摩檫轮传动的无极变速自行车设计与分析

莫文林 叶正挺 周婵 陈岁繁

(浙江科技学院机械与汽车工程学院,浙江杭州 310023)

摩檫轮传动的无极变速自行车设计与分析

莫文林 叶正挺 周婵 陈岁繁

(浙江科技学院机械与汽车工程学院,浙江杭州 310023)

本发明涉及一种交通工具——摩檫轮传动的无极变速自行车;尤其是在无级变速自行车的发展行业中。本发明包括了整车结构;动力输入与动力传动机构以及无级变速装置三大部分组成。其中无级变速装置采用的是摩檫轮与摩擦盘传动的无级变速形式。整车具有结构简易,制造周期短,成本较低,变速平稳,变速幅度大等优点。

摩擦轮 摩擦盘传动 无级变速 自行车 变速平稳 调速手柄

1 自行车市场分析

自行车，又称脚踏车或单车，通常是二轮的小型陆上车辆。人骑上车后，以脚踏板为动力，是绿色环保的交通工具。在我国这个大环境下，随着人们的生活水平的不断提高，私家车的拥有量越来越多，但交通的压力也越来越大。在以低碳、环保、绿色为重点的城市，在落实公交优先的同时，也引导市民选择自行车等绿色出行方式。由此可见自行车市场在我国的市场前景仍属可观，在2015年，自行车出行比例将占全国的23%。

2 整体结构分析

目前，我国的自行车行业中，有级变速自行车占据了绝大部分的市场。可以见得有级变速自行车的发展技术以及设计思想已经是相当成熟了。但是就无极变速自行车的发展前景方面来看，仍然具有很大的可创作空间。因此，本摩檫轮传动的无极变速自行车意在原有级变速自行车的框架下再进行创新、改进，以提高可靠性，缩短制造周期，也减少制造成本。而主要改进的方面为无级变速的核心部分，使其达到无级变速的要求。

3 整体结构设计

摩擦轮传动的无级变速自行车的整体结构设计，如图1所示。从图中可以看出，本发明的无级变速自行车的外形与现有级变速自行车的外形基本一致；唯一区别在于无极调速方面，在此采用的是摩擦轮传动传动的无极变速。采用这样的结构设计不仅使结构简易，制造周期短，并且具有变速平稳、变速幅度大以及整车较为轻巧的优点。

4 核心结构设计与装配

图1 摩擦轮传动的无极变速自行车整车结构示意图

本发明的核心创作部分是自行车如何实现无级变速功能的设计，自行车无级变速的设计思想源于摩擦盘式的无级变速原理，无级变速的机理在于摩擦轮与摩擦圆盘中心的相对半径的大小，在一定的范围内可以是任意的数值。此结构的摩擦轮必须为主动轮，摩擦圆盘为从动轮，依靠摩擦轮与摩擦盘的摩擦，传递动力，才能实现无级变速。因此由踏板引起的动力要输入给摩擦轮。

在此摩檫轮传动的无极变速自行车的动力的输入和传输设计及装配形式，如图2所示。在图2中，自行车包括了后轮1，踏板2，链轮链条3，锥齿轮组4，传动轴5，调速装置6，摩擦轮7，摩擦圆盘8和后轮轴9。本发明的动力输入仍然是和现有级变速自行车的动力来源一样，经人踩踏板获得。其装配形式为踏板2与链轮链条3一端联接并安装在自行车的三角架下端，而链轮链条3另一端则与锥齿轮组4一端联接并安装在自行车后叉上，锥齿轮组4的另一端则与传动轴5联接，传动轴5与摩擦轮7联接，摩擦轮7和摩擦圆盘8则都安装在后轮轴9上，而调速装置6则安装在摩擦轮7上。在此传动中，摩擦轮7与传动轴5同步转动，且摩擦轮7能在传动轴5上作前后移动一定的距离；摩擦圆盘8和后轮1是同步转动，摩擦轮7与摩擦圆盘8为挤压式接触，并且挤压力的大小由摩擦圆盘上的弹簧调节。

5 工作原理分析

本发明的无级变速自行车的工作原理是，动力的输入是由人踩踏板2获取，动力经链轮链条3传输，驱动锥齿轮组4转动，锥齿轮组4的另一端则带动转动轴5转动，在此摩擦轮7与传动轴5是同步转动，然后摩擦轮7在摩擦圆盘8上作摩擦旋转，若不考虑打滑的情况下，则摩擦圆盘8在与摩擦轮7的接触点处具有相同的线速度并作旋转

图2 无级变速原理结构示意图

············运动，后轮1和摩擦圆盘8同步转动，由此动力传输过程，以驱动自行车的前进。在此动力传动中，锥齿轮组4的作用是改变传动方向；链轮链条3在与锥齿轮4接触端，和普通自行车一样，内设有棘轮棘爪结构，可以实现链条的正反转。

6 无级调速原理分析

实现摩擦轮传动的无级变速自行车的调速机构是调速装置6，其工作原理是调速装置6的特制螺母上缠绕了两根钢丝绳，钢丝绳的另外两端则缠绕在自行车的调速手柄上，当需要调速时，旋转调速手柄，钢丝绳一根受到拉力，使得螺母受到这根钢丝绳的拉力而在设定好的位置旋转，在此采用螺母转动而螺杆移动的方式，螺杆移动带动摩擦轮7在转动轴5上滑移，目的是改变摩擦轮7与摩擦圆盘8中心的相对半径，以改变后轮的转速，从而实现自行车的无级变速；若调速手柄机构向另外一个方向旋转，则是另一根钢丝绳受到拉力，使得螺母作反方向旋转，摩擦轮则向反方向移动，速度大小也随反方向做无级变速。调速手柄具有和现有级自行车调速手柄的正反转自锁功能。

在此调速原理中，设输入到摩擦轮7的线速度是 1v，并且为一常量，摩擦轮7与摩擦圆盘8中心的相对半径是 1r，摩擦圆盘8的角速度是 2ω，后轮1的半径是 2r，后轮1的线速度是 2v)，由

则

因此可知，当 1v和 2r为常量时，只改变摩擦轮7与摩擦圆盘8中心的相对半径 1r的大小，则 2v也发生改变，且 2v与 1r是反比例函数的关系，说明自行车前进的速度发生变化。

7 结语

本摩檫轮传动的无极变速自行车，通过对现有级变速自行车的改装，设计成摩擦轮传动的无级变速自行车，核心机构采用摩擦盘式的无级变速原理，使本发明具有结构简易，制造周期短，成本低，整车轻巧，变速平稳已及变速幅度大等优点；能够实现自行车的无极变速，最重要还是在创新无极变速自行车的发展行业中得到很大的突破。在低碳、环保以及绿色出行方面做出贡献。

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[5]李俊华.改革机械设计基础实验教学,提高学生的创新能力[J].

莫文林(1991—),男,汉族,本科,机械设计制造及其自动化专业;

叶正挺(1994—),男,汉族,本科,机械设计制造及其自动化专业;

周婵(1994—),女,汉族,本科,机械设计制造及其自动化专业;

陈岁繁(1981—),男,汉族,讲师,博士,主要研究方向为机械原理。