机械毕业设计1733自行车无级变速器设计

题 目： 自行车无级变速器设计

专 业：学 号：姓 名：指导教师：完成日期：

机械设计制造及其自动化

2014 年 5月 9 日

目录

摘要 ··································· 1 ABSTRACT ································· 2 1绪论 ·································· 3

1.1 机械无级变速器的特征和应用 ····················· 3 1.2 机械无级变速器的分类 ························ 3 1.3 机械无级变速器的发展概况 ······················ 6 1.4 无级变速自行车发展史及研究现状 ··················· 7 1.5 自行车无级变速器运用实例 ····················· 10 1.6 研究的目的和意义 ························· 12 1.7 毕业论文设计内容和要求 ······················ 12

2 自行车无级变速器总体方案的选择 ·················· 13

2.1 链式无级变速器 ·························· 13 2.2 刚性定轴无级变速器 ························ 14 2.3 两方案的比较与选择 ························ 17

3 钢球外锥式无级变速器部分零件的设计与计算 ············ 18

3.1 钢球与主﹑从动锥齿轮的设计与计算 ················· 18 3.2 加压盘的设计与计算 ························ 19 3.3 调速齿轮上变速曲线槽的设计与计算 ················· 20 3.4 输入轴的设计计算与校核 ······················ 21 3.5 输出轴的设计计算与校核 ······················ 24 3.6 输入﹑输出轴上轴承的选择与寿命计算 ················ 27 3.7 输入﹑输出轴上端盖的设计与计算 ·················· 29 3.8 调速机构的设计与计算 ······················· 30 3.9 外锥式无级变速器的安装 ······················ 31

4 自行车变速器的简单说明 ······················· 32

4.1 自行车变速器的工作原理 ······················ 32 4.2. 自行车变速器的使用方法 ······················ 33

5 结论 ································· 参考文献 ································ 致谢 ·································· 附录1 ································· 附录2 ·································

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自行车无级变速器设计

摘 要

无极变速器是一种能适应工艺工艺要求多变、工艺流程机械化和自动化发展以及改善机械工作性能的一种通用传动装置。无级变速器传动是指在某种控制的作用下，使机器的输出轴转速可在两个极值范围内连续变化的传动方式。而无级变速器是一种独立的传动部件，它具有输入和输出两根轴，并能通过传递转矩的中间介质（固体、流体、电磁流）把两根轴直接或间接地联系起来，以传递动力。当输入、输出轴的联系关系进行控制时，即可使两轴间的传动比发生变化（在两极值范围内连续而任意地变化）。本文在分析各种无级变速器和无级变速自行车的基础上，将刚性定轴无级变速器和传统的链式无极变速器进行对比，把钢球外锥式无级变速器进行部分改装，从而形成了自行车的无级变速装置。该装置通过八个钢球利用摩擦力将动力进行输入输出，用一对斜齿轮进行分度调速，从而使自行车在0.75～1.22之间进行无级调速。同时进行对部分零件进行校、润滑、调整和使用方法的研究，并以此作为本次无级变速设计的理论基础。表明：无级变速器被用于自行车方面可以大大改善自行车的使用性能，方便广大消费者使用。

关键字: 无级变速自行车 机械无级变速器 调速

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The design of the CVT on bicycle

Abstract

Automatic transmission is a kind of adaptive process technological requirements and changeful, process mechanization and automation development and improve the mechanical performance of a universal transmission device.Stepless transmission drive is to point to in under the action of some kind of control, the machine of the output shaft speed can be continuous variation within two extreme way of transmission.And stepless transmission is a kind of independent driving part, it has two input and output shaft, and can be delivered through the middle of the torque medium (solid, liquid, electromagnetic flow) to connect two shaft directly or indirectly, to transfer power.When the input and output shaft were related to control, can make the change the ratio between the two axis (within the scope of the two extreme consecutive and arbitrarily change).Based on the analysis of various kinds of stepless transmission and infinitely variable speed bike, on the basis of the rigid fixed axis stepless transmission were compared with the traditional chain automatic transmission, the steel ball outside cone type stepless transmission partial modification, thus formed the bicycle stepless speed change device.The device through the eight ball using friction power input and output, with a pair of helical gear indexing speed, so that the bicycle for stepless speed regulation between 0.75 ~ 1.22.Simultaneously to school parts, lubrication, adjustment and using method of research, and as the theoretical basis for the design of stepless variable speed.Showed that the stepless transmission is used for bike can greatly improve the performance of bicycle, convenient for consumers to use. Keyword: CVT bike Mechanical CVT Speed control.

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1绪论

1.1 机械无级变速器的特征和应用

机械无级变速器是一种传动装置，是在输入转速一定的情况下实现输出转速在一定范围内连续变化的一种运动和动力传递装置，由变速传动机构、调速机构及加压装置或输出机构组成。

机械无级变速器转速稳定、滑动率小、具有恒功率机械特性、传动效率较高，能更好地适应各种机械的工况要求及产品需要，易于实现整个系统的机械化、自动化，且结构简单，维修方便、价格相对便宜。

无级变速传动主要用于下列场合：

（1） 为适应工艺参数多变或输出转速连续变化的要求，运转中需经常或连续的改变

速度，但不应在某一固定速度下长期运转，如机床、卷绕机、车辆和搅拌机等；

（2） 探求最佳工作速度，如试验机、自动线等； （3） 几台机器或一台机器的机器的几个部分协调运转； （4） 缓速启动以合理利用动力，通过调速以快速越过共振区； （5） 车辆变速箱，可节省燃料约9%，缩短加速时间，简化操纵。

综上所述。可以看出采用无级变速器，尤其是配合减速传动时进一步扩大其变速范围与输出转矩，能更好的适应各种工况要求，使之效能最佳，在提高产品的产量和质量，适应产品变换需要，节约能源，实现整个系统的机械化、自动化等各方面皆具有显著的效果。如采用液力耦合器、液力变矩器或液力粘性传动无级变速器，则有吸震、缓冲和自适应性。采用无级变速传动有利于简化变速传动结构、提高生产率和产品质量、合理利用动力和节能、便于实现遥控及自动控制，同时也减轻了操作人员的劳动强度。故无级变速器目前已成为一种基本的通用传动形式，应用于纺织、轻工、食品、包装、化工、机床、电工、起重运输矿山冶金、工程、农业、国防及试验等各类机械。

1.2 机械无级变速器的分类

按照机械特性的不同，无级变速传动可分三类。

（1）恒功率型：这种传动的输出转矩与输出转速成反比关系，输出功率恒定不变，这种特性的经济性好；机床的主传动系统、恒张力卷绕装置、实验装置和某些起重运输机械的传动需要这种特性。

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（2）恒转矩型：其输出转矩不随转速变化，而输出功率与输出转速成正比关系；机床的进给系统、某些工艺输送带（烘干、酸洗、染色等）和某些运输机的传动需要这种特性。

（3）变转矩、变功率型：输出转矩和功率均随输出转速变化，例如纺织工业中的经纱卷绕装置的传动就是这中使用特性。

实现无级变速大致可以从下列三种途径着手。

（1） 改变动力机（一次动力机————内燃机、汽轮机；二次动力机————电动

机、液压马达等）的能源参数（油、汽量和电压、电流、供电频率等）以调速动力机的输出转速，实现无级变速。由于一次动力机的调速范围小，二次动力机的惯量小、恒功率特性差，需要接入机械传动装置进行匹配。

（2） 改变输入、输出轴间传动元件的尺寸比例关系（如各种机械无级变速器），或

改变工作腔中的油量（如液力耦合器和变矩器）来实现传动系统的无级变速。 （3） 通过调节作用在传动中某元件上的制动负载来实现传动系统的无级变速，如摩

擦、电磁滑差和磁粉离合器，以及液粘传动，以耗能制动的方式进行无极变速，缺点是效率低、发热严重。 按照传动介质不同，无级变速可分三类

（1） 液力无级变速传动：液体传动分为两类：一类是液压式，主要是由泵和马达组成或者由阀和泵组成的变速传动装置，适用于中小功率传动。另一类为液力式，采用液力耦合器或液力矩进行变速传动，适用于大功率（几百至几千千瓦）。 液体传动的主要特点是：调速范围大，可吸收冲击和防止过载，传动效率较高，寿命长，易于实现自动化：制造精度要求高，价格较贵，输出特性为恒转矩，滑动率较大，运转时容易发生漏油。 （2） 电力无级变速传动：电力传动基本上分为三类：一类是电磁滑动式，它是在异步电动机中安装一电磁滑差离合器，通过改变其励磁电流来调速，这属于一种较为落后的调速方式。其特点结构简单，成本低，操作维护方便：滑动最大，效率低，发热严重，不适合长期负载运转，故一般只用于小功率传动。 二类是直流电动机式，通过改变磁通或改变电枢电压实现调速。其特点是调速范围大，精度也较高，但设备复杂，成本高，维护困难，一般用于中等功率范围（几十至几百千瓦），现已逐步被交流电动机式替代。 三类是交流电动机式，通过变极、调压和变频进行调速。实际应用最多者为变频调速，即采用一变幅器获得变幅电源，然后驱动电动机变速。其特点是调速性能好、范围大、效率较高，可自动控制，体积小，适用功率范围宽：机械特性在降速段位恒转矩，低速时效率低且运转不够平稳，价格较高，维修需专业人员。近年来，变频器作为一种先进、优良的变速装置迅速发展，对机械无级变速器产生了一定的冲击。

（3） 机械无级变速传动：机械无级变速器与液力无级变速器和电力无级变速器相比，结构简单，维护方便，价格低廉，传动效率较高，实用性强，传动平稳性好，工作可靠。特别是某些机械无级变速器在很大范围内具有恒功率的机械特性（这是电力和液压无级调

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速装置所难达到的）。因此，可以实现能适应变工况工作，简化传动方案，节约能源和减少污染等要求，但不能从零开始变速。机械式无级变速器按传动原理一般可分为：摩擦式、带式、链式和脉动式四大类,约 30种类型。 1、摩擦式

摩擦式无级变速器是指利用主、从动刚性元件(或通过中间元件)在接触处产生的摩擦力和润滑油膜牵引力进行传动，并可通过改变其接触处的工作半径进行无级变速的一种变速器。摩擦式无级变速器由三部分组成:传递运动和动力的摩擦变速传动机构;保证产生摩擦力所需的加压装置;实现变速的调速机构。它具有各种不同的结构类型，一般可分为:

直接传动式，即主、从动摩擦元件直接接触传动; 中间元件式，即主、从动元件通过中间元件进行传动; 行星传动式，即中间元件作行星运动的传动机构。

目前，国内应用较广或已形成系列进行生产的主要有:锥盘环盘式、多盘式、转环直动式、钢球锥轮式、菱锥式、行星锥盘和行星环锥无级变速器等。

2、链传动式

链式无级变速器是一种利用链轮和钢质挠性链条作为传动元件来传递运动和动力的机械变速装置。它属于开发较早、应用较多的一种通用型变速器。

链式无级变速器由链轮和链条构成的传动机构、调速机构和链条张紧加压机构三部分组成。它是通过主、从动链轮的两对锥盘的轴向移动实现调速的。按链条结构形式可分为以下几类:滑片链无级变速器、滚柱链无级变速器、套环链无级变速器、摆销链无级变速器等几种。前两种变速器发展比较成熟，应用广泛，后两种变速器体现了链式无级变速器的发展方向。

3、带传动式

它与链式变速器相似，其变速传动机构是由作为主、从动带轮的两对锥盘及张紧在其上的传动带组成。其工作原理是利用传动带左右两侧面与锥盘接触所产生的摩擦力进行传动，并通过改变两锥盘的轴向距离以调整它们与传动带的接触位置和工作半径，从而实现无级变速。它由于具有结构简单，工作平稳等优点，在机械无级变速器中可以说是应用最广的一种。

带式无级变速器根据传动带的形状不同，可分为平带无级变速器和 V 带无级变速器两种类型。带式无级变速器结构简单、承载能力强、变速范围大、制造容易、工作平稳、易损件少、能吸收振动、噪声低、节能环保、带的更换方便，尤其是它克服了以往各类无级变速器传递功率较小的缺点 ,可用于需要中大功率范围。因而是机械无级变速器中广泛应用的一种；其缺点是外形尺寸较大而变速范围较小。

4、脉动式

脉动式无级变速器主要由传动机构、输出机构(超越离合器)和调速机构三个基本部分组成的低副机构，故具有以下特点：传动可靠、寿命长、变速范围大、调速精度高、最低

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输出转速可为零、调速性能稳定、静止和运动时均可调速、结构较简单、制造较容易。但它存在着有待进一步解决的问题，例如：调速范围在扩大之后，在结构和使用上如何实现增速变速传动和采用复合式超越离合器；高速输出时不平衡惯性力所引起的振动增大，如何避免共振现象；低速输出时脉动不均匀性显著增加，如何提高单向超越离合器的承载能力和抗冲击能力等。国际上，在机械式脉动无级变速器领域，目前以德国、美国和日本的技术水平较高，其成熟技术以德国的 GUSA型及美国的 ZERO-MAX 型系列产品为代表。就目前来说，鉴于结构性能上的局限性，现有脉动式无级变速器主要用于中小功率(18kW 以下)、中低速(输入n1=1440r/min，输出 n2=0-1000r/min)、降速型以及对输出轴旋转均匀性要求不严格的场合。例如在热处理设备、清洗设备以及化工、医药、塑料、食品和电器装配运输线等领域的应用。

1.3 机械无级变速器的发展概况

无级变速器分为机械无级变速器，液压传动无级变速器，电力传动无级变速器三种，但本设计任务要求把无级变速器安装在自行车上，所以一般只能用机械无级变速器，所以以下重点介绍机械无级变速器。

机械无级变速器是适合现今生产工艺流程机械化自动化发展以及改善机械工作性能的一种通用传动装置。它的研制在国外已有百余年的历史，初始阶段受条件限制，进展缓慢。直到20世纪50年代以后，一方面随着科学技术的发展，在材质、工艺个润滑方面的限制因素相继解决，另一方面随着经历发展，需求迅速增加，相应地促进了机械无级变速器的研制和生产，使各种类型的系列产品快速增长并获得了广泛的应用。

国内机械无级变速器在二十世纪六十年底前后起步，基本上时作为一些专业机械。如纺织、机床及化工机械等的配套零部件，由专业机械厂进行仿制和生产，品种规格不多，产量不大。直到八十年代中期以后，大量引进国外各种先进设备，工业生产现代化以及自动流水线的迅速发展，对机械无级变速器在品种、规格和数量方面的需求都大幅度增加。在这种形势下，专业厂开始建立并进行规模化生产，一些高等院校也开展了这方面的研究工作，短短几十年时间，系列产品已包括机械无级变速器现有的摩擦式、链式、带式、和脉动式四大类及其各种主要结构型式，初步满足了生产发展的需求。与此同时，无级变速器专业协会、行业协会及情报网等组织相继建立。定期出版网讯及召开学术信息会议进行交流。自90年代以来，我国先后制定的机械行业标准共14个：

1. JB/T 5984-92 《宽V带无级变速装置基本参数》 2. JB/T 6950-93 《行星锥盘无级变速器》

3. JB/T 6951-93 《三相并联连杆脉动无级变速器》 4. JB/T 6952-93 《齿链式无级变速器》 5. JB/T 7010-93 《环锥行星无级变速器》 6. JB/T 7254-94 《无级变速摆线针轮减速机》

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7. JB/T 7346-94 《机械无级变速器试验方法》 8. JB/T 7515-94 《四相并列连杆脉动无级变速器》 9. JB/T 7668-95 《多盘式无级变速器》

10.JB/T 7683-95 《机械无级变速器 分类及型号编制方法》 11.JB/T 7686-95 《锥盘环盘式无级变速器》

12.JB/T 50150-1999 《行星锥盘无级变速器 质量分等》 13.JB/T 53083-1999 《三相并联连杆脉动无级变速器 质量分等》

14.JB/T 50020-×××× 《无级变速摆线针轮减速机产品质量分等》（报批稿） 现在，机械无级变速器从研制、生产、组织管理到情报网信息各方面已组成一较完 整的体系，发展成为机械领域中一个新型行业。

1.4 无级变速自行车发展史及研究现状

1791年，法国人西弗拉克发明了最原始的自行车。它只有两个轮子而没有传动装置，人骑在上面，需用两脚蹬地驱车向前滚动。

1801年，俄国人阿尔塔马诺夫设计出世界上第一辆用踏板踩动的自行车。 1817年德国人德雷斯在自行车上装了方向舵，使其能改变行使方向。

1839年苏格兰的铁匠麦克米伦发明的自行车被世界公认的真的第一辆真正的自行车。麦克伦研制的自行是在后轮上安装了曲柄，曲柄与两个脚踏板之间用两个连杆连接。骑者只要反复的蹬脚踏板，就可以驱动车子前进。这是利用了杠杆的原理，脚踏摇杆为主动构件，通过连杆传动给曲柄，使后轮转动。

1865年法国人拉利门特为了提高行车速度，将曲柄移至于前轮，用前轮驱动。并且将前轮装在可转动的车架上，后轮上有杠杆制动。这种自行车当脚踏板转动一周时，前轮随着也转动一周，行车的速度与前轮的直径成正比。于是为了提高车速，就不断加大前轮直径。并且为了减轻车的质量，在加大前轮直径的同时减小后轮的直径。最后导致使用极不方便，也不安全，终究被淘汰。

1867年，英国人麦迪逊设计出第一辆装有钢丝辐条的自行车。

1869年德国斯图加特出现了由后轮导向和驱动的自行车，同时车上采用了滚动轴承、飞轮、脚刹、弹簧等部件。

1879年，英格兰人劳森又重新考虑采用用后轮驱动，并采用了链传动形式，加大传动比，避免了使用大直径车轮来提高车速，成为现代自行车的雏形。

1886年英国人詹姆斯把自行车前后轮改为大小相同，并增加了链条，使其车型与现代自行车基本相同。

1888年英国人邓洛普用橡胶制造出内胎，用皮革制造出外胎，以次作为自行车的充气轮胎为提高效率、省力，采用了滚动轴承等。时至今日，自行车已成为全世界人们使用最多，最简单，最实用的交通工具。

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随着科技的不断发展，人们对产品的要求越来越高，运用希望点与缺点列举法，各种新型的，多功能的，特种功能的，省力高效的自行车也不断被开发出来。

1.传动系统

采用齿轮传动代替链传动，脚蹬带动齿轮，通过传动轴将运动传至后轮，提高了传动效率，避免了掉链的烦恼。

另外在链传动的自行车中也不断开发新的传动形式，如变速轮，双级链传动，用以提高车速。另外为提高车速，还运用空气动力学原理对车的外形进行优化设计。

2.驱动系统

为了省力，让骑车者从脚蹬中解放出来，又开发了电动自行车，用干电池作动力源，采用小巧的电动机与减速装置。也有汽油发动自行车，但因污染较大，不太受欢迎

3.新材料

采用新材料可以使自行车变得轻便，车架，车轮均为塑料的整体结构，一次模压成型，车体呈流线型，质量轻，阻力小。采用碳纤维作车身，车架，全车无联接零件，采用高效黏合剂，既减轻了质量，又减少了振动。

4.新结构

可以包括造型上的全新，如采用无横梁结构，流线外形；也包括结构上的小型化，以及可折迭性，以方便外出旅游，以及搬运等。一种休闲用的自行车，可采用银光闪闪的铬合金铬合金车架，舒适的香蕉形座椅

5.多功能

根据需要增加辅助功能 ，如车灯，气筒，饮水器，载人载物装置，无线电通话设备，手电筒支架，上坡用的电动助力装置，多人自行车设有单向离合器等。小型自行车则便于携带，可拆迭。美国研究人员发明了一辆可享受无线电上网乐趣，并便于骑车人之间的联络和信息交流。另一种巡警用的自行车，车上装有无线电通话设备，手电筒支架，以及便于爬坡追击的电动助力装置。还可以生产适合于不同地方使用的自行车，比如可生产适于极低温环境下在雪地上行进的自行车。

自行车发展到现在已经有传统的自行车演变成无级变速自行车，现代的无级变速自行车可谓是形式多样，五花八门，以下是当今社会上存在的部分无级变速自行车。

1.人力脚踏式无级变速自行车 一种人力脚踏式无级变速自行车，在自行车车架两侧面的中轴上，安装有锥面相对的变速轮盘组成的主动轮，主动轮两侧安装有脚蹬两变速轮盘轮沿挂有三角皮带，两盘面间安装有压缩弹簧；在车架的前斜梁上，安装有由变速杆操纵可前后移动的挺杆，挺杆的近变速轮盘端安装有可使两变速轮盘靠近或分离的插件；在自行车后轴上的后轮轮辐两侧面支承有附轮，附轮的外沿轮面设有三角皮带槽，附轮的内侧设有带动后轮单向转动的棘齿；车架后斜梁上在三角皮带上方安装有可推压三角皮带张紧的张紧轮。自行车的行走和变速不用成组链轮和链条传动，成本低、重量轻，可实现无级变速，速度转换快，速比大。

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2. 无链无级变速自行车 一种无链条传动，可随意变换车速的自行车。该自行车包括车轮、把手、三角架和踏拐等，横梁左端设有后齿轮、大齿轮和正反齿轮，横梁右端设有中轴齿轮，齿轮与拐轴齿轮啮合，偏心连杆的上端和杠杆的右端同轴装在定位槽板的滑槽中，杠杆的左端与齿条连接，齿条与正反齿轮啮合，横梁上方设有拉簧、活动支架和钢丝拉索。该自行车结构简单，调速方便灵活，经久耐用，适合各种型号。

3. 前置往复式无级变速自行车 针对自行车的驱动、乘座和避震进行改进。包括：乘骑者坐靠休闲式椅，两脚蹬踏前置的两个悬摇杆曲柄，可进行弧形的曲线往复运动，用脚掌面的蹬踏角度或用手直接调动摇杆上力臂的长短实现无级变速，高效能的带动挠性件驱动后轮；还包括装卸方便且不互换的休闲式座椅和防落物防盗的可带走座椅；简化的全避震使乘坐舒适并使货架携带的物品减小了颠簸

4. 低座无级变速自行车 是由低矮形车架把一个作驱动的前轮和一个作导向的后轮连接在一块的自行车，带靠背的座椅安装在车架中部，骑行者可斜躺着坐在座椅上，两腿放在前轮二侧。杠杆式曲柄无级传动装置固定在前轮的前上方，通过左右曲柄杆上的滑块铰接链条交替传动前轮。操纵把手装于前轮的正上方，由钢丝绳牵引后轮转向。这样就不会干扰车子的方向操纵。由于降低了座位高度，减少了空气阻力。采用杠杆式曲柄无级传动装置，适应人体功能的要求。

5. 便携式高安全型无级变速自行车 一种新式样的自行车。其特征是由行走机构，车椅式直立车龙头转向机构，杠杆式无级变速驱动机构。适用于交通拥挤，楼层高，住房紧，停放车辆不便的都市区。本装置是由足踏杠杆式无级变速机构，车架可横向折叠，驱动大车轮在前面，导向小车轮在后边的行走机构与带靠背车坐椅式的直立车龙头转向机构组成的自行车装置。该装置形体式样，较为奇特但骑行舒适，更安全，并能折叠便携带。

6. 纯滚动式四个档位无级变速自行车 一种纯滚动式四个档位无级变速自行车，其中在中轴上的中心齿轮啮合连接有一级行星轮和二级行星轮，中心齿轮的两侧分别套装有推动盘，一侧固定在脚蹬轮轴上，另一侧固定在链轮上；二级行星轮和中心齿轮为棘轮总成与链轮啮合连接，在中轴和后轴的车架体上固定有座盘，座盘上固定有升降档位弹簧；在座盘上固定连接有自锁离合器总成，自锁离合器总成滚动套装在停转盘上，停转盘固定在中轴和后轴上；在中轴和后轴的自锁离合器总成上装有移动升降档位拉杆。随时变增减速档位，对自行车零部件无影响，制造简单，性能可靠，操作简单，使用方便。

7. 带传动无级变速自行车 一种无级变速自行车，改进了现有自行车的动力传动机构。该自行车的动力传动机构包括以下部件：小动轮、小定轮、小动轮拨叉，小动轮、大动轮、大定轮、大动轮拨叉，大动轮、Ｖ型传动带、Ｖ型带张紧装置、调速器、闸线、飞轮，飞轮由飞轮轴套、飞轮底座、滚柱、滚珠构成。其特征在于自行车的动力传动机构包括以下部件：小动轮、小定轮、小动轮拨叉，小动轮、小定轮呈锥形，两轮大小形状一致，锥面相对，组成带有Ｖ形沟槽的小传动轮，与自行车后轴上的飞轮轴套固定连接，小动轮在拨叉控制下沿轴滑动；大动轮、大定轮、大动轮拨叉，大动轮、大定轮也呈锥形，两轮大小形状一

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致，锥面相对，组成带有Ｖ形沟槽的大传动轮，固定在自行车中轴上，大动轮在拨叉控制下沿轴滑动；Ｖ型传动带、Ｖ型带张紧装置、调速器、闸线、飞轮，Ｖ型传动带镶在大小轮的沟槽中；Ｖ型带张紧装置装在后轴上，其支承轮支撑传动带；调速器装在车把附近，与闸线连接，闸线带动调节大小动轮位置的拨叉；飞轮由飞轮轴套、飞轮底座、滚柱、滚珠构成，装在后轴上，靠紧小传动轮，飞轮轴套与小传动轮固定连接，飞轮底座与后轴固定连接，飞轮轴套内还设有流线型的槽，滚柱放置在槽内。 这种无级变速自行车通过带传动来实现自行车的无级变速，传动平稳、噪音低、调速操作方便、变速范围大；同时该无级变速自行车的结构简单、易于加工，可以实现大规模成批生产。

8. 蓄能型-全自动无级变速自行车 一种蓄能型一全自动无级变速自行车，属于交通工具技术领域。本新型的目的通过如下技术方案实现：主要由设置每侧脚蹬上的长型齿盘交替工作，通过同侧的链条传动同侧的飞轮，飞轮连同带动设置在轮骨内的发条内端发条外端同轮骨固定。其中：同每侧的飞轮安装在同一轴套上还设置有防逆转装置，防逆转装置的内部结构如同飞轮，外壳同车架子固定。骑行时由于每侧长型齿盘的作用，通过链条对同侧的发条交替蓄能，从而实现全自动无级变速。

1.5 自行车无级变速器运用实例

自行车所用无级变速器，其结构简单、耐用，调速准确灵活，变速能力强，特别是其轴向尺寸极小。

这种自行车的变速是通过如下技术方案实现的：如图1所示，其包括输入轴1，调整板2，摆臂3，棘轮12，棘齿13，连接片8传动盘15，输出轴等组成。其中，输入轴与棘轮为键连接，传动盘与输出轴为一体，摆臂呈“U”型，棘轮在其内，摆臂的“U”型上端通过两个孔分别套装与棘轮前后的输入轴上，其一端与棘轮之间装有一棘齿。摆臂的数量由输出转速的平稳性要求决定，一般4个就可以了。摆臂与传动盘之间通过连接片8连接。

图1 图2 图3

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1.输入轴 2.调速板 3.摆臂 8.连接片 10.摆臂上的销 11.传动盘上的销 12.棘轮 13.棘齿 15.传

动 盘 25.导向杆 28.轴承外座 33.轴承内座 35.链条盘 37.轴承外座 38.空心轴

连接片为一长条型片状钢片，两头各有一孔，其中一个孔装在摆臂上的销10上。棘齿轴线与传动盘轴线常处于平行但不同轴线的状态，只有在转动比为1时才会同轴线。

其工作过程是这样的：由于棘齿、棘轮间只可单向传动，设顺时针转动为传动转动，棘轮的转动则会通过棘齿的作用带动摆臂一起顺时针转动，摆臂的转动通过销10、连接片8、销11带动传动盘顺时针转动。假设摆臂的转动也是匀速的，由于棘轮与传动盘的不同轴线，传动盘的转速不是匀速的，而是在一个高于输入轴转速和一个低于输入轴转速之间变化。由于一般有多个摆臂，转动盘、输出轴及其后的负荷有一定的运动惯性，同时由于棘轮、棘齿间的单向传动，传动盘上的实际转速为一个高于输入轴转速且比较平稳的输出转速。此转速的大小与棘轮轴线和传动盘轴线间的距离有关，而此距离的大小则是由调速板2的上下移动而实现的。必要说明的是，图1所示的变速器，其逆向传动（即把输出轴作输入轴）有与正向传动几乎一样的传动效果：单向，升速型的传动。其区别是逆向传动时其输出转速的平稳性差一些。

前面所诉的结构，只是结构示意图，还不适合实际应用，适合实际应用的如图2、图3所示。在图2中，14与12为一体，14是空心圆筒，其内有内螺纹与后轮轮毂上的外螺纹连接。16与35之间为滚动轴承结构，是这样构成的：在16的外端，35的内端分别车有一环槽，在16或35上开一小孔与环槽想通，从此小孔放进球形钢球，然后封闭小孔与环槽想通，从此小孔放进球形钢球，然后封闭小孔便构成，这样，调速机构只要带动16径向移动，便可带动35也作径向移动，从而实现无级调速。图2所示结构的传动过程是：链条盘35→35上的传动销→连接片8→10、3、13→12、8→后轮，为使16可以作为径向移动，16的中心部分是部分空或全空而成一环形结构。这样的结构在变速时，链条盘35要作为径向移动，因此，在移动过程中若是不能保证前后链条盘距离一定的情况下，应在链条的松边（即非拉紧边）加装一张紧机构。

在图3所示的实施例中，其实际为两级变速。这样做的主要目的是：输入轮轴线和输出轮轴线都可以固定，且同轴线，另外一个好处是可以增大变速范围，有更强的道路适应能力。在图3中，传动盘15为前后级共用，是一中空的环状结构，它可以相对于中心轴线（即前后的棘轮轴线）作径向平移，而实现无级调速。传动盘外端设置轴承外座37，制成图2所示相似的轴承结构。这样调速机构只要带动轴承外座37径向移动，便可带动传动盘15径向移动，而实现无级调速。图3所示结构为一种专门设计来装于后轮的变速器，它的机构特点主要有：空心轴38的大内孔端（即右端）通过内螺纹与自行车后轮轮毂上的外螺纹连接。一体的链条盘35和右棘轮12套装于空心轴38上，左棘轮与空心轴38为键连接或成一体。链条盘35专门设置于靠后轮的一边，这是为了在转动时不发生碰擦。因为后轮上的钢线（即后轮上的辐射状分布的钢线）是越靠近轮的外端，越向轮的中心截面靠近，到钢圈时已是在同一截面上。而较大直径的链条盘35在装上链条后，链条的宽

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度即会超过链条的厚度，而钢线向内靠的特点刚好能让出这点空间。若不是这样而装于另一边（图中的右边），就会极易发生碰擦。图3的传动路线为：35→右棘轮12→右摆臂→右连接片6→15→左连接片8→左摆臂12→左棘轮12→空心轴38→后轮轮毂（即后轮），为使传动更平稳，即前级为瞬时高传动时，后级为瞬时低传动比，后之亦然，为达到这样，传动盘15上的前级传动销与后级传动销相互错开一定的位置便可。此外前后级采用不一样长的连接片也可实现。

图2所示结构优点是结构简单，轴向尺寸最小，弱点是传动平稳性稍差，图3所示机构，其优点是传动平稳，变速能力强，不须链条张紧机构，弱点是结构略为复杂，轴向尺寸稍大（图中为作图需要各零件间的间隙人为放大，实际上没有图示那样大的轴向尺寸）。

1.6 研究的目的和意义

现今世界范围内的资源环境压力日益加大，全世界都在努力提倡绿色环保。作为交通工具，现在的趋势是从自行车-汽车-自行车的发展。自行车不但可以作为一种很好的绿色交通工具，还可以锻炼身体。因此，怎么把自行车设计得更加符合人们的需要、更加实用，就变得非常重要。

以内变速器为代表的变速调控装置，是改进自行车性能的很好的技术应用。由于与外变速器相比，它具有灵敏度高、结构紧凑、适用性好、维修方便且密封性好的优点，因此在实用中得到了广泛的应用。它的作用体现在很多方面，它的应用可让人轻松自如的骑行，它还可帮助人们在体力不佳的情况下，有效的减少体力消耗。比如感冒时，体力消耗不能过大，所以如果骑车时选择较轻的齿数比骑行时就会很轻松。还有女性身体不佳时、学生应试疲倦时、年纪较大者都可灵活地使用变速自行车。所以内变速器的好处确实是很多。不过很多人错误地认为自行车装有内变速器是为了可以加快骑行速度，其实人能够发出的力最大只有0.4马力。内变速器是为帮助人们将这最大马力轻松地发挥出来的工具而已。但是不管如何，内变速器应用于自行车，是自行车发展历史中的一个重要里程碑。 本课题要求按照给定的技术和性能参数要求设计出符合要求的基于PM-79型男式自行车的内变速装置，根据实际情况和一般的应用，本设计采用高-中-低三速的变速设计，要求设计出内变速器的整体和内部各元器件，对几种方案进行可行性分析和比较，选出最佳设计方案。此外，本课题还要求对变速器的整体运行性能进行优化设计，保证变速器能稳定工作。

1.7 毕业论文设计内容和要求

设计内容：根据男式自行车的特点选择合适的传动比；比较和选择合适的方案；完成自行车无级变速器变速器的结构设计与计算；对关键部件进行强度和寿命校核。

设计要求：传动比范围0.75～1.22；变速器尺寸要尽可能小，轻便；结构设计时应使制造成本尽可能低；安装拆卸要方便；外观要匀称，美观；调速要灵活，调速过程中不能出现卡死现象，能实现动态无级调速；关键部件满足强度和寿命要求；画零件图和装配图。

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2 自行车无级变速器总体方案的选择

自行车无级变速方式多种多样，在此，我只选择了两种方案供参考，作比较，选出理想方案。该两种方案分别是固定轴刚性无极变速器和链式无级变速器，分别描述如下。

2.1 链式无级变速器

链式无级变速器（以下简称链变速器）是钢质挠性变速传动。[45]指出：其功率和磨损率分别是带传动的11倍和1/30，所以结构紧凑、寿命长。

链变速器与刚性摩擦变速器相比，有以下特点：链在链轮包弧滚滑甚微，不易损伤链轮表面；由于链的挠性可无损的越过链轮上的微细疵病；位于包弧区的各链节，按一定规律传递动力，不需要特种措施来确保传递动力的接触位置的恒定；对超载峰值也不像刚性摩擦变速器那样敏感，不会导致接触表面和轨道的提前破坏；调速准确、滑动率约为2%~4%，但由于多边形效应面有微小的速度波动，传动效率可达0.84~0.95；链变速器的制造成本相对较高，其链条重量较大，运转时的离心力较大，因而运行速度不能过高；要使其适应高速必需设法减轻链条的重量，例如荷兰Van Doome`s Transmission公司（VDT）在80年代推出的P系列推块式V型金属链已将变速器的最高输入转速提高到7000r/min,输入转矩达250N·m，传动功率可达170KW。用于汽车变速系统。 链变速器的结构特点有传动原理：

两对可作轴向移动的锥轮1-1`和2-2`分别以花键或导向键联接在相互平行的输入轴4和输出轴5上（图1），轴间距a为定值，两相对锥轮之间形成楔形夹槽，夹持着特殊的变速传动链3，依靠压紧力使链和链轮形成力封闭运动副依靠摩擦力来传递动力。压紧力有用压靴与张链机构联合张紧和加压的，也有张链机构张紧而用自动加压凸轮加压的。 两对链轮在轴上可有三种轴向联合联动方式：（1）1-1`合拢时2-2`张开，1-1`张开时2-2`合拢，四轮都可轴向移动；（2）两根轴上对角配置的链轮1和轴2轴向固定，而另一对配置的链轮1`和2`坐同向移动，是一根轴上的链轮副合拢时，另一轴上的链轮副张开；（3）每根轴上同侧的链轴向固定，例如1和2`，而另外两轮1`和2作反向移动，以形成两对链轮的合拢或张开，但这时的固定轮是一个平盘，两轮之间形成单斜楔槽。链在开、合的链轮副中取得相应的各种半径位置，实现无级变速。除上述传动机构外，变速器还有使链轮开、合的调速机构、示速机构，产生压紧力和使链条张今年的加压和张链机构等。 链变速器的机械特性：

链变速器是通过改变链轮的工作圆的直径来实现变速的，它所传递的转矩的力臂在变速过程中是变化的，而链的工作拉力有一定极限，考虑在不同的传动比时，链速和传动效率也是不同的；所以链变速是变功率、变转矩特性的传动，（图2）为P4型滑片链变速器的额定功率P（实线）、额定转矩T（虚线）和输出转速n2的关系曲线。因此，选用链变速器时要考虑在全变速区间是否能满足所需传递的功和转矩，决不能把某一转速情况时所

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能传递的功率或转矩作为全变速范围传递值。有图2及链变速器产品目录中功率表所提供的、与各种变速比相对应的最大许用功率，在最低输出转速时约为最高输出转速时的45%~75%；而最低输出转速时的输出转矩约为最高输出转速的2~3倍。实际生产中常见正常工况下输出转矩恒定，但在最高输出转速时需有最大功率，而短暂地在较低输出转速时又需较大的输出转矩，链变速器的特性恰好适应这种要求。

图2-1 图2-2

为了避免链速度过高、链拉力及轴承压力过大，在确定变速传动方案时，不宜将变速器的变速比定得大雨实际工作所需的变速比，这样可使变速器在较佳的工况下工作，并可减小变速器的体积和成本，因变速比大的变速器的体积和成本总是高于同功率变速比小的变速器。在需要低输出转速、大输出转矩或恒功率工况时，更是如此。

2.2 刚性定轴无极变速器

刚性定轴无级变速器有刚性传动元件组成，不调速时各传动件的回转轴轴线位置固定不变，而在调速时轴线位置变动。它具有结构简单、形式多样的特点。它分为有中间滚轮和无中间滚轮的两大类，前者有较大的传动比（Ra≤16~20），后者的Rb＜6。为提高功率体积比常采用多中间体的分汇流传动方式。对于既升速又降速的变速装置一般需用两套加压装置。传动件接触区可设计成初始点或线接触的结构，前者承载能力稍差，但相对滑动较小，并能补偿受力变形及加工装配等误差；后者承载能力较高，但对制造和装配要求较

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高。

本次设计主要采用有中间滚动体的钢球锥轮式无级变速器，这类变速器常见的基本形式有图3所示五中定轴式。中间轮为一个或多个钢球，主、从动轮是直母线的锥轮平盘，接触区呈点接触。图a~c为同轴线的，调速时靠改变中间轮两侧工作半径实现变速，用于动力传动，离速时为恒功率型，低速时为恒转矩型。图d、e为平行轴的，靠改变主、从动轮的工作半径实现变速，用于恒转矩的小功率传动。

图2-3 钢球锥轮无级变速的型式

(a)Koop-B型；(b)Contraves型；(c)Koop-M型；(d)Heynau型；(e)PIV-KS型 本节主要介绍Koop-B型变速器。

图4为Koop-B型无级变速器的结构图。动力由轴1输入经自动加压装置2带动主动轮3同速转动，再经一组（3~8个）钢球4利用牵引力驱动外环7和从动轮9，最后经锥轮9、自动加压装置10驱动输出轴11将动力输出。传动钢球的支承轴8的两端嵌装在端盖12和13的径向弧形导槽内，轴8通过调速涡轮5上的凸轮槽；调速时，通过蜗杆6使涡轮5转动，由于凸轮槽的作用，使钢球轴心线的倾斜角θ发生变化，导致钢球与主、从动轮的工作直径d1x、d2x改变，输出轴的转速得到调节。

钢球4与支承轴8之间常用滚针或滚针轴承支承；对小功率者可以采用滑动轴承，为

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了减少磨损，支承轴用青铜棒料制成。外环7是一个刚度适合的弹性环，其作用为：（1）保持钢球始终与锥轮接触且不沿径向飞出，环刚性不足时将导致加压不足而无法传动；（2）其润滑油环的作用；（3）缓冲与吸振。

在设计、制造与安装时应注意：一组钢球直径的一致性、球孔轴线与直径的一致性、端盖径向圆弧槽的等分性及其圆弧中心和球心的一致性、调速涡轮上凸轮槽的等分性，以及钢球、锥轮、加压盘的制造精度和表面硬度。

1,11-输入，输出轴 2，10-加压装置 3，9-主，从动锥轮 4-传动钢球

5-调速蜗轮 6-调速蜗杆 7-外环 8-传动钢球轴 12，13-端盖

图2-4 钢球外锥式无级变速器的结构

其动力范围为：Rn=9，Imax=1/Imin，P≤11 kw ，ε≤4% ，η＝0.80～0.92 。此种变速器应用广泛。

从动调速齿轮5的端面分布一组曲线槽，曲0线槽数目与钢球数相同。曲线槽可用阿基米德螺旋线，也可用圆弧。当转动主动齿轮6使从动齿轮5转动时，从动齿轮的曲线槽迫使传动钢球轴8绕钢球4的轴心线摆动，传动轮3以及从动轮9与钢球4的接触半径发生变化，实现无级调速。具体分析如下图五：

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图2-5 钢球外锥式无级变速器变速示意图

主要由两个锥轮1、2和一组钢球3（通常为6个）组成。主、从动锥轮1和2分别装在轴Ⅰ、Ⅱ上，钢球3被压紧在两锥轮的工作锥面上，并可在轴4上自由转动。工作时，主动锥轮1依靠摩擦力带动钢球3绕轴4旋转，钢球同样依靠摩擦力带动从动锥轮2转动。轴Ⅰ、Ⅱ传动比 i??r1R1???R2r2?，由于 R1?R2，所以 i?r1r2。调整支承轴4的倾斜角与倾斜方向，即可改变钢球3的传动半径r1和r2，从而实现无级变速。

2.3 两方案的比较与选择

链式无级变速器结构很简单，且使用参数更符合我们此次设计的要求，但链变速器的制造成本相对较高，其链条重量较大，运转时的离心力较大，因而运行速度不能过高，如果此装置用于自行车，成本会大大的提高，显得不合理。

而钢球外锥式无级变速器的结构也比较简单，原理清晰，各项参数也比较符合设计要求，故选择此变速器。只是选用此变速器的同时须对该装置进行部分更改。

须更改的部分是蜗轮蜗杆调速装置部分。因为我们是选用了8个钢球，曲线槽设计见第三章，一个曲线槽跨度是900，也就是说自行车从最大传动比调到最小传动比，需要使其转过900，而普通蜗轮蜗杆传动比是1/8，那么其结构和尺寸将完全不符合我们设计的要求。为此，我们想到了将它们改为两斜齿轮传动，以用来调速。选用斜齿轮是因为斜齿轮传动比较平稳。在设计过程中，将主动斜齿轮的直径设计成从动斜齿轮的3/4，这样只要主动轮转动1200，那么从动轮就会转动900，符合设计要求。

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3 钢球外锥式无级变速器部分零件的设计与计算

钢球外锥式无级变速器零件的设计与计算包括主﹑从动锥齿轮，加压盘，调速齿轮上变速曲线槽，输入轴，输出轴，输入﹑输出轴上轴承，输入﹑输出轴上端盖，调速机构等部分的设计与计算，以下各章节分别介绍以上内容。

3.1 钢球与主﹑从动锥齿轮的设计与计算

输入功率 P1??1?m人?m车??g?v??变

?0.1??65?20??9.8?4.17?0.86

=0.4039 kw

其中：

?1?0.1，m人?65kg，m车?20kg，g?9.8,v?15kmh?4.17ms，轮胎直径：d1?560 mm

由力学知识可得：轮胎所产生的转矩与钢球摩擦所产生的转矩应平衡

23??m人?m车??g??1?R1?8?Q??2?c1?dq?N 其中：R1?280mm ，?2?0.1，c1?2.16，Q为钢球所受正压力 代入数据可得：

Q?dq?17997

?Hmax?1353?3QKd?1353?317997?4d3?56284dq q由于传动件的[σj]=2200～2500 Mpa 代入上式得：

dq?22.5125.58mm，取 dq=25 mm,钢球数z?8

输出转速 n?602=

150003600?0.66??=142.3 r/min

输入转速 n1=142.3/(0.75～1.22)=189.7～116.6 r/min 传动比 Imax?1.22,Imin?0.75

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变?0.86 ?

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