CN109606531A - 自行车轴传动多级内变速装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种自行车轴传动多级内变速装置，该变速装置包含：花键轴，其一端传动连接自行车动力源；变速圆柱齿轮，其同轴套设在花键轴上，变速圆柱齿轮可沿花键轴轴向滑动；同轴套设在自行车后轴上、且依次排列的第一圆锥齿轮、第二圆锥齿轮和第三圆锥齿轮；变速圆柱齿轮由调节装置驱动滑动在第一圆锥齿轮、第二圆锥齿轮和第三圆锥齿轮之间切换啮合；第一圆锥齿轮的齿轮数大于第二圆锥齿轮的齿轮数，第二圆锥齿轮的齿轮数大于第三圆锥齿轮的齿轮数。本发明采用变速圆柱齿轮滑动在自行车后轴上的低、中、高速圆锥齿轮切换啮合，实现变速，结构紧凑，零部件少，易于维护，保养周期长。
Description
技术领域
本发明涉及自行车零部件，具体涉及一种自行车轴传动多级内变速装置。
背景技术
自行车作为最常用的交通工具之一，其既能代步健身，又可避开城市交通拥挤,因此深受人们的青睐。传统的自行车是依靠安装在中轴上的轮盘通过链条带动安装在自行车后轴上的飞轮,再通过飞轮带动自行车后轮转动而进行的,但由于链传动系统本身的结构问题，链传动在工作时会产生附加的动载荷，传动平稳性较差，能承受的扭矩小，链条易磨损、易伸长，在骑行过程中常常发生脱链、断链,链条与飞轮夹住衣物,链条润滑油弄脏衣裤等情况。
目前市场上的轴传动自行车大多结构复杂，生产成本高，维修困难，因此市场占有率低，而未具备变速功能的轴传动自行车，又很难适应多种地形与路况。
发明内容
本发明提供一种自行车轴传动多级内变速装置，结构简单、易于维护。
为实现上述目的，本发明提供一种自行车轴传动多级内变速装置，其特点是，该变速装置包含：
花键轴，其一端传动连接自行车动力源；
变速圆柱齿轮，其同轴套设在花键轴上，变速圆柱齿轮可沿花键轴轴向滑动；
同轴套设在自行车后轴上、且依次排列的第一圆锥齿轮、第二圆锥齿轮和第三圆锥齿轮；变速圆柱齿轮通过滑动在第一圆锥齿轮、第二圆锥齿轮和第三圆锥齿轮之间切换啮合；
调节装置，其机械连接变速圆柱齿轮，由外力驱动变速圆柱齿轮在花键轴滑动并将变速圆柱齿轮限位在与第一圆锥齿轮、或第二圆锥齿轮、或第三圆锥齿轮啮合的位置；
上述第一圆锥齿轮的齿轮数大于第二圆锥齿轮的齿轮数，第二圆锥齿轮的齿轮数大于第三圆锥齿轮的齿轮数。
上述变速装置还包含防护罩，所述第一圆锥齿轮、第二圆锥齿轮、第三圆锥齿轮、变速圆柱齿轮、花键轴设置有变速圆柱齿轮的部分、以及自行车后轴设置有第一圆锥齿轮、第二圆锥齿轮和第三圆锥齿轮的部分设置于防护罩内。
上述第一圆锥齿轮、第二圆锥齿轮和第三圆锥齿轮与自行车后轴之间分别设有滚针轴承。
上述第一圆锥齿轮、第二圆锥齿轮和第三圆锥齿轮的分度锥角、齿宽、相邻齿轮间隔距离、相邻齿轮的齿轮数差相等。
上述第一圆锥齿轮、第二圆锥齿轮和第三圆锥齿轮结构的关系式如下：
△z＝zi+2-zi+1＝zi+1-zi (1)
或者
2AIi+1＝AIi+AIi+2 (2)
其中，δ为第一圆锥齿轮、第二圆锥齿轮和第三圆锥齿轮的分度锥角，B为相邻齿轮的齿宽、K为相邻齿轮之间的距，第一圆锥齿轮、第二圆锥齿轮和第三圆锥齿轮的零变位截面到大端面的距离分别为AIi、AIi+1、AIi+2，分圆半径分别为ri、ri+1、ri+2，△z为相邻齿轮的齿数差，mt为齿轮的端面模数。
上述花键轴依次通过传动轴和自行车中轴传动连接自行车动力源；花键轴与传动轴传动连接的一端设有第一后螺旋锥齿轮，传动轴对应设有与第一后螺旋锥齿轮啮合的第二后螺旋锥齿轮；
上述传动轴传动连接自行车中轴，传动轴与自行车中轴传动连接的一端设有第一前螺旋锥齿轮，自行车中轴对应设有与第一前螺旋锥齿轮啮合的第二前螺旋锥齿轮。
上述传动轴上套设有若干传动轴轴承，传动轴轴承分别固定在自行车车架上。
上述第一前螺旋锥齿轮和第二前螺旋锥齿轮的轴交角范围在0至180度之间可调。
上述第一后螺旋锥齿轮、第二后螺旋锥齿轮、第一前螺旋锥齿轮和第二前螺旋锥齿轮的结构特征，其中第一后螺旋锥齿轮、第一前螺旋锥齿轮为从动齿轮，第二后螺旋锥齿轮、第二前螺旋锥齿轮为主动齿轮：
齿数比如式(3)
u＝z2/z1＝sinδ2/sinδ1 (3)
式(3)中z1为主动齿轮齿数，z2为从动齿轮的齿数；δ1为主动齿轮节锥角，δ2为从动齿轮节锥角；
当δ1+δ2＜π/2时，
轴交角如式(4)
Σ＝δ1+δ2 (4)
节锥角如式(5)
δ1＝arctan[sinΣ/(u+cosΣ)]
δ2＝arctan[sinΣ/(u-1+cosΣ] (5)
当δ1+δ2＞π/2时，
轴交角如式(6)
Σ＝π-(δ1+δ2) (6)
节锥角如式(7)
δ1＝arctan[sinΣ/(u-cosΣ)]
δ2＝arctan[sinΣ/(u-1-cosΣ] (7)
锥距如式(8)
R＝d1/sinδ1 (8)
式(8)中d1为主动齿轮大端分度圆直径；
根据齿根疲劳强度校核式(9)：
式(9)中σH为接触疲劳极限，ZE为弹性系数，k为载荷系数，T1为主动齿轮传递的转矩，ψL为齿宽系数，[σH]为许用接触疲劳极限；
得到齿面强度设计式(10)：
本发明自行车轴传动多级内变速装置，适用于轴传动自行车，增加了多级内变速装置，自行车中轴右侧连接的一对互相啮合的螺旋锥齿轮，通过传动轴将力矩传动到自行车后轴处的变速装置，变速装置采用变速圆柱齿轮滑动在自行车后轴上的低、中、高速圆锥齿轮切换啮合，实现变速，结构紧凑，零部件少，易于维护，保养周期长；
本发明采用防护罩，传动润滑结构采用密封式装配，骑行中不用担心链条断开或脱落，也不用担心夹住衣物或润滑油弄脏衣物。
附图说明
图1为本发明自行车轴传动多级内变速装置的结构示意图；
图2为本发明自行车轴传动多级内变速装置的运动示意图。
具体实施方式
以下结合附图，进一步说明本发明的具体实施例。
如图1并结合图2所示，公开了一种自行车轴传动多级内变速装置的实施例，该变速装置包含：花键轴10、变速圆柱齿轮9、调节装置(图中未标识)、第一圆锥齿轮14、第二圆锥齿轮13和第三圆锥齿轮12。
花键轴10一端传动连接自行车动力源，具体的花键轴10依次通过传动轴4和自行车中轴1传动连接自行车动力源(即自行车脚踏板)。
花键轴10与传动轴4传动连接的一端设有第一后螺旋锥齿轮8，传动轴4对应设有与第一后螺旋锥齿轮8啮合的第二后螺旋锥齿轮7。其中第二后螺旋锥齿轮7为主动齿轮，第一后螺旋锥齿轮8为被动齿轮。
传动轴4传动连接自行车中轴1，传动轴4与自行车中轴1传动连接的一端设有第一前螺旋锥齿轮3，自行车中轴1对应设有与第一前螺旋锥齿轮3啮合的第二前螺旋锥齿轮2。第二前螺旋锥齿轮2为主动齿轮，第一前螺旋锥齿轮3为被动齿轮。
进一步的，传动轴4上套设有分贝设置于靠近传动轴4两端位置的第一传动轴轴承5和第二传动轴轴承5，第一传动轴轴承5和第二传动轴轴承5分别固定在自行车车架上。
变速圆柱齿轮9同轴套设在花键轴10上，变速圆柱齿轮9可沿花键轴轴向滑动。
第一圆锥齿轮14、第二圆锥齿轮13和第三圆锥齿轮12同轴套设在自行车后轴11上、且依次排列。自行车后轴11一端传动连接自行车车轮，驱动自行车轮转动。
变速圆柱齿轮9通过滑动可在第一圆锥齿轮14、第二圆锥齿轮13和第三圆锥齿轮12之间切换啮合，实现自行车轮转动变速。
调节装置(图中未标识)包含机械连接的弹簧和拉线，弹簧机械连接变速圆柱齿轮9，拉线引导至自行车把手处，由外力牵引驱动拉线，拉线驱动弹簧，弹簧驱动变速圆柱齿轮9在花键轴10上滑动，并将变速圆柱齿轮9限位在与第一圆锥齿轮14、或第二圆锥齿轮13、或第三圆锥齿轮12啮合的位置，实现变速圆柱齿轮9分别与第一圆锥齿轮14、第二圆锥齿轮13和第三圆锥齿轮12切换啮合。
其中，第一圆锥齿轮14的齿轮数大于第二圆锥齿轮13的齿轮数，第二圆锥齿轮13的齿轮数大于第三圆锥齿轮12的齿轮数。第一圆锥齿轮14、第二圆锥齿轮13和第三圆锥齿轮12与自行车后轴11之间分别设有滚针轴承。
具体的，第一圆锥齿轮、第二圆锥齿轮和第三圆锥齿轮结构的关系式如下：
△z＝zi+2-zi+1＝zi+1-zi (1)
或者
2AIi+1＝AIi+AIi+2 (2)
其中，δ为第一圆锥齿轮、第二圆锥齿轮和第三圆锥齿轮的分度锥角，B为相邻齿轮的齿宽、K为相邻齿轮之间的距，第一圆锥齿轮、第二圆锥齿轮和第三圆锥齿轮的零变位截面到大端面的距离分别为AIi、AIi+1、AIi+2，分圆半径分别为ri、ri+1、ri+2，△z为相邻齿轮的齿数差，mt为齿轮的端面模数。
其中，第一圆锥齿轮14、第二圆锥齿轮13和第三圆锥齿轮12的分度锥角δ、齿宽B、相邻齿轮间隔距离K、相邻齿轮的齿轮数差△z相等。
根据上式设计的等齿差、等锥角的第一圆锥齿轮14、第二圆锥齿轮13和第三圆锥齿轮12，在自行车后轴的上安装时，只要第一圆锥齿轮14、第二圆锥齿轮13和第三圆锥齿轮12之间的空档距离都为K；且它们和变速圆柱齿轮具有公共的产形齿条。第一圆锥齿轮14、第二圆锥齿轮13和第三圆锥齿轮12的分度锥角δ与变速圆柱齿轮的轴线和第一圆锥齿轮14、第二圆锥齿轮13和第三圆锥齿轮12的轴线夹角同为δ。第一圆锥齿轮14、第二圆锥齿轮13和第三圆锥齿轮12的零变位截面上的分度圆在同一个分度圆锥面上，则该变速装置就能正确传动和变速。
进一步的，变速装置还包含防护罩，第一圆锥齿轮14、第二圆锥齿轮13和第三圆锥齿轮12、变速圆柱齿轮9、花键轴10设置有变速圆柱齿轮的部分、以及自行车后轴11设置有第一圆锥齿轮、第二圆锥齿轮和第三圆锥齿轮的部分设置于防护罩内。
进一步的，第一后螺旋锥齿轮8、第二后螺旋锥齿轮7、第一前螺旋锥齿轮3和第二前螺旋锥齿轮2采用非正交圆锥齿轮传动，其结构特征如下：
齿数比如式(3)
u＝z2/z1＝sinδ2/sinδ1 (3)
式(3)中z1为螺旋锥齿轮A(2)、后螺旋锥齿轮E(7)齿数，z2为从动齿轮前螺旋锥齿轮B(3)、后螺旋锥齿轮F(8)齿数；δ1为主动齿轮节锥角，δ2为从动齿轮节锥角；
当δ1+δ2＜π/2时，
轴交角如式(4)
Σ＝δ1+δ2 (4)
节锥角如式(5)
δ1＝arctan[sinΣ/(u+cosΣ)]
δ2＝arctan[sinΣ/(u-1+cosΣ] (5)
当δ1+δ2＞π/2时，
轴交角如式(6)
Σ＝π-(δ1+δ2) (6)
节锥角如式(7)
δ1＝arctan[sinΣ/(u-cosΣ)]
δ2＝arctan[sinΣ/(u-1-cosΣ] (7)
锥距如式(8)
R＝d1/sinδ1 (8)
式(8)中d1为主动齿轮大端分度圆直径；
根据齿根疲劳强度校核式(9)：
式(9)中σH为接触疲劳极限，ZE为弹性系数，k为载荷系数，T1为主动齿轮传递的转矩，ψL为齿宽系数，[σH]为许用接触疲劳极限；
得到齿面强度设计式(10)：
根据上述传动比和以上公式(3)-(10)，进而可以设计出不同的齿轮组。
如图2所示，，第一前螺旋锥齿轮3和第二前螺旋锥齿轮1的轴交角范围在0至180度之间可调。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。
Claims (9)
1.一种自行车轴传动多级内变速装置，其特征在于，该变速装置包含：
花键轴，其一端传动连接自行车动力源；
变速圆柱齿轮，其同轴套设在花键轴上，变速圆柱齿轮可沿花键轴轴向滑动；
同轴套设在自行车后轴上、且依次排列的第一圆锥齿轮、第二圆锥齿轮和第三圆锥齿轮；变速圆柱齿轮通过滑动在第一圆锥齿轮、第二圆锥齿轮和第三圆锥齿轮之间切换啮合；
调节装置，其机械连接变速圆柱齿轮，由外力驱动变速圆柱齿轮在花键轴滑动并将变速圆柱齿轮限位在与第一圆锥齿轮、或第二圆锥齿轮、或第三圆锥齿轮啮合的位置；
所述第一圆锥齿轮的齿轮数大于第二圆锥齿轮的齿轮数，第二圆锥齿轮的齿轮数大于第三圆锥齿轮的齿轮数。
2.如权利要求1所述的自行车轴传动多级内变速装置，其特征在于，所述变速装置还包含防护罩，所述第一圆锥齿轮、第二圆锥齿轮、第三圆锥齿轮、变速圆柱齿轮、花键轴设置有变速圆柱齿轮的部分、以及自行车后轴设置有第一圆锥齿轮、第二圆锥齿轮和第三圆锥齿轮的部分设置于防护罩内。
3.如权利要求1所述的自行车轴传动多级内变速装置，其特征在于，所述第一圆锥齿轮、第二圆锥齿轮和第三圆锥齿轮与自行车后轴之间分别设有滚针轴承。
4.如权利要求1所述的自行车轴传动多级内变速装置，其特征在于，所述第一圆锥齿轮、第二圆锥齿轮和第三圆锥齿轮的分度锥角、齿宽、相邻齿轮间隔距离、相邻齿轮的齿轮数差相等。
5.如权利要求1或5所述的自行车轴传动多级内变速装置，其特征在于，所述第一圆锥齿轮、第二圆锥齿轮和第三圆锥齿轮结构的关系式如下：
△z＝zi+2-zi+1＝zi+1-zi (1)
或者
2AIi+1＝AIi+AIi+2 (2)
其中，δ为第一圆锥齿轮、第二圆锥齿轮和第三圆锥齿轮的分度锥角，B为相邻齿轮的齿宽、K为相邻齿轮之间的距，第一圆锥齿轮、第二圆锥齿轮和第三圆锥齿轮的零变位截面到大端面的距离分别为AIi、AIi+1、AIi+2，分圆半径分别为ri、ri+1、ri+2，△z为相邻齿轮的齿数差，mt为齿轮的端面模数。
6.如权利要求1所述的自行车轴传动多级内变速装置，其特征在于，所述花键轴依次通过传动轴和自行车中轴传动连接自行车动力源；花键轴与传动轴传动连接的一端设有第一后螺旋锥齿轮，传动轴对应设有与第一后螺旋锥齿轮啮合的第二后螺旋锥齿轮；
所述传动轴传动连接自行车中轴，传动轴与自行车中轴传动连接的一端设有第一前螺旋锥齿轮，自行车中轴对应设有与第一前螺旋锥齿轮啮合的第二前螺旋锥齿轮。
7.如权利要求6所述的自行车轴传动多级内变速装置，其特征在于，所述传动轴上套设有若干传动轴轴承，传动轴轴承分别固定在自行车车架上。
8.如权利要求6所述的自行车轴传动多级内变速装置，其特征在于，所述第一前螺旋锥齿轮和第二前螺旋锥齿轮的轴交角范围在0至180度之间可调。
9.如权利要求6所述的自行车轴传动多级内变速装置，其特征在于，所述第一后螺旋锥齿轮、第二后螺旋锥齿轮、第一前螺旋锥齿轮和第二前螺旋锥齿轮的结构特征，其中第一后螺旋锥齿轮、第一前螺旋锥齿轮为从动齿轮，第二后螺旋锥齿轮、第二前螺旋锥齿轮为主动齿轮：
齿数比如式(3)
u＝z2/z1＝sinδ2/sinδ1 (3)
式(3)中z1为主动齿轮的齿数，z2为从动齿轮的齿数；δ1为主动齿轮节锥角，δ2为从动齿轮节锥角；
当δ1+δ2＜π/2时，
轴交角如式(4)
Σ＝δ1+δ2 (4)
节锥角如式(5)
δ1＝arctan[sinΣ/(u+cosΣ)]
δ2＝arctan[sinΣ/(u-1+cosΣ] (5)
当δ1+δ2＞π/2时，
轴交角如式(6)
Σ＝π-(δ1+δ2) (6)
节锥角如式(7)
δ1＝arctan[sinΣ/(u-cosΣ)]
δ2＝arctan[sinΣ/(u-1-cosΣ] (7)
锥距如式(8)
R＝d1/sinδ1 (8)
式(8)中d1为主动齿轮大端分度圆直径；
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式(9)中σH为接触疲劳极限，ZE为弹性系数，k为载荷系数，T1为主动齿轮传递的转矩，ψL为齿宽系数，[σH]为许用接触疲劳极限；
得到齿面强度设计式(10)：
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| CN201910111512.8A CN109606531A (zh) | 2019-02-12 | 2019-02-12 | 自行车轴传动多级内变速装置 |
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- 2019-02-12 CN CN201910111512.8A patent/CN109606531A/zh active Pending
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |