自行车无级变速器的结构设计

说明书
设计题目：自行车无级变速器的结构设计
专业年级： 2011级机械设计制造及其自动化学号：
姓名：
指导教师、职称：
2015 年5 月12 日
目录
中文摘要 (I)
Abstract (II)
1引言................................................................ - 3 - 1.1 机械式无级变速器的定义及其应用.................................. - 3 - 1.2 机械式无级变速器的发展概况...................................... - 4 - 1.3 机械式无级变速自行车研究现状.................................... - 5 -
1.4机械式无级变速器研究的目的和意义................................ - 7 -
2 自行车无级变速器总体方案的确立 ..................................... - 8 - 2.1 链式无级变速器的分析............................................ - 8 - 2.2 钢球外锥式无级变速器的分析...................................... - 9 -
2.3 两方案的比较与选择............................................. - 10 -
3 钢球外锥式无级变速器部分零件的设计与计算 .......................... - 10 - 3.1 调速机构的设计与计算........................................... - 10 - 3.2 钢球与主﹑从动锥轮的设计与计算................................. - 12 - 3.3 输入﹑输出轴上轴承的选择与计算................................. - 13 - 3.
4 调速齿轮上变速曲线槽的设计与计算............................... - 1
5 - 3.5 输入﹑输出轴上端盖的设计与计算................................. - 1
6 - 3.6 输入轴、输出轴的设计与校核..................................... - 1
7 - 3.7 加压盘的设计与计算............................................. - 24 -
3.9 自行车无级变速器的安装......................................... - 25 -
4 自行车变速器的调整与使用方法 ...................................... - 26 - 4.1 自行车变速器的调整............................................. - 26 -
4.2.自行车变速器的使用方法......................................... - 26 -
5 结论 .............................................................. - 28 - 参考文献 ............................................................ - 29 - 致谢 ................................................................ - 30 -
中文摘要
无级变速器的传动是指的是在某些调速装置或调速机构的控制作用下,在输入轴输入一定时，输出轴的转速能在一定传动比的范围内快速且连续变化的一种传动方式。

本人在分析了链式无级变速器、带式无级变速器、钢球外锥式无级变速器、钢球分离式无级变速器等各种机械式无级变速器的变速方式和无级变速自行车的基础上，将每种变速器的原理与变速方式进行了对比，最终选用结构简单、参数符合的钢球外锥式无级变速器安装使用在自行车上，该无级变速器主要由主、从动锥轮、输入轴、输出轴、加压盘、调速机构、钢球、端盖等零部件组成，此种无级变速器的工作原理为输入轴转动并且通过加压盘装置带动8个钢球运动，同时钢球利用运动过程中的摩擦力带动输出轴转动，期间通过调速机构可以使得钢球在一定的角度范围内摆动，这样就改变了钢球与主、从动锥轮的半径比，从而改变了传动比，实现了能够在一定传动比的范围内任意的变换。

最终经过设计与计算，该无级变速器能够在传动比0.75--1.22的范围内进行调速。

研究表明:无级变速器用于自行车有利的解决了传统变速自行车的不足之处，大大的提高了自行车的性能,方便了消费者使用。

关键词:自动变速器；无级变速自行车；无级变速器；调速
Abstract
The CVT transmission is refers to in certain speed regulating device and the regulating mechanism of control, when entering a certain input shaft, output shaft speed can in certain transmission ratio range of rapid and continuous change of a transmission mode. I based on the analysis of the chain CVT, belt CVT, ball cone CVT, ball separation of CVT and other mechanical CVT transmission and CVT bikes, the transmission principle and party each kind of transmission type were compared, the final selection with the simple structure, parameters of ball outer cone CVT mounted on a bicycle, the CVT is mainly composed of a main driven bevel wheel, input shaft, output shaft, and the regulating mechanism, pressure plate, steel ball, cover and other parts, the working principle of CVT for input shaft rotation and by with the pressure plate device drives the 8 ball movement, at the same time, the use of friction ball movement in the process of driving the output shaft to rotate through the speed regulating mechanism can make the ball during the swing within a certain angle, thus changing the steel ball and the main driven bevel wheel radius ratio, thus changing the transmission ratio, the transmission can be compared to the range of arbitrary transform. After the final design and calculation, the CVT can speed ratio range of 0.75--1.22 in drive. Research shows that: stepless speed variator for bicycle favorable solves the shortcomings of traditional variable speed bicycle, greatly improved the performance of the bicycle, convenience to the consumers to use.
Key words:automatic transmission; CVT bike; CVT; speed control
1引言
1.1 机械式无级变速器的定义及其应用
无级变速器分为液压传动无级变速器、机械式无级变速器、电力传动无级变速器三种，因为本设计的课题是自行车的无级变速器，而自行车的动力源来自人体动力输入，所以用在自行车上的变速器只能考虑机械式无级变速器，以下主要介绍的是机械式的无级变速器。

机械无级变速器是输入输出机构、实现传动变速机构、调速装置、加压盘装置等零部件组成的一种传动装置。

该机构的主要特点是：在输入机构中输入转速保持不变的条件下，输出机构中的输出转速能够在一定传动比的范围内随意且不断的变化，即使得速度在传动比范围内任意的变化，从而有利于大至企业生产设备在不同生产要求及工艺条件下实现产品的生产需求，小到生活中一些工具利用该变速装置完成不同的事情，或是在安装在自行车上的使用，大大的改善了传统变速器的不足之处。

并且该无级变速器由于依靠摩擦力实现变速具有转速稳定，钢球式的转动使其滑动率较小，传动的效率很高。

该装置机构比较简单，安装及维修方便，制造成本相对较便宜。

机械式无级变速器的应用范围很广，主要表现在以下几个方面：
1）、因为此无级变速器所能承受的扭矩较小，因此在汽车领域中，不能被应用于扭矩较大的发动机，在此领域中比较常见的例子有通过链条传动的小型轿车，链条传动所产生的扭矩一般比较小；生活常见的依靠链条、皮带等传动的电动车、踏板车、摩托车、卡丁车等等。

据新闻消息了解，东风日产现已研究出了能够承受扭矩在300-400N.m的机械式无级变速器，这是机械式无级变速器领域的一个突破。

2）、在输入功率不变的情况下，因为产品工艺要求或是生产需求不同的条件下，亦或是在受到一些阻力限制的条件下，需要调整不同的速度以达到不同生产要求，实现不同的目的，例如：在福耀玻璃公司的预处理生产线上有的喷粉液、玻璃胶等需要根据其不同的粘稠度使用不同的速度进行搅拌，搅拌机械设备根据不同的物料粘稠度，通过搅拌机阻力大小的变化利用无级变速原理能够时时的改变搅拌机的搅拌速度。

与之类似的设备还有车床、铣床、卷绕机等；
3）、在工业生产以及建筑工地中需要根不同的工况要求来调节所需要不同的速度，例如：在福耀玻璃公司生产线中的连续烘弯炉，提升机在提升玻璃小车快接近小车轨道的时候会自动将速度降低，此方法就是利用无级变速器原理来实现的，与其类似的还有起重运输机械设备，此机械设备在运输不同的物料随不同区域地点的变化相应的需要改变控制提升机的运行速度；再例如食品机械中的烤干机以及制药机械需要随着温度的变化而调节转移速度；
4）、一些生产设备需要通过调节速度以得到保持恒定的工作速度或者张力，例如:福耀玻璃公司生产线中对PVB膜片进行钨丝的绕线机设备需保持恒定的卷绕速度；
5）、为了节约资源对一些设备需要在不同的时间阶段进行调速，例如：福耀玻璃公司生产线中大量的水泵在不同的情况下调节其不同的速度达到节约资源的目的，类似还有散热风机等。

6）、还有许多按照规律性和不规律性的变化而对速度进行不同程度的控制与调节，从而实现自动化的生产，工业PLC的程序控制。

总之，机械式无级变速器具有价格便宜，结构简单，维修及其维护方便，传动效率和传动平稳性好，实用性较强的一种装置，能够实现适应不同的变工况工作，简化传动方案，节约能源和减少污染等要求。

1.2 机械式无级变速器的发展概况
机械式无级变速器适用于生产过程自动化发展，万向传动装置的机械性能的一种装置。

在国外的发展已经有超过数百年的历史，在受条件限制的初始阶段，进展一直很缓慢。

直到1950年之后，一个原因是随着科学技术的发展，材料的限制因以及工艺润滑问题的解决，另外一个因素是市场需求的增加，从而促进机械式无级变速器装置的开发和生产，使各类产品的快速增长得到了广泛的应用。

1791年，最原始的自行车诞生于法国，是由西弗拉克发明的。

此自行车只有两个轮子，依靠人骑在自行车上用两脚蹬着地面使自行车前进。

1801年，世界上第一辆车的脚踏自行车由俄国人阿尔塔马设计出。

1817年，运动方向可以改变的自行车诞生，它是由德国人德雷斯在自行车上安装了一个方向舵。

1839年，第一辆被世界公认的自行车诞生了，该自行车利用杠杆原理在自行车的后轮上安装了曲柄，使用连杆将曲柄与踏板联接起来，骑车手只要反复的蹬脚踏板，就可以驱使自行车向前进。

1865年法国拉里门将后轮驱动改为前轮驱动,即将曲柄为前轮，前轮驱动, 提高了行车速度。

同时保持前轮旋转支架，杠杆制动后轮。

使得这种自行车行驶速度是前轮的直径成正比。

为了提高速度，就需要增加前轮直径。

为了减轻自行车的重量，减小后轮的直径。

最终由于使用不方便，同时也存在安全隐患被淘汰。

1867年，英国的麦迪逊将钢丝辐条配备在自行车使用。

1869年,在德国出现在了后轮定位的自行车，并且在自行车上采用安装了脚刹车, 弹簧,飞轮，滚动轴承等零部件.
1879年，英格兰劳森为了避免大直径车轮带来的不便,采用了链传动，提高了传输率，使其成为现代自行车的雏形的标志。

1886年,英国杰姆斯改变自行车前后对同一尺寸链中的增加，使其模型和现代自行车基本上是相同的。

1888英国邓禄普使用橡胶制造了车轮的内胎和外胎,并以充气的方式提高了轮胎的效率,使得骑行省力、方便，时代发展至今，自行车已经成为世界上人们使用最普遍、最简单、最实用的交通方式。

国内机械无级变速器的发展，在第二十世纪60年代末才开始兴起，基本上主要应用于一些专业的机械设备。

例如：机床、纺织、化工机械和其他辅助部件，由专业机械厂生产的通用，品种不多，产量少。

直到八十年代，大量的引进了国外先进设备，现代工业生产和自动装配线的快速发展，市场对于机械无级变速器的需要求日益增大，在这种情况下，制造商开始建立和大规模生产，一些高校也开始开展研究工作，
短短的几十年里的发展，品种包括了机械式无级变速器存在的摩擦式，链条，皮带输送机系列和脉冲等其他机构型式，满足了市场与生产发展的需要。

同时，无级变速器专业协会、行业协会和组织机构一一简历。

定期出版和学术信息交流的WebEx会议。

90年代以来，我国制定了机械行业标准共计14个。

随着不断的发展，国内的机械式无级变速器产业发展为机械领域中的一个新兴产业。

目前，该产业的生产研发主要是基于国外的先进技术，主要产品类型有：1）、皮带式无级变速器：宽V带，普通V带；2）、摩擦式无级变速器：多盘（贝尔型）、环锥式（RX）、行星锥盘式（迪斯科）、锥盘（干、湿）等；3）、脉动无级变速器：三相平行连杆式（基因型）和四阶段和连杆式（零-最大）。

4）、齿链式无级变速器：刮板链，链条，链卷。

随着国内在该领域技术的逐渐成熟，近年来，国内主要的机械式无级变速器的新发展趋势，开发和生产的：1）、汽车无级变速器的研究与开发：国内已发表的金属带式无级变速器，通过实验，已工业化生产；进口关键部件金属钢带也将生产。

2）、原有的产品创新提高：在原行星锥盘无级变速器的基础上，研发出了“恒功率行星摩擦无级变速器”和“没有物理主轴行星齿轮无级变速器的基础上创新，后者的速度比增加了4倍以上，输出扭矩也增加了一倍多。

1.3 机械式无级变速自行车研究现状
无极变速自行车的发展已逐渐的代替了一些比较传统的变速自行车，现代的形式是
多样的，各种各样，以下是今天的社会上存在的无级变速自行车的部分类型。

1）、便携式高安全无级变速自行车新型自行车行走的特点是机构，车椅式垂直领导的转向机构，杠杆式无级变速传动机构。

适用于重交通，楼层高，住房，停车不便都市区。

该装置由杠杆式无级变速器，该框架可横向折叠，前面和后面的小轮子的旅行指南机制并带回一个汽车座椅在垂直转向齿轮自行车龙头驱动轮。

该装置主体风格，更奇特但乘坐舒适，更安全，可折叠携带。

2）、往复式无级变速自行车对车的悬架系统进行了改进，乘客座椅，前两吊柄和圆弧曲线可往复运动，随着手的引导角度或长度的唯一直接将摇臂实现无级变速，高效能驱动的灵活的后轮；还包括装卸方便不掉休闲椅和保卫秋季防盗可以坐；简化悬架舒适性和货架和携带物品减少紊流
3）、低座无级变速自行车是由低架驱动前轮和自行车上的连接后导向，中央与安装在机架上的桶形座椅，骑手可以躺坐在椅子上，前轮两侧放置两条腿。

曲柄连杆式无级变速装置是固定在上面的前轮前，由曲柄滑块杆绕铰链驱动轮交替方式。

在上部前面的手柄操纵，由钢丝绳牵引的后轮转向。

为了不影响自行车的方向。

由于较低的座椅高度，减少空气阻力。

采用曲柄连杆式无级变速装置，符合人体功能的要求。

4）、无链无级变速自行车可任意变换速度的自行车。

自行车如车轮，手柄，一个三脚架，打开后，在左栏有齿轮，齿轮和倒档齿轮，和梁的右端设有中心轴齿轮，齿轮和轴齿轮啮合，在定位槽板槽的偏心连杆和杠杆对同轴结束前，杠杆的左端连接齿条，齿条与阳性和阴性，梁上面有拉簧，活动支持和电线电缆。

自行车结构简单，方便灵活的调速，耐用，适用于各种车型。

5）、人力脚踏驱动式无级变速自行车在中轴线两侧的车架，安装包括锥相对速度驱动轮，驱动轮两侧安装有脚踏两轮盘随着三角皮带传动，两盘压缩弹簧；在对斜梁框架前，配备了由挺杆操纵变速杆可以前后移动，靠近挺杆安装变速轮可以使这两个变速轮附近或分离的插件；在两侧支撑轮的后轮辐条的自行车后轴，轮对槽V带轮的外表面，随着车轮的内侧设有单向旋转棘轮驱动后轮；后斜梁上的V带上安装有推三角皮带张紧张力轮架。

走路和变速自行车没有组链轮和链条传动，成本低，重量轻，可实现无级调速，快速转换，速度比。

6）、带传动无级变速自行车无级变速自行车，改进了现有的电力自行车传动机构。

自行车的动力传动机构包括以下几个部分：小滑轮，滑轮小圆形，小叉，小车轮，滑轮，大轮，轮叉，大带轮和V带，V带的张紧装置，速度，刹车线，飞轮，飞轮的飞轮轴套，飞轮底座，滚子，滚珠轴承。

填充在后轴上，靠紧小的驱动轮，小车轮轮轴套固定连接，飞轮底座连接到后轴是固定的，领子里的飞轮也有流线型的槽，滚轮置于槽。

无级变速自行车通过皮带传动来实现自行车，传动平稳，噪音低无级变速，操作方便，
调速，调速范围大；无级变速自行车的同时，结构简单，加工方便，可实现大批量生产。

1.4机械式无级变速器研究的目的和意义
关于无级变速自行车的研究意义、实用价值如下：
1）、换挡的问题满足更多种类的速度比，一般的变速自行车设计为前后双齿轮组。

无级变速自行车可以实现速比的连续变化，对前、后齿轮的记忆复杂的搭配，增加易用性。

2）、链条问题传统变速自行车变速时由于在齿轮组空隙中容易掉链，无级变速自行车采取金属带式无级变速方式，锥形金属带夹两锥轮之间，不易脱链。

和金属带和锥轮比普通齿轮链更优异的性能。

降低维护难度。

3）、重心问题传统变速自行车的变速齿轮齿盘基本上都是安装到自行车的一侧，导致重心偏移，容易倾倒。

无极变速后轮并排，中间传输，重力中心，便于转弯控制。

4)、操作难度降低，适用于中国最早一代使用自行车却正在慢慢老去的群体。

只需转动旋钮即可实现变速。

5)、上坡问题普通变速自行车由于前后轮同时放置变速器，重心较无级变速自行车靠前。

上坡难度比后置无级变速自行车大。

6)、维修问题普通变速自行车因构建过多，增加了维修难度，而无级变速自行车零件简单，维修难度低。

7)、转弯问题采取前轮小后轮大的设计方式，增加了转弯的灵活性。

由于主要构件集中于后轮，重心靠后，可以减小前轮小容易前翻的问题。

这个时代的主题，是企业生存发展的主题，换句话说，自行车企业要在竞争的社会是如此之大，必须顺应时代的发展，以人为本，让更多的人通过设计变频调速系统的青睐。

毫无疑问，自行车企业要加快在变速系统的自行车的发展，提高其市场竞争力。

2 自行车无级变速器总体方案的确立
自行车无级变速方式有链式无级变速器、钢环分离锥式(RC型)无级变速器、刚性定轴无级变速器等许多形式。

在此，我选择了两种方案作参考和比较，最终选择一种理想的方案。

这两种方案分别是链式无级变速器和钢球外锥式无级变速器，分别描述如下。

2.1 链式无级变速器的分析
图2-1 链式无级变速器
链式无级变速器是一个钢制柔性变速驱动。

此变速器的磨损率的1／30，功率是带传动的11倍，与刚性摩擦传动相比，其具有以下特点：结构紧凑，使用寿命长，链条对于链轮表面的损坏程度较低，。

链式无级变速器的缺点是：制造成本高，运行速度过高会导致离心力太大，重量大；要使它能够高速度运行必须要尽量减少链的重量。

链式无级变速器主要由两对可以轴向移动的锥轮、输入轴、输出轴、导向键、花键、变速传动链等零部件构成。

其工作原理是：依靠两对可以轴向移动的锥轮通过导向键联接到相互平行的输入轴与输出轴上，两锥轮间形成一个夹槽，夹槽里有变速传动链，依靠压紧力使链轮和链条形成一个封闭的空间，在封闭空间中运动副依靠摩擦力来传递动力。

在轴关节联动两对链轮有三种方式：1）、锥轮1-1中的一个链轮与锥轮2-2中的一个链轮进行对角配置，从而使其作轴向移动。

同理，另外一对链轮进行对角配置，使其作同向移动，使得轴上的链轮副关闭时，另一个轴链轮副开放；2）、如图2-1所示，锥轮1-1`合拢时锥轮2-2`张开，锥轮1-1`张开时锥轮2-2`合拢，两对锥轮都可以作轴向
移动；3）、类似方式一，两对锥轮其中各取一个行程一对进行轴向固定，另外的两轮作反方向的移动，这样便形成了两对链轮的张开或者是合拢，为了形成两对链轮的关闭或开启，但固定轮扁，两轮之间形成单楔槽。

在开链和链轮，代理各种半径的对应位置，实现无级变速。

除了以上的传动机构外，还有使链轮驱动调速机构、夹紧力使链、连锁机构等。

链式无极变速器由于其传递的转矩在变速过程中是不断变化的，链条具有一定得寿命以及一定极限的工作拉力，所以链式无级变速器具有变功率、变转矩特性。

在较低的输出转速，输出扭矩大，功率恒定的条件下，为了避免链过度的张力、承载力和速度过快，应将链式无级变速器的速度比调整为比实际工作的速度比更小，从而在更好的条件下使传动工作，并能减小变速器的尺寸和成本，通过对体积和成本的传输速度比始终高于小功率传动变速比。

2.2 钢球外锥式无级变速器的分析
图2-2 钢球外锥式无级变速器
如图2-2所示，钢球外锥式无级变速器主要由输入轴、输出轴、加压装置、主动锥轮、从动锥轮、传动钢球、调速斜齿轮、传动钢球、外环、端盖等零部件组成。

其中两端盖里有径向弧行倒槽，钢球的支撑轴的两端嵌装在壳体两端盖的径向弧行倒槽内，并且穿过斜齿轮的曲线槽。

其工作原理是由输入轴输入动力，主动锥轮通过加压装置与输入轴进行同速转动，钢球与主动轮表面有接触，通过摩擦力作用，主动轮转动带动钢球旋转，而钢球旋转通过摩擦力又带动从动轮转动。

同样，从动轮通过加压装置带动输出
轴转动，将动力输出。

进行调速时通过两对斜齿轮转动，因为曲线槽的作用使钢球轴线的倾斜角发生变化，从而使得钢球与两锥轮的工作半径发生改变，最终改变了传动比，使输出轴转速得到调节。

这种变速器应用广泛。

图2-3 钢球外锥式无级变速器变速示意图
在从动轮的端面有一组圆弧或者是阿基米德螺旋线的曲线槽,数量与转动钢球的数量一样多.当从动轮转动时,曲线槽会迫使钢球绕钢球的轴心上下摆动,从而导致主动轮、从动轮与钢球的半径发生变化，即传动比发生变化，从而实现无级变速。

具体工作原理为：如图2-3所示，主动锥轮1和从动锥轮2分别安装在轴Ⅰ和轴Ⅱ上，钢球3可绕轴4自由的转动，并且被加压盘压紧在两锥轮的工作锥面上。

2.3 两方案的比较与选择
由于链式无级变速器的制造成本高，运行速度过高会导致离心力太大，重量大，运行速度不能太高，所以不适合使用在自行车上。

钢球外锥式无级变速器结构简单，原理清晰，所有参数也符合设计要求，所以选择此变速器。

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主要包括调速机构，钢球与主﹑从动锥齿轮，输入﹑输出轴上轴承，调速齿轮上的变速曲线槽，输入﹑输出轴上端盖，输入轴与输出轴，加压盘等部分的设计与计算，以下各章节分别介绍以上各零部件的设计与计算。

3.1 调速机构的设计与计算
调速机构采用一对传动比较平稳的斜齿轮来分度调速，在设计过程中，为了确保主
动斜齿轮转动1200，从动斜齿轮跟着转动900 ，那么只要将主动斜齿轮的直径设计成从动斜齿轮的3/4，就可实现这一目的。

根据斜齿轮的设计方法，主要对斜齿轮的模数、螺旋角、法面压力、端面压力、齿距、直径等参数进行设置。

（1）、从动斜齿轮的设计与计算
模数 2=n m mm 螺旋角 012=β 法面压力角 020=n α 端面压力角t α
3721.012cos /20tan cos /tan tan 00===βααn t 所以 04.20=t α 基圆柱螺旋角b β
19921.04.20cos 12tan cos tan tan 00===t b αββ 所以 027.11=b β 法面齿距 28.6214.3=⨯=⨯=∏n n m P mm 端面齿距 42.612cos /0==⨯=∏n n t P m P mm
法面基圆齿距 9.520cos 28.6cos 0=⨯=⨯=n n bn P P α mm
法面齿顶高系数 1=*
an
h 法面顶隙系数 25.0=*
n c
分度圆直径 37.10812cos /253cos /0=⨯===βn t zm zm d mm 基圆直径 57.1014.20cos 37.108cos 0=⨯==t b d d αmm
齿顶高 212=⨯==*an n a h m h mm
齿根高 ()
()5.225.012=+⨯=+=**n an n f c h m h mm
齿顶圆直径 37.1122237.1082=⨯+=+=a a h d d mm 齿根圆直径 37.10325.237.1082=⨯-=-=f f h d d mm 法面齿厚 14.32/=⨯=∏n n m S mm
端面齿厚 21.312cos /2/0==⨯=∏∏t t m S mm。