自行车用无级变速器结构设计

PAGEPAGE36目录1绪论 31.1机械无级变速器的概述及应用 31.2 无级变速器的分类 31.3 机械无级变速器的发展 41.4无级变速自行车研究现状 61.5毕业论文设计内容和要求 72 钢球行星式无级变速器的总体方案选择 92.1 采用螺旋传动实现球架的左右移动 92.2 依靠左右推动实现球架的移动 102.3 两方案的选择与比较 103 钢球行星式无级变速器部分零件的设计计算 113.1钢球的设计计算 113.2 钢球支轴转角的设计计算 123.3 轴槽的长度及卡盘的倾斜角的设计计算 133.4轴的设计计算 143.4.1轴的选材及最小直径的计算 143.4.2轴的结构设计 153.4.3轴的校核 163.5滚动轴承的选择 183.6自行车无级变速器的安装 194钢球行星式无级变速器的变速原理论证 204.1关于本文的无级变速器 204.2无级变速的运动结构分析 204.2.1无级变速的运动 204.2.2变速原理分析 225结论 23参考文献 24致谢 25外文翻译 26自行车用无级变速器结构设计专业:机械设计制造及其自动化学生:朱杨华指导老师：聂松辉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0.75～1.22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ThedesignoftheCVTonbicycleMajor:MechanicaldesignmanufacturingandautomationStudent:ZhuYangHuaSupervisor:NeiSongHuiAbstractHavenotheclassgearboxspreadtomeanunderthefunctionthatisacertaintocontrol,maketheexportationstalkofmachineturnsooncanattwopoleisworththecontinuousvarietyinthescopeofspreadaway.Buthavenoclassgearboxissuchakindofdevice,ithasactivewithfrommovetwostalks,andcanpasstodeliverthemiddleofturningtheJutoliequality(thesolid,fluidandelectromagnetismflows)tocontacttwostalksdirectlyorindirectlytodeliverpower.Whentolord,frommoveanaxialcontactrelationtocarryonacontrol,canimmediatelymakespreadingof2compareoccurrencevariety.(beworthtochangeinarowbutatwillinsidethescopeintwopoles).BasedontheanalysisofvariousCVTandCVTbikes,inthisdissertation,wechangesomepartsoftheKopp-BCVTforminganewkindofCVTusedtothebicycle.Theyareusedtoinputoroutputthepowerthroughthefrictionandapairofhelicalgearsisalsousedtoadjustthespeed,sothespeedcanchangebetween0.75and1.22.ThisresearchshowsthatwhentheCVTareusedinthebicycle,theycansignificantimprovetheperformanceofbikesothatallcustomerscanuseitconvenient.Keyword:CVTbikeCVTSpeedcontrol.1绪论1.1机械无级变速器的概述及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。无级变速器的分类机械无级变速器分为刚性式、行星式、链式、带式和脉动式四大类。摩擦式无级变速器由刚性传动元件组成，不调速时各传动件的回转轴线位置固定不变。它具有结构简单、形式多样的特点。它分为有中间滚轮与无中间滚轮两大类，前者有较大的调速比（Rb≤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高。行星式无级变速器具有作行星运动的中间滚动体，依靠滚动副间的牵引（摩擦）力，通过改变太阳轮或行星轮的工作半径来实现变速的无级变速器。其传动原理与一般锥齿轮行星轮系很相似，但没有轮齿因而工作半径在运动过程中可以调整。由于上述传动原理的特点，使行星无级变速器的结构、性能与刚性式无级变速器不同。行星无级变速器的共同特点：1、变速范围较宽广；2、输出转速恒低于输入转速；3、输出特性好；4、采用多行星轮分汇流传动；5、结构紧凑，加压和调速操纵机构比较简单。链式无级变速器通过两相对锥轮之间形成楔形夹槽，夹持着特殊结构的变速传动链，依靠压紧力使链和链轮形成力（或准形）封闭运动副，依靠摩擦力来传递动力，它属于钢质挠性变速传动，其功率和磨损率分别是带传动的11倍和1/3。所以结构紧凑、寿命长。带式无级变速器其结构简单、制造容易、工作平稳、能吸收振动、易损件少、带的更换方便；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。它由主、从动锥（带）轮、紧套在两轮上的带、调速操纵机构和加压装置等组成。当主动轮转动时，借带与锥轮间的摩擦力驱动从动轮并传递动力；通过调速操纵机构改变带在锥轮上的位置，使主、从动轮的工作半径改变，以达到无级变速的目的。脉动式无级变速器由连杆机构与单向超越礼盒器组成的变速器。它通过调速机构来改变连杆机构中某一构件的长度，以形成构件间新的尺寸比例关系，使摇杆获得不同的摆角，通过超越离合器使输出轴的转速发生变化，从而达到无级变速的目的。机械无级变速器的发展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/T5984-92《宽V带无级变速装置基本参数》(2)JB/T6950-93《行星锥盘无级变速器》(3)JB/T6951-93《三相并联连杆脉动无级变速器》(4)JB/T6952-93《齿链式无级变速器》(5)JB/T7010-93《环锥行星无级变速器》(6)JB/T7254-94《无级变速摆线针轮减速机》(7)JB/T7346-94《机械无级变速器试验方法》(8)JB/T7515-94《四相并列连杆脉动无级变速器》(9)JB/T7668-95《多盘式无级变速器》(10)JB/T7683-95《机械无级变速器分类及型号编制方法》(11)JB/T7686-95《锥盘环盘式无级变速器》(12)JB/T50150-1999《行星锥盘无级变速器质量分等》(13)JB/T53083-1999《三相并联连杆脉动无级变速器质量分等》(14)JB/T50020-××××《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)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毕业论文设计内容和要求设计内容：根据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：输入功率P=0.15kw、最低转速n=20rpm、调速范围R=8；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；关键部件满足强度和寿命要求；画零件图和装配图。钢球行星式无级变速器的总体方案选择采用螺旋传动实现球架的左右移动图2.1方案图一如图2.1所示，轴的一端为空心，中部开有一个槽，如图2.1所示将调速块插入轴的槽中，该零件是内带螺纹孔的，将一螺钉插入轴孔中如图2.1所示，该螺钉刚好与轴空端部接触，使之不能移动，在零件上装一个轴承，两边用如图所示的卡盘卡住，卡盘由球架的固定架固定，则拧动螺钉，轴承与卡盘会跟着零件而左右移动，套在轴承及卡盘上的球架的中心轴会因球架的上下浮动而有角度的倾斜，从而达到变速的目的。依靠左右推动实现球架的移动图2.2方案图二如图2.2所示，其余装配部分一样，但插入轴槽中的零件不再是内带螺纹孔，而是是实心的，在零件的左端部带有一弹簧，如图所示，弹簧的直径与孔径一样大小，当整个装置位于最右端是，弹簧与轴孔的端部有一定的预紧里力，从轴孔的右端插入一直径与孔径般大小的铁棒，则左右推动铁棒便可以实现整个装置的左右移动，从而达到变速的目的。两方案的选择与比较两方案都能达到预期的变速目的，其中，螺旋传动能很好的保证变速过程中的精度、效率、磨损寿命和强度等的要求，便于制造，易于自锁；方案二也可以达到变速效果，而且弹簧制造简便，使用广泛，但如果采用方案二，不易于自锁，则在轴的右端还要加一自锁装置，从而使整个装置复杂化，站在人力的角度思考，方案二相比于方案一要费力，所以综合考虑，我选用方案1—采用螺旋传动来实现钢球架的左右移动从而实现自行车的无级变速。钢球行星式无级变速器部分零件的设计计算3.1钢球的设计计算由力学知识可知:轮胎所产生的转矩与钢球摩擦所产生的转矩平衡设钢球的个数为八个×（M人+M车）×g×u1×R1=8×Q×u2×C×其中：M人=65kg,M车=20kg,u1=0.1,u2=0.1,g=9.8，R1=280mm，C=2.16，Q为钢球所受正压力代入数据可得：Q×Dq=17997看参考文献[1]可知：§Hmax=1353×=1353×由于传动件的[dj]=2200～2500MPa，带入上式得：Dq=22.51～25.58mm取Dq=25mm该装置是自动加压装置，依靠固定连接在钢球支轴两端的固定架中的小球上下滑动从而使支轴有一转角变化，取小球直径d=8mm。钢球支轴转角的设计计算本文钢球支轴极限转角图如图3.1所示：图3.1钢球支轴极限转角图如图3.1所示：AO=BO∠0AC=∠BOD则RtΔOAC∽RtΔBOD根据图3.2所知：sin∠1=EQ\F(R1,R)cos∠1=EQ\F(R2,R)=cos∠2则tan∠1=EQ\F(R1,R2)θ=45°-arctanEQ\F(R1,R2)=45°-arctanI参考参考文献[2]中钢球行星式无级变速器的规定，取Imin=0.3，又已知Rb=8，故Imax=1.6。因此该无级变速器的调速范围在0.3～2.4之间。钢球的极限转角为：增速方向θ=arctanImax-45°=arctan2.4-45°=22.38°减速方向θ=45°-arctanImin=45°-arctan0.3=28.3°钢球的中心圆直径为：D=（C1+cos45°）╳dq=(2.16+)╳25≈71.7mm钢球侧隙为：[(C1+cos45°)╳sin-1]╳dq=[(2.16+)╳sin-1]╳25≈2.43mm轴槽的长度及卡盘的倾斜角的设计计算本文调速机构如图3.2所示：图3.2调速机构根据以上计算得：增速方向θ=arctanImax-45°=arctan2.4-45°=22.38°减速方向θ=45°-arctanImin=45°-arctan0.3=28.3°由图3.2可知：∠1=∠θ增=22.38°∠2=∠θ减=28.3°由上面的计算可知：钢球的半径R=12.5mmL1-2=12.5Xcos22.38°=11.52mmL3-4=12.5Xcos28.3°=11.01mm由上面计算可得：钢球向左偏移了0.98mm，向右偏移了1.49mmL1-2=11.52+1.49=13.01≈14mmL3-4=11.01+0.98=11.99≈12mm增速方向钢球下降的距离为：H1=12.5Xsin22.38°=4.76≈5mmH2=12.5Xsin28.3°=5.93≈6mm3.4轴的设计计算3.4.1轴的选材及最小直径的计算由于自行车在工作过程中受的载荷不大，工作环境比较平稳，根据参考文献[9]可选45号钢，并进行调质处理，HB217～255。轴的最小直径为：dmin≥A0╳在参考文献[3]表15-3中可知：取A0=115对于空心轴而言dmin≥A0╳╳由参考文献[3]可知：μ=0.5代入数据可得：=1.022由于设计要求P输入=0.15kwnmin=20rpmRb=8由参考文献[4]得Rb==8nmax=160rpm从而可知转速n的范围在20～160rpm之间取n=150rpm查参考文献[5]得取效率为η=0.82P输出=0.15╳0.82=0.123kw实心轴部最小直径为：dmin≥A0╳=11.50mm空心轴部最小直径为：dmin≥A0╳╳≈11mm所以取轴的最小直径dmin=12mm3.4.2轴的结构设计（1）拟定轴上零件的装配方案本文的装配方案如图3.3所示：图3.3装配方案图（2）根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度1）由于前面计算可知dmin=12mm，Ⅰ–Ⅱ段有螺纹，取公称直径为14mm的螺纹，所以dⅠ–Ⅱ=14mm。如图3.3所示，Ⅰ–Ⅱ段螺纹与自行车后轮相连，螺纹长度取15mm，螺纹右端到Ⅱ的长度也取15mm。则LⅠ–Ⅱ=15+10=25mm。2）初步选择滚动轴承。由于主要受径向载荷，也同时承受小的轴向载荷，故选用深沟球轴承。参照要求根据dⅠ–Ⅱ=14mm，由轴承产品目录中初步选取1基本游隙组、标准精度级的深沟球轴承6103，故dⅡ–Ⅲ=17mm。为了方便输出输入端轴承装配部分加工，则LⅥ–Ⅶ=17mm。取Ⅱ到链轮端面相距为3mm，轴承B=10mm，与输入轮盘的间距为3mm，输入轮盘的左端部取14mm，为了保证紧钉螺钉与链轮相连，轴承的右端用挡圈定位，取挡圈的厚度为2mm，所以LⅡ–Ⅲ=3+10+3+14+2=32mm。3）轴上零件的轴向定位。为了轴承的轴向定位要求，Ⅱ-Ⅲ段轴端右端需制出一轴肩，故取dⅢ–Ⅳ=20mm，dⅤ–Ⅵ=20mm。Ⅲ–Ⅳ段与钢球固定架相连（焊接），长度取15mm，由于变速曲线部分小球半径r=4mm，所以LⅢ–Ⅳ=15+4=19mm，为了使轴相对称，则LⅤ–Ⅵ=19mm。由于前面对轴槽的计算可知LⅢ–Ⅵ=15+15+25+8+8=71mm。4）对于空心轴部分的最小半径dmin=12mm，因此Ⅶ–Ⅷ段的螺纹公称直径也为14mm，dⅦ–Ⅷ=14mm，LⅦ–Ⅷ=25mm。轴的中心孔孔径为d孔=4mm。由于紧钉螺钉与变速器外壳相连，输出轮盘内端面与轴承距离取为7mm，则LⅥ–Ⅶ=3+10+7+14+2=36mm。5）确定轴上圆角和倒角尺寸参考参考文献[6]表15-2，取轴端倒角为1╳45°3.4.3轴的校核本文轴的受力分析模型如图3.4所示：图3.4轴的受力分析模型链轮压轴力方向线与轴承1的距离为4+3=7mm两轴承的距离为2+2+71=75mm1）计算压轴力Fp如图3.4所示Fe=1000v=N为链轮的转速，Z为链轮的齿数，P为链条节距。选定链条型号和节距查参考文献[3]表9-7和图9-13取链轮齿数为25，KA=1.0，Kz=0.99，P=0.15kw所以Pca=KA╳KZ╳P=1.0╳0.99╳0.15=0.1485kw查参考文献[3]图9-11和表9-1可以取Pca和n的值，通过图9-11可选10A-1，查表9-1可得链条节距P=15.875mm。故V=0.99219m/s所以Fe=151.18N查参考文献[3]9-18式可得链条水平布置时的压轴力系数KFP=1.15所以FP=151.18╳1.15=173.86N根据力矩平衡原理可知：FP╳L1=F2╳L2由于L1=7mmL2=75mm则F2=16.23NF1=173.86+32.37=190.1N2)计算最大弯矩Mmax=M=173.86╳7=1217.02N.Mm由于此轴是固定不动的所以其扭矩近似为零T=9550000=9550N·mmσCA=由参考文献[7]可知：W≈0.1╳d3（1-β4）=335.787取α=0.6则σCA≈17.36MP<[σ-1]=60Mpa故轴的强度满足要求3.5滚动轴承的选择考虑轴受力较小且主要是径向力，故选用深沟球轴承轴承根据轴颈值查参考文献[8]预选6103（GB/T276-1993）寿命计划：由参考文献[8]式13-8可知：P=XFr+YFa由于两轴承承受纯径向载荷Fr=190.1N，Fa≈0N查参考文献[8]中的表13-5可知：X=1，Y=0则P=Fr=206.2N对于深沟球轴承来说з=3，ft=1由参考文献[10]查得c=440KG代入数据可得：Lh==952575h预期寿命为：20年，每天工作10hL=20╳300╳10=60000<Lh符合一般自行车的使用寿命与工作时间3.6自行车无级变速器的安装无级变速器的输出盘上安装着变速器外壳，两者用紧定螺钉相连接，输入盘通过紧定螺钉与自行车后飞轮相连，整个变速器位于后轮中央，通过细钢丝与自行车后轮相连，变速器的外端有一可旋转的装置，通过转动该装置带动球架左右移动，从而使自行车速度在最大速度和最小速度之间变动。无级变速器安装图如图3.5所示。图3.5无级变速器安装图4钢球行星式无级变速器的变速原理论证4.1关于本文的无级变速器一．自行车用无级变速器结构简图4.1所示：图4.1无级变速器结构简图如图4.1所示，该自行车用无级变速器是在自行车后轴处设置一个变速盒，里面放置两片轻薄的金属圆盘作为输入和输出装置，通过一组小球来传递驱动轮盘和被驱动轮盘之间的速度，这组小球是用一个架子固定的，此架子可以左右移动，这样就让球的轴线形成一个角度，从而左右接触点的小球就有不同大小的旋转圆周。4.2无级变速的运动结构分析4.2.1无级变速的运动本自行车用无级变速器的运动简图如图4.2所示：1:钢球2：输入轮盘3：输出轮盘图4.2运动简图如上图所示，若给定一角速度W1，由前一节所讲述的关于本文的无级变速器的情况可知：设钢球半径为R，角速度为W，输入输出的半径分别为R1、R2，角速度分别为W1、W2。则在a点处，1与2两构件的速度应相等的W1×R1=W×RW=W1×R1/R在b点处，2与3两构件的角速度是相等的则W×R=W2×R2（W1×R1/R）×R=W2×R2W1×R1=W2×R2即W1/W2=R1/R2=n1/n2传动比为：I=n1/n2=R1/R24.2.2变速原理分析变速原理图如下图4.3所示：图4.3变速原理图有以上论证过程可知，只要改变R1,R2的比值即可改变传动比，R1和R2分别为两小球接触点处的旋转圆周，因这组小球的控制是无角度的，故而自行车的变速是无级的。5结论这次自行车无级变速器的结构设计是一次非常难得的理论与实际相结合的机会，通过这次比较完整的毕业设计，我摆脱了单纯的理论知识学习状态。实际设计的结合锻炼了我所学的专业基础知识的综合运用，解决实际机械设计存在的一些问题。同时也提高我查阅文献资料、设计手册、设计规范以及CAD制图等其他专业能力水平，通过对整体的把握，局部的取舍，以及细节的处理，都使我的能力得到了锻炼，并且抗压能力和耐力也都得到了不程度的提升。这些是我在毕业设计所得的收获。虽然毕业设计内容比较繁多，过程繁琐但我的收获却更加丰富。轴的设计，轴承的校核选用，尺寸标准的选着，设计结构的安装方式，我都是随着设计的不断深入、不断熟悉到学会应用的。在设计过程中轴承的选着和校核是让我很头痛，原因是由于轴承的选着与轴的设计、扭距、弯矩都是相关联的，一旦轴承的选着不对，前面的轴承直径就会出错，那么弯矩和扭距也随之改变。所以就会重新选取轴承，再重新设计轴。通过这么重新的设计也使我更加的了解轴承的选取和轴的设计。使我知道了通过参考C/P值的选取更好的选取轴承。这个过程从而我也锻炼了我的耐心和恒心。从不知道毕业论文怎么写，到顺利完成本次毕业设计，这给了我很大的信心，让我了解专业知识的同时也对本专业的发展前景充满信心。但是在设计过程中还是存在一些问题：1）对部分零件的结构尺寸和安装尺寸的掌握还不够准确；2）设计中应对突然出现的问题解决不及时彻底。要想进一步研究，还要对各个部件进行优化设计，使各部分的功能达到最优。参考文献[1]成大先.机械设计手册.第四版[M].北京：化学工业出版社，2002.[2]阮忠唐.机械无级变速器[M].北京：机械工业出版社，1983.[3]濮良贵，纪名刚.机械设计[M].第八版.北京：高等教育出版社，2006.5.[4]周有强.机械无级变速器[M].成都:机械工业出版社,2001.[5]阮忠唐.机械无级变速器设计与选用指南[M].北京：化学工业出版社，1999.[6]周良德，朱泗芳，杨世平.现代工程图学[M].第二版.湘潭：湖南科学技术出版社，2009.8.[7]葛志淇.机械零件设计手册[M].天津:冶金工业出版社,1980.[8]东北工学院.机械零件设计手册[M].第一版.天津:冶金工业出版社,1974.4.[9]秦世伦.材料力学[M].成都：四川大学出版社.[10]孙岩，陈晓罗，熊涌[M].北京：北京理工大学出版社，2007.3.[11]麦智生.自行车无级变速器[J].中国自行车.2002.（第2期）.[12]周有强.崔学良.董志峰.机械无级变速器发展概述[J].机械传动.2005.(第1期).致谢本文的完成得到来自各方面的指导与帮助，特别要感谢指导老师聂松辉老师，在聂老师的悉心指导下，我的毕业设计才得以按时的完成，也是老师的教导让我通过这次毕业设计更加深入的了解了自己所学的这个专业。毕业设计的时间虽然不长，通过这次设计却让我更加巩固了以往三年所学的知识，并且通过查阅各种资料，让自己掌握了许多在课堂上没有学到的一些新的专业知识，这些必将有利于我以后的工作。在做毕业设计的这几个月里，我深深的体会到，机械这个行业是非常考验一个人的耐心和细心的，有时候你需要查阅许多资料才能将一个知识点弄明白，才能继续做设计，每一个公式每一次计算都要检查好几遍，一个点的错误可能会影响到整个设计的计算，所以你毕业认真仔细的做好每一个步骤。同时我也了解到，我们专业拥有一个庞大的知识体系，在学习过程中应该要不断扩展阅读，并且阅读的同时还应该加强思考，永远不要只满足于课堂上的那点知识。再则，画图方面，我们用CAD制图，这让我熟悉了CAD的制图方法，为我两个月后走上工作岗位打下了一个好的基础。最后，再次感谢这个过程中给予我很大帮助的指导老师，感谢您耐心的为我修改设计和热心的指导。外文翻译半固态成型：竞争来自汽车复杂零件的锻造机Q.ZHU1,S.P.MIDSON21.英国康明斯涡轮增压技术有限公司，圣安得烈路，哈德斯菲尔德，Hd16RAS；2.美国铝复杂组分公司，科罗拉多州丹佛贾森街道2211南，80223，2010年5月13日收到;2010年6月25日接受摘要叶轮制造的最新技术被称为半固态成型（SSM）。它是康明斯涡轮增压技术有限公司与铝复合元件公司一起开发，SSM压缩机轮的一种方式。它能使铸造和加工固体之间（MFS）铝合金车轮，实现成本和耐久性的地方。实验结果表明，SSM材料具有优良的显微组织和力学性能，这些都高于MFS材料。测试包括耐久性的组分测试，使用加速的速度周期测试，证明SSM压缩机轮子比铸造的等值更耐用和接近MFS叶轮。为了使半固态处理进一步挑战，对汽车行业中制造成本和其他成分复杂等材料的耐久性进行了讨论。关键词：铝合金;半固体造型;耐久性;汽车复杂组分;蒸气增压器压缩机轮子1引言柴油和汽油发动机是造成的排放和全球变暖的一个重要来源。为了提高燃油效率和减少排放，汽车轻量化是一种有效的方法.。半固态成型（SSM）已成功帮助，减轻汽车零部件的重量，明显改善的机械性能。所以，可以用小或更薄的壁零件。汽车零部件已成功用SSM。达斯古普塔[1]总结了最普遍的应用如下：1)A357-T5,2)自动传输使换中档杠杆A357-T5，3)发动机装配A357-T5，4)引擎托架1800gA357-T5，5)上部控制臂A356-T6，6)悬浮A357-T5，7)引擎托架720gA357-T5，8)引擎托架2400gA357-T5和9)柴油引擎A356-T5泵体加油路轨。发动机技术发展的另一种有效的提高燃油效率和减少排放。加气压比率到发动机方式能够进一步提高燃油效率和减少排放的目的。增加气压可以通过在一个涡轮增压器压缩机轮来实现。压缩机轮需要非常复杂的叶片，几何实现高压力比。应付250°C和重大温度差时，压缩机轮承受的旋转速度高达200000转/分钟。除机械力量和温度能力的要求之外，由于在速度周期上的刀片的变化和振动，疲劳是一种典型的失效模式。这种组合的复杂的几何形状和坚韧操作条件,意味着调制解调器压缩机轮子要求最佳的物质技术。几十年来，压缩机的车轮含有铝，硅和铜的合金。要达到指定的耐久性目标，然而，制约他们的发行速度，即是必要的。由于铸造缺陷，在操作过程中减少了发动机的效率。因此，固体(MFS)或锻件压缩机轮子的开发，克服铸件瑕疵问题。在耐久性的改善也意味MFS轮子可能可靠地跑以更高的速度，增长的燃料效率和减少排放。缺点是MFS铸造比较昂贵。因此，半固态成形加工（SSM）应用开发的制造过程中，在铸造和MFS铝合金之间车轮，去实现成本和耐久性能。由于压缩机轮几何形状复杂，精度控制的要求和严格的操作条件，制造压缩机轮可能是SSM最困难的过程。在这项工作2涡轮增压最近涡轮增压技术广泛用于柴油发动机和汽油发动机，直接喷射技术也一起发展。对于新汽车涡轮增压器的应用量（合适的）。如图1所示，在过去10年1999年-2004年稳定增长约10%和2004年-2009年约5%，平均年增长率约7%。在2004年-2009年较低的增长率，主要是由经济衰退引起的。自2008年以来，未来10年预计年增长率将有约8%。2007年蒸气增压器新车的世界总宽容量大约是20百万个单位，相当于6.8十亿USD。图1全球涡轮增压发动机市场（首次适应卷）涡轮增压器可以通过压缩机轮子有效地增加气压，这是由通过废气涡轮轴排气。图2显示了一个典型的废气旁通增压器。压缩机轮子的转动速度可高达200000r/min。进一步增加的速度是提高效率和燃油经济性。然而，转动速度由压缩机和涡轮叶轮的材料物产生限制。涡轮增压器故障主要是由压缩机或涡轮机在高温条件下引起疲劳。图2典型的废气旁通增压器概述3SMM制造涡轮增压器压缩机轮的挑战涡轮增压器压气机叶轮几何的设计是非常复杂，为了满足特定的效率和耐久性的要求。图3给出了一个典型的压缩机叶轮的设计。叶片长度与叶片厚度比约为25，这使得它在SSM难填补的叶片和中央集线器刀片的质量比可以达到80左右，同时这使得它很难获得满意的叶片和轮毂组织。此外，叶片的曲度在处理以后SSM模子难拆卸。因此，模具设计，浇注系统设计及模具温度控制和流道系统是达到一个成功的结果的关键参量[2]。另外，材料也必须经过仔细挑选，以满足在严格操作条件下符合压缩机轮子的耐久性的严密要求。图3概述（a）、剖面图（b）典型的压缩机砂轮4材料的选择材料的选择是决定开始的物理性能如热导率，热系数和合金密度保证当前组分设计有效性。认为3XX铸造铝合金可用于目前压缩机轮的设计。可用所有[3-33]数据的SSM的力学性能和铸铝合金比较后，319s合金被选择制造压缩机轮子。图4显示319s合金具有合理最好的和一致的拉伸强度和伸长率。从纯粹的拉伸性能的观点，SSMA201也显示了可喜的成果。因此，SSMA201试验，更好的实现了文学强度和延性比。然而，SSMA201没有市售的。所以用于制造压缩机轮仍然是SSM319s合金。图4SSM铝合金的拉伸性能比较永久模铸造的（PM）5结果在表1中给出了SSM压缩机轮选择合金319s化学成分。图5显示SSM319s压缩机轮有优越的抗拉伸强度和延展性。在2618锻造热处理T61的条件下用于压缩机轮的c355和目前354接近。单轴疲劳试验结果表明，试样从一个平行的方向锻造2618合金的金属流动具有优良的耐疲劳性，而在垂直方向有类似的疲劳性能抵抗熔铸355（6）。金属化流程样品的取向之间这个区别主要出现从粗第二个阶段微粒的对准线。改善疲劳在图6小应变中可以看到SSM319s在铸造355的属性。如图7所示，已被证明组件的磁盘疲劳试验，是由单轴的压缩应力与R>O在从压缩机轮子的后面面孔用机器制造的盘样品进行。在涡轮增压器组件测试中，检测的细胞受康明斯涡轮增压技术的限制，结果列于图8。图8显示了铸造c355，2618和SSM319s相比的耐久性。SSM319s和伪造2618压缩机轮之间，虽然他们都优越铸造c355的耐久性。SSM319s和伪造的2618的这重大改善主要来自材料的改善和铸件瑕疵的排除，例如氧化物。除对材料的完整性，锻造和SSM的改进清洁。锻造2618和SSM319s比铸造的C355和354.0的晶粒结构细化和显微组织是对压缩机轮子的耐久性改善的另一贡献(图9)。图5显示了SSM319s铸造优越的抗拉性能c355，354和319，与锻造2618图6通过铸造SSM319s显示出c355与锻造2618优越的耐疲劳性图7SSM319s显示出在铸造c355阻力优越的单轴疲劳图8SSM319s压缩机轮表现出在铸造c355压缩机轮与锻造2618优越的耐久性图9晶粒结构的铸造c355（a），2618（b）和锻造SSM319s（c），表明类似的晶粒尺寸之间锻造和SSM合金，而显著小于铸造合金。5执行总结1）涡轮增压是实现大幅减排和燃油经济一个最成功的技术。涡轮增压发动机在过去10年已经取得大约7%的体积增加，并且未来10年预测增长8%。2）SSM已被成功地应用于生产极其复杂的几何涡轮增压器的压缩机车轮。3）SSM压缩机轮取得了拉伸，疲劳性能和部件的耐久性。所以，它接近2618锻造，优于铸造c355。6未来的挑战虽然制造业的SSM汽车零部件已取得重大进展，研究人员努力开发新的合金和工艺，仍有需要更多的努力来满足工业要求。这些措施包括：1）更多选择的合金有汽车的工业应用不同要求，一些需要高强度，而有些人可能需要高的热性能，疲劳性，耐腐蚀性和耐磨性。这些都需要不同的合金系统满足一个或多个工业应用的要求。2）高熔点合金系统发展SSM是最大的努力过程历史上以相对较低的熔化点、合金如铝和镁合金。一些努力和成功取得了高熔点点合金如钢[34]，但进一步的研究需要发展的材料系统的铸铁，钢镍基合金。这些材料具有显着的比铝和镁合金密度更高，所以有更大的潜在节省更多的重量汽车零部件，从而更多的燃油经济性，和提高质量和性能，耐久性在SSM过程改进的光比合金。3）复杂的几何部件一些汽车零部件的复杂几何，例如一个涡轮增压器压气机轮和发动机缸头，使得它很难实现严格的性能要求，在铸造锻坯加工效率/成本。因此，SSM几何组成有制造复杂的巨大潜力。非常低的剪切强度在半固态状态合金使它实现制造复杂的几何部件时浇注系统的合理设计与模具结构在低剪切强度达到可容纳相对较高的抗压强度。4）还原电流SSM元件成本在使用SSM加工过程中减少零件的制造成本实现锻坯。然而，由于成本高制造原料棒料，复杂性浇注系统和模具结构以及相对高成本，SSM组件的成本仍然显著高于铸造。因此，应作出努力，进一步达到降低成本棒料的原材料，设计和制造浇注系统和模具结构和工艺。致谢作者想表达他们的感谢，在康明斯涡轮增压迈克尔凤博士对批判性阅读和科技有限公司本文的评论。多亏了安得烈.杰克逊的铝成分复杂，开发工具和一般支持成功地生产的SSM叶轮。参考文献[1]达斯古普塔R.[C]//proc第八间半固态会议合金和复合材料的加工。塞浦路斯，2004。[2]朱Q，杰克逊一页的制造方法和制造装置涡轮机或压缩机轮[P]。wo2007/010181，2007。[3]刘博士研究[D]。上海：谢菲尔德大学，2003。[4]金属手册。的性能和选择：有色合金专用材料[M].。第2卷，第十版的金属公园,ASM，1990。[5]wabussegH，考夫曼H，uggowitzerPJ.[C]/chiarmettagL，罗索M.触发第六间会议半固态合金与复合材料加工。都灵意大利2000。777-782。[6]伯格斯马C，托尔MC，EvangelistaE.[C]/Bhasin一穆尔J，K，年轻的KP，midson美国PROC第五间会议半固态合金与复合材料加工。金，科罗拉多州，美国，1998：149-155。[7]红牛m，佐丹奴