自行车无级变速器设计毕业设计.pdf

1 四川大学锦城学院 本科生毕业论文（设计）题 目 自行车无级变速器设计 学 院 四川大学锦城学院 2 自行车无级变速器设计 摘 要 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。而无级变速器是这样的一种装置，它具有主动和从动两根轴，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。当对主、从动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，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 0.751.22 之间进行无级调速。研究表明：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 无级变速器 调速 The design of the CVT on bicycle 3 Major:Mechanical design manufacturing and automation Student:Yang Xia Supervisor:Huang Hui Abstract Have no the class gearbox spread to mean under the function that is a certain to control,make the exportation stalk of machine turn soon can at two pole is worth the continuous variety in the scope of spread a way.But have no class gearbox is such a kind of device,it has active with from move two stalks,and can pass to deliver the middle of turning the Ju to lie quality(the solid,fluid and electromagnetism flows)to contact two stalks directly or indirectly to deliver power.When to lord,from move an axial contact relation to carry on a control,can immediately make spreading of 2 compare occurrence variety.(be worth to change in a row but at will inside the scope in two poles).Based on the analysis of various CVT and CVT bikes,in this dissertation,we change some parts of the Kopp-B CVT forming a new kind of CVT used to the bicycle.They are used to input or output the power through the friction and a pair of helical gears is also used to adjust the speed,so the speed can change between 0.75 and 1.22.This research shows that when the CVT are used in the bicycle,they can significant improve the performance of bike so that all customers can use it convenient.Keyword:CVT bike CVT Speed control.1 目录 1 绪论 1 1.1 机械无级变速器的特征和应用 1 1.2 机械无级变速器的分类 2 1.3 机械无级变速器的发展概况 2 1.4 无级变速自行车研究现状 3 1.5 自行车无级变速器运用实例 6 1.6 研究的目的和意义 8 1.7 毕业论文设计内容和要求 8 2 自行车无级变速器总体方案的选择 8 2.1 钢环分离锥式(RC 型)无级变速器 9 2.2 钢球外锥式无级变速器 10 2.3 两方案的比较与选择 11 3 钢球外锥式无级变速器部分零件的设计与计算 12 3.1 钢球与主从动锥齿轮的设计与计算 12 3.2 加压盘的设计与计算 13 3.3 调速齿轮上变速曲线槽的设计与计算 14 3.4 输入轴的设计与计算 15 3.5 输出轴的设计与计算 18 3.6 输入输出轴上轴承的选择与计算 21 3.7 输入输出轴上端盖的设计与计算 23 3.8 调速机构的设计与计算 23 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 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。机械无级变速器的适用范围广，有在驱动功率不变的情况下，因工作阻力变化而需要调节转速以产生相应的驱动力矩者（如化工行业中的搅拌机械，即需要随着搅拌物料的粘度、阻力增大而能相应减慢搅拌速度）；有根据工况要求需要调节速度者（如起重运输机械要求随物料及运行区段的变化而能相应改变提升或运行速度，食品机械中的烤干机或制药机械要求随着温度变化而调节转移速度）；有为获得恒定的工作速度或张力而需要调节速度者（如断面切削机床加工时需保持恒定的切削线速度，电工机械中的绕线机需保持恒定的卷绕速度，纺织机械中的浆纱机及轻工机械中的薄膜机皆需调节转速以保证恒定的张力等）；有为适应整个系统中各种工况、工位、工序或单元的不同要求而需协调运转速度以及需要配合自动控制者（如各种各样半自动或自动的生产、操作或装配流水线）；有为探求最佳效果而需变换速度者（如试验机械或离心机需调速以获得最佳分离效果）；有为节约能源而需进行调速者（如风机、水泵等）；此外，还有按各种规律的或不规律的变化而进行速度调节以及实现自动或程序控制等。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。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 机械无级变速器分为摩擦式、链式、带式和脉动式四大类。（1）摩擦式无级变速器 变速传动机构由各种不同几何形状的刚性传动元件组成，利用主、从动元件（或通过中间元件）在接触处产生的摩擦力进行传动，并通过改变接触处的工作半径实现无级变速器。由于这类变速器除了利用摩擦力之外，还可以利用润滑油膜牵引力进行传动，故通常也把它称为牵引（式）传动。但是，牵引传动实际上只有当借出去处于液体润滑状态时才能实现，然而一般变速器大都处于混合润滑状态，达不到液体润滑状态要求，故它主要还是依靠摩擦力进行传动。（2）链式无级变速器 变速传动机构由主、从动链轮及套于其上的钢制挠性链组成，利用链条左右两侧面与作为链轮的两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链的接触位置和工作半径，从而实现无级变速。由此可以看出，它与一般利用链与链轮啮合的链传动是不同的。不过目前应用最广、最基本的滑片链变速器，其锥盘接触面制有浅齿槽，故与链条接触时形成准啮合式，其作用是可以减少张紧力与滑动率。（3）带式无级变速器 与链式变速器相似，它的变速传动机构是由作为主、从动带轮的面对锥盘及张紧在其上的传动带组成。其工作原理也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。（4）脉动式无级变速器 变速传动机构主要由 35 相连杆机构组成，或者是连杆与凸轮和齿轮等机构的组合，其工作原理与连杆机构相同，但为了使输出轴能够获得连续的旋转运动，这里需配置输出机构（如超越离合器）。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 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 无级变速自行车研究现状 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。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.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、型传动带、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，两轮大小形状一致，锥面相对，组成带有形沟槽的大传动轮，固定在自行车中轴上，大动轮在拨叉控制下沿轴滑动；型传动带、型带张紧装置、调速器、闸线、飞轮，型传动带镶在大小轮的沟槽中；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：如图一所示，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。连 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 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 3535 上的传动销连接片 810、3、1312、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 615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 当今，社会发展已由工业社会向后工业社会、信息社会过渡，越来越重视“以人为本”、为人服务，因此，各机械零件的设计更应该强调从人身出发，在以人为主体的前提下结合人们衣食住行以及一切生活、生产活动中的综合习惯来研究设计。自行车无级变速器正是本着人体工程学，以人为本的前提下研究设计出来的，因此，研究并设计自行车无级变速器系统具有人类需求、顺应时代发展等特点。时代的主题便是企业发展生存的主题，换而言之，自行车企业要屹立于竞争如此之大的社会中，必须顺应时代的发展，以人为本，从而设计出更为人们所青睐的变速系统。毋庸置疑，自行车企业应加快发展自行车内变速系统，提高其市场竞争力。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 0.751.22；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。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。该两种方案分别是钢环分离锥式(RC 型)无级变速器和钢球外锥 式无级变速器，分别描述如下。2.1 钢环分离锥式(RC 型)无级变速器 调速锥轮钢环 图 2-1 钢环分离锥式(RC 型)无级变速器 如上图所示，为一种早期生产的环锥式无级变速器，是利用钢环的弹性楔紧作用自动加压而无需加压装置。由于采用两轴线平行的长锥替代了两对分离轮，并且通过移动钢环来进行变速，所以结构特别简单。但由于分离锥的锥度较小，故变速范围受限制。RC 型变速器属升、降速型，其机械特性如下图所示。技术参数为：传动比 i21=n2/n1=20.5,变速比 Rb=4,输入功率 P1=（0.12.2）kw，输入转速 n1=1500 r/min,传动效率85%。一般用于机床和纺织机械等.下图是 RC 型变速器的机械特性：0P2T2n22TP2 图 2-2 RC 型变速器的机械特性 2.2 钢球外锥式无级变速器 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 2-3 钢球外锥式无级变速器 如图所示，动力由轴 1 输入，通过自动加压装置 2，带动主动轮 3 同速转动，经过一组（38）钢球 4 利用摩擦力驱动输出轴 11，最后将运动输出。传动钢球的支承轴 8 的两端，嵌装在壳体两端盖 12 和 13 的径向弧行倒槽内，并穿过调速涡轮 5 的曲线槽；调速时，通过蜗杆 6 和蜗轮 5 转动，由于曲线槽的作用使钢球轴线的倾斜角发生变化，导致钢球与两锥轮的工作半径改变，输出轴转速得到调节。其动力范围为：Rn=9，Imax=1/Imin，P11 kw，4%，0.800.92。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 2-4 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、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、传动比 1122ir RRr，由于 12rr，所以 12ir r。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 钢环分离锥式(RC 型)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，但由于在调速过程中，怎样使钢环移动有很大的难度，需要精密的装置，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。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 11Pmmgv 人车变 0.16 52 09.84.1 70.8 6 =0.4039 kw 其中：1.01，65人mkg，20车mkg，8.9g,154.17vkm hm s，86.0变 轮胎直径：5601d 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 NdcQRgmq12118m32车人 其中：2801Rmm，1.02，16.21c，Q 为钢球所受正压力 代入数据可得：17997qdQ 3max331799741353135356284HqqQ Kddd 由于传动件的j=22002500 Mpa 带入上式得：22.51 25.58qdmm，取 dq=25 mm,钢球数8z 输出转速 n2=66.036006015000=142.3 r/min 输入转速 n1=142.3/(0.751.22)=189.7 116.6 r/min 传动比 maxmin1.22,0.75II 变速范围 63.175.022.1nR 钢球支轴的极限转角 增速方向 00/1maxarctan45arctan1.22 5 39 34I 减速方向 /00min2487875.0arctan45arctanI 圆锥工作直径 542516.2121qdcDD mm 钢球中心圆直径 7.71cos13qdcD mm 钢球侧隙 1cossin12.16 cos45sin1252.4328qcdmm 外环内经 7.96257.713qrdDD mm 外环轴向截面圆弧半径 (0.7 0.8)(0.7 0.8)2517.5 20?Rdqmm,取 R=18 mm 锥轮工作圆之间的轴向距离 68.1745sin25sin0qdB mm 3.2 加压盘的设计与计算 加压盘的作用直径 pd=(0.5 0.6)D1=(0.5 0.6)54=27 32.4 mm 取30pd mm 滑动摩擦角0/53.815.0arctanarctancf 加压盘 V 形槽倾角 =arctansin1pdfD=14.850 传动钢球的确接触应力为 =13533KdQ=13533325417997=2251.35 Mpa j 每个钢球作用在 V 形槽侧面的正压力 Qy=18085.14sin30885.04039.095500001.120 =651.6 N 用 钢 球 加 压 装 置 时 jmax=137032qYzrQK=13703246.6511.1 =4865.6 Mpa j 其中：j为 40005000 Mpa 钢球半径 4qr mm 27.8cos/2qrB mm 碟形弹簧预紧力为 200 N,结构设计如下图所示：图 3-1 加压装置 3.3 调速齿轮上变速曲线槽的设计与计算 槽的张角=800120,取=900。(1)变速曲线槽的槽形曲线为圆弧，中心线上三个特殊点 A，B，C 的坐标系（以 O 为极点）分别为：22.1maxII时,00A 66.334828sin5.157.715.0sin5.0/0max3lDRA mm 其中：qdl5.0（0.5 1.0）=2555.0（0.51.0）=15.5 mm I=1时，B=maxmax1II=09022.1122.1=49.460 85.357.715.05.03DRB mm 75.0minII 时，090C,384875sin5.157.715.0sin5.0/0min3lDRC mm 图 3-2 调速论(3)用通过三点作圆弧的方法确定槽圆弧确定曲线半径 R 和中心 O”(4)要求传动比 Ix与齿轮转角呈线性变化时，槽形曲线方程为：R（）=0.5D3+lsin =0.5D3+lsin arctan cot11minmaxmaxminmaxmaxIIIIII =0.5 71.7+15.5sin arctan 045cot75.022.122.1175.022.122.11 =35.85+15.5sin(arctan47.08.198.1947.000)3.4 输入轴的设计与计算 1.输入轴上传递的功率为 4093.0输入P kw 转速 n1=189.7116.6 r/min,取 n1=135 r/min 转矩 T1=95500001nP入=95500001354039.0=28572 N mm 2.如图所示，作用于锥轮的正压力 Q 图 3-3 正压力计算示意图 由前计算可知：17997qdQ，其中25qdmm 所以6.490982517997总Q N 单个锥轮的轴向力 Fa=径向力95.43345sin7.6130tF N 3.初步确定轴的最小直径 选取轴的材料是40Cr，调质处理，取A0=100，于是得：dmin=0A 31nP入=10031804039.0=14.4 mm，取 dmin=14.5 mm 4.轴的结构设计 图 3-4 输入轴 如图所示，-段装飞轮，-段装端盖，-段装轴承1，规格是 d1=17 mm，-段为轴肩，d=19.4 mm，-段装轴承2，规格 d2=12 mm，-,-段装压紧装置以及装锥轮，具体尺寸如零件图所示 5.求轴上的载荷 -段不承受径向载荷 两轴承的距离为1.2921.2889 mm 飞轮压轴力方向线与轴承 1 的距离为5.1459.9 mm 图 3-5 压轴力受力模型 a.计算压轴力 Fp eFPpFKF Fe=1000vp v=10006011pzn 选定链条型号和节距 查机械设计【1】表 9-7，9-13，单排链 234.04039.058.00.1PKKPZACA kw 90/n r/min由 PCA和 n的值查机械设计【1】图 9-11，得可选 10A-1，链条节距875.15p mm 故 v=100060875.153890=0.904857 m/s 所以 Fe=904875.04039.01000=446.4 N 所以 36.51315.11.446pF n（链条水平布置时的压轴力系数KF P=1.15）b.11rFF 22rFF 1.299.142rpFF 所以 2.2382rF N 所以 56.7512.23836.513211rprFFFF n 计算最大弯矩 66229.1436.513AnaxMM N.mm 6.校核扭矩 T=9550000nP=95501359.403=28572 N mm CA=w22285726.06622=322171.0285726.06622=34.7 Mpa-1=60 Mpa 键槽处轴的校核 W(c)=dtdbtd23222=5.1421235325.1422=224.7 （AC）=7.224214296.0=57.22 Mpa CA=60 Mpa 7.键强度的校核 平键的尺寸为 1055lhb，键槽轴深 0.2,0.3thkt p=kldT3102=5.14102214292=147.8 Mpa p=120150 Mpa 满足条件 花键校核 p=2T 103/(zhldm)其中：为载荷分配不均系数，取 0.8 花键齿数 8z 齿的工作长度 8l mm 花键齿侧的工作高度 5.1h mm 花键的平均直径 5.1321215md mm p=mzhldT3102=5.1385.188.0214292=41.34 Mpa p=4070 Mpa 花键的连接情况是：使用或制造情况不良，齿面未经热处理，故满足要求 3.5 输出轴的设计与计算 1.输出轴上的传递功率为 3474.017.48.920651.0输出P kw 转速 3.142n2 r/min 于是转矩 T2=2n9550000出P=95500003.14234736.0=23311.9 Nmm 2.作用于锥轮的正压力 Q 由前计算可知：17997qdQ,其中25qdmm 所以 Q=7.6132517997 N 单个锥轮的轴向力 Fa=径向力95.43345sin7.6130tF 3.初步确定轴的最小直径 选取轴的材料是 40Cr，调质处理，取 A0=100，于是得：dmin=0A 32nP出=10033.14234736.0=13.5 mm 取 d=14.5 mm 4.轴的结构设计 图 3-6 输出轴-段与输入轴的-段完全相同，只有-段不一样，输出轴-段装的是后轮轴。这样设计便于统一加工。5.求轴上的载荷 两轴承的距离为1.2921.2889 mm 压轴力 F合压与轴承 1 的距离为9.449.935mm 合 图 3-7 压轴力受力模型 如上图所示 F合压=22fN=221.0328.92065N=558.1 N 3.555328.92065N N 1.5589.449.441.291合压FFr 所以8.8222rF N 9.13801.5588.82221合压FFFrr N 6.计算最大弯矩 239431.298.8