CN111284630A - 一种自行车新型卡盘式无级变速器的随动调节装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自行车新型卡盘式无级变速器的随动调节装置，分离的大同步带轮被安装在卡盘上，其外端轮齿与同步齿形带啮合，所述大同步带轮通过同步齿形带使小带轮转动，实现动力的传递。由于分离带轮的盘丝凸牙周向滑动始终被限制在螺线槽中，其被带轮盘体驱动，并相对盘丝牙盘转动，在径向滑槽的限制作用下，使分离带轮沿径向滑动，即改变了分离带轮的半径，进而实现传动比的无级变化。上下两个张紧轮装置被置于靠近主动装置的外端且紧压于同步带，通过张紧轮的自张紧作用以及同步带的挠性传动，可使同步齿形带与分离同步带轮啮合良好，传动平稳。操纵装置由丝杠螺母装置和牙嵌式离合器组成，可实现骑行过程中的随动无级变速，无须停车调节。

Description

一种自行车新型卡盘式无级变速器的随动调节装置

技术领域

本发明属于传动技术领域，具体是一种自行车新型卡盘式无级变速的随动调节装置。

背景技术

随着“共享单车，绿色出行”的观念得到越来越多人的认可，自行车使用频率越来越高，但传统的自行车变速器主要以多片压盘式为主，存在着极易出现掉链或卡链的问题，换挡机构复杂，在骑行过程中换挡困难等缺点。

为解决传统变速器结构复杂及换挡易掉链的缺点，国内外众多研究者对自行车变速机构进行了研究，重点集中于采用装置简单、可无级变速的变速机构，如王荣等（公布号：CN103738457A，公布日期：2014年4月23日）通过锥形面内部的伸缩柱沿圆柱形滑道分别带动皮带支撑座沿两轴锥形面反向滑动，实现无级变速，本专利虽实现了结构简单、无级变速的功能，但变速器靠张紧皮带与锥面的摩擦来实现传动，在低速工况下，若需传递大扭矩，极易出现打滑现象，同时由于摩擦消耗的能量多，传递效率低。丁震中（公布号：CN106015482A，公布日期：2016年10月12日）采用可变链轮无级变速器来实现主从动轮的传动比无级变化，其中盘丝牙盘通过伺服电机同步驱动，卡爪通过盘丝牙盘驱动使得卡爪在卡盘的半径方向运动，卡爪带动可变链轮板运动以改变可变链轮板的直径，而主动传动装置的伺服电机的转向与从动传动装置的伺服电机的转向相反，使得主动传动装置的可变链轮板与从动传动装置的可变链轮板的直径同步变化，但该变速器在进行无级变速时，为减小变速冲击，主从动卡盘应在较低转速下换挡，不能实现随动调节控制。

发明内容

本发明针对传统自行车无级变速器不能无级变速及需停车换挡的缺点，结合卡盘式带轮无级变速器，提出了一种自行车新型卡盘式无级变速的随动调节装置。

为实现自行车无级变速、骑行过程随动调节的目的，本发明主要由离合器机构、变速器传动装置和变速器操纵装置组成。其中离合器机构包括牙嵌式离合器（4）与离合器操纵机构（5），变速器传动装置由小同步带轮及同步齿形带机构（1）、张紧轮机构（2）和大同步带轮（3）等部分组成，变速器操纵装置由大同步带轮（3）等装置组成。

当自行车需要进行无级变速时，牙嵌式离合器（4）被安装于自行车车把上的拉索转动手柄及离合器操纵机构（5）分离，大同步带轮（3）的6个分段带轮在脚蹬轴的转矩作用下，转动半径发生变化，实现中后轴传动比的改变。在张紧轮机构（2）的自压紧及同步齿形带挠性传动的作用下，大同步带轮（3）通过同步齿形带将动力平稳传递给小同步带轮。

小同步带轮轮齿、同步齿形带和大同步带轮轮齿均采用圆弧齿3M系列，可使大小带轮与同步齿形带啮合良好，其中大小带轮轮齿沿齿厚方向上两侧有挡边，为使小带轮轮齿减少疲劳损坏，将小带轮齿数加工为17个，分离带轮齿轮直径按当量齿数48计算，可实现传动比在1.8～3.2无级变速。单向离合器被安装于小带轮中心通孔与自行车后轮轴之间。

大同步带轮（3）由带轮盘体（301）、6个离散分段带轮及盘丝牙盘（309）轴向装配于一体，带轮盘体（301）内侧加工有用于定位离散带轮的滑槽（302），中心孔（304）通过花键与脚蹬轴连接，离散分段带轮沿齿厚方向上两侧分别有有工字型柱体（307）和盘丝凸牙（308），其中工字型柱体（307）沿径向被安装于互补的工字型滑槽（302）中，且外侧有轮齿（305），与同步齿形带啮合，实现动力的传递。牙嵌式离合器（4）在接合状态下，盘丝牙盘（309）前端的端齿（310）与带轮盘体（301）后端的端齿（303）啮合，使带轮盘体（301）与盘丝牙盘（309）不能产生相对运动，保持盘丝凸牙（308）在螺线槽（314）的位置不变。

牙嵌式离合器（4）由带轮盘体端齿（303）与盘丝牙盘端齿（310）构成，不进行变速时，在压紧弹簧（401）的作用下，带轮盘体端齿（303）与盘丝牙盘端齿（310）啮合良好，不会发生相对转动，可保证盘丝凸牙（308）在螺线槽（314）的位置不变，动力被大同步带轮经同步齿形带稳定传递给小带轮，实现减速增扭的作用。为使压紧弹簧（401）随盘丝牙盘（309）一起转动、减少其与弹簧座（404）的摩擦，特设置压盘（403）、弹簧座（404）、3个压盘牙（402）、压盘中心孔（405），压盘牙（402）被置于盘丝牙盘（309）背面的三个圆弧槽（312）中，转矩由盘丝牙盘（309）经圆弧槽（312）侧边、压盘牙（402）传至压盘（403），实现盘丝牙盘（309）与压盘（403）同时转动。压盘中心孔（405）中安装轴承，该轴承内圈装于固定轴（506）上，带轮盘体（301）的中心孔（304）与脚蹬轴经花键进行装配。由于自行车脚蹬传递的转矩不大，压盘（403）后端及轴承外圈可通过弹性挡圈或止动环来轴向固定，内圈则可用弹性挡圈或轴端挡圈进行固定。

离合器操纵机构（5）由齿轮轴（501）、丝杠（510）、扭转回位弹簧（512）、刚性拉索（513）组成，离合器分离时，齿轮轴（501）前端的圆柱直齿（504）与盘丝牙盘（309）的内齿（313）形成内啮合，为使齿轮轴（501）能推动牙嵌式离合器（4）分离，圆盘（505）最外端直径应比盘丝牙盘（309）内齿齿根圆大2-3mm。齿轮轴（501）的轴向直线移动由丝杠（510）与齿轮轴（501）的螺纹孔（502）形成的丝杠螺母结构来实现，侧棱（503）与镶条（508）的侧平面配合，镶条（508）与固定轴（506）通过销钉（509）连接。当位于丝杠环形槽（511）内的刚性拉索（513）被向外拉出时，丝杠（510）随之旋转，使齿轮轴（501）沿轴向直线移动，实现离合器的分离。无级变速完成后，松开刚性拉索（513），丝杠（510）被后端扭转回位弹簧（512）拉力的作用下，向反方向运动，使齿轮轴（501）沿轴线反方向直线移动，牙嵌式离合器（4）接合，刚性拉索（513）同时也自动回位。

张紧轮机构（2）由套筒（202）、锁紧螺母（203）、滚轮支撑柱（206）、张紧弹簧（205）、圆柱滚轮（207）及圆柱销（208）组成。套筒（202）被通过凸耳上的螺纹孔（201）中的紧固螺栓固定于自行车车身上，蝶形螺母（204）的圆形螺母部分被平放于套筒（202）的中心孔中，两个圆柱翼经套筒（202）的U形槽穿出，且圆形螺母与滚轮支撑柱（206）旋合，保证滚轮（207）的轮厚与同步齿形带宽度方向一致。锁紧螺母（203）与套筒（202）外表面加工出的螺纹旋合，并被紧压于蝶形螺母（204）的圆柱翼上，张紧弹簧（205）一端紧压在圆柱翼上，另一端支撑于套筒（202）下侧圆柱内部的环形阶梯面上，圆柱滚轮（207）被圆柱销（208）经滚轮支撑柱的叉形臂圆孔铰接于一起。

附图说明

图1为本发明无级变速器的总体装配图；

图2为本发明无级变速器牙嵌式离合器示意图；

图3为本发明无级变速器带轮盘体轴测图；

图4为本发明无级变速器带轮盘体工程图；

图5为本发明无级变速器离合器操纵机构示意图；

图6为本发明无级变速器齿轮轴轴测图；

图7为本发明无级变速器张紧轮机构示意图；

图8为本发明无级变速器固定轴及镶条示意图。

图中：1-小同步带轮及同步齿形带机构，2-张紧轮机构，3-大同步带轮，4-牙嵌式离合器，5-离合器操纵机构，201-螺纹孔，202-套筒，203-锁紧螺母，204-蝶形螺母，205-张紧弹簧，206-滚轮支撑柱，207-圆柱滚轮，208-圆柱销，301-带轮盘体，302-滑槽，303-带轮盘体端齿，304-中心孔,305-圆柱轮齿，306-挡边，307-工字型柱体，308-盘丝凸牙，309-盘丝牙盘，310-盘丝牙盘端齿，311-弹簧槽，312-圆弧槽，313-内齿，314-螺线槽，401-压紧弹簧，402-压盘牙，403-压盘，404-弹簧座，405-压盘中心孔，501-齿轮轴，502-螺纹孔，503-侧棱,504-圆柱直齿,505-圆盘,506-固定轴,507-螺纹销孔，508-镶条,509-销钉，510-丝杠，511-丝杠环形槽，512-扭转回位弹簧，513-刚性拉索。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的实施方式做进一步阐述，但本发明的保护内容不限于所述范围。

实施例1：

1. 参见附图5、附图6和附图8，在自行车车把上的拉索转动手柄被转动，刚性拉索（513）随之被拉动，使丝杆（510）旋转，经丝杠齿轮轴形成的丝杠螺母结构，齿轮轴（501）在固定轴（506）内用销钉（509）固定的镶条（508）的限制作用下，朝盘丝牙盘（309）的方向沿轴向直线移动。当移动距离为5mm时，圆柱直齿（504）与内齿（313）完全啮合，圆盘（505）推动盘丝牙盘（309）向后端移动、压紧弹簧（401）被进一步压缩，带轮盘体端齿（303）随即与盘丝牙盘端齿（310）开始脱离啮合；

2. 参见附图2、附图3、附图4和附图6，当盘丝牙盘（309）被圆盘（505）推动，沿轴向直线后移2.5mm，牙嵌式离合器（4）的两端齿完全脱离啮合，离合器分离完成。丝杠螺母盘丝凸牙（308）在螺线槽（314）的最大深度为5mm（螺线槽深为10mm），离合器完全分离时，盘丝凸牙（308）仍可与螺线槽牙配合。由于牙嵌式离合器（4）的分离，带轮盘体（301）及6个分离带轮经花键被脚蹬轴带动加速旋转，盘丝牙盘（309）、压紧弹簧（401）和压盘（403）在摩擦及扭转回位弹簧（512）的回位拉力作用下，转速降低。由于有转速差，6个分离带轮的盘丝凸牙（308）相对于盘丝牙盘（309）在螺线槽（314）中会产生周向相对转动，同时在滑槽（302）的限制作用下，分离带轮沿滑槽（302）径向滑动。盘丝凸牙（308）始终位于阿基米德螺线槽（314）中，因此可保证6个分离带轮上的圆柱轮齿（305）相对于转动中心轴（即脚蹬轴）的距离相等。在路面工况良好或下坡时，可减小无级变速器的传动比，即增大分离带轮半径、增大后轴转速，使脚蹬轴沿逆时针转动（与自行车前行时车轮转动方向相反）；

3. 参见附图2和附图5，待分离带轮转至合适位置后，自行车车把上的拉索转动手柄被松开，刚性拉索（513）随即在弹性系数较大的扭转回转弹簧（512）的作用下，自动绕回丝杠环形槽（511）中，同时丝杠（510）也在扭转回位弹簧（512）的作用下，使齿轮轴（501）朝带轮盘体（301）的方向轴向直线移动。待齿轮轴（501）的圆柱直齿（504）与内齿（313）完全脱离啮合后，在压紧弹簧（401）的作用下，盘丝牙盘端齿（310）将与端齿（303）将完全啮合，由于自行车脚蹬轴转速不高，因此两端齿啮合时产生的冲击不大，两端齿完全啮合后，6个分离带轮在滑槽（302）及螺线槽（314）中的位置确定；

4. 参见附图1和附图7，牙嵌式离合器（4）分离接合过程中，同步齿形带的松紧程度及在大同步带轮（3）上的包络角度发生变化，上下相对的两个张紧轮机构（2）在张紧弹簧（205）的作用下，自动压紧同步齿形带，同时采用的同步齿形带为弹性较大的皮带，在张紧力及弹性共同作用下，同步齿形带的轮齿可自适应与分离带轮较多轮齿啮合。转矩由脚蹬轴，经大同步带轮（3）、同步齿形带、小同步带轮传至自行车后轮，实现动力的传递，变速过程完成。

实施例2：

方法与实施例1相同，仅实施例1第3步，在路面工况较差或上坡时，可增大无级变速器的传动比，即减小分离带轮半径，使脚蹬轴沿顺时针转动（与自行车前行时车轮转动方向相同）。

Claims (7)

1.一种自行车新型卡盘式无级变速器的随动调节装置，其特征在于为实现自行车无级变速、骑行过程中动态调节的目的，本发明主要由离合器机构、变速器传动装置和变速器操纵装置组成；其中离合器机构包括牙嵌式离合器与离合器操纵机构，变速器传动装置由小同步带轮及同步齿形带机构、张紧轮机构和大同步带轮等部分组成，变速器操纵装置由大同步带轮等装置构成；当自行车需要进行无级变速时，牙嵌式离合器被安装于自行车车把上的拉索转动手柄及离合器操纵机构分离，大同步带轮的6个分段带轮在脚蹬轴转矩的作用下，转动半径发生变化，实现中后轴传动比的改变；在张紧轮机构的自压紧及同步齿形带挠性传动的作用下，大同步带轮通过同步齿形带将动力平稳传递给小同步带轮。

2.根据权利要求1所述的小同步带轮、同步齿形带和大同步带轮轮齿均采用圆弧齿3M系列；其中大小带轮轮齿沿齿厚方向上两侧有挡边，为使小带轮轮齿减少疲劳损坏，将小带轮齿数加工为17个，分离带轮齿轮直径按当量齿数48计算，可实现传动比在1.8～3.2无级变速；单向离合器被安装于小带轮中心通孔与自行车后轮轴之间。

3.根据权利要求1所述的大同步齿形带轮，为使6个分离带轮上的圆柱轮齿相对于转动中心轴（即脚蹬轴）的距离相等，螺线槽采用阿基米德螺线槽。

4.根据权利要求1所述的牙嵌式离合器，因自行车脚蹬轴转速不高，因此在离合器接合过程中两端齿啮合时端齿受到冲击不大，采用牙嵌式离合器能达到接合迅速、分离彻底的目的；为使盘丝牙盘端齿齿顶与挡边外侧面在端齿啮合时不发生冲击、摩擦现象，端齿的齿根在轴线方向与挡边外侧面的距离为5mm；离合器完全分离时，丝杠螺母盘丝凸牙在螺线槽的深度为2.5mm（螺线槽深为10mm），盘丝凸牙的周向转动仍受螺线槽牙的限制。

5.根据权利要求1所述的离合器操纵机构，通过设计、加工精度的保证，使固定轴与脚蹬轴的支承轴承座孔轴线基本重合，进而使带轮盘体与盘丝牙盘中心轴线重合，确保端齿与盘丝牙盘端齿的对中啮合。

6.根据权利要求1所述的张紧轮机构，牙嵌式离合器在分离接合过程中，同步齿形带的松紧程度及在大同步带轮上的包络角度会发生变化，上下相对的两个张紧轮机构2在张紧弹簧的作用下，同步齿形带被自动压紧，同时采用的同步齿形带为弹性较大的皮带，在二者的共同作用下，同步齿形带的轮齿可自适应与分离带轮较多轮齿啮合；考虑到同步齿形带的长时间使用会出现弹性减小、塑性变形的情况，张紧轮机构可通过调节锁紧螺母在套筒外螺纹表面的位置，来实现张紧力的调节。

7.根据权利要求1所述的无级变速过程，无级变速操作在自行车高低速行驶或停止工况下，均可随动实施，克服一般自行车变速器需停车换挡且易脱齿的缺点。

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