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無級(jí)變速自行車設(shè)計(jì)
1 前言
自行車的誕生與發(fā)展已有幾百年了，在自行車的發(fā)展歷程中自行車的結(jié)構(gòu)有過幾次重大的變化，這些變化使自行車的設(shè)計(jì)發(fā)展中出現(xiàn)過“山窮水復(fù)疑無路，柳暗花明又一村”。每一次重大的變化都是自行車的設(shè)計(jì)思想上的一個(gè)大的突破，每一次大的變化都使自行車的發(fā)展進(jìn)入了一個(gè)新時(shí)代。
1791年，法國人西弗拉克發(fā)明了最原始的自行車。它只有兩個(gè)輪子而沒有傳動(dòng)裝置，人騎在上面，需用兩腳蹬地驅(qū)車向前滾動(dòng)。近些年來，我國機(jī)械工業(yè)有了很大的發(fā)展，這給今后機(jī)床夾具的發(fā)展提出了更高的要求。
2 機(jī)械無級(jí)變速器的發(fā)展概況
無級(jí)變速器分為機(jī)械無級(jí)變速器，液壓傳動(dòng)無級(jí)變速器，電力傳動(dòng)無級(jí)變速器三種，但本設(shè)計(jì)任務(wù)要求把無級(jí)變速器安裝在自行車上，所以一般只能用機(jī)械無級(jí)變速器，所以以下重點(diǎn)介紹機(jī)械無級(jí)變速器。
機(jī)械無級(jí)變速器最初是在19世紀(jì)90年代出現(xiàn)的，至20世紀(jì)30年代以后才開始發(fā)展，但當(dāng)時(shí)由于受材質(zhì)與工藝方面的條件限制，進(jìn)展緩慢。直到20世紀(jì)50年代，尤其是70年代以后，一方面隨著先進(jìn)的冶煉和熱處理技術(shù)，精密加工和數(shù)控機(jī)床以及牽引傳動(dòng)理論與油品的出現(xiàn)和發(fā)展，解決了研制和生產(chǎn)無級(jí)變速器的限制因素；另一方面，隨著生產(chǎn)工藝流程實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、自動(dòng)化以及機(jī)械要改進(jìn)工作性能，都需要大量采用無級(jí)變速器。因此在這種形式下，機(jī)械無級(jí)變速器獲得迅速和廣泛的發(fā)展。主要研制和生產(chǎn)的國家有美國、日本、德國、意大利和俄國等。產(chǎn)品有摩擦式、鏈?zhǔn)健胶兔}動(dòng)式四大類約三十多種結(jié)構(gòu)形式。
國內(nèi)無級(jí)變速器是在20世紀(jì)60年代前后起步的，當(dāng)時(shí)主要是作為專業(yè)機(jī)械配套零部件，由于專業(yè)機(jī)械廠進(jìn)行仿制和生產(chǎn)，例如用于紡織機(jī)械的齒鏈?zhǔn)剑C(jī)械的多盤式以及切削機(jī)床的Kopp型無級(jí)變速器等，但品種規(guī)格不多，產(chǎn)量不大，年產(chǎn)量僅數(shù)千臺(tái)。直到80年代中期以后，隨著國外先進(jìn)設(shè)備的大量引進(jìn)，工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)代化及自動(dòng)流水線的迅速發(fā)展，對各種類型機(jī)械無級(jí)變速器的需求大幅度增加，專業(yè)廠才開始建立并進(jìn)行規(guī)?；a(chǎn)，一些高等院校也開展了該領(lǐng)域的研究工作。經(jīng)過十幾年的發(fā)展，國外現(xiàn)有的幾種主要類型結(jié)構(gòu)的無級(jí)變速器，在國內(nèi)皆有相應(yīng)的專業(yè)生產(chǎn)廠及系列產(chǎn)品，年產(chǎn)量約10萬臺(tái)左右，初步滿足了生產(chǎn)發(fā)展的需要。與此同時(shí)，無級(jí)變速器專業(yè)協(xié)會(huì)、行業(yè)協(xié)會(huì)及情報(bào)網(wǎng)等組織相繼建立。定期出版網(wǎng)訊及召開學(xué)術(shù)信息會(huì)議進(jìn)行交流。
3 無級(jí)變速自行車研究現(xiàn)狀
自行車發(fā)展到現(xiàn)在已經(jīng)有傳統(tǒng)的自行車演變成無級(jí)變速自行車，現(xiàn)代的無級(jí)變速自行車可謂是形式多樣，五花八門，以下是當(dāng)今社會(huì)上存在的部分無級(jí)變速自行車。
1、低座無級(jí)變速自行車
由低矮形車架把一個(gè)作驅(qū)動(dòng)的前輪和一個(gè)作導(dǎo)向的后輪連接在一塊的自行車，帶靠背的座椅安裝在車架中部，騎行者可斜躺著坐在座椅上，兩腿放在前輪二側(cè)。杠桿式曲柄無級(jí)傳動(dòng)裝置固定在前輪的前上方，通過左右曲柄桿上的滑塊鉸接鏈條交替?zhèn)鲃?dòng)前輪。操縱把手裝于前輪的正上方，由鋼絲繩牽引后輪轉(zhuǎn)向。這樣就不會(huì)干擾車子的方向操縱。
2、人力腳踏式無級(jí)變速自行車
一種人力腳踏式無級(jí)變速自行車，在自行車車架兩側(cè)面的中軸上，安裝有錐面相對的變速輪盤組成的主動(dòng)輪，主動(dòng)輪兩側(cè)安裝有腳蹬兩變速輪盤輪沿掛有三角皮帶，兩盤面間安裝有壓縮彈簧；在車架的前斜梁上，安裝有由變速桿操縱可前后移動(dòng)的挺桿，挺桿的近變速輪盤端安裝有可使兩變速輪盤靠近或分離的插件；在自行車后軸上的后輪輪輻兩側(cè)面支承有附輪；車架后斜梁上在三角皮帶上方安裝有可推壓三角皮帶張緊的張緊輪。自行車的行走和變速不用成組鏈輪和鏈條傳動(dòng)，成本低、重量輕，可實(shí)現(xiàn)無級(jí)變速，速度轉(zhuǎn)換快，速比大。
3、帶傳動(dòng)無級(jí)變速自行車
一種無級(jí)變速自行車，改進(jìn)了現(xiàn)有自行車的動(dòng)力傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。該自行車的動(dòng)力傳動(dòng)機(jī)構(gòu)包括以下部件：小動(dòng)輪、小定輪等構(gòu)成。其特征在于自行車的動(dòng)力傳動(dòng)機(jī)構(gòu)包括以下部件：小動(dòng)輪、小定輪等，與自行車后軸上的飛輪軸套固定連接，小動(dòng)輪在撥叉控制下沿軸滑動(dòng)；大動(dòng)輪、大定輪、大動(dòng)輪撥叉，大動(dòng)輪、大定輪也呈錐形，兩輪大小形狀一致，錐面相對，組成帶有Ｖ形溝槽的大傳動(dòng)輪，固定在自行車中軸上，大動(dòng)輪在撥叉控制下沿軸滑動(dòng)；Ｖ型傳動(dòng)帶鑲在大小輪的溝槽中；Ｖ型帶張緊裝置裝在后軸上，其支承輪支撐傳動(dòng)帶；調(diào)速器裝在車把附近，與閘線連接，閘線帶動(dòng)調(diào)節(jié)大小動(dòng)輪位置的撥叉。 這種無級(jí)變速自行車通過帶傳動(dòng)來實(shí)現(xiàn)自行車的無級(jí)變速，傳動(dòng)平穩(wěn)、噪音低、調(diào)速操作方便、變速范圍大；同時(shí)該無級(jí)變速自行車的結(jié)構(gòu)簡單、易于加工，可以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模成批生產(chǎn)。
4、前置往復(fù)式無級(jí)變速自行車
針對自行車的驅(qū)動(dòng)、乘座和避震進(jìn)行改進(jìn)。包括：乘騎者坐靠休閑式椅，兩腳蹬踏前置的兩個(gè)懸搖桿曲柄，可進(jìn)行弧形的曲線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，用腳掌面的蹬踏角度或用手直接調(diào)動(dòng)搖桿上力臂的長短實(shí)現(xiàn)無級(jí)變速，高效能的帶動(dòng)撓性件驅(qū)動(dòng)后輪；還包括裝卸方便且不互換的休閑式座椅和防落物防盜的可帶走座椅；簡化的全避震使乘坐舒適并使貨架攜帶的物品減小了顛簸
5、純滾動(dòng)式四個(gè)檔位無級(jí)變速自行車
一種純滾動(dòng)式四個(gè)檔位無級(jí)變速自行車，其中在中軸上的中心齒輪嚙合連接有一級(jí)行星輪和二級(jí)行星輪，中心齒輪的兩側(cè)分別套裝有推動(dòng)盤，一側(cè)固定在腳蹬輪軸上，另一側(cè)固定在鏈輪上；二級(jí)行星輪和中心齒輪為棘輪總成與鏈輪嚙合連接，在中軸和后軸的車架體上固定有座盤，座盤上固定有升降檔位彈簧。隨時(shí)變增減速檔位，對自行車零部件無影響，制造簡單，性能可靠，操作簡單，使用方便。
6、無鏈無級(jí)變速自行車
一種無鏈條傳動(dòng)，可隨意變換車速的自行車。該自行車包括車輪、把手、三角架和踏拐等，橫梁左端設(shè)有后齒輪、大齒輪和正反齒輪，橫梁右端設(shè)有中軸齒輪，齒輪與拐軸齒輪嚙合，偏心連桿的上端和杠桿的右端同軸裝在定位槽板的滑槽中，杠桿的左端與齒條連接，齒條與正反齒輪嚙合，橫梁上方設(shè)有拉簧、活動(dòng)支架和鋼絲拉索。該自行車結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)速方便靈活，經(jīng)久耐用，適合各種型號(hào)。
7、蓄能型-全自動(dòng)無級(jí)變速自行車
一種蓄能型一全自動(dòng)無級(jí)變速自行車，屬于交通工具技術(shù)領(lǐng)域。本實(shí)用新型的目的通過如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：主要由設(shè)置每側(cè)腳蹬上的長型齒盤交替工作，通過同側(cè)的鏈條傳動(dòng)同側(cè)的飛輪，飛輪連同帶動(dòng)設(shè)置在輪骨內(nèi)的發(fā)條內(nèi)端發(fā)條外端同輪骨固定。騎行時(shí)由于每側(cè)長型齒盤的作用，通過鏈條對同側(cè)的發(fā)條交替蓄能，從而實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)無級(jí)變速。本實(shí)用新型是現(xiàn)代變速自行車的換代產(chǎn)品。
8、便攜式高安全型無級(jí)變速自行車
一種新式樣的自行車。其特征是由行走機(jī)構(gòu)，車椅式直立車龍頭轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，杠桿式無級(jí)變速驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。本裝置是由足踏杠桿式無級(jí)變速機(jī)構(gòu)，車架可橫向折疊，驅(qū)動(dòng)大車輪在前面，導(dǎo)向小車輪在后邊的行走機(jī)構(gòu)與帶靠背車坐椅式的直立車龍頭轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)組成的自行車裝置。該裝置形體式樣，較為奇特但騎行舒適，更安全，并能折疊便攜帶。
4 無級(jí)變速自行車的研究意義及實(shí)用價(jià)值
改進(jìn)現(xiàn)有齒輪式有級(jí)變速自行車不足。
1、換擋問題。一般變速自行車為前后輪雙齒輪組，以滿足更多種變速比。這種方式需要車主熟悉掌握變速的檔位數(shù)以搭配獲得最佳效果。無級(jí)變速自行車能夠?qū)崿F(xiàn)傳動(dòng)比的連續(xù)改變，免去記憶復(fù)雜的前后輪檔位搭配，增加了易用性。
2、重心問題。普通變速自行車的變速齒輪集中在一側(cè)，造成重心偏移。易倒。無級(jí)變速采用后輪2個(gè)并排，中間放置變速器，重心居中，便于轉(zhuǎn)彎操控。
3、鏈條問題。傳統(tǒng)變速自行車存在鏈條在齒輪組空隙中調(diào)整時(shí)易掉鏈的問題。無級(jí)變速自行車采取金屬帶式無級(jí)變速方式，錐形金屬帶夾在兩個(gè)錐形輪之間，不易掉鏈。而且金屬帶以及錐形輪盤較普通齒輪鏈條性能更加優(yōu)異。減小了保養(yǎng)難度。
4、維修問題。普通變速自行車因構(gòu)建過多，增加了維修難度，而無級(jí)變速自行車零件簡單，維修難度低，
5、舒適度問題?，F(xiàn)有變速自行車最多擁有前7后9共63種檔位，但其跳躍性檔位設(shè)置有可能仍然使某些人找不到適于自己的傳動(dòng)比。無級(jí)變速自行車可以滿足各種人的不同需要。
6、轉(zhuǎn)彎問題。采取前輪小后輪大的設(shè)計(jì)方式，增加了轉(zhuǎn)彎的靈活性。由于主要構(gòu)件集中于后輪，重心靠后，可以減小前輪小容易前翻的問題。
7、上坡問題。普通變速自行車由于前后輪同時(shí)放置變速器，重心較無級(jí)變速自行車靠前。上坡難度比后置無級(jí)變速自行車大。
8、使用價(jià)值?？梢杂行Ы档统杀?，裝配難度，維修難度，生產(chǎn)難度都有所降低，適于普通家居生活。
9、操作難度降低，適用于中國最早一代使用自行車卻正在慢慢老去的群體。只需轉(zhuǎn)動(dòng)旋鈕即可實(shí)現(xiàn)變速。
10、外觀新穎時(shí)尚
3 結(jié)束語
綜上，機(jī)械工業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)，現(xiàn)代機(jī)械制造技術(shù)是機(jī)械工業(yè)賴以生存和發(fā)展的重要保證。自行車隨著科技的發(fā)展使計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、控制論及系統(tǒng)工程與制造技術(shù)結(jié)合為制造系統(tǒng)，形成現(xiàn)代制造工程學(xué)。在機(jī)械制造中，可能會(huì)使用很多先進(jìn)的鑄造技術(shù)，這些制造技術(shù)可以提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，提高加工精度，減少廢品，可以擴(kuò)大工藝范圍，改善操作者的勞動(dòng)條件。因此，機(jī)械制造的一項(xiàng)重要工藝設(shè)備，這也給今后無極變速技術(shù)的發(fā)展提出了更高的要求。
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