毕业设计论文自行车传动系统

论文：自行车传动系统摘要自十九世纪初第一辆自行车问世以来发展到今天,自行车已发展成为一种综合代步、运输、健身、竞技、娱乐等多功能产品。自行车结构看似简单，实质是结合人体工程学、动力学、机械、美学等多方面的综合设计，可分为山地车、公路赛车、轻便城市车、休闲运动车等四类。中国在世界上是自行车王国，人均拥有1.5辆自行车，但长期以来，自行车仅仅是作为国人的一种简单的代步工具。自行车主要由三大部件构成，它们分别是：驱动传动系统、导向系统和制动系统。总的来说，驱动系统是整个自行车结构的灵魂。一辆自行车的好坏，往往也就是取决月驱动传动系统的好坏。下面我们来看看这个最神奇的驱动传动系统的神秘所在。我们都知道，自行车的前进是在人的脚蹬踏作用下从轮盘到链条再到飞轮而后后轮得到动力的。这个过程中，传递力的效率高低，往往决定了一辆自行车的使用性能。传动系统的效率是自行车的变速系统所决定的。因此，我们本文对自行车的传动系统，变速系统等方面做一个简单的了解。关键词：自行车传动、驱动系统、变速系统、AbstractSince the beginning of the nineteenth Century first bicycle since the advent of development today, the bicycle has developed into a comprehensive transport, transport, health, sports, entertainment and other multi-function products. Bicycle structure appears to be simple, essence is the combination of human engineering, dynamics, mechanical, aesthetics and other aspects of the overall design, can be divided into mountain biking, road racing, portable city car, leisure sports car four Since the beginning of the nineteenth Century first bicycle since the advent of development today, the bicycle has developed into a comprehensive transport, transport, health, sports, entertainment and other multi-function products. Bicycle class. China is a kingdom of bicycles in the world, per capita1.5 bicycles, but long-term since, the bike is only as a people with a simple tool of ride instead of walk.The bicycle is mainly composed of three parts, they are: drive transmission system, steering system and brake system. In general, the driving system is the whole structure of the bicycle s soul. A bicycle is good or bad, often also is determined on drive system. Here we have a look the most fantastic drive system of mystery. As we all know, the bicycle forward in the foot pedaling under from disk to the chain to get power flywheel and rear wheel. In this process, transfer efficiency, often determines a bike performance. Transmission efficiency of the system is determined by a bicycle transmission system. Therefore, we in this paper, a bicycle transmission system, transmission system and other aspects of a simple to understand.Keywords: bicycle transmission, driving system, variable speed drive system, 一、自行车的发展历史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，苏格兰人麦克米伦制造出木制车轮，装实心橡胶轮胎、前轮小、后轮大、坐垫较低、装有脚踏板和曲柄连杆装置，骑者可以双脚离开地面的自行车。同年，麦克米伦又将木制自行车改为铁制自行车。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。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。从此，基本奠定了现代自行车的雏形。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。二、自行车的基本结构自行车结构虽不复杂，但是每一部分的设计都是有着丰富的物理原理。要研究自行车，首先要研究的便是自行车的基本结构。下面，我们通过图文结合的方式来了解下自行车的基本结构。自行车的整体结构车座前后轮自行车的牙盘自行车的三脚架三、自行车的传动模型分析我们来看看下面的传统自行车传动模型：后 轮Rr21R1R2R3后链轮L前链轮从图中可以看到，当前轮以1的速度转动时，后链轮的转动速度应该是:同时，由于后轮和后链轮是同一个轴上的同步转动的，所以又有如下关系：那么就可以得到，当人以每分钟n转的速度骑行的时候，应该有自行车的前进速度即为后轮的前进速度：因为人体每分钟能提供的n可以看做常数，且是有限的，即如果将上面表达式中常数部分以一个量a来表示时，上式即变成：不难看出，要提高车的速度，唯一可行的办法是提高R1R3/R1的值。因此，可以把前链轮做的大一些，后链轮较之后轮和轮盘小很多，那么就可以提高骑行速度。但是，当R1R3/R2的值过大，我们会发现问题，自行车不但没有像理想中那样提速，反而连骑动都很费力，当然这样的自行车在市场中是不存在的(不会有商家弱智到这种地步，但是分析是有意义的，因为设计时必须要考虑的问题就是分析的重点)。其原因是什么呢，经过分析不难看出，当人骑车时，通过脚踏板和曲轴给轮盘一个转动力偶，这个力也是基本已定的。当这个动能通过链条传递到后链轮后，车后轮就和后链轮一起被驱动，当假设地面是光滑的时候，后轮应该是在原地绕着轴转动。正是由于地面不光滑，后轮受到了一个来自地面的摩擦力，所以它才在人力驱动下相对地面做以一个绕无穷远点为中心的转动，也就是沿着轮和地面接触点切线方向向前进。来自大地的摩擦力既有滑动摩擦力、滚动摩擦力也有少部分静摩擦力，而其中静摩擦力的上限稍稍大于滑动摩擦力。在未开始骑行时，将可以把这三种摩擦力的合力视为滑动摩擦来处理，这时将整个车受到的静摩擦和滚滑动摩擦一起设为，人和车总重为G，橡胶轮与地面的摩擦因素设为，那么有：。这个就是我们需要通过踏板给予车轮的。先不考虑脚踏板和轮盘间传动效果，设人能给予轮盘的力即后链轮受到的带动拉力为F，那么F和对后轮轮盘中心的力矩为零。所以就有关系: 即 同时注意到，由于橡胶和地面间摩擦系数接近于1（为了安全，刹车时能更快停下来所以在轮胎上设计了很多条纹突起等增大摩擦），那么，一旦R3/R2设计过大，假设为10，那么上式就近似为：，要想满足上式，链条将要承受多大的力啊。由于链条能承受的拉力是有限的，所以过大的拉力将会导致链条被拉断。另外，链条在长期的载荷下，必将产生不可恢复的塑性形变，久之就使得链条不能张紧、传动无力等“疲乏”现象。考虑脚踏板和轮盘间的力传动，设脚踏板到轮盘转轴距离为d，人对脚踏板的力为，可以知道有如下关系：考虑到上面几个关系式，可以得到：可见，当R1R3/R2值设计越大（即希望转速越快）时，需要人提供的蹬力就越大。而人体构造决定了自行车d的上限，所以，要想省力，就要控制R1R3/R2的比值，这也决定了传统自行车的骑行车速。同时我们从上面的式子也可以看出，只要改变R1R3/R2的值，自行车前进速度就会随人蹬脚踏板的速度相应地改变，这也就是变速自行车的变速原理。如下图:（导链轮）换挡变速器换挡推手当转动变速器时，推手将作用于换挡变速器，换挡变速器的工作原理就是将链条向里或向外推，由于齿轮的齿尖向链条方向翻出了一定角度，当链条被推到该齿尖接触范围时，由于换挡变速器和后轮连接轴的张紧作用，将使得自行车链条转接到后轮后链轮不同的档位，实现不同的变速要求。前面的前链轮的换挡原理和后轮基本一致，只是略有一些不同而已。由此可以看出，两轮（脚踏轮和后链轮）的不同半径轮越多，可变速档位也就越多。四、自行车变速器的物理分析自行车的运动主要是将人脚交替对脚踏板的压力转化为车轮与地面的摩擦力，转化的重要部分是自行车的传动部分。现在市场上还出现了椭圆轮盘，通过改善链条传动受力情况，以达到减少骑行过程中链条受到的冲击、延长链条寿命的目的。现在还有一种更加省力、高效、实用的自行车传动系统，叫做自行车双向蹬力传动机构。它打破了传统自行车单向传动直径圆周运动方式, 创立了自行车多向传动半径运动驱动方式, 使百年来自行车的运动方式有了新的突破。本实用新型系统与一般蹬力传动机构一样也包含有脚蹬装置及链条传动装置,其特点是具有两只对称且交错设置的脚蹬装置和两组链条传动装置, 每一脚蹬装置各与一组链条传动装置相连; 每一组链条传动装置包含有一链轮及一前转轴, 一单向转动的后链轮, 一链条、一轮毂、后轴、一前转轴;每一脚蹬装置主要包含有一脚蹬杆和一脚踏板, 脚踏板铰接在脚蹬杆的一端, 脚蹬杆的另一端连接在前链轮中心位置和前转轴一侧, 链条则环齿过前链轮和后链轮相接; 两前转轴内侧上设有三只相互啮合直角伞型齿轮, 并安置在一齿轮箱内; 两后链轮连接在同一轮毂和一后轴上。在骑行时，首先以前转轴为中心, 作前转轴前半径内的上下往返的运动：脚踏脚蹬用力由上向下时, 该脚蹬随前链轮和前转轴一起向下转动, 其结果是在与前链轮相连的链条作相应的向前动, 一方面拖动后链轮和轮毂( 该轮毂上装有车轮)转动, 同时前链轮使装在前转轴内侧上的齿轮转动, 则与之啮合的另二只齿轮向后产生反转,该反转的齿轮则使与其连接的前转轴和前链轮及脚蹬转动, 结果与该前链轮相连的链条也产生反转, 形成两脚蹬一下一上之势, 此时当用力脚踏在上方一脚蹬时, 则产生与上述相反的运动状态; 双脚轮换向下施力的结果, 使得车辆即向前行驶。善于观察的人一定会问一个问题，那就是，为什么自行车后链轮转动会带动后轮转动而链条却不会随后轮转动而带动后链轮链条和脚踏板呢转动？这里面实际上有如下巧妙的设计：链轮里面有一个弹簧顶住的卡子（里面有一个或者一串）钢珠，它们被控制在一个斜槽中，当后链轮向前或者向后转动时，钢珠将会在斜槽中向较窄或者较宽的一方滚动，这样就可以保证当链条前进的时候后链轮会卡住轮子带动后轮转动，当链条静止或后转时后链轮和链条不随之运动，不影响轮子自由转动。自行车的转向和制动系统主要则是运用了杠杆原理，从而达到省力而灵活的特点。另外自行车应当骑起来越轻松、越灵活才越好、越省力，所以在自行车转动的地方，中轴、后轴、车把转动处，脚蹬转动处、飞轮等地方，都安有钢珠。转动地方安装钢珠是为了减小摩擦力，保护零件，节省动力，因为滚动摩擦比滑动摩擦小得多，用滚动来代替滑动可以大大减小摩擦，并经常加润滑油，使接触面彼此离开，摩擦变得更小、更省力。自行车变速系统应包括飞轮、链轮、前拨链器、后拨链器四部分。飞轮一般包括三级以上，最多可达九级。每级齿片的齿数不同，一般选用奇齿数，以便于变速的轻便和快捷。链轮有单片、双片和三片之粉。链轮是主动轮，由骑行者通过曲柄旋转链轮产生原动力，在链条的传动下，带动链轮。链轮齿和飞轮齿的齿数决定传动比。选择不同配对的齿可以是骑行者根据路况以及自己体力选择不同的传动比，以达到骑行轻便的要求。前拨链器由变速手柄拉动或放松钢绳来改变它的行程，从而拨动链条来选择不同的链轮齿与其传动。后拨链器也利用变速手柄来调节它的行程，用以拨动链条不同的飞轮齿。因此自行车变速系统为骑行者提供了良好的骑行环境。例如：链轮为三片链轮，飞轮为七级飞轮，则骑行者可选择21种不同传动比的传动类型。因此自行车变速系统是极其重要的。 前拨链器、后拨链器由于要不断地改变着行程，故而弹簧的设计极其重要。它要求能在规定的使用周期内保持良好的回复力和效率。但更重要的是机构的设计，因为变速手柄在调节一个挡位后钢绳伸长或缩短一固定的数值，同时拉动或放松拨链器，而前拨链器改变的行程必须满足将链条准确地从一个齿到另一个齿上，如果行程过大或过小，则变速不准确，链条与齿轮产生较大的摩擦音，同时加剧了链轮或飞轮齿的磨损。 链轮和飞轮的设计必须考虑到传动比和轴传递的功率。从而设计出不同齿数、不同分度圆直径的齿片，从而使变速性能达到最优化。同时最重要的是确定齿片的间隙，这必须等于拨链器的行程。 山地车和公路赛车一般都有变速系统，可根据骑行的路况选择不同的挡位，使得骑行者轻便、快捷。变速系统包括链轮、飞轮、前拨链器和后拨链器。在变速车系列中，变速器无疑是它的灵魂，会直接影响其性能，甚至还会影响到骑行者的情绪。在国外优秀的变速系统中，已告别了依赖于操作维修和技术的变速时代，实现了无论晴天还是雨天，无论平坦的柏油路还是崎岖的山路都简单、准确、安稳地进行变速。拨链器中有GS、SS型号，在此基础上又可分为上拉式、下拉式和为不同直径的五通管而设计的多种类型，从而满足了不同的消费者和厂商的要求。同时又采用了非平行调速机构，将过去变速器改为非平行圆弧移动，使低速变速更加平稳顺畅。这种机构彻底清除了过去强迫上链等勉强的操作，使变速工作实现了理想的轨迹。飞轮经电脑辅助设计，更加地优化，实现了在最短的理想距离内变速，使原来换链时滑链、拉链的现象消失了。 五、自行车的发展趋势中国在世界自行车生产格局中具有举足轻重的地位。据不完全统计，2006年中国自行车的产量为8000多万辆、出口量6000多万辆。中国自行车的产量、出口量和消费量均居世界首位。自行车是大众普遍使用的代步和健身工具，只有选用轻质材料显着的降低重量，才能提高自行车的品质，提高性能，满足人们对自行车产品的多样需求。特别是对电动自行车降低重量有着更为重要的意义，因为整车重量减轻，对电池的消耗就会减小，相应就可以延长蓄电池一次充电后的行驶里程。因此进行材料革命，实施自行车产品结构调整势在必行。据专家介绍，镁是继钢铁、铝之后的第三大金属工程材料，被誉为21世纪绿色工程材料。镁及镁合金在减重、节能、环保和可循环利用方面的巨大潜力，引起了国内外越来越广泛的关注。近年来，在我国及美国、日本、俄罗斯等国家都在自行车车架、车轮、转向、传动等系统开发应用镁合金材料。镁合金材料与现在自行车普遍使用的铝合金材料相比成本相当，强度增加，但重量却轻了约三分之一。因此该材料成为国际自行车产业关注的新型材料。而加快推进镁合金自行车产业化，则是我国自行车行业发展的必然趋势。六、结论自行车传动系统的原理是将人体输出的生物能转化为自行车前进的动能，这就要求其转化率需要达到一个较高的水平，避免浪费过多的体力，同时传动系统须简洁，过于复杂会造成质量大，成本高，装配难度大，失败概率高，同时保养困难，是一个本应是出行更方便之物变成麻烦的源泉，得不偿失。致 谢本文是在尊敬的导师常静的精心指导下完成的，导师高尚的品德，渊博的学识，严谨的学风和高度的责任心深深地影响着学生。导师的教诲是学生宝贵的精神财富，并将使学生受益终生。在此，谨向尊敬的导师表示真诚的感谢和崇高的敬意！在课题的研究过程中，黄河科技大学工学院的各位领导和老师对论文的完成给予了很大支持和帮助，在此表示由衷的感谢！最后，作者还要深深地感谢默默支持本人完成学业的父母及亲友，感谢他们为我所做出的无私奉献和巨大支持！谨向所有在本文的完成中给予作者关怀和帮助而在此无法一一提及的老师、同学和朋友致以诚挚的谢意！参考文献 1 钱可强.机械制图.北京：高等教育出版社，2009 2张定华工程力学.北京：高等教育出版，20008 3黄健求.机械制造技术基础.北京：机械工业出版社，2010 4卢玉明.机械设计基础.高等教育出版社，1998 5.刘鸿文.简明材料力学.北京：高等教育出版社，1997