链传动机构自动上链系统

张 超,李元凯,高兵华,谭国庆（山西农业大学,山西 太谷 030801）

链传动机构自动上链系统

张 超,李元凯,高兵华,谭国庆
（山西农业大学,山西 太谷 030801）

摘 要:链传动因为它可以在两轴中心相距较远的情况下传输动力；能在低速、重载、高温和潮湿以及灰土飞扬等恶劣环境中工作；与摩擦型带传动相比,链传动无弹性滑动和整体打滑现象，能保证准确的平均传动比,传递功率较大,且作用在轴和轴承上的力较小；传递效率较高等优点，成为机械传动中应用很广的传动机构。链条脱落现象是链传动最常见的一种失效形式，我们通过联系实际，从最为大众化的自行车的链传动入手，设计了链传动机构自动上链系统，通过计算、仿真、试验，验证了此设计可以达到对脱链的自行车进行自动上链的要求。

关键词:自行车；上链；渐近线

1　引言

作为最接近大众的链传动代表，自行车不仅是一种低碳环保的交通工具，同时也是一种健康的有氧运动。

自行车的种种优点使其成为中国受众最多的代步工具，从第24届中国国际自行车展览会上获悉，截至2013年底，中国自行车社会保有量为3.70亿辆，电动自行车社会保有量为1.81亿辆。现在在全国各地盛行的公共自行车，其日均使用量的数据也相当可观。

城市　北京　上海　广州　太原　济宁　杭州　张家港　西安自行车投放量（辆） 21000　35000　20000　35000　10000　65000　3900　30399日均使用量（万次）　8.1　6　5.4　47　1.6　40　1.35　13.8

2　设计流程

2.1 设计背景

自行车的“掉链”是指自行车的一种常见故障，即在行驶过程中，链条从传动的链轮上脱落，从而失去了传动能力。而“掉链子”也是我们生活中一种常用词，本是东北方言俗语，意思是关键时刻或者是比较重要的事情没做好，或者说做"砸"了。在使用的上下文中常与“关键”搭配，例：关键时候掉链子，真是郁闷啊。可见“掉链”对于每一个碰到它的人，都是一件极其烦恼的事情。

大学的校园里，自行车以绝对的优势成为了学生们的主力交通工具。无论是上下课，参与社团活动，班级骑行活动等过程中，如果自行车“掉链”了，绝对是一件十分苦恼的事情。不紧费时费力，还会让手上沾满油污，必定会对之后的行程、活动造成一定的影响。

然而，自行车的“掉链”是可以避免的吗？自行车以链传动为主要传动形式，掉链也是链传动的一种失效形式，即因跳齿等问题引起的脱链。链轮在长期疲劳使用下，会产生变形和磨损，致使链传动载荷不均匀，易发生跳齿脱链等现象；链条在工作过程中，铰链中的销轴与套筒不仅承受较大的压力，彼此又产生相对转动，因而导致铰链摩损，其结果使链的实际节距增大（内、外链节的实际节距、是指相邻两滚子间的中心距，它随使用中磨损情况不同而变化），链条总长度增加，铰链磨损后，由于实际节距的增长主要出现在外链节，内链节的实际节距几乎不受磨损影响而保持不变，因而增加了各链节运动的不均匀性和动载荷，使传动更不平稳。链的实际节距因磨损而伸长到一定程度时，链条与轮齿的啮合情况变坏，从而发生爬高和跳齿现象；链条铰链的胶合：在高速重载时，销轴与套筒接触表面间难以形成润滑油膜，金属直接接触导致胶合。胶合限制了链传动的极限转速。所以，如果你的自行车经常的脱链，那说明你的自行车的某些部件由于长期磨损以致于无法提供稳定的传动，此时你就应该修理你的自行车，替换相应的零部件；当然，有时过于激烈和不合适的骑车行为，也会使自行车脱链。

既然，脱链是无法避免的，我们的设计就是为大家提供一种不耽误时间，也不脏手的应急上链方案。

2.2 设计思路

2.2.1 设计目标

作为帮助自行车进行上链的系统，不能给自行车正常运行添加不必要的阻力和干扰，以致于提高自行车脱链的可能性，所以本系统不能在自行车链传动原本的轨迹上。本系统只在自行车脱链后起作用，考虑到自行车链传动中某一链轮脱链后，其运动轨迹在链轮两边，并贴于链轮，所以本系统的作用范围应在链轮两侧。考虑到自行车本身的结构，重量，以及成本因素，本系统的结构尽可能的简单，有效，经多次试验，决定使用渐开线作为本系统的主要作用结构。

2.2.2 结构原理

在自行车牙盘两侧加上“自动上链机构”，此机构主要的工作部分是对称切相对旋转180度分部于牙盘两侧的带链齿的渐开线，其链齿的规格与自行车相同。当自行车链条脱落时，就会掉到左（右）侧的渐开线上，由于渐开线和链轮是固连的，当自行车车轮转动时，渐开线同时转动，从而把链条“顺”回正确的轨迹。由于本渐开线运动具有周期性，在骑行时，当链条脱落，此机构便会发挥功用，以完成即时上链过程，从而保证骑行的连续性。

2.3 设计说明

（1）取常规（非变速）自行车的基本信息：（通过取样调查所得）

1）车胎标号26*1.75 350kpa 80kg，约车胎直径为66cm

2）小链轮齿数z2=16 大链轮齿数z1=38 可得传动比

3）滚子链的参数规格：08A

节距p　滚子直径d1内链节内宽b1销轴直径d2　内链板高度h212.7　7.92　7.85　3.98　12.07

4）链轮参数规格

节距p　分度圆直径d齿顶圆直径da齿根圆直径df齿高ha最大齿根距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）通过对比测量：普通自行车两传动轮之间的中心距b约为37p=469.9mm，链条为102节=1295.4mm理想状态，当上下链条都属于张紧状态需链条长度c为1290.9mm

（2）实现方式：通过渐开线状的牙盘将链条送入正确的运行轨道。

1）渐开线计算方程：rb—基圆半径

2）曲线求弧长公式：

3）渐开线基圆半径确定公式：（注：d另非代入左式的d；使张紧时滚子链长度不变）

4）确定使用参数：

取θ范围：0-360°

渐开线点距基圆圆心的距离L范围：rb-2π rb

渐开线最大接触滚子链时θ范围：180°-360°

通过弧长公式求得

通过计算得渐开线基圆半径：前牙盘处rb1=16.72

后牙盘处rb2=7.40

渐开线距离基圆圆心的最远距离：前牙盘处L1=105.05

后牙盘处L2=46.49

为使链条可以平滑过渡至牙盘使用切于渐开线且最后平行于牙盘且高于牙盘一定高度的圆弧作为过渡线。

3　结论

3.1 设计手段

通过PRO/E对所设计的结构进行仿真、分析与改进，使用mathematics对试验数据进行处理和校对。

3.2 创新与优势

利用简洁的结构达到给因各种情况而脱链的自行车上链的目的；不参与和妨碍自行车正常的行驶过程，不会加大自行车链轮的负荷和损耗；链轮上链的过程完全自动，无需中断行驶，无需手动参与，正常蹬骑即可，轻松解决脱链这种突发状况；成本低廉，适用于通用的单速自行车，外置添加也不会影响自行车链轮原本的结构。

3.3 不足与改进

自行车虽有统计的标准，但是各个厂家生产的自行车数据上略有偏差，对于比较特别的自行车，可能出现无法适配的情况。下一步应改进适配性，使得渐开线参数可以自行调整，尽可能适配更多的车型。

参考文献:

[1](日)土屋喜一主编.机械实用手册[M].北京:科学出版社,2002.

[2]濮量贵,陈国定等.机械设计第九版[M].北京：高等教育出版社,2013.