鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu)自動(dòng)上鏈系統(tǒng)

張 超,李元?jiǎng)P,高兵華,譚國慶（山西農(nóng)業(yè)大學(xué),山西 太谷 030801）

鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu)自動(dòng)上鏈系統(tǒng)

張 超,李元?jiǎng)P,高兵華,譚國慶
（山西農(nóng)業(yè)大學(xué),山西 太谷 030801）

摘 要:鏈傳動(dòng)因?yàn)樗梢栽趦奢S中心相距較遠(yuǎn)的情況下傳輸動(dòng)力；能在低速、重載、高溫和潮濕以及灰土飛揚(yáng)等惡劣環(huán)境中工作；與摩擦型帶傳動(dòng)相比,鏈傳動(dòng)無彈性滑動(dòng)和整體打滑現(xiàn)象，能保證準(zhǔn)確的平均傳動(dòng)比,傳遞功率較大,且作用在軸和軸承上的力較小；傳遞效率較高等優(yōu)點(diǎn)，成為機(jī)械傳動(dòng)中應(yīng)用很廣的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。鏈條脫落現(xiàn)象是鏈傳動(dòng)最常見的一種失效形式，我們通過聯(lián)系實(shí)際，從最為大眾化的自行車的鏈傳動(dòng)入手，設(shè)計(jì)了鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu)自動(dòng)上鏈系統(tǒng)，通過計(jì)算、仿真、試驗(yàn)，驗(yàn)證了此設(shè)計(jì)可以達(dá)到對脫鏈的自行車進(jìn)行自動(dòng)上鏈的要求。

關(guān)鍵詞:自行車；上鏈；漸近線

1　引言

作為最接近大眾的鏈傳動(dòng)代表，自行車不僅是一種低碳環(huán)保的交通工具，同時(shí)也是一種健康的有氧運(yùn)動(dòng)。

自行車的種種優(yōu)點(diǎn)使其成為中國受眾最多的代步工具，從第24屆中國國際自行車展覽會(huì)上獲悉，截至2013年底，中國自行車社會(huì)保有量為3.70億輛，電動(dòng)自行車社會(huì)保有量為1.81億輛。現(xiàn)在在全國各地盛行的公共自行車，其日均使用量的數(shù)據(jù)也相當(dāng)可觀。

城市　北京　上海　廣州　太原　濟(jì)寧　杭州　張家港　西安自行車投放量（輛） 21000　35000　20000　35000　10000　65000　3900　30399日均使用量（萬次）　8.1　6　5.4　47　1.6　40　1.35　13.8

2　設(shè)計(jì)流程

2.1 設(shè)計(jì)背景

自行車的“掉鏈”是指自行車的一種常見故障，即在行駛過程中，鏈條從傳動(dòng)的鏈輪上脫落，從而失去了傳動(dòng)能力。而“掉鏈子”也是我們生活中一種常用詞，本是東北方言俗語，意思是關(guān)鍵時(shí)刻或者是比較重要的事情沒做好，或者說做"砸"了。在使用的上下文中常與“關(guān)鍵”搭配，例：關(guān)鍵時(shí)候掉鏈子，真是郁悶啊。可見“掉鏈”對于每一個(gè)碰到它的人，都是一件極其煩惱的事情。

大學(xué)的校園里，自行車以絕對的優(yōu)勢成為了學(xué)生們的主力交通工具。無論是上下課，參與社團(tuán)活動(dòng)，班級騎行活動(dòng)等過程中，如果自行車“掉鏈”了，絕對是一件十分苦惱的事情。不緊費(fèi)時(shí)費(fèi)力，還會(huì)讓手上沾滿油污，必定會(huì)對之后的行程、活動(dòng)造成一定的影響。

然而，自行車的“掉鏈”是可以避免的嗎？自行車以鏈傳動(dòng)為主要傳動(dòng)形式，掉鏈也是鏈傳動(dòng)的一種失效形式，即因跳齒等問題引起的脫鏈。鏈輪在長期疲勞使用下，會(huì)產(chǎn)生變形和磨損，致使鏈傳動(dòng)載荷不均勻，易發(fā)生跳齒脫鏈等現(xiàn)象；鏈條在工作過程中，鉸鏈中的銷軸與套筒不僅承受較大的壓力，彼此又產(chǎn)生相對轉(zhuǎn)動(dòng)，因而導(dǎo)致鉸鏈摩損，其結(jié)果使鏈的實(shí)際節(jié)距增大（內(nèi)、外鏈節(jié)的實(shí)際節(jié)距、是指相鄰兩滾子間的中心距，它隨使用中磨損情況不同而變化），鏈條總長度增加，鉸鏈磨損后，由于實(shí)際節(jié)距的增長主要出現(xiàn)在外鏈節(jié)，內(nèi)鏈節(jié)的實(shí)際節(jié)距幾乎不受磨損影響而保持不變，因而增加了各鏈節(jié)運(yùn)動(dòng)的不均勻性和動(dòng)載荷，使傳動(dòng)更不平穩(wěn)。鏈的實(shí)際節(jié)距因磨損而伸長到一定程度時(shí)，鏈條與輪齒的嚙合情況變壞，從而發(fā)生爬高和跳齒現(xiàn)象；鏈條鉸鏈的膠合：在高速重載時(shí)，銷軸與套筒接觸表面間難以形成潤滑油膜，金屬直接接觸導(dǎo)致膠合。膠合限制了鏈傳動(dòng)的極限轉(zhuǎn)速。所以，如果你的自行車經(jīng)常的脫鏈，那說明你的自行車的某些部件由于長期磨損以致于無法提供穩(wěn)定的傳動(dòng)，此時(shí)你就應(yīng)該修理你的自行車，替換相應(yīng)的零部件；當(dāng)然，有時(shí)過于激烈和不合適的騎車行為，也會(huì)使自行車脫鏈。

既然，脫鏈?zhǔn)菬o法避免的，我們的設(shè)計(jì)就是為大家提供一種不耽誤時(shí)間，也不臟手的應(yīng)急上鏈方案。

2.2 設(shè)計(jì)思路

2.2.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

作為幫助自行車進(jìn)行上鏈的系統(tǒng)，不能給自行車正常運(yùn)行添加不必要的阻力和干擾，以致于提高自行車脫鏈的可能性，所以本系統(tǒng)不能在自行車鏈傳動(dòng)原本的軌跡上。本系統(tǒng)只在自行車脫鏈后起作用，考慮到自行車鏈傳動(dòng)中某一鏈輪脫鏈后，其運(yùn)動(dòng)軌跡在鏈輪兩邊，并貼于鏈輪，所以本系統(tǒng)的作用范圍應(yīng)在鏈輪兩側(cè)。考慮到自行車本身的結(jié)構(gòu)，重量，以及成本因素，本系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)盡可能的簡單，有效，經(jīng)多次試驗(yàn)，決定使用漸開線作為本系統(tǒng)的主要作用結(jié)構(gòu)。

2.2.2 結(jié)構(gòu)原理

在自行車牙盤兩側(cè)加上“自動(dòng)上鏈機(jī)構(gòu)”，此機(jī)構(gòu)主要的工作部分是對稱切相對旋轉(zhuǎn)180度分部于牙盤兩側(cè)的帶鏈齒的漸開線，其鏈齒的規(guī)格與自行車相同。當(dāng)自行車鏈條脫落時(shí)，就會(huì)掉到左（右）側(cè)的漸開線上，由于漸開線和鏈輪是固連的，當(dāng)自行車車輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，漸開線同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而把鏈條“順”回正確的軌跡。由于本漸開線運(yùn)動(dòng)具有周期性，在騎行時(shí)，當(dāng)鏈條脫落，此機(jī)構(gòu)便會(huì)發(fā)揮功用，以完成即時(shí)上鏈過程，從而保證騎行的連續(xù)性。

2.3 設(shè)計(jì)說明

（1）取常規(guī)（非變速）自行車的基本信息：（通過取樣調(diào)查所得）

1）車胎標(biāo)號26*1.75 350kpa 80kg，約車胎直徑為66cm

2）小鏈輪齒數(shù)z2=16 大鏈輪齒數(shù)z1=38 可得傳動(dòng)比

3）滾子鏈的參數(shù)規(guī)格：08A

節(jié)距p　滾子直徑d1內(nèi)鏈節(jié)內(nèi)寬b1銷軸直徑d2　內(nèi)鏈板高度h212.7　7.92　7.85　3.98　12.07

4）鏈輪參數(shù)規(guī)格

節(jié)距p　分度圓直徑d齒頂圓直徑da齒根圓直徑df齒高h(yuǎn)a最大齒根距LX 12.7　153.69　160　145.77　4.6　145.77 12.7　65.10　71　57.18　4.6　57.18

PS：公式：

5）通過對比測量：普通自行車兩傳動(dòng)輪之間的中心距b約為37p=469.9mm，鏈條為102節(jié)=1295.4mm理想狀態(tài)，當(dāng)上下鏈條都屬于張緊狀態(tài)需鏈條長度c為1290.9mm

（2）實(shí)現(xiàn)方式：通過漸開線狀的牙盤將鏈條送入正確的運(yùn)行軌道。

1）漸開線計(jì)算方程：rb—基圓半徑

2）曲線求弧長公式：

3）漸開線基圓半徑確定公式：（注：d另非代入左式的d；使張緊時(shí)滾子鏈長度不變）

4）確定使用參數(shù)：

取θ范圍：0-360°

漸開線點(diǎn)距基圓圓心的距離L范圍：rb-2π rb

漸開線最大接觸滾子鏈時(shí)θ范圍：180°-360°

通過弧長公式求得

通過計(jì)算得漸開線基圓半徑：前牙盤處rb1=16.72

后牙盤處rb2=7.40

漸開線距離基圓圓心的最遠(yuǎn)距離：前牙盤處L1=105.05

后牙盤處L2=46.49

為使鏈條可以平滑過渡至牙盤使用切于漸開線且最后平行于牙盤且高于牙盤一定高度的圓弧作為過渡線。

3　結(jié)論

3.1 設(shè)計(jì)手段

通過PRO/E對所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真、分析與改進(jìn)，使用mathematics對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和校對。

3.2 創(chuàng)新與優(yōu)勢

利用簡潔的結(jié)構(gòu)達(dá)到給因各種情況而脫鏈的自行車上鏈的目的；不參與和妨礙自行車正常的行駛過程，不會(huì)加大自行車鏈輪的負(fù)荷和損耗；鏈輪上鏈的過程完全自動(dòng)，無需中斷行駛，無需手動(dòng)參與，正常蹬騎即可，輕松解決脫鏈這種突發(fā)狀況；成本低廉，適用于通用的單速自行車，外置添加也不會(huì)影響自行車鏈輪原本的結(jié)構(gòu)。

3.3 不足與改進(jìn)

自行車雖有統(tǒng)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)，但是各個(gè)廠家生產(chǎn)的自行車數(shù)據(jù)上略有偏差，對于比較特別的自行車，可能出現(xiàn)無法適配的情況。下一步應(yīng)改進(jìn)適配性，使得漸開線參數(shù)可以自行調(diào)整，盡可能適配更多的車型。

參考文獻(xiàn):

[1](日)土屋喜一主編.機(jī)械實(shí)用手冊[M].北京:科學(xué)出版社,2002.

[2]濮量貴,陳國定等.機(jī)械設(shè)計(jì)第九版[M].北京：高等教育出版社,2013.