一种省力自行车的传动机构的设计

2017-06-27展靖华王珺连文香

科技创新与应用 2017年18期

展靖华　王珺　连文香

摘要：普通链轮自行车的是链轮传动，它的行走完全靠人力通过脚踏板和曲柄驱动，传动机构仅由一对链轮和链条组成，文章在普通链轮自行车传动机构的基础上对传动机构进行改善，增加了一排行星齿轮机构，使自行车更加省力，且链轮链条改为锥齿轮传动方式，避免了骑行过程中拖链、断链、夹住裤子以及润滑油弄脏衣裤等问题。

关键词：自行车；省力机构；行星齿轮

我国是人口大国，使用自行车数量巨大，且目前对人们对环境和自我休闲娱乐及身心健康发展要求越来越高，使用自行车的数量逐渐提高，因此不同传动机构的自行车也发展迅速，目前自行车的研究主要集中于椭圆齿轮自行车和变速自行车及电动自行车的研究上，普通链轮自行车的改善和研究相对较少，但是普通人力自行车有很多优点和发展空间，本文设计出一种省力自行车传动机构，改链轮链条传动为锥齿轮传动方式，并增加一排行星齿轮机构，改变了骑行过程中拖链、断链、夹住裤子以及润滑油弄脏衣裤等问题，这种自行车骑行轻松，速度更高，道路通过能力更强且传动效率高。

1 设计理论

2K-H行星齿轮传动机构典型且结构简单，若固定其中一个元件，另外两个元件一个作为输入，另一个输出，这种行星齿轮机构能达到增大或者降低扭矩的效果，首先我们需从2K-H行星齿轮传动机构的运动方程说明问题。

此行星齿轮机构运动特性方程为：

2 设计方案

图1是本文所设计的自行车传动机构的主视图，在自行车后轮驱动上增加行星齿轮机构。输入动力从脚踏板2输入，经过主动锥齿轮1、主动中间锥齿轮3和从动中间锥齿轮7、传动轴4，动力到达从动锥齿轮11。太阳轮动10由从动锥齿轮带动，行星架6固定，自行车后轮有齿圈5驱动。

3 传动机构分析对比

3.1 自行车后轮驱动拉力对比

自行车是利用杠杆原理制成的，链轮自行车的构造是：在自行车后轮轮毂上安装有飞轮，链条带动飞轮转动，飞轮带动轮毂转动使车辆前进。只要作用与飞轮上的链条拉力力矩大于地面阻力矩，自行车就可以前进，即链轮自行车后轮驱动力的力臂是飞轮半径，因此在自行车后轮直径不变及道路阻力相同的条件下，只要适当的增大驱动力力臂，就可以改变驱动力，使自行车省力一些。本文所设计的省力自行車后轮由齿圈驱动，同理，只要作用于齿圈外径上拉力矩大于地面阻力矩就可驱动这种自行车前进。

表1是现有一款链轮自行车传动机构数据表，表2为所设计的省力自行车传动机构参数表。

下面我们通过数据计算说明，根据图2的自行车后轮受力图，链轮自行车所需的驱动拉力FL为：

式2为链轮自行车驱动拉力计算公式，其中FZ-地面阻力、RC-自行车后轮半径，p-链轮节距、z-飞轮齿数。

式3为省力自行车驱动拉力计算公式，其中Dq-齿圈直径，FZ和RC意义同式2。

3.2 转速对比

将表1和表2的参数带入式4和式6，分别计算链轮自行车的转速比和省力自行车的转速比。

式4为链轮自行车转速比计算公式，ny、nf分别为牙盘和飞轮转速，Zy、Zf分别为牙盘和飞轮齿数。

省力自行车的转速比分为两部分计算，其中锥齿轮部分的传动比为i1，行星齿轮机构部分的传动比为i2，行星齿轮机构将行星架固定，太阳轮由从动锥齿轮驱动，为主动件，齿圈被动，通过式5和式6可计算出转速比，其中自行车运动方向通过图3可以判断，前进方向和自行车曲柄转动方向一致。

式中：Zm1-主动中间锥齿轮；Zc-从动锥齿轮；ZZ-主动锥齿轮；Zm2-从动中间锥齿轮；n1、Z1-太阳轮转速和齿数；n3、Z3-齿圈转速和齿数；i2-省力自行车总的转速比；iz-锥齿轮部分的传动比；ix-行星齿轮部分的传动比。

假设地面阻力为3kg，人力驱动脚踏板旋转一周，将表1和表2的数据带入上面各公式得到链轮自行车的驱动拉力和转速比，以及省力自行车的驱动拉力和转速比如下表所示。

从表3的数据可以看出，在道路阻力不变的条件下，驱动省力自行车要比驱动链轮自行车更加容易一些；人力脚踏板同样踩一圈的情况下，链轮自行车后轮转2周，而省力自行车转3.36周，由上述两点结论看出本文所设计的省力自行车传动机构更加优越。

本文所设计的省力无链自行车有以下特点：（1）在链轮自行车基础上，传动机构设计改进后，自行车更加省力，且车速有所提高。（2）改装也比较容易一些。（3）传动机构变复杂了，制造和成本稍有提高，齿轮也需要定期润滑。