CN1108364A - 心形齿轮以及其传动装置和自行车无级内变速轴 - Google Patents

Abstract

心形齿轮及其传动装置和自行车无级内变速轴， 涉及机械工程中的非圆齿轮传动领域，心形齿轮是一 种非圆齿轮，心形齿轮副具有特殊的传动比函数，传 动比函数由指数函数和线性函数组成。心形齿轮副 辅以圆齿轮，间歇机构组成心形齿轮传动装置，该装 置具有无级变速的功能。自行车无级内变速轴是上 述装置的一个工业应用实例。安装有变速轴的自行 车，骑行时骑车人手动变速，速比1∶0.78-1∶1.41之 间无级连续可变。

Description

本发明涉及机械工程中非园齿轮传动。现在常用的非园齿轮有椭园齿轮，卵形齿轮和偏心园齿轮。本发明为机械工程提供一种新颖的非园齿轮-心形齿轮，及其传动装置。心形齿轮有封闭的节曲线，并且节曲线形式似心脏，因而得名。心形齿轮副具有特殊的传动比函数;传动比升函数是以齿轮转角为自变量的指数函数，传动比降函数是以齿轮转角为自变量的线性函数。心形齿轮是本发明的权项之一，采用心形齿轮副的传动装置具有无级变速功能，是本发明的权项之二。其技术特征为该装置中有一个主轴，在主轴四周有二个到四个恒星轴，每个恒星轴都有一个行星轴。自行车无级内变速轴（简称变速轴）是心形齿轮传动装置的实际应用，变速轴替代普通后轴安装在后轮上，骑车人在骑行时通过手动变速器，根据需要可以在一定范围内改变飞轮和后轮的速比。本发明的权项之三就是自行车无级内变速轴。其速比可变范围为1∶0.78-1∶1.41。

下面详细说明本发明：

一.心形齿轮：

心形齿轮是为满足无级变速需要而设计出来的一种非园齿轮。心形齿轮具有封闭的节曲线，其节曲线长半径和短半径之比为一正数a。a＝节曲线长半径/节曲线短半径;称a为形状系数。心形齿轮的节曲线虽然封闭，但不光滑，有二个明显的拐点。所对应的园心角不等，园心角小于半园的节曲线弧为小弧，园心角为b;称园心角大于半园的节曲线弧为大弧，园心角的弧度数为（2π-b）。心形齿轮通常采用渐开线齿形。心形齿轮副有二个外形互为正翻的心形齿轮构成（见图1）。轮Ⅰ的小弧和轮Ⅱ的大弧啮合，轮Ⅰ的大弧和轮Ⅱ的小弧啮合，二轮的中心距为A。心形齿轮副有其特有的传动比函数：P点为心形齿轮副的啮合点，P点在轮Ⅰ和轮Ⅱ上对应的极角分别为φ₁和φ₂。当P点在轮Ⅰ的小弧上时，传动比

＝轮Ⅰ转速/轮Ⅱ转速＝a (2φ₁)/(b) -1

当P点在轮Ⅱ的小弧上时

传动比

12＝轮Ⅱ转速/轮Ⅰ转速＝a (2φ₁)/(b) -1

将上式的 12换算成φ₁，即得到以φ₁为自变量的传动比函数：

式中：a为形状系数

a＝节曲线长半径/节曲线短半径

b为角度常量

$b=\frac{4\mathrm{\π}\·1\mathrm{na}}{a-\frac{1}{a}+21\mathrm{na}}$

r₁A/(

12+1)……公式1

φ₁为啮合点P在轮Ⅰ的极角（即转角）。从上式中可以看出，传动比中升函数是以转角为自变量的指数函数，降函数是以转角为自变量的线性函数。常用极坐标形式表示非园齿轮的节曲线函数。根据上述传动比函数和公式1可以计算出心形齿轮的节曲线函数。公式中r₁为节曲线向径。将轮Ⅰ的节曲线翻转即为轮Ⅱ的节曲线。采用渐开线齿形，计算出合适的中心距，使节曲线全周长分布奇数齿。这样，心形齿轮副能正确啮合旋转。很明显当形状系数a＝1时，心形齿轮就成了园齿轮。

心形齿轮有什么作用呢？请看图2。图2是两对相同的心形齿轮副组成的带有惰轮的传动。A轮为首轮，B/C轮为惰轮，D轮为末轮。

它们的传动比函数为：

由于 AD＝

CD／

BA（B轮转速和C轮转速一致），

所以

AD＝a- (2(φ_B-φ_C))/(b) 0≤φ_B≤b+（φ_B+φ_C）

并且在φ_B≥φ_C的条件下，

AD≥a- (2(φ_B-φ_C))/(b) b+（φ_B-φ_C≤φ_B≤2π

计算出

AD～φ_A的函数并在直角座标上画出曲线。见图3。图3上有三条线1.a＝2.5，φ_B＝φ_C;2.a＝2.5，φ_B＝φ_C+0.47;3.a＝2.5，φ_B＝φ_C+0.94从图3的三条曲线可以看到，在首轮第一段转角内，首轮和末轮的传动比为一恒值，当首轮和惰轮的中心轴固定时，调整末轮轮轴的行星位置，就可以改变这个恒值。心形齿轮的作用就是这样提供了用齿轮副进行无级变速的可行性。

二.心形齿轮传动装置

本发明利用心形齿轮副提供的无级变速原理，设计出具有实用价值的齿轮无级变速装置，图4所示的是二级二支流传动轮系：A轮为首轮，K轮为末轮。当轮系运转时，有上下两条传动支流。每个支流有带有惰轮的心形齿轮传动，棘轮和带有惰轮的园齿轮传动组成，其中M轴为恒星轴，N轴为行星轴，H为系杆。上支流，旋转依次以A，B，C，D，E，F，G到K。由于传动比

AK=1（不考察旋转方向），棘轮的传动比

DF≤1所以

AK≤

AD，当

AD处于最小值时，

AK=

AD。同理，在下传动支流中，当

AL处于最小值时， AK=

AL。由于

AD和 AL处于最小值的时间是错开的，所以

AK成为一个常量，整个轮系的传动比为一常量。通过同步调整上下传动支流中的行星轴的行量位置，就调整了轮系的传动比。

心形齿轮传动装置有一个主轴。主轴四周分布二-四个恒星轴，每个恒星轴都有一个行星轴，这就是心形齿轮传动装置的技术特征。

三.自行车无级内变速轴

自行车无级内变速轴（简称变速轴）是一种心形齿轮传动装置，可以实现手动无级变速。装有变速轴的自行车，在骑行时，由骑车人手动操作变速控制器，来改变自行车飞轮和后轮轴壳之间的速比，其速比在1∶0.78-1∶1.41之间无级连续可变。其变速控制器安装在自行车大梁或车把上。

（一）心形齿轮的设计

设计心形齿轮比设计园齿轮复杂，首先确定传动比函数中的形状系数a的数值，然后计算出节曲线函数，确定中心距，模数，齿数并进行必不可少的校核。

1.传动比函数

经多次试算，决定a＝2.5，所以b＝2.93

2.节曲线函数

3.中心距A

封闭的节曲线上必须分布奇数齿，节曲线周长

经计算S＝3.076A。现选定齿轮的模数m＝0.8，齿数Z＝41，那么s＝π·2·m中心距A＝33.50（毫米）

4.根切验算

设计心形齿轮必须进行根切验算。非园齿轮的每个齿的齿形可近似用齿数为Zred的园齿轮的齿形代替，称Zred为当量齿数。Zred＝2ρ_g/m

式中m为模数，ρ_g为节曲线上齿厚中点处的曲率半径，可由下式计算出：

经计算上述心形齿轮的最小当量齿数大于发生根切的齿数。加工时不会发生根切现象。

5.压力角验算

非园齿轮的每个轮齿具有不同的压力角，节曲线上的压力角称为啮合角，为减少摩擦和避免自锁必须保证啮合角的变化范围不超过某一极限值，实际啮合角α′小于许可啮合角α。

实际啮合角α′＝m+α₀- (π)/2

许可啮合角α=arccos (ρ_f)/(r₂) -arctgf

m为节曲线向径和其切线之间的夹角

α₀为20°（0.35弧度）。

P_f为从动轮的摩擦园半径，

r₅为从动轮的轴颈半径，

r₂为从动轮节曲线的向径，

f为摩擦系数。

经计算α′＜α，满足非自锁条件。

6.啮合重合度验算

非园齿轮副的啮合重合度每个齿都不一样，因此为保证传动的连续性必须验算啮合重合度。

确定心形齿轮副每对共锯齿形的重合度，可以利用当量齿数概念，按相应的园齿轮副求重合度ε。

其公式为

$\mathrm{\ϵ}=\frac{Z_1\mathrm{red}}{2\mathrm{\π}}(\mathrm{tgael}-\mathrm{tgao})+\frac{\mathrm{Zzred}}{2\mathrm{\π}}(\mathrm{tgaez}-\mathrm{tgao})$

式中：α_e为齿顶压力角 $\cos \mathrm{ae}=\frac{\mathrm{Zred}\cos a_o}{\mathrm{Zred}+{2X}^{\′}}$

α₀为标准压力角

X′为齿高系数

经计算，当X′＝0.7时，重合度满足要求。

7.轮齿强度验算

变速轴属于轻载低速机械，只需校核轮齿的弯曲强度，变速轴的心形齿轮采用低合金钢制造并表面渗碳和调质，其抗拉强度大于500牛顿/毫米²。经验算，轮齿的抗弯强度满足要求。

（二）传动支流设计

自行车的原动力是骑车人的脚踏力，脚踏力通过脚蹬，链轮，飞轮传到后轮，驱动自行车前进。飞轮是变速轴的首轮，后轮的轴壳是变速轴的末轮，为扩大无级变速的范围，变速轴内设有四条结构相同，相位各差90°的传动支流。图5是其中的一条传动支流简图。图中A.B.C.D为心形齿轮，E为轴套和弹簧。F.G.L.K为园齿轮H为系杆。W为变速盘。

1.心形齿轮副的传动比及其变化范围

A.B.C轮的轮轴位置不变，D轮的轮轴位置可以从图6变化到图7，再变化到图6。这样传动比经计算变化范围为1∶1变化到1∶1.8。

2.棘轮的结构

图5中D轮，轴套和压簧组成棘轮机构，D轮和轴套间有锯齿形凸凹台，轴套和F轮之间有花键相接，压簧是保证锯齿起作用所必须的。

3.园齿轮的齿数，模数和传动比

F轮和L轮的齿数均为31齿，模数m＝1变位系数＝0.24。

G轮和K轮的齿数为35齿，模数m＝1，变位系数＝0.27。

这样，园齿轮传动比

＝1∶0.78（不考虑旋转方向）。

4.变速轴的传动比及其变化范围

综合心形齿轮传动和园齿轮传动，变速轴的传动比可以从1∶0.78变化到1∶0.78×1.8

5.变速盘W

图5中W为变速盘，图8是变速盘的正视图。变速盘有四个均匀分布的槽，槽内N为传动支流的行星轴轴端。W盘在人力的作用下，可以转动，每转动到一个新位置时，四个传动支流中的行星轴同时在其轨道上有一个新的位置，那么变速轴有一个新的速比。

（三）变速轴图

图9是变速轴结构图，比例M1∶1。图中V为后轴的花盘，装自行车车条。W为变速盘，将和手动变速控制器相配。Y为装飞轮的大轴档。图10是变速轴内四条传动支流中的心形齿轮的相对位置。

（四）与变速轴配套的手动变速控制器

变速轴安装在自行车后轮上，何时变速，变成何速，由骑车人根据需要决定。但是骑车人骑行时不能自己用手直接转动变速盘实行变速。必须设计一个简单的机械，将其安装在骑车人易于操作的地方，如卡在车把上或大梁上。这个机械就是手动变速控制器。它可以是蜗轮蜗杆机构。需要变速时，骑车人转动蜗杆，使蜗轮旋转，通过钢丝软轴拉动变速盘;并在车架和变速盘之间附加一个拉簧。这样，反向转动蜗杆时，弹簧拉动变速盘。

（五）变速轴的制造和安装

变速轴的零件中有心形齿轮，有标准件，有通用件和其它普通的机械零件，这些零件可用现有的金属材料，现有的金属加工技术，现有的热处理技术和现有的表面处理技术生产。变速轴的装配比较简单，其性能可参考有关的专业标准加以规定。

变速轴在自行车上的安装也比较简单，变速轴两轴档间距离和变速轴壳上辐条孔的数量和位置应符合自行车行业标准。

现有的自行车内变速轴是有级变速，分为二速，三速等。本发明和它们相比有如下优点：

1.无级变速选择范围广，适应性好。

2.无级变速使骑车人的脚踏频率和其心脏跳动频率更为接近，有利于骑车人的健康。

3.可以充分利用能量变换的特点，减少骑车人的疲劳感，节省骑车人的体力。

4.本发明中没有内齿轮和复杂零件，工艺性好。

Claims (3)

1、心形齿轮是节曲线形状似心脏的非园齿轮，其技术特征为心形齿轮副具有特殊的传动比函数：传动比函数由以齿轮转角为自变量的指数函数和以齿轮转角为自变量的线性函数组成。

2、心形齿轮传动装置，采用心形齿轮副具有无级变速性能，其技术特征为该装置中有一个主轴，在主轴四周分布有二个到四个恒星轴，每个恒星轴都有一个行星轴。

3、以心形齿轮传动装置为其技术特征的自行车无级内变速轴。

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