摩檫輪傳動(dòng)的無極變速自行車設(shè)計(jì)與分析

莫文林 葉正挺 周嬋 陳歲繁

【摘 要】本發(fā)明涉及一種交通工具——摩檫輪傳動(dòng)的無極變速自行車；尤其是在無級變速自行車的發(fā)展行業(yè)中。本發(fā)明包括了整車結(jié)構(gòu)；動(dòng)力輸入與動(dòng)力傳動(dòng)機(jī)構(gòu)以及無級變速裝置三大部分組成。其中無級變速裝置采用的是摩檫輪與摩擦盤傳動(dòng)的無級變速形式。整車具有結(jié)構(gòu)簡易，制造周期短，成本較低，變速平穩(wěn)，變速幅度大等優(yōu)點(diǎn)。

【關(guān)鍵詞】摩擦輪 摩擦盤傳動(dòng) 無級變速 自行車 變速平穩(wěn) 調(diào)速手柄

1自行車市場分析

自行車，又稱腳踏車或單車，通常是二輪的小型陸上車輛。人騎上車后，以腳踏板為動(dòng)力，是綠色環(huán)保的交通工具。在我國這個(gè)大環(huán)境下，隨著人們的生活水平的不斷提高，私家車的擁有量越來越多，但交通的壓力也越來越大。在以低碳、環(huán)保、綠色為重點(diǎn)的城市，在落實(shí)公交優(yōu)先的同時(shí)，也引導(dǎo)市民選擇自行車等綠色出行方式。由此可見自行車市場在我國的市場前景仍屬可觀，在2015年，自行車出行比例將占全國的23%。

2整體結(jié)構(gòu)分析

目前，我國的自行車行業(yè)中，有級變速自行車占據(jù)了絕大部分的市場?？梢砸姷糜屑壸兯僮孕熊嚨陌l(fā)展技術(shù)以及設(shè)計(jì)思想已經(jīng)是相當(dāng)成熟了。但是就無極變速自行車的發(fā)展前景方面來看，仍然具有很大的可創(chuàng)作空間。因此，本摩檫輪傳動(dòng)的無極變速自行車意在原有級變速自行車的框架下再進(jìn)行創(chuàng)新、改進(jìn)，以提高可靠性，縮短制造周期，也減少制造成本。而主要改進(jìn)的方面為無級變速的核心部分，使其達(dá)到無級變速的要求。

3整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

摩擦輪傳動(dòng)的無級變速自行車的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖一所示。從圖中可以看出，本發(fā)明的無級變速自行車的外形與現(xiàn)有級變速自行車的外形基本一致；唯一區(qū)別在于無極調(diào)速方面，在此采用的是摩擦輪傳動(dòng)傳動(dòng)的無極變速。采用這樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不僅使結(jié)構(gòu)簡易，制造周期短，并且具有變速平穩(wěn)、變速幅度大以及整車較為輕巧的優(yōu)點(diǎn)。

圖一 摩擦輪傳動(dòng)的無極變速自行車整車結(jié)構(gòu)示意圖

4核心結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與裝配

本發(fā)明的核心創(chuàng)作部分是自行車如何實(shí)現(xiàn)無級變速功能的設(shè)計(jì)，自行車無級變速的設(shè)計(jì)思想源于摩擦盤式的無級變速原理，無級變速的機(jī)理在于摩擦輪與摩擦圓盤中心的相對半徑的大小，在一定的范圍內(nèi)可以是任意的數(shù)值。此結(jié)構(gòu)的摩擦輪必須為主動(dòng)輪，摩擦圓盤為從動(dòng)輪，依靠摩擦輪與摩擦盤的摩擦，傳遞動(dòng)力，才能實(shí)現(xiàn)無級變速。因此由踏板引起的動(dòng)力要輸入給摩擦輪。

在此摩檫輪傳動(dòng)的無極變速自行車的動(dòng)力的輸入和傳輸設(shè)計(jì)及裝配形式，如圖二所示。在圖二中，自行車包括了后輪1，踏板2，鏈輪鏈條3，錐齒輪組4，傳動(dòng)軸5，調(diào)速裝置6，摩擦輪7，摩擦圓盤8和后輪軸9。本發(fā)明的動(dòng)力輸入仍然是和現(xiàn)有級變速自行車的動(dòng)力來源一樣，經(jīng)人踩踏板獲得。其裝配形式為踏板2與鏈輪鏈條3一端聯(lián)接并安裝在自行車的三角架下端，而鏈輪鏈條3另一端則與錐齒輪組4一端聯(lián)接并安裝在自行車后叉上，錐齒輪組4的另一端則與傳動(dòng)軸5聯(lián)接，傳動(dòng)軸5與摩擦輪7聯(lián)接，摩擦輪7和摩擦圓盤8則都安裝在后輪軸9上，而調(diào)速裝置6則安裝在摩擦輪7上。在此傳動(dòng)中，摩擦輪7與傳動(dòng)軸5同步轉(zhuǎn)動(dòng)，且摩擦輪7能在傳動(dòng)軸5上作前后移動(dòng)一定的距離；摩擦圓盤8和后輪1是同步轉(zhuǎn)動(dòng)，摩擦輪7與摩擦圓盤8為擠壓式接觸，并且擠壓力的大小由摩擦圓盤上的彈簧調(diào)節(jié)。

圖二 無級變速原理結(jié)構(gòu)示意圖

5工作原理分析

本發(fā)明的無級變速自行車的工作原理是，動(dòng)力的輸入是由人踩踏板2獲取，動(dòng)力經(jīng)鏈輪鏈條3傳輸，驅(qū)動(dòng)錐齒輪組4轉(zhuǎn)動(dòng)，錐齒輪組4的另一端則帶動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)軸5轉(zhuǎn)動(dòng)，在此摩擦輪7與傳動(dòng)軸5是同步轉(zhuǎn)動(dòng)，然后摩擦輪7在摩擦圓盤8上作摩擦旋轉(zhuǎn)，若不考慮打滑的情況下，則摩擦圓盤8在與摩擦輪7的接觸點(diǎn)處具有相同的線速度并作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，后輪1和摩擦圓盤8同步轉(zhuǎn)動(dòng)，由此動(dòng)力傳輸過程，以驅(qū)動(dòng)自行車的前進(jìn)。在此動(dòng)力傳動(dòng)中，錐齒輪組4的作用是改變傳動(dòng)方向；鏈輪鏈條3在與錐齒輪4接觸端，和普通自行車一樣，內(nèi)設(shè)有棘輪棘爪結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)鏈條的正反轉(zhuǎn)。

6無級調(diào)速原理分析

實(shí)現(xiàn)摩擦輪傳動(dòng)的無級變速自行車的調(diào)速機(jī)構(gòu)是調(diào)速裝置6，其工作原理是調(diào)速裝置6的特制螺母上纏繞了兩根鋼絲繩，鋼絲繩的另外兩端則纏繞在自行車的調(diào)速手柄上，當(dāng)需要調(diào)速時(shí)，旋轉(zhuǎn)調(diào)速手柄，鋼絲繩一根受到拉力，使得螺母受到這根鋼絲繩的拉力而在設(shè)定好的位置旋轉(zhuǎn)，在此采用螺母轉(zhuǎn)動(dòng)而螺桿移動(dòng)的方式，螺桿移動(dòng)帶動(dòng)摩擦輪7在轉(zhuǎn)動(dòng)軸5上滑移，目的是改變摩擦輪7與摩擦圓盤8中心的相對半徑，以改變后輪的轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)自行車的無級變速；若調(diào)速手柄機(jī)構(gòu)向另外一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)，則是另一根鋼絲繩受到拉力，使得螺母作反方向旋轉(zhuǎn)，摩擦輪則向反方向移動(dòng)，速度大小也隨反方向做無級變速。調(diào)速手柄具有和現(xiàn)有級自行車調(diào)速手柄的正反轉(zhuǎn)自鎖功能。

在此調(diào)速原理中，設(shè)輸入到摩擦輪7的線速度是 ，并且為一常量，摩擦輪7與摩擦圓盤8中心的相對半徑是 ，摩擦圓盤8的角速度是 ，后輪1的半徑是 ，后輪1的線速度是 ），由

則

因此可知，當(dāng) 和 為常量時(shí)，只改變摩擦輪7與摩擦圓盤8中心的相對半徑 的大小，則 也發(fā)生改變，且 與 是反比例函數(shù)的關(guān)系，說明自行車前進(jìn)的速度發(fā)生變化。

7結(jié)語

本摩檫輪傳動(dòng)的無極變速自行車，通過對現(xiàn)有級變速自行車的改裝，設(shè)計(jì)成摩擦輪傳動(dòng)的無級變速自行車，核心機(jī)構(gòu)采用摩擦盤式的無級變速原理，使本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡易，制造周期短，成本低，整車輕巧，變速平穩(wěn)已及變速幅度大等優(yōu)點(diǎn)；能夠?qū)崿F(xiàn)自行車的無極變速，最重要還是在創(chuàng)新無極變速自行車的發(fā)展行業(yè)中得到很大的突破。在低碳、環(huán)保以及綠色出行方面做出貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉鴻文.材料力學(xué)[M].高等教育出版社，2011.

[2]哈爾濱工業(yè)大學(xué)理論力學(xué)教研.理論力學(xué)[M].高等教育出版社，2009.

[3]陳秀寧，顧大強(qiáng).機(jī)械設(shè)計(jì)[M].浙江大學(xué)出版社.

[4]李盛林，王宏平，魏敏.機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的探討[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2005，22（7）：98—102.

[5]李俊華.改革機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，提高學(xué)生的創(chuàng)新能力[J].

作者簡介：莫文林（1991—），男，漢族，本科，機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)；葉正挺（1994—），男，漢族，本科，機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)；周嬋（1994—），女，漢族，本科，機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)；陳歲繁（1981—），男，漢族，講師，博士，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械原理。