自行车自动变速器设计.doc

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自行车自动变速器设计赵春锋a , 周人杰b , 郭玮b (上海工程技术大学 a. 工程实训中心; b. 城市轨道交通学院, 上海 201620) 摘要: 针对普通自行车手动变速器使用繁琐、保养困难的缺陷,设计了基于单片机的自行车自动变速装置, 自动检测自行车时速,并依据使用者的舒适度对自行车设置自动变速. 该装置根据单片机采集的自行车发电前花鼓产生的交流电频率来判断车速, 与自行车当前的换挡设置进行比较,进而控制安装在车架上的直线步进电机, 推动自行车后轮内置式变速器的变速杆达到变速目的.自行车自动变速装置实现了轻松骑行,无需手动换挡,可以适应不同用户的变速设置要求. 关键词: 自行车; 自动变速器; 单片机中图分类号: U 484 文献标志码: A Design of Automatic Transmission for Bicycle ZHAO Chunfeng a , ZHOU Renjieb , GU O Wei b ( a. Engineering T rain ing Center; b. College of U rban Railway Transp ortat ion, S hanghai U nivers ity of Engin eering Science, Sh angh ai 201620, Ch ina) Abstract: Aiming at shortcomings o f the cumbersome operat ion and dif ficult maintenance for the hand operat ing t ransmissio n o f common bicy cles, an automat ic t ransmission based on single chip micro computer ( SCM) w as desig ned, w hich can detect the bicy cle speed and shift speeds automat ically acco rding to the comfo rt lev el o f users. The device can determine the bicycle speed in accordance w ith the SCM collect ing alternat ing current fr equency produced by the f ront hub g ener ator, compare w ith current shift set ting of the bicy cle and contr ol the linear stepping motor to push the g earlever of the rear derailleur of the bicycle for chang ing the bicycle speed. T he automatic bicycle t ransmission can achiev e requirements o f easy r iding , no manual shif t and shif t set t ing of different users. Key words : bicycle; automat ic t ransmission; SCM( Sing le Chip Micr ocomputer) 自行车是一种环保健康的出行代步工具,传统的自行车采用了固定齿比的传动系统, 在上坡和起步时相对费力. 自行车手动变速器的出现, 虽然解决了这个问题, 但是, 由于需要频繁地使用转动拨杆,使得普通变速车的故障率变高, 很大程度上阻碍了人们使用变速功能的热情. 基于此, 本文设计了一款结构简单, 能降低机构故障率, 并且能根据自行车时速自动进行变速的变速器[ 1- 5] . 1 变速器自动控制系统 1. 1 变速器自动控制原理整套自行车自动变速器的系统布置如图 1( a) 所示[ 6] .前轮的发电花鼓会随着前轮转速的变化而第 1 期赵春锋,等: 自行车自动变速器设计改变其发出电流,并对电源充电.单片机通过信号转换接收电流周期改变的信号, 根据信号的强弱判定是否需要进行变速.如果信号周期数值达到了单片机中预定的值,单片机会发出命令,使安装在自行车尾部的直线步进电机作出动作,推动自行车后变速器的变速杆,从而达到自行车变速的目的. 图1( b)为自行车后变速机构装配布置图. 直线步进电机安放于自行车后叉上,当单片机发送出变速的指令后,直线步进电机即开始运作,通过挡板推动自行车变速后花鼓的变速杆,使自行车变速. 图 1 自行车自动变速器布置图 Fig. 1 Layout of automatic transmission of bicycle 1. 2 自动控制系统组成自行车自动变速控制系统如图2 所示.自行车自动变速器内的单片机检测控制系统采用51 单片机作为控制核心. 光耦作为整形电路的核心, 51 单片机控制直线步进电机作出相应动作来操纵变速器的变速,让用户能轻松骑行. 其工作原理是前轮的发电花鼓产生的正弦波交流电通过整形电路转化为方波信号,方波信号的周期随着发电前花鼓的转速变化呈线性变化, 单片机计算方波信号的周期.当周期达到单片机程序预设的值后, 单片机发出直线步进电机的命令, 经过步进电机驱动器的处理,传输给直线步进电机,使步进电机产生动作,最终达到自动变速的目的. 图 2 单片机控制系统组成图 Fig. 2 Composition diagram of SCM control system 1. 2. 1 发电花鼓作为信号检测源在自行车自动变速器中, 采用了自行车发电前花鼓作为自行车车速检测源, 解决目前市场上普遍采用的踏频信号车速检测器灵敏度低的问题,能够反映在最低速度情况下的速度变化情况. 图3 为踏频信号车速检测器与发电前花鼓车速检测器在不同车速下产生电压的对比. 图 3 踏频信号车速检测器与发电前花鼓车速检测器检测灵敏度比较 Fig . 3 Sensitivity comparison of trample frequency signal detector with front hub generator detector 踏频信号车速检测器是在自行车曲柄上安装一个信号发射器,在自行车中轴处装载一个信号接收器,曲柄转动一圈接受一次脉冲信号. 这样的器材灵敏度低, 当车速低于8 km/ h 时,由于脉冲信号太弱, 传感器难以正确反映速度变化. 发电机脉冲信号检测,即在自行车前轴上安装一个小型发电机,利用的是切割磁感线产生电流的原理,通过检测产生的交流电流频率来监测自行车车速,实时反馈车速,使车速检测更精准,而且发电前花鼓经过结构优化,大大减少了发电时所产生的阻力, 其对骑行的影响可忽略不计.因此, 采用发电前花鼓作为自行车车速检测源的自动变速系统能更精确地测速,使得变速动作更为细腻,骑行感觉更为舒适. 1. 2. 2 自行车速度的采集自行车发电前花鼓在自行车骑行过程中产生的交流电的频率随着车速的变化呈线性变化,如图 4( a)所示. 左图为发电前花鼓低速转动时, 在数字 155 上海工程技术大学学报第 25 卷示波器上采集的波形;右图为发电前花鼓高速转动时,在数字示波器上采集的波形. 自行车自动变速器的信号采集是对交流电的频率进行采样,与预先设定的标准变速频率进行比对,从而决定是否要进行变速动作.由于交流电的波形是正弦波, 测定频率较为困难,所以, 在本套系统中先将交流电的正弦波波形转化为方波波形,从而方便单片机进行交流电频率的测量. 本文使用了 TLP521 光耦将正弦波转化为方波,其优点是抗干扰能力强,输出和输入之间隔离、耐干扰.由于发电前花鼓在中高速运转的过程中极端峰值电压可能会达到100 V 以上,采用诸如斯密特触发器等元件进行转换,遇到峰值电压时会对方波的生成造成干扰, 并且存在交流电与直流电之间的共地问题,这些可能对转换元件本身带来不可逆的损害.而光耦合器则解决了这样的问题, 其输入端和输出端电气隔离,发电花鼓高速运作中产生的峰值电压对生成的方波信号没有丝毫影响. 图4( b) 左图为低速状态下, 在数字示波器上采集的方波波形;右图为高速状态下在数字示波器上采集的方波波形. 图5 为利用光耦合器进行频率采集的原理图. 图 4 发电花鼓在不同车速下的波形图 Fig. 4 Waveforms of generator hub in diff erent speeds 图 5 频率采集电路图 Fig. 5 Circuit diagramof frequency acquisition 2 控制系统软件周期测量使用的是51 单片机中自带的计数器进行计算测量,测定脉冲的周期,计算出脉冲频率, 晶振频率为12 MHz.通过键盘对单片机进行信号设置后,开始信号采集.当接收到一个低电平时, 51 单片机内计数器开始计数,直到接收到一个高电平,停止计数.通过计算得出频率值,将频率与预设信号值作比较,如果符合调速条件,则发出脉冲信号使步进电机进行调速动作, 并将挡位通过发光二极管 ( LED)显示[7- 9] . 图6 为整套变速控制系统的流程图. 图 6 变速控制系统流程图 Fig. 6 Flow diagram of transmission control system 本套自行车自动变速器在设计初,即为替代用户思考自行车变速时机的系统,但是每个人对于速度和体力消耗的理解各不相同. 因此,在本文这套系统上增设了用户的微调开关和数码管显示,方便用户对于各挡位的速度预设值进行调整.如果用户觉得骑行中挡位的变化过快,自己来不及适应, 可以升高各挡位之间速度的预设值,延缓系统变速的时间;相反,如果用户觉得骑行过程中挡位的变化过慢,消耗了自己的体力而速度没有明显变化, 则可以降低各挡位之间的速度预设值,加快系统变速的时间. 通过这套速度微调装置的设定, 用户可以拥有符合自己使用习惯的自动变速系统,在骑行过程中能更加省力. 3 结语自行车变速器采用发电前花鼓作为速度采集设备,解决了市场上一般的速度检测器材灵敏度低的问题. 同时,采用单片机控制自行车变速动作, 无需用户干预, 用户不必学习自行车变速的相关知识 156 第 1 期赵春锋,等: 自行车自动变速器设计就能享受变速自行车轻松快速的骑行特点,特别适合老年人和女性等一些不习惯复杂的自行车变速动作的骑行者. 整套装置结构简单,无需维护,方便维修,能通过简单设置以适应不同用户的变速设置要求.整套系统在达到批量生产之后, 能将成本控制在人民币 600 元左右, 相对于日本售价12 000 日元的自行车自动变速系统来说, 更能让消费者接受.如果在有内三速变速器的自行车基础上进行升级改装, 还可将成本控制在 200 元以内, 性价比更高. 参考文献: [ 1] 薛荣生, 林毓培,郝充志. 数字智能传动传感化自动控制系统在电动自行车上的应用[ J] .中国自行车, 2007 ( 8) : 26- 36. 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