度調(diào)研與投資前景預(yù)測研究報告》顯示在未來中國對于節(jié)能簡單實用的變速自行車的需求將進一步擴大其產(chǎn)值也將是以幾倍到幾十倍的速度增加。而相對于歐洲等一些興旺國家人們對綠色環(huán)保的變速自行車也更是青睞有加，其政府也分分鼓勵公民綠色出行。相信在這高度重視環(huán)保的年代，相信變速自行車這項產(chǎn)品所具有的意義與價值會更加提升。1.1.2變速自行車的開展歷史演變：變速自行車與普通自行車的區(qū)別主要是在變速器上。而在變速器未創(chuàng)造時人們?yōu)榱斯?jié)約體力已經(jīng)開始使用帶傳動比齒輪的自行車了因為這樣更能節(jié)省體力，可是在改變鏈條在齒輪上的位置時候，需要人用手來撥動鏈條。無疑，這樣做是很危險的。后來意大利人康帕吉奧羅(TullioCampagnolo)，創(chuàng)造了手動變速系統(tǒng)，不是人的手去撥動鏈條，而是依靠機械裝置來完成，不僅在操作上簡便，而且也在平安方面做出了奉獻。隨著技術(shù)的開展，產(chǎn)生了前變速器、后變速器的零部件，變速系統(tǒng)已經(jīng)變得成熟了起來。在1902年,英國史都梅阿切爾公司在自行車后輪裝上了變速器,變速自行車出現(xiàn)了。使得我們更加方便的操控變速系統(tǒng)，用一只手就可以在自行車的斜梁上面，選擇我們想要的齒輪比。因為在他們出現(xiàn)之前的變速系統(tǒng)是一種很簡單的撥桿系統(tǒng)，不能完成更復(fù)雜的任務(wù)。后來變速的級數(shù)也開始逐漸的多了起來，從五速一直到當(dāng)今這個時代，已經(jīng)開展到了十級，也就是說后輪的齒輪數(shù)量已經(jīng)到達了十片，我們的選擇變得越來越多了。自行車的開展在經(jīng)歷了百年的時間以后，已經(jīng)進入了相對穩(wěn)定的時期，無論是式樣還是方式都沒有了很大的突破。但是變速器這一設(shè)想的創(chuàng)造和出現(xiàn)將自行車的開展又提升到了一個新的高度。并且興起了一種新的運動——公路賽車，譬如著名的法國環(huán)法賽車，和中國的環(huán)青海賽車等等，都是運用的變速自行車。總的來說，變速自行車是朝著美、輕、牢、新、廉方向開展。美是造型美觀、色彩鮮艷、華美而不俗；輕是自重輕、騎行輕、省力；牢是強度高；新是款式新、品種多；廉是本錢低、競爭力強。1.1.3變速自行車在如今人們生活中的應(yīng)用創(chuàng)造改變了世界，改變了人們的生活。變速自行車隨著科技的不斷開展改良能夠使其更加貼近人們的生活需要?，F(xiàn)在的人們主要運用其做距離較進的代步工具，和平時鍛煉身體的運動產(chǎn)品譬如山地變速自行車，而變速自行車在體育賽事的應(yīng)用也得到廣闊人們的喜愛，譬如世界著名的賽事環(huán)法賽是世界影響最廣、規(guī)模最大，比賽水平最高的自行車比賽。環(huán)意大利賽和環(huán)西班牙賽次之。其獎勵也是相當(dāng)?shù)呢S厚。變速自行車可以說在很大程度上使我們生活更加富有樂趣。使其成為人們的“知己好友”。工作、生活、社交、外出兜風(fēng)……任何一個場合，任何一個特定的時刻，自行車都曾發(fā)揮過獨特的重要的作用。其主要人群主要適用與城市上班，學(xué)生族代步工具，以及休閑鍛煉等。1.2、變速自行車的結(jié)構(gòu)組成：圖1變速自行車的車架、輪胎、腳踏、剎車、鏈條等25個部件中，其根本部件缺一不可。1.2.1車架部件車架部件是構(gòu)成自行車的根本結(jié)構(gòu)體，也是自行車的骨架和主體，其他部件也都是直接或間接安裝在車架上的。車架部件的結(jié)構(gòu)形式有很多，但總體可以分為兩大類：即男式車架和女式車架。車架一般采用普通碳素銅管經(jīng)過焊接、組合而成。為了減輕管重量，提高強度，較高檔的自行車采用低合金鋼管制造。為了減少快速行駛的阻力，有的自行車還采用流線型的鋼管。由于自行車是依靠人體自身的驅(qū)動力和騎車技能而行駛的，車架便成為承受自行車在行駛中所產(chǎn)生的沖擊載荷以及能否舒適、平安地運載人體的重要結(jié)構(gòu)體，車架部件制造精度的優(yōu)劣，將直接影響乘騎的平安、平穩(wěn)、和輕快。一般輻條是等徑的，為了減輕重力，也有制成兩端大、中間小的變徑輻條，還有為了減少空氣阻力將輻條制成扁流線型2、外胎分軟邊胎和硬邊胎兩種。軟邊胎斷面較寬，能全部裹住內(nèi)胎，著地面積比擬大，能適宜多種道路行駛。硬邊胎自重輕，著地面積小適宜在平坦的道路上行駛，具有阻力小，行駛輕快等優(yōu)點。外胎上的花紋是為了增加與地面的摩擦力。山地自行車的外胎寬度特別寬，花紋較深也是適應(yīng)越野山地用。3、腳蹬部件腳蹬部件裝配在中軸部件的左右曲柄上，是一個將平動力轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)動力的裝置，自行車騎行時，腳踏力首先傳遞給腳蹬部件，，然后由腳蹬軸轉(zhuǎn)動曲柄，中軸，鏈條飛輪，使后輪轉(zhuǎn)動，從而使自行車前進。因此腳蹬部件的結(jié)構(gòu)和規(guī)格是否適宜，將直接影響騎車人的放腳位置是否適宜，自行車的驅(qū)動能否順利進行。腳踏：可分為整體式腳踏和組合式腳踏。無論什么款式的腳踏都必須有腳踏面，必須平安可靠，具有一定的防滑性能，可以選用橡膠、塑料或金屬材料制造。腳踏必須轉(zhuǎn)動靈活。4、前叉部件前叉部件在自行車結(jié)構(gòu)中處于前方部位，它的上端與車把部件相連，車架部件與前管配合，下端與前軸部件配合，組成自行車的導(dǎo)向系統(tǒng)。轉(zhuǎn)動車把和前叉，可以使前輪改變方向，起到了自行車的導(dǎo)向作用。此外，還可以起到控制自行車行駛的作用。前叉部件的受力情況屬懸臂梁性質(zhì)，故前叉部件必須具有足夠的強度等性質(zhì)。5、鏈條鏈條又稱車鏈、滾子鏈，安裝在連輪和飛輪上。其作用是將腳踏力由曲柄、鏈輪傳遞到飛輪和后輪上，帶動自行車前進。6、飛輪飛輪以內(nèi)螺紋旋擰固定在后軸的右端，與鏈輪保持同一平面，并通過鏈條與鏈輪相連接，構(gòu)成自行車的驅(qū)動系統(tǒng)。從結(jié)構(gòu)上可分為單級飛輪和多級飛輪兩大類。單級飛輪又稱為單鏈輪片飛輪，主要由外套、平擋和芯子、千斤、千斤簧、墊圈、絲擋幾鋼球等零件組成。其單級飛輪工作原理：當(dāng)向前踏動腳踏是，鏈條帶動飛輪向前轉(zhuǎn)動，這時飛輪內(nèi)齒和千斤相含，飛輪的轉(zhuǎn)動力通過千斤傳到芯子，芯子帶動后軸和后輪轉(zhuǎn)動，自行車就前進了。當(dāng)停止踏動腳踏板時，鏈條和外套都不旋轉(zhuǎn)，但后輪在慣性作用下仍然帶動芯子和千斤向前轉(zhuǎn)動，這時飛輪內(nèi)齒產(chǎn)生相對滑動，由此將芯子壓縮到芯子的槽口內(nèi)，千斤又壓縮了千斤簧。當(dāng)千斤齒頂滑到飛輪內(nèi)齒頂端時，千斤簧被壓縮得最多，再稍微向前滑一點，千斤被千斤簧彈到齒根上，發(fā)出“嗒嗒”的聲響。芯子轉(zhuǎn)動加快，千斤也很快在各個飛輪內(nèi)齒上滑動，發(fā)出“嗒嗒”的聲音。當(dāng)反向踏動腳踏時，外套反向轉(zhuǎn)動，會加速千斤的滑動，使“嗒嗒”聲響得更急促。多級飛輪是自行車變速裝置中的一個重要部件。多級飛輪是在單級飛輪的根底上，增加幾片飛輪片，與中軸上的鏈輪結(jié)合，組成各種不同的傳遞比，從而改變了自行車的速度主要是變速器工作原理將在下節(jié)介紹。第2章自行車變速器的工藝設(shè)計分析2.1選擇設(shè)計變速器方案的原因及設(shè)計過程選擇設(shè)計此變速方案的原因：我們將要設(shè)計的變速系統(tǒng)采用的是18級變速也就是說鏈輪3級，飛輪6級，因為這個變速方案變速級別相對較低，能滿足普通的變速需求，設(shè)計要求也比擬適合我們的所學(xué)根底知識架構(gòu)，設(shè)計難度相對高級別變速的工藝尺寸要求簡單實用更貼近人們?nèi)粘Ｉ钪兴鶑V泛使用的變速自行車。而且這種變速自行車在學(xué)校相對好找，便于我們觀察研究討論，以及獲得必要的數(shù)據(jù)支持。設(shè)計過程：我們選擇好設(shè)計的總體思路后就在學(xué)校同學(xué)的變速自行車中進行觀察實踐，以及測量各方面的數(shù)據(jù)尺寸以計算變速系統(tǒng)鏈，齒的各項參數(shù)。隨后我們大體參照《機械設(shè)計根底》的鏈傳動章節(jié)選擇確定鏈型號，確定鏈節(jié)數(shù)以及鏈輪中心距。繼而進一步計算與鏈相配合的鏈輪，飛輪的齒頂，齒底，齒形。譬如：齒面圓弧半徑，齒溝圓弧半徑，齒溝角等齒形參數(shù)。這樣大致設(shè)計出變速機構(gòu)的根本參數(shù)的過程。2.2變速自行車的變速裝置及其原理圖2變速裝置主要有：鏈條，飛輪，導(dǎo)向輪，張力輪，前拔后拔，變速調(diào)節(jié)螺絲等。一般的變速自行車工作方式：是靠一個變速器的裝置來變速的,原理和汽車上的換檔裝置很像.在自行車的結(jié)構(gòu)中,我們把連接兩個踏板(腳蹬)的軸叫主動軸.非變速自行車就是靠我們?nèi)斯じ淖冎鲃虞S的轉(zhuǎn)速來走各種路段的.我們把連接自行車后輪和車架的軸叫從動軸.這里順便提一句自行車運行的根本原理:主動軸轉(zhuǎn)動通過鏈條使從動軸一起轉(zhuǎn)動,即為通過踩踏板帶動后輪前進.變速器的設(shè)計就是為了改變主動軸和從動軸之間的傳動比,從而到達省力,省車的目的一般的變速自行車,是在主動軸上安裝3-5大齒輪,從小到大排列好.在從動軸上安裝6-9個齒輪,從大到小排列好.在你的車把或車身上有兩個變速桿,分別對應(yīng)著主動軸和從動軸.變速時,轉(zhuǎn)動對應(yīng)的變速桿,就可以使鏈條到不同的齒輪上.后撥的導(dǎo)向輪固定鏈條的位置，而張力輪保證鏈條有一定的張力，能夠緊緊地裹在齒輪上。張力輪固定在擺臂上，由彈簧拉進。變速原理:在主動軸附近的鏈條上有個裝置叫前撥,我們轉(zhuǎn)動變速桿,就會使前撥的位置發(fā)生變化,從而使鏈條到不同的前齒輪上,這時,我們在轉(zhuǎn)動調(diào)節(jié)從動軸的變速桿,就可以了.也就是說主從動軸都采用了可變換的設(shè)計,從而形成不同的傳動比,到達變速的目的.靠一個在傳送過程中從一個齒輪變到另一個齒輪的機械裝置,到達變速,改變的是運轉(zhuǎn)速度或牽引力簡單的改變鏈條的傳動比是不一定好使的,我們需要明白,不同的路段需要不同的傳動比.當(dāng)主動軸選用最大的齒輪,從動軸選用最小的齒輪時,可以獲得最大速度,但卻最費力,所以建議在下坡選用.當(dāng)主動軸選用最小的齒輪,從動軸選用最大的齒輪時,可以獲得最小速度,但卻十分省力,在上坡使用尤為有效.另外,當(dāng)前齒輪固定時,從動軸上的齒輪越小,越能加速2.3變速器的材料選擇2.3.1鏈條的材料選擇自行車鏈條用冷軋鋼帶〔GB3643-83〕，它的強度很高，但韌性、可焊性差，比擬硬、脆，外表光亮。鏈條主要分為滾子鏈，齒行鏈兩種。滾子鏈結(jié)構(gòu)簡單，磨損較輕，故應(yīng)用廣泛。自行車鏈條主要采用滾子鏈。滾子鏈已標(biāo)準(zhǔn)化有A。B兩種系列產(chǎn)品，A系列用于重載，較高速度和重要的傳動，B系列用于一般傳動。2.3.2鏈輪飛輪材料的選擇大體選用低中速，輕中載，無劇烈沖擊，振動和易磨損工作條件下的鏈輪。而且用高強度鋼材制成，保證其到達需要的拉力。選用:C45度鋼，含碳〔C〕量是0.42~0.50%，Si含量為0.17~0.37%，Mn含量0.50~0.80%，Cr含量≤0.25%，Ni含量≤0.30%。，Cu含量≤0.25%。密度7.85g/cm3，彈性模量210GPa，泊松比0.31。正火：850淬火：840回火：600抗拉強度：不小于600Mpa屈服強度：不小于355Mpa伸長率：16%收縮率：40%沖擊功：39J鋼材交貨狀態(tài)硬度：不大于未熱處理：229HBS退火鋼：197HBS。2.4變數(shù)器鏈輪飛輪的設(shè)計圖32.4.1設(shè)計條件根據(jù)自行車騎行變速要求，確定各級傳動比，然后確定鏈輪以及飛輪的齒數(shù)根據(jù)騎行的平均功率確定主要零件結(jié)構(gòu)及參數(shù)。根據(jù)設(shè)計傳動比要求及資料查證，我們選用的是6級飛輪3級鏈輪的結(jié)構(gòu)。以保證其多級變速：鏈輪齒數(shù)取28,38,48飛輪齒數(shù)14,16,18,21,24,28.設(shè)計高速鏈輪與低速飛輪的滾子鏈傳動，鏈輪最大軸功率根據(jù)騎行的最大載重以及腳到中心軸的距離確定，鏈輪軸的功率取P=180W,鏈輪平均轉(zhuǎn)速取n1=378r/min,人對其作用的載荷相對平穩(wěn)。以下設(shè)計公式取自《機械設(shè)計根底》鏈輪齒數(shù)我們參考的是《中國自行車標(biāo)準(zhǔn)》的推薦數(shù)值取Z1=48，Z2=28.可知實際傳動比為i=Z2/Z1=28/48=0.58鏈輪轉(zhuǎn)速n1=378r/min可得飛輪轉(zhuǎn)速n2=n1/i=378/0.58=652r/min設(shè)計功率按試10-1，Pc=Ka*kz*p=118.8w：Ka=1Kz=0.66p=180w5鏈條型號以及節(jié)距參數(shù)確實定由設(shè)計功率Pc=118.8W,和轉(zhuǎn)速n1,可查圖選取鏈型號為0.8A標(biāo)準(zhǔn)化的滾子鏈，查表10-1可知其鏈條規(guī)格P=12.7mm的節(jié)距等一系列滾子鏈尺寸參數(shù)。圖4滾子鏈GB/T1243A系列6初定中心距由a0=(30~50)p，取a0=33,33*p=41.9cm.7鏈條節(jié)數(shù)Lp===104鏈條長度L=Lp/1000=104*12.7/1000=1.32m實際中心距按試10-4計算實際中心距a=[(Lp-)+]==41.7cm10鏈速按試10-2得V=Z1*n1*p60*1000v==2.24m/s11有效圓周力Fe=1000P/V==80.36N12作用于軸上的拉力FQ=KQ*Fe=1.15*80.36=92.41NKQ=1.1513潤滑方式的選定如圖10-9，選取滴油潤滑。2.4.2鏈輪的高速齒片〔48齒〕和飛輪〔28齒〕的設(shè)計參數(shù)根本參數(shù)：Z1=48，Z2=28,P1=P2=12.7mm分度圓直徑：d鏈=P/sin=12.7/sin=194mmd飛=p/sin=12.7/sin=113mm齒頂圓、齒根圓直徑〔選用三圓弧一直線齒形〕計算：公式：da鏈=P(0.54+cot)==200mmdf鏈=d鏈—d1=194—7.95=186.05mmda飛===119.50mmdf飛=d飛—d1=113—7.95=105.05mm分度圓弦齒高：ha=0.27Pha飛=ha鏈=0.27*12.7=3.43mm2.4.3齒槽的形狀設(shè)計查表10—2，1.齒溝圓弧半徑：==4.15mm2.齒溝角：a鏈==118.130a飛==116.7903.齒面圓弧半徑：公式Re=0.008d1(Z2+180)Re鏈=0.008*7.95*〔482+180〕=157.98mmRe飛=0.008*7.95*〔282+180〕=61.31mm其余鏈輪的齒28,38。飛輪的齒14、16、18、21、24齒的設(shè)計方法計算參照以上齒輪的設(shè)計，以下就不再一一累敘計算。第3章變速比3.1變速自行車的變速比分析自行車有前后兩個飛輪,通過不同的齒數(shù)組合,可以產(chǎn)生不同的速比.比方我們設(shè)計的大盤3片,小盤6片,相乘=18,那么稱之為18檔變速1、齒輪比〔變速比〕:主動輪對被動輪的齒數(shù)之比為齒輪比。如果兩個齒輪的齒數(shù)相同，那每踏蹬一周。兩個齒輪和后輪都各旋轉(zhuǎn)一周。假設(shè)主動齒輪的齒數(shù)大于被動齒輪的齒數(shù)，那么每踏蹬一周，被動齒輪轉(zhuǎn)的圈數(shù)就大于一周多，速度加大。因此，齒輪比與主動輪的齒數(shù)成正比，與被動齒輪的齒數(shù)成反比。以g代表齒輪比，C代表主動齒輪的齒數(shù)，F(xiàn)代表被動齒輪的齒數(shù)，它們之間的關(guān)系用公式表示，即：

g=c/f

例如：賽車輪盤為48齒，飛輪為16齒，代入公式即可求出齒輪比為:

g=c/f=48/16=3

也就是說蹬踏輪盤一周，飛輪轉(zhuǎn)三周。

2、傳動比〔傳動系數(shù)〕：齒輪比乘以后圈直徑，即為傳動比。以D代表傳動比，b代表后圈直徑，它們之間關(guān)系用公式表示，即：

d=c/f×b=gb

由此可見，齒輪比確定之后，傳動比是與后圈直徑成正比的。

例如：輪盤為48齒，飛輪為16齒，后圈直徑為27時〔英寸，是因為1888年蘇格蘭人鄧洛普創(chuàng)造了內(nèi)充空氣的車胎〕，代人公式即可求出傳動比：

D=C/F×b=48/16×27=3×27＝81

3、傳動行程，每踏蹬一周，車子向前運動的距離那么為傳動，行程，也叫速比行程。其計算方法是傳動比乘以圓周率。以M代表傳動行程，π代表圓周率〔此為常數(shù)，π＝3．14〕，它們之間關(guān)系用公式來表示。即：

M=Dπ=C/F×b×π

自行車后輪直徑的計量一般習(xí)慣用英制表示，而行程計算一般習(xí)慣用公制，因