CN101654140B - 内啮合行星齿轮链传动变速自行车驱动机构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及内啮合行星齿轮链传动变速自行车驱动机构，包括中轴(1)以及与中轴连接的链轮(6)，中轴上枢置行星轮架(3)，行星轮架上设有行星齿轮(4)，其特征在于：中轴上设有变速机构，变速机构由连接装置、行星轮架(3)、行星齿轮(4)、连体齿链轮(6)、变速套(7)构成。本发明的有益效果是可实现单级固定链轮变速驱动；使主、从链轮的传动比增大，并使主、从链轮的驱动半径分别减少和增大，以实现快速、轻便功能；各构件间的相对运动考虑采用滚动摩擦结构，可有效减小传动中的功率损失；自行车中轴行星轮外啮合驱动机构结构简单，易于加工制造。

Description

内啮合行星齿轮链传动变速自行车驱动机构

技术领域

本发明涉及一种自行车中轴驱动机构，尤其是一种内啮合行星齿轮链传动变速自行车驱动机构。

背景技术

目前，自行车仍为大多数中国人的交通代步工具，多年来市场生产销售的成人和小轮自行车多见仍是单级链传动、或改变链条与链轮啮合位置实现的变速传动方式，中轴直接与链轮连接形成驱动主动构件，由于其采用的是单级链传动，其速度的提高受到一定的限制，改变链条与链轮啮合位置实现多级变速的结构略显复杂且适用性差。

发明内容

本发明的目的就是为了克服现有自行车速度慢，变速机构复杂的缺陷，而提供一种内啮合行星齿轮链传动变速自行车驱动机构，可实现上坡低速驱动力小，坦途常力驱动较原结构单级链驱动的速度明显提高。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

内啮合行星齿轮链传动变速自行车驱动机构，包括中轴以及与中轴连接的链轮，轴上枢置行星轮架，行星轮架上设有行星齿轮，其特征在于：

a、中轴上设有两个连接装置，中轴外面设有变速套间隙配合，变速套上设有与连接装置相对应的连接孔，在变速套外侧的中轴上设有锁紧螺母；

b、变速套外面设有行星轮架，行星轮架内孔圆周上设有一组连接孔与连接装置配合，在行星轮架等径圆周上设有三个轴杆，每个轴杆分别与一个行星齿轮对应构成转动副，三个行星齿轮共同与内齿轮盘啮合，内齿轮盘与中轴转动连接；三个行星齿轮还共同与连体齿链轮啮合，连体齿链轮与变速套间隙配合，构成高速自行车驱动机构；

c、连体齿链轮内孔圆周上设有一组连接孔与连接装置配合，构成低速自行车驱动机构。

内齿轮盘设有轴向套筒，套筒上设有与自行车五通连接的螺纹接口，内齿轮套通过滚珠与中轴连接。

在上述的主要技术方案的基础上，可以增加以下进一步完善的技术方案：

所述的连体齿链轮为链轮盘与中心轮形成的整体结构，三个行星齿轮与连体齿链轮的中心轮啮合。

每个行星齿轮与行星轮架轴杆间设有滚针轴承滚动配合，通过轴端挡圈固定在行星轮架上。

所述的两个连接装置，在中轴的轴向上两个连接装置间距5～25mm，径向上两个连接装置的夹角为60～180°，所述的连接装置由丝弹簧、棘爪构成，中轴上设有棘爪槽，棘爪槽内设有沉槽，棘爪槽内设有棘爪与沉槽内的丝弹簧连接；所述的连接装置由弹簧、径向滑键构成，中轴上设有径向键槽，径向键槽内设有弹簧与径向滑键连接。

变速套外侧设有转动盖板，转动盖板上设有导向销，内齿轮盘外圆周上设有滑槽，导向销与滑槽滑动配合。

在链轮与轴行星齿轮、行星齿轮之间设有滚珠，在链轮与中心齿轮外啮合行星齿轮、链传动自行车驱动机构的相关设计计算：

1、常人的功率粗略测算：

1)、以65kg质量的常人上楼测算：一般楼梯一台阶高度为180mm，设1秒上一台阶，则常人的功率为：

P＝mgh/s＝65×9.8×0.18/1＝114.66W

2)、以常人双脚以固定驱动力驱动一周测算：一般左右两脚的各半周驱动力为250N——300N，设驱动力大小、方向均不变并取值250N，按输入驱动1转/1.5秒，驱动力臂随转动角度而变化，最大设为0.2米，常人的功率应为： $P=\left(2{\∫}_{-\mathrm{\π}/2}^{\mathrm{\π}/2}\mathrm{Md\θ}\right)/s=\left(2{\∫}_{-\mathrm{\π}/2}^{\mathrm{\π}/2}\mathrm{FL}\cos \mathrm{\θd\θ}\right)/s=(2{\∫}_{-\mathrm{\π}/2}^{\mathrm{\π}/2}250\×0.2\×\cos \mathrm{\θd\θ})/1.5=\mathrm{1.33.33}W;$

由以上两种粗略测算可取常人的功率P＝120W。

2、常人骑行自行车的平均驱动力矩M计算：

M＝p/w＝p·s/φ＝120·1.5/2π＝28.66N·m。

不计功率损失，由本设计的总传动比i＝4.4的速度计算：(即主驱动转一转，自行车后轮转4.4转)

V＝26×25.4×3.14×40×4.4×60/1000＝21.90km/h(达到电动车的国家限制速度标准)。

3、自行车后轮驱动力矩的三种计算理论验证：

1)、后轮的转动角速度计算：

ω＝4.4×6.28/1.5＝18.42rad/s；

2)、后轮中心的速度计算：

V＝26×25.4×3.14×40×4.4×60/1000/3600＝6.08m/s。

3)、自行车的平动驱动力计算：

F＝P/V＝120/6.08＝19.72N。

4)、自行车后轮的驱动力偶矩计算：

M＝F×R＝19.72×(26×25.4/2/1000)＝6.5N.m。

5)、自行车后轮的驱动力偶矩另法计算：

M＝P/ω＝120/18.42＝6.5N.m。

6)、自行车后轮的滚动阻力偶矩的计算：

设骑行人质量80Kg则地面作用在两轮上的力应为80×9.8N，查得轮胎与路面的滚动摩擦系数δ＝2-10，考虑路面和轮胎的不利因素(路面较软或轮胎充气不足)，取值δ＝8，则两轮的滚动阻力偶矩M＝80×9.8×10/1000＝6.27N.m。

由4)、5)、6)三种计算方法结果完全一致，说明其驱动设计是完全可行的。

齿轮模数的设计：由本设计的行星轮系的传动比为4，则该齿轮的传递转矩为平均驱动力矩的1/4——即位28.66/4＝7.165N.m。

由模数的机械设计公式： $m\≥12.1\sqrt[3]{\frac{{\mathrm{KT}}_1}{{\mathrm{\Ψ}}_d{Z_1}^2}\·\frac{Y_F}{{\left[\mathrm{\σ}\right]}_F}}=12.1\sqrt[3]{\frac{1.2\×7.165}{0.22\×{30}^2}\·\frac{2.53}{220}}=0.95\mathrm{mm}$

从加工工艺角度考虑取：m＝1.5mm。

本发明的有益效果是可实现单级固定链轮变速驱动；使主、从链轮的传动比增大，并使主、从链轮的驱动半径分别减少和增大，以实现快速、轻便功能；各构件间的相对运动考虑采用滚动摩擦结构，可有效减小传动中的功率损失；自行车中轴行星轮外啮合驱动机构结构简单，易于加工制造。

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

附图说明：

图1为本发明的主视图；

图2为本发明的连接装置实施例一；

图3为本发明的连接装置实施例二。

图中1.中轴，2.内齿轮盘，3.行星轮架，4.行星齿轮，5.滚针轴承，6.连体齿链轮，7.变速套，8.锁紧螺母，9.轴端挡圈，10.转动盖板，11.滚子，12.径向滑键，13.弹簧，14.丝弹簧，15.棘爪。

具体实施方式

实施例一

如图1所示，内啮合行星齿轮链传动变速自行车驱动机构，包括中轴1，中轴为台阶轴，轴上设有螺纹和两个径向键槽，两个径向键槽在中轴轴向上有10mm左右的距离、在径向上有180°的夹角，每个径向键槽内设有一个弹簧13以及与弹簧相连的径向滑键12，中轴上枢置一个变速套7，变速套上设有两个与径向滑键相配合的连接孔，变速套上枢置一个行星轮架3，如图2所示，行星轮架内孔圆周上均匀设有八个连接孔与径向滑键12相配合，行星轮架上设有三个轴杆，每个轴杆通过滚珠与行星齿轮4构成转动副，通过轴端挡圈9将行星齿轮轴向定位在行星轮架的轴杆上，三个行星齿轮共同与内齿轮盘2啮合，内齿轮盘与中轴构成转动副，内齿轮盘上设有轴向套筒，套筒上设有与自行中轴套筒连接的螺纹接口，三个行星齿轮还共同与连体齿链轮6上的齿轮啮合，连体齿链轮为链轮盘与中心齿轮形成的整体结构，连体齿链轮枢置在减速套上，连体齿链轮6内孔圆周上均匀设有八个连接孔与径向滑键12相配合，连体链齿轮6与变速套7外侧设有锁紧螺母，变速套外侧还设有转动盖板。

内啮合行星齿轮链传动变速自行车驱动机构的变速过程为：通过转动转动盖板可使变速套处于不同位置，以使中轴通过其上不同位置的径向滑键与行星轮架、变速套或与连体齿链轮、变速套实现互锁固定连接形成构件以达到变速目的，当用脚踏转转动盖板使处于中轴与变速套间的径向滑键嵌入连体齿轮的连接孔中时为低速驱动，同时，另一径向滑键被变速套压入中轴的径向键槽内；再当踏转转动盖板180°使处于中轴与变速套间的径向滑键嵌入行星轮架的连接孔中时为高速驱动。

实施例二

如图1所示，内啮合行星齿轮链传动变速自行车驱动机构，包括中轴1，中轴为台阶轴，轴上设有螺纹和两处棘爪槽，每个棘爪槽内设有一个沉槽，两个棘爪槽在中轴的轴向上有15mm左右的距离、在径向上有120°的夹角，每个沉槽内设有一个丝弹簧14与棘爪槽内的棘爪15连接，中轴4上枢置一个变速套7，变速套上设有两个与棘爪15相配合的连接孔，变速套上枢置一个行星轮架3，如图3所示，行星轮架内孔圆周上均匀设有四个连接孔与棘爪相配合，行星轮架上设有三个轴杆，每个轴杆通过滚针轴承5与行星齿轮4构成转动副，通过轴端挡圈9将行星齿轮轴向定位在行星轮架的轴杆上，三个行星齿轮共同与内齿轮盘2啮合，内齿轮盘与中轴构成转动副，内齿轮盘上设有轴向套筒，套筒上设有与自行中轴套筒连接的螺纹接口，三个行星齿轮还共同与连体齿链轮6上的齿轮啮合，连体齿链轮为链轮与齿轮形成的整体结构，连体齿链轮枢置在减速套上，连体齿链轮内孔圆周上均匀设有四个连接孔与棘爪15相配合，在变速套外侧的中轴上设有锁紧螺母8，变速套外侧还设有转动盖板10，转动盖板上设有导向销，内齿轮盘外圆周上设有滑槽，导向销与滑槽滑动配合。

在行星轮架、减速套与连体齿链轮之间设有滚子11可有效减小传动中的功率损失。

内啮合行星齿轮链传动变速自行车驱动机构的变速过程为：通过转动转动盖板可使变速套处于不同位置，以使中轴通过其上不同位置的径向滑键与行星轮架、变速套或与连体齿链轮、变速套实现互锁固定连接形成构件以达到变速目的，当用脚踏转动转动盖板使处于中轴与变速套间的棘爪嵌入连体齿轮的连接孔中时为低速驱动，同时，另一棘爪被变速套压入中轴的棘爪槽内；再当踏转转动盖板120°使处于中轴与变速套间的径向滑键嵌入行星轮架的连接孔中时为高速驱动。

内啮合行星齿轮链传动变速自行车驱动机构装配于自行车中轴套筒的端处，分别通过驱动行星轮架带动其上的行星齿轮及与其啮合内齿轮和连体齿链轮并使其转动或直接驱动连体齿链轮，通过链条从而带动自行车后轮上的链轮转动以实现自行车的不同速驱动前行。

Claims (7)

1.内啮合行星齿轮链传动变速自行车驱动机构，包括中轴(1)以及与中轴连接的链轮(6)，中轴上枢置行星轮架(3)，行星轮架上设有行星齿轮(4)，其特征在于：

a、中轴(1)上设有两个连接装置，中轴上枢置变速套(7)，变速套上设有与连接装置相对应的连接孔，在变速套外侧的中轴上设有锁紧螺母(8)；

b、变速套(7)上枢置行星轮架(3)，行星轮架内孔圆周上设有一组连接孔与其中一个连接装置配合，在行星轮架等径圆周上设有三个轴杆，每个轴杆分别与一个行星齿轮(4)对应构成转动副，三个行星齿轮(4)共同与内齿轮盘(2)啮合，内齿轮盘与中轴转动连接；三个行星齿轮(4)还共同与连体齿链轮(6)啮合，连体齿链轮枢置在变速套上，构成高速自行车驱动机构；

c、连体齿链轮内孔圆周上设有一组连接孔与另一个连接装置配合，构成低速自行车驱动机构。

2.根据权利要求1所述的内啮合行星齿轮链传动变速自行车驱动机构，其特征在于：所述的连体齿链轮(6)为链轮盘与中心轮形成的整体结构，三个行星齿轮(4)与连体齿链轮的中心轮啮合。

3.根据权利要求1所述的内啮合行星齿轮链传动变速自行车驱动机构，其特征在于：所述的两个连接装置，在中轴的轴向上两个连接装置间距5～25mm，在径向上两个连接装置的夹角为60°～180°。

4.根据权利要求1或3所述的内啮合行星齿轮链传动变速自行车驱动机构，其特征在于：所述的连接装置由弹簧(13)、径向滑键(12)构成，中轴上设有径向键槽，径向键槽内设有弹簧与径向滑键连接。

5.根据权利要求1或3所述的内啮合行星齿轮链传动变速自行车驱动机构，其特征在于：所述的连接装置由丝弹簧(15)、棘爪(14)构成，中轴上设有棘爪槽，棘爪槽内设有沉槽，棘爪槽内设有棘爪与沉槽内的丝弹簧连接。

6.根据权利要求1所述的内啮合行星齿轮链传动变速自行车驱动机构，其特征在于：每个行星齿轮与行星轮架轴杆间设有滚针轴承(5)滚动配合。

7.根据权利要求1所述的内啮合行星齿轮链传动变速自行车驱动机构，其特征在于：变速套外侧设有转动盖板(10)，转动盖板(10)上设有导向销，内齿轮盘外圆周上设有滑槽，导向销与滑槽滑动配合。

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