-自行车变速系统的设计论文-学位论文.doc

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1、毕业设计说明书自行车变速系统的设计班 级： 学号：姓 名： 学 院： 软件学院 专 业： 软件工程 指导教师： 李彦栋 陈汝斌 2014 年 6 月自行车变速系统的设计摘 要自行车变速系统的作用就是通过改变链条和不同的前、后大小的齿轮盘的配合来改变车速快慢。前齿盘的大小和后齿盘的大小决定了自行车旋动脚蹬时的力度。前齿盘越大，后齿盘越小时，脚蹬时越感到费力。前齿盘越小，后齿盘越大时，脚蹬时越感到轻松。根据不同车手的能力，即可通过调整前、后齿盘的大小调整自行车的车速，或是应对不同的路段、路况。当转动变速器时，推手将作用于换挡变速器，换挡变速器的工作原理就是拨链器将链条向里或向外推，由于齿轮的齿尖向

2、链条方向翻出一定角度，当链条被推倒该齿尖接触范围时，由于换挡变速器和后轮连接轴的张紧作用，将使得自行车链条转接到后轮后链条不同的档位，实现不同的变速要求。前面的前链轮的换挡原理和后轮基本一致，只是略有些不同而已。由次可以看出，两轮（脚踏轮和后链轮）的不同半径轮越多，可变速档位也就越多。关键词：自行车,换挡变速器,传动装置,拨链器The design of bicycle transmission systemAbstractThe role of the bicycle transmission system is change the speed of thebicycle by chang

3、ing the chain and the front and rear gear plate size . The size of the front and after chainring crankset determines the intensity of the bicycle pedal when rotating . The larger front chainring , The smaller behind chainring, more pedal feel effortless . The smaller front chainring , the bigger beh

4、ind chainring , the more we feel relaxed when you pedal . Depending on the capabilities of different drivers , you can adjust the size of the chainring to respond to different sections of the road.When want to chang the speed , the diver will act on the turn transmission .The shift transmission work

5、s is put the chain inwards or outwards .Since the gear tooth tip pulls the chain direction,when the chain is pushed into the contact area of the tooth tip. Due to the shift transmission and the tensioning action of the rear connecting shaft,achieve that the different speed requirements. Shift princi

6、ple in front of the front sprocket wheel is the same basically, just a little bit different. As can be seen from the second, more two (the rear sprocket and the foot whee) radius of the wheel type, the more classes gear position.Keywords：Bicycle, Shift transmission, Transmission Device,derailleur 目

7、录1 引言12 自行车变速系统总体方案的论证32.1 各级传动比以及主要参数的确定32.1.1 概述32.1.2 各级传动齿数的确定32.1.3 链轮轴转速及功率的确定32.2 确定变速系统各零件的设计顺序32.3 运动计算的设计33 自行车链条的设计43.1 自行车链条的特点及主要的失效形式43.1.1 自行车链条的特点43.1.2 自行车链传动的主要失效形式有43.2 链条的各参数的确定53.3 确定零件材料及热处理工艺54 后拨链器的设计64.1 后拨链器的特点64.2 后拨链器材料的选用64.3 后拨链器的设计条件64.3.1 调速范围64.3.2 对应的飞轮各齿间间距64.3.3 变

8、速性能74.3.4 弹簧和后拨链器的设计须满足的条件:74.3.5 后拨链器的整体的装配74.4 连接组的设计74.4.1 机构的设计74.4.2 导弹簧的设计7第 页 共 页 中北大学2014届毕业设计说明书4.4.3 调节螺栓设计及强度校核104.4.4 铆钉的设计114.4.5 螺栓的受力分析124.4.6 螺母的选用134.5 折片组的设计134.5.1 后座弹簧的设计134.6 导轮组的设计154.6.1 内外防尘板的设计164.6.2 导轮的设计164.6.3 导轮弹簧的设计164.6.4 飞轮的设计185 设计自行车变速系统的链轮和飞轮195.1 设计条件195.2 链轮的高速齿

9、片和飞轮的低速齿片（27齿）的设计205.3 飞轮的25齿片及齿槽的设计226 自行车的变速系统的安装及调整的方法246.1 后下叉的平行度（相当与车架的中心）246.2 一侧的外线固定座及外线长度246.3 后下叉长度和角度246.4 三片链轮与后叉头宽度的关系246.5 后拨链器导轮动程的调整256.5.1 后变速器在最小飞轮片的位置的调整256.5.2 后变速器在最大飞轮片的位置的调整256.5.3 整合安装及调整256.6 变速器安装位置256.6.1 导板动程的调整256.7 链条的长度及其安装256.7.1 链条的长度257 结论26参考文献27致 谢28第 页 共 页 1 引言变

10、速自行车是20世纪80年代开始流行起来的。多用铝合金制成车框架，最大限度减轻车身重量，使骑行轻便、高速。山地自行车是变速自行车的一种。自20世纪80年代开始流行。其特点是车身结实、车轮比普通自行车车轮宽，并且车胎花纹较深，减震能力和稳定性很好。在1902年，英国史都梅-阿切尔公司在自行车后轮装上了变速器，变速自行车出现了。变速自行车在自行车后轮毂内装置有一套不同规格的齿轮，自行车行进时，通过变速排档可以把链条置于不同的齿轮上，从而改变车速，以适应不同的路况和骑车人的体力自行车变速系统的作用就是通过改变链条和不同的前、后大小的齿轮盘的配合来改变车速快慢。前齿盘的大小和后齿盘的大小决定了自行车旋动

11、脚蹬时的力度。前齿盘越大，后齿盘越小时，脚蹬时越感到费力。前齿盘越小，后齿盘越大时，脚蹬时越感到轻松。根据不同车手的能力，即可通过调整前、后齿盘的大小调整自行车的车速，或是应对不同的路段、路况。自行车变速系统应包括飞轮、链轮、前拨链器、后拨链器四部分。飞轮一般包括三级以上，最多可达九级。每级齿片的齿数不同，一般选用奇齿数，以便于变速的轻便和快捷。链轮有单片、双片和三片之粉。链轮是主动轮，由骑行者通过曲柄旋转链轮产生原动力，在链条的传动下，带动链轮。链轮齿和飞轮齿的齿数决定传动比。选择不同配对的齿可以是骑行者根据路况以及自己体力选择不同的传动比，以达到骑行轻便的要求。前拨链器（Front der

12、ailleur）由变速手柄（Shifting lever）拉动或放松钢绳来改变它的行程，从而拨动链条来选择不同的链轮齿与其传动。后拨链器（Rear derailleur）也利用变速手柄来调节它的行程，用以拨动链条不同的飞轮齿。因此自行车变速系统为骑行者提供了良好的骑行环境。例如：链轮为三片链轮，飞轮为七级飞轮，则骑行者可选择21种不同传动比的传动类型。因此自行车变速系统是极其重要的。我们在使用变速自行车时，遇到不同的路段，只需轻轻地调节车把上的按钮自行车变速器就能改变速度，给骑车带来轻忪和愉快。自行车变速其实是通过调节牙盘与飞轮的的齿轮比来实现的，其中还包含许多机械原理。自行车能够前进运动，是

13、靠人用车踩动脚蹬来提供动力，驱动后轮转动产生摩擦力而形成。而后轮的转动是通过链条把中轴、后轴上的链轮飞齿轮相连带动，两轮每个齿与各链条间的孔对应，大齿轮转过一个齿，齿轮也一定转过一个齿，绝不可能打滑。新型变速自行车中，中轴链轮上有几个直径不同、齿数不同的齿盘，后轴飞轮有几个直径、齿数不同的齿盘，选择不同齿数的齿轮，通过链条相连带动，后轮转动的快慢就改变了，称为变速车。自行车飞轮以内螺纹旋拧固定在后轴的右端，与链轮保持同一平面，并通过链条与链轮相连接，构成自行车的驱动系统。从结构上可分为单级飞轮和多级飞轮两大类。单级飞轮又称为单链轮片飞轮，主要由外套、平挡和芯子、千斤、千斤簧、垫圈、丝挡几钢球等

14、零件组成。其单级飞轮工作原理：当向前踏动脚踏是，链条带动飞轮向前转动，这时飞轮内齿和千斤相含，飞轮的转动力通过千斤传到芯子，芯子带动后轴和后轮转动，自行车就前进了。多级飞轮是在单级飞轮的基础上，增加几片飞轮片，与中轴上的链轮结合，组成各种不同的传递比，从而改变了自行车的速度。山地车和公路赛车一般都有变速系统，可根据骑行的路况选择不同的挡位，使得骑行者轻便、快捷。变速系统包括链轮、飞轮、前拨链器和后拨链器。在变速车系列中，变速器无疑是它的灵魂，会直接影响其性能，甚至还会影响到骑行者的情绪。在国外优秀的变速系统中，已告别了依赖于操作维修和技术的变速时代，实现了无论自行车变速系统的设计及安装晴天还是

15、雨天，无论平坦的柏油路还是崎岖的山路都简单、准确、安稳地进行变速。拨链器中有 GS、SS 型号，在此基础上又可分为上拉式、下拉式和为不同直径的五通管而设计的多种类型，从而满足了不同的消费者和厂商的要求。同时又采用了非平行调速机构，将过去变速器改为非平行圆弧移动，使低速变速更加平稳顺畅。这种机构彻底清除了过去强迫上链等勉强的操作，使变速工作实现了理想的轨迹。飞轮经电脑辅助设计，更加地优化，实现了在最短的理想距离内变速，使原来换链时滑链、拉链的现象消失了2 自行车变速系统总体方案的论证2.1 各级传动比以及主要参数的确定2.1.1 概述根据骑行自行车时的变速要求，确定各级传动比，然后确定链轮和飞轮

16、的齿数。根据骑行时的平均功率，确定各部分的结构及参数。根据手柄每一档的固定行程，以及飞轮的齿间距，确定后拨链器的工作行程。2.1.2 各级传动齿数的确定根据中国自行车行业标准15所规定的传动比的优先数，选择三级链轮和七级飞轮的结构，这就保证了共有21级调速范围。根据优先数：链轮各齿数为28齿、37齿、43齿；飞轮各齿数为14齿、15齿、17齿、19齿、21齿、23齿、27齿。2.1.3 链轮轴转速及功率的确定链轮和飞轮的设计必须考虑到传动比和轴传递的功率。从而设计出不同齿数、不同分度圆直径的齿片，从而使变速性能达到最优化。同时最重要的是确定齿片的间隙，这必须等于拨链器的行程。链轮轴的平均转速为

17、378r/min，链轮的最大功率根据骑行的最大载重以及脚到中心轴的距离确定为：链轮轴的功率为P=180W。2.2 确定变速系统各零件的设计顺序一般按：链条-后拨链器-飞轮-链轮-前拨链器。2.3 运动计算的设计1.运动的传动比计算和飞轮各级齿的设计。2.弹簧飞轮的链轮齿片的验算，校合。3 自行车链条的设计3.1 自行车链条的特点及主要的失效形式3.1.1 自行车链条的特点 自行车链传动属于滚子链中的单排链,具有中间挠性体的啮合运动，由装在平行轴上的主，从动链轮和绕在链轮上的环形链条所组成，通过链与链轮的啮合来传递运动和动力。链传动是一种广泛应用的机械传动形式，通常使用于轴距较大的场合。链传动同

18、时兼有带传动和啮合传动的特点。与单纯的带传动相比，链传动不存在弹性滑动和打滑现象，能够保持准确的平均传动比；链传动结构尺寸比较紧凑，而且不需要很大的初拉力，作用于轴上的载荷较小；链传动传动能力较大，且传动效率高（可达95%以上）。而与单纯的啮合传动相比，链传动又具有明显的吸收和缓冲震动的传动效果；其结果相对简单，安装精度要求较低，制造成本相对低廉；容易实现较大中心距的传动。链传动具有传动功率大，传动中心距大，结构简单，制造和使用精度要求不高，成本低等突出优点，能够在高温，多尘，油污等恶劣环境中工作。同时也存在瞬时传动比不恒定，传动中产生冲击和噪声，高速传动平稳性较差，只能使用于平行轴间传动等缺

19、点，不宜使用于高速和载荷变化较大等场合。一般情况下链传动适用于传递功率P=100kw,链速v=15m/s,传动比i9mm,取D2=12、11、10mm3)初算弹簧丝直径d d=D2/C4)计算曲度系数K K=+8表 4.1 计算结果参数表计算结果C6789D212111012d21.61.251.33K1.251.211.191.17B1600180017002000720810765900d0.700.781.121.25)计算弹簧丝许用切应力 =0.45b86)计算弹簧丝直径 d1.68因方案1、2中d与d相差很多，故予舍弃。3.计算弹簧圈数和弹簧自由高度1）工作圈数n=GDmax/18R

20、Fmax8 G取80000，D取12mm,max=35mm,C=8、9当C=8时n=23.423, 当C=9时n=11.2112)节距t=1.23)自由高度 H0nt+2D-2d当C=8时,H0=49.2;当C=9时, H0=34.8因为方案3中的H0=49.2大于34.5,故予舍弃。4.几何参数和结构尺寸的确定弹簧外径D=D2+d=12+1.2=13.2mm弹簧内径D1=D2-d=12-1.2=10.8mm弹簧丝展开长度L=d2n1/COS8=3.14161211/COS5=416mm5.疲劳强度的校核最大循环工作应力：max=Fmax8 =28.7 =593.8N min=Fmin 8其中

21、 Fmin=0.2Fmax+F0 =0.2Fmax+Fmin/3 =0.2Fmax+ =0.228.7+28.7/2.4 =17.7Nmin=17.7 =366N疲劳强度安全系数：S=8其中0查表16-8为0.45b900 S= =1.516取S=1.4 SS故可行。 极限载荷：Flim=Fmax/0.8=35.88N8 安装载荷：Fmin=0.2Fmax8=0.228.7=5.74+17.7=23.44 弹簧钢度：Cs=Gd/(8cn) 8=800001.2/（8911） =1.496N/mm 安装变形量：min=Fmin/Cs8=23.44/1.496=10.67mm 最大变形量：max=

22、Fmax/Cs8=28.7/1.496=19.2mm 极限变形量：lim= Flim/Cs8=35.88/1.496=24mm4.4.3 调节螺栓设计及强度校核设计条件：调节螺栓的作用：通过旋进或旋出改变紧绳螺栓之间的松紧程度。从而达到改变行程的目的。因为该螺栓仅受到导弹簧的拉力，方向近似为轴向，初步取d=M5，公称长度根据BM来定，取l=12mm,材料选用45钢，性能等级为33级，表面处理为镀锌钝化。1对d80.654.8mm查机械设计手册1表14-13取P=10，取d=5mm=H/ d8=3, M=d8=53=15轴向力F取1539N，根据BM的结构取H=15， 取0.652内螺纹的强度校

23、核=8=47.7=0.6 =0.6360=216MPa查机械设计手册3GB196-81取P=0.5，则b=0.74p8=0.740.5=0.37mm查常用金属材料手册16=600MPa, =360MPa故满足强度校核3螺杆螺纹强度校核=8即=185360MPaT=T=0.2Fd8=0.215395=1539满足强度校核，选用M5材料为45钢的滚花高头紧定螺钉4.4.4 铆钉的设计设计条件：该铆钉连接hink与BM、PM，中间有拉弹簧联结。拉弹簧的D=13.6mm，该弹簧须装在hink内。铆钉的长度为9mm,M=28.740=1148Nmm,设计铆钉的类型及参数。1选择铆钉的类型、材料、表面处理

24、根据机械设计手册6第三章，铆钉材料必须具有高的塑性和不可淬性。考虑到铆钉承载的性质，选用碳素钢Q235-A，退火处理。铆钉为平锥头铆钉。2铆钉结构参数选择查表21.8-1，得l=25mm，=29mm，取d=3.6mm,铆钉的距离t=11d40mm,边距由hink与BM和PM的结构及受力情况确定。3铆钉联接的强度计算假设1）联接的横向力F=28.70.01N通铆钉组型心，每一个铆钉交力均等；2）铆钉不受弯矩作用；3）被铆件结合面的摩擦力忽略不计；4）被铆件危险剖面上的拉（压）应力、铆钉的剪应力、工作结合面上的挤压应力都是均匀分布的。最大载荷=8=19.1N最大应力=8=0.47MPa查表21.8

25、-7得=115MPa铆钉受变载荷=10%=11.5MPa=4.7MPa=11.5MPa该铆钉满足强度校核4确定标准铆件的其他参数根据GB868-688，r=0.3,k=1.5mm,dk=2.5mm,r1=1mm,公称直径d=3.5mm,公称长度l=25mm,材料为Q235-A，经过退火处理的平头铆钉。4.4.5 螺栓的受力分析1.将绳子的拉力F向结合面平移，附加翻转力矩M1)横向载荷力 F=50N2)翻转力矩M=3mm50N=150Nmm该螺栓组联接受翻转力矩和横向载荷联合作用。2螺栓的工作载荷1）螺栓所受的横向载荷F=F=50N按结合面m=1，查表14-41取f=0.15防滑系数k取1.1，

26、则单个螺栓的预紧力F8=110N2）翻转力矩M引起的螺栓载荷在翻转力矩M的作用下，螺栓所受拉力F=M/Z8=150/3=50N3）螺栓所受轴向总拉力F，查表14-113取k=0.25F=F0+ kF8=1100.2550=22.5N3强度计算1)计算许用拉应力选4.8级螺栓,查表14-7,=340MPa,考虑严格控制与紧力，S=1.4=/S8=340/1.4=242.9MPa2)计算螺栓直径：d2.42mm取M=5mm4校核接合面上的挤压应力总的要求：上端接合面间不出现缝隙，下端接合面不被压溃。1）计算结合面面积A和抗弯截面系数WA=bb=55=25mmW=M/8=150Nmm2)接合面下端不

27、压溃由表14-5查出许用挤压应力8=0.8=0.8340=272MPa=+8=+=4.6MPa0故满足要求因此取M5的六角头螺栓（GB5781-86），查机械设计手册，选择其余参数 d=5mm d=5.2mm, e=10mm, k=3.5mm, r=0.2 s=8mm l=12mm材料为45钢，镀锌钝化，公差等级为C，螺纹公差6g标记：螺纹规格d=M5,公称长度l=16mm,C级六角头螺栓性能等级48级，螺栓GB5781-86 M616 经过镀锌钝化4.4.6 螺母的选用根据d=M5,选用型六角螺母-C级（GB41-86）参数为：d=7, e=9.2 m=5 s=8标记：螺纹规格D=M5性能等

28、级为45级，表面镀锌钝化C级的型六角螺母，GB41-86 M5，螺纹公差7H4.5 折片组的设计折片组中连接扭簧，折片组由折片、定位螺母、后座轴、后座、后座扭簧等零件组成。其中，折片连接在后叉头处。4.5.1 后座弹簧的设计设计条件：设计扭转弹簧。已知该弹簧用于受力平稳的机构中，预加扭矩 T1=129Nm，工作转矩T2=238Nm，工作时扭转角=2-1=48，按工作要求自由扭转角为130，工作周期小于10。1.选择材料及许用应力由该弹簧工作周期小于10，故属于类载荷弹簧，选用碳素弹簧钢丝组。其弹性模量E=202GPa,在钢丝直径未确定前，按表30.2-58暂定材料的抗拉极限强度b=1780MP

29、a,其许用弯曲应力bp=0.5b=890MPa。2.求弹簧钢丝直径为使结构紧凑选取c=6,由计算得到 k1=8=1.15 按式30.2-18得到 d8=1.56取d=1.7查表30.2-5得钢丝的抗拉极限强度=1765MPa,与原得值相近，是合适的。弹簧中径D2=cd=61.7=10.2mm3.求弹簧有效圈数当弹簧承受的转矩增加T=T2-T1=238-129=109Nmm时，弹簧的扭转角增加=2-1=48代入式30.2-19 n=8=9.8考虑到工作臂上的变形，取有效圈数为9圈。弹簧钢度由式30.2-17计算 k=8=2.37MPa4.求实际扭转角和转矩最大工作扭转角：=T/k8=238/2.

30、37100最小工作扭转角：=-=52安装扭矩（最小工作扭矩）T1=k8=2.3752=123.2Nmm工作极限转矩：对于d=1.7的组钢丝，其抗拉强度=1765MPa，按=1412MPa,由式30.2-15得 Tlim=d/(32k1) 8 =171412/（321.15） =592Nmm工作极限扭转角：=Tlim/k8=59.2/2.37=249.85.求其余尺寸参数工作极限转矩的弹簧内径和芯轴直径按式30.2-20弹簧内径D=-d8=10.219/（9+249.8/360）-d=8.8mmB轴长径应小于D，取8mm节矩：取间距=0.5m 节矩P=d+8=1.7+0.5=2.2mm自由长度：

31、H=np+d8=192.2+1.7=43.5mm 螺旋角：=arctg8=arctg=arctg0.0694展开长度：L=+s8=+9618mm其中S为工作臂长度选择合适的轴作为弹簧轴外，还利用E形片紧固折片和后座。在后座的耳形，接有限位螺钉，以保证在高位时导轮位于14齿的正下方，在低位时位于27齿的正下方。4.6 导轮组的设计导轮和张紧轮间距的设计，必须保证当链轮位于最大齿，飞轮位于最大齿时，导轮与飞轮齿的间距最小。同时当链轮和飞轮均为高速时，导轮和张紧轮的中心线垂直于地面。4.6.1 内外防尘板的设计因为防尘板除了有防尘的作用外，还起着连接导轮轴，必须考虑到在变速的过程中不能与链条发生干涉

32、，以免出现摩擦声，影响其寿命。因此宜选用冷压钢材ZQ235，结构设计应小巧，美观。4.6.2 导轮的设计导轮和张紧轮宜选用13齿，因为它们承载不大，采用塑件代替钢型材料。齿形的设计宜采用“三弧线一直线”的结构。4.6.3 导轮弹簧的设计设计条件：设计扭转弹簧。已知该弹簧用于受力平稳的机构中，预加扭矩T1=65.6Nm，工作转矩T2=114.8Nm,工作时扭转角=2-1=80，按工作要求自由扭转角大于120，工作周期小于10。1.选择材料及许用应力由于工作条件属于类载荷弹簧，选用碳素弹簧钢丝类。其弹性强度E=202GPa,在弹簧钢丝直径未确定之前，按表30.2-56暂定材料的抗拉极限强度b=18

33、20MPa,其许用弯曲应力bp=0.5b=0.51820=910MPa。2.求弹簧钢丝直径为使尺寸紧凑，选取旋绕比c=6，由计算可知k1=8=1.15按式30.2-18得到d8=1.12取d=1.3查表30.2-56得钢丝的抗拉极限强度=1863MPa,与原得值相近，是合适的。弹簧中径D2=cd=61.3=7.8mm3.求弹簧有效圈数当弹簧承受的转矩增加T=T2-T1=114.8-65.6=49.2Nmm时，弹簧的扭转角增加=2-1=80代入式30.2-194 n=8=16.21考虑到工作臂上的变形，取有效圈数为16圈。弹簧钢度由式30.2-17计算 k=8=1.26MPa4.求实际扭转角和转

34、矩最大工作扭转角：=T/k8=114.8/1.2691最小工作扭转角：=-8=91-80=11安装扭矩（最小工作扭矩）T1=k8=1.2611=13.86Nmm工作极限转矩：对于d=1.3的组钢丝，其抗拉强度=1863MPa，按=0.8=1490.4MPa,由式30.2-15得Tlim=d/(32k1) 8 =131490.4/（321.15） =279Nmm工作极限扭转角：=Tlim/k8=279/126=2205.求其余尺寸参数工作极限转矩的弹簧内径和芯轴直径按式30.2-20弹簧内径D=-d8=7.816/（16+220/360）-d=7.52mm芯轴轴长径应小于D，取7mm节矩：取间距

35、=0.5mm节矩P=d+=1.3+0.5=1.8mm自由长度：H=np+d8=161.8+1.3=17.3mm 螺旋角：=arctg8=arctg=33524展开长度：L=+s8=+10402mm其中S为工作臂长度4.6.4 飞轮的设计飞轮的特点几工艺方案的拟订。飞轮是变速系统中极为重要的部分，它直接关系到变速性能。飞轮一般有5级，6级，7级，甚至还有9级，11级。自行车的飞轮与其它链论结构不一样要符合中国自行车标准，飞轮由齿片，内外轮，锁板，钢球等结构组成。齿片是最重要的组成部分，要求有足够的硬度和强度，齿形宜采用“三弧线一直线”结构，热处理的工艺为渗碳+淬火+回火。齿片材料为ZQ235，由多工位连续模冲裁而成。外轮与各个齿片的