摩檫輪傳動的無極變速自行車設計與分析

莫文林 葉正挺 周嬋 陳歲繁

(浙江科技學院機械與汽車工程學院,浙江杭州 310023)

摩檫輪傳動的無極變速自行車設計與分析

莫文林 葉正挺 周嬋 陳歲繁

(浙江科技學院機械與汽車工程學院,浙江杭州 310023)

本發明涉及一種交通工具——摩檫輪傳動的無極變速自行車;尤其是在無級變速自行車的發展行業中。本發明包括了整車結構;動力輸入與動力傳動機構以及無級變速裝置三大部分組成。其中無級變速裝置采用的是摩檫輪與摩擦盤傳動的無級變速形式。整車具有結構簡易,制造周期短,成本較低,變速平穩,變速幅度大等優點。

摩擦輪 摩擦盤傳動 無級變速 自行車 變速平穩 調速手柄

1 自行車市場分析

自行車，又稱腳踏車或單車，通常是二輪的小型陸上車輛。人騎上車后，以腳踏板為動力，是綠色環保的交通工具。在我國這個大環境下，隨著人們的生活水平的不斷提高，私家車的擁有量越來越多，但交通的壓力也越來越大。在以低碳、環保、綠色為重點的城市，在落實公交優先的同時，也引導市民選擇自行車等綠色出行方式。由此可見自行車市場在我國的市場前景仍屬可觀，在2015年，自行車出行比例將占全國的23%。

2 整體結構分析

目前，我國的自行車行業中，有級變速自行車占據了絕大部分的市場。可以見得有級變速自行車的發展技術以及設計思想已經是相當成熟了。但是就無極變速自行車的發展前景方面來看，仍然具有很大的可創作空間。因此，本摩檫輪傳動的無極變速自行車意在原有級變速自行車的框架下再進行創新、改進，以提高可靠性，縮短制造周期，也減少制造成本。而主要改進的方面為無級變速的核心部分，使其達到無級變速的要求。

3 整體結構設計

摩擦輪傳動的無級變速自行車的整體結構設計，如圖1所示。從圖中可以看出，本發明的無級變速自行車的外形與現有級變速自行車的外形基本一致；唯一區別在于無極調速方面，在此采用的是摩擦輪傳動傳動的無極變速。采用這樣的結構設計不僅使結構簡易，制造周期短，并且具有變速平穩、變速幅度大以及整車較為輕巧的優點。

4 核心結構設計與裝配

圖1 摩擦輪傳動的無極變速自行車整車結構示意圖

本發明的核心創作部分是自行車如何實現無級變速功能的設計，自行車無級變速的設計思想源于摩擦盤式的無級變速原理，無級變速的機理在于摩擦輪與摩擦圓盤中心的相對半徑的大小，在一定的范圍內可以是任意的數值。此結構的摩擦輪必須為主動輪，摩擦圓盤為從動輪，依靠摩擦輪與摩擦盤的摩擦，傳遞動力，才能實現無級變速。因此由踏板引起的動力要輸入給摩擦輪。

在此摩檫輪傳動的無極變速自行車的動力的輸入和傳輸設計及裝配形式，如圖2所示。在圖2中，自行車包括了后輪1，踏板2，鏈輪鏈條3，錐齒輪組4，傳動軸5，調速裝置6，摩擦輪7，摩擦圓盤8和后輪軸9。本發明的動力輸入仍然是和現有級變速自行車的動力來源一樣，經人踩踏板獲得。其裝配形式為踏板2與鏈輪鏈條3一端聯接并安裝在自行車的三角架下端，而鏈輪鏈條3另一端則與錐齒輪組4一端聯接并安裝在自行車后叉上，錐齒輪組4的另一端則與傳動軸5聯接，傳動軸5與摩擦輪7聯接，摩擦輪7和摩擦圓盤8則都安裝在后輪軸9上，而調速裝置6則安裝在摩擦輪7上。在此傳動中，摩擦輪7與傳動軸5同步轉動，且摩擦輪7能在傳動軸5上作前后移動一定的距離；摩擦圓盤8和后輪1是同步轉動，摩擦輪7與摩擦圓盤8為擠壓式接觸，并且擠壓力的大小由摩擦圓盤上的彈簧調節。

5 工作原理分析

本發明的無級變速自行車的工作原理是，動力的輸入是由人踩踏板2獲取，動力經鏈輪鏈條3傳輸，驅動錐齒輪組4轉動，錐齒輪組4的另一端則帶動轉動軸5轉動，在此摩擦輪7與傳動軸5是同步轉動，然后摩擦輪7在摩擦圓盤8上作摩擦旋轉，若不考慮打滑的情況下，則摩擦圓盤8在與摩擦輪7的接觸點處具有相同的線速度并作旋轉

圖2 無級變速原理結構示意圖

············運動，后輪1和摩擦圓盤8同步轉動，由此動力傳輸過程，以驅動自行車的前進。在此動力傳動中，錐齒輪組4的作用是改變傳動方向；鏈輪鏈條3在與錐齒輪4接觸端，和普通自行車一樣，內設有棘輪棘爪結構，可以實現鏈條的正反轉。

6 無級調速原理分析

實現摩擦輪傳動的無級變速自行車的調速機構是調速裝置6，其工作原理是調速裝置6的特制螺母上纏繞了兩根鋼絲繩，鋼絲繩的另外兩端則纏繞在自行車的調速手柄上，當需要調速時，旋轉調速手柄，鋼絲繩一根受到拉力，使得螺母受到這根鋼絲繩的拉力而在設定好的位置旋轉，在此采用螺母轉動而螺桿移動的方式，螺桿移動帶動摩擦輪7在轉動軸5上滑移，目的是改變摩擦輪7與摩擦圓盤8中心的相對半徑，以改變后輪的轉速，從而實現自行車的無級變速；若調速手柄機構向另外一個方向旋轉，則是另一根鋼絲繩受到拉力，使得螺母作反方向旋轉，摩擦輪則向反方向移動，速度大小也隨反方向做無級變速。調速手柄具有和現有級自行車調速手柄的正反轉自鎖功能。

在此調速原理中，設輸入到摩擦輪7的線速度是 1v，并且為一常量，摩擦輪7與摩擦圓盤8中心的相對半徑是 1r，摩擦圓盤8的角速度是 2ω，后輪1的半徑是 2r，后輪1的線速度是 2v)，由

則

因此可知，當 1v和 2r為常量時，只改變摩擦輪7與摩擦圓盤8中心的相對半徑 1r的大小，則 2v也發生改變，且 2v與 1r是反比例函數的關系，說明自行車前進的速度發生變化。

7 結語

本摩檫輪傳動的無極變速自行車，通過對現有級變速自行車的改裝，設計成摩擦輪傳動的無級變速自行車，核心機構采用摩擦盤式的無級變速原理，使本發明具有結構簡易，制造周期短，成本低，整車輕巧，變速平穩已及變速幅度大等優點；能夠實現自行車的無極變速，最重要還是在創新無極變速自行車的發展行業中得到很大的突破。在低碳、環保以及綠色出行方面做出貢獻。

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[3]陳秀寧,顧大強.機械設計[M].浙江大學出版社.

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[5]李俊華.改革機械設計基礎實驗教學,提高學生的創新能力[J].

莫文林(1991—),男,漢族,本科,機械設計制造及其自動化專業;

葉正挺(1994—),男,漢族,本科,機械設計制造及其自動化專業;

周嬋(1994—),女,漢族,本科,機械設計制造及其自動化專業;

陳歲繁(1981—),男,漢族,講師,博士,主要研究方向為機械原理。