CN1224787C - 鱼形齿轮与自行车无级变速箱 - Google Patents
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Abstract
发明名称为鱼形齿轮与自行车无级变速箱。鱼形齿轮涉及机械工程中非圆齿轮传动领域,鱼形齿轮属于非圆齿轮,鱼形齿轮有两种类型,分别命名为指数型鱼形齿轮和线性型鱼形齿轮。设计正确的指数型鱼形齿轮与线性型鱼形齿轮能啮合转动,实现期望的传动比函数。鱼形齿轮副,辅以超越机构,构成的传动装置,可以实现无级变速,自行车无级变速箱是鱼形齿轮的实际应用。无级变速箱功率的输出轴连接在自行车后轴右花盘的外螺纹上,驱动自行车前进。无级变速箱由手动变速控制器操纵,可以在自行车原有的大小链轮变速的基础上,扩大变速范围2.381倍,该范围已经超过现有的自行车外变速装置的变速范围。
Description
技术领域
本发明涉及机械工程中非圆齿轮传动。
技术背景
目前机械传动中,齿轮变速器采用圆形齿轮啮合和换档来实现变速。圆形齿轮无法实现无级变速。非圆齿轮啮合的传动比不是一个恒定值,而是一个应变量,是以齿轮转角为自变量的函数。本发明就是以此为基础而做出的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有无级变速功能的鱼形齿轮传动装置。鱼形齿轮是具有封闭节曲线的非圆齿轮,其形状好似一条大头鱼,因而命名为鱼形齿轮。鱼形齿轮有两种类型,根据其节曲线方程式的特征,分别命名为指数型鱼形齿轮和线性型鱼形齿轮。设计正确的指数型鱼形齿轮与线性型鱼形齿轮能啮合转动,实现期望的传动比函数。指数型鱼形齿轮是本发明的权利要求之一,线性型鱼形齿轮是本发明的权利要求之二。鱼形齿轮副,辅以超越机构,构成的传动装置,可以实现无级变速,本发明以自行车无级变速箱为例说明鱼形齿轮的实际应用。自行车无级变速箱是本发明权利要求之三。自行车无级变速箱由三个互相平行的主轴、六个相同的指数型鱼形齿轮、六个相同的线性型鱼形齿轮、三个棘轮组成。变速箱安装在自行车的车架上,变速箱功率输出轴连接在自行车后轴右花盘的外螺纹上,驱动自行车前进。变速箱由手动变速控制器操纵,可以实现大链轮对后轴的传动比的连续变换。
附图说明
图1:传动比函数为指数函数的非圆齿轮副
图2:组成鱼形齿轮的两对非圆齿轮副
图3:指数型鱼形齿轮
图4:线性型鱼形齿轮
图5:指数型鱼形齿轮和线性型鱼形齿轮啮合
图6:二级鱼形齿轮传动
图7:二级鱼形齿轮传动的传动比函数曲线(1)
图8:二级鱼形齿轮传动的传动比函数曲线(2)
图9:变速箱二级鱼形齿轮传动轴测示意图
图10:变速箱齿轮轮系结构图
图11:变速箱变速机制示意图
图12:安装有无级变速箱的自行车
具体实施说明
下面通过文字、数学表达式和附图说明本发明。
一、传动比函数为指数函数的非圆齿轮副
图1中,轮1和轮2是二个互相啮合的圆心角为2π的非圆齿轮,轮1为主动轮。传动比函数i12等于轮1转速/轮2转速
令:
式中:i12为传动比,
b为常量,大于0,
a为常量,大于1,
1为轮1的转角,即节曲线的极角
根据非圆齿轮的性质:
轮2:
式中:
r1为轮1的节曲线向径
r2为轮2的节曲线向径
2为轮2的转角,即节曲线的极角
l为轮1和轮2的中心距
从(3)式得,
将(5)式代入(4)式得
r2=l/(1+1/b-2·lna)……………………(6)
从(3)式得,
当1=2π,并且b=(1-1/a2π)/(lna·2π)时,轮2的2=2π,这说明节曲线方程为式(2)的非圆齿轮1与节曲线为式(6)的非圆齿轮2能在0~2π的转角内啮合摆动,其传动比函数为式(1)。
二、鱼形齿轮和鱼形齿轮副
图2中,轮3和轮4为二个互相啮合的圆心角为2π/c的非圆齿轮,c为一个常量,其数值大于1而小于2。轮3为主动轮,两轮中心距为l,b=(1-1/a2π/c)/(lra·2π/c)。那么根据上节的计算和推导的公式
可知:轮3
轮4 r4=l/(1+1/b-lna·4)……………………(9)
轮3和轮4可以在0~2π/c之间摆动,其传动比函数为指数函数。
图2中轮5和轮6为二个互相啮合的圆心角为(2π-2π/c)的非圆齿轮,轮5为主动轮,两轮中心距为L,b=(1-1/a2π/c)/(lna·2π/c)。
同理根据上节的推导和公式
可知:轮5
轮6 r6=l/(1+1/b-lna·β6)…………………(11)
式中:β5=(2π-5)/(c-1),β6=(2π-6)/(c-1),b=(1-1/a2π/c)/(lna·2π/c)
轮5和轮6可以在(2π-2π/c)~2π之间摆动,其传动比函数为指数函数。
通过进一步的计算可知,轮3节曲线的短轴和轮5节曲线的短轴相等,轮3节曲线的长轴和轮5节曲线的长轴相等,并且两轮圆心角之和为2π,所以可以将轮3和轮5整合成一个齿轮(见图3)。同理可以将轮4和轮6整合成一个齿轮(见图4)。图3和图4所示齿轮,形状象条大头鱼。故称为鱼形齿轮。鱼形齿轮就这样发明出来了。鱼形齿轮分两种类型,一种类型为图3所示,其节曲线方程含有指数函数,所以称其为指数型鱼形齿轮,简称指数齿轮,其特征为节曲线方程为(13)、(14)。
其中,L,a,c为系数,l>0,a>1,2>c>1
b=(1-1/a(2π/c))/(lna·2π/c),β=(2π-)/(c-1)
图4所示为另一类型鱼型齿轮。称其为线性型鱼形齿轮,简称线性齿轮,其特征为节曲线方程表达式为(15)、(16)式。
其中,L,a,c为系数,l>0,a>1,2>c>1
b=(1-1/a(2π/c))/(lna·2π/c),β=(2π-)/(c-1)
图5是参数l,a,c相同的指数齿轮和线性齿轮的啮合,是一对鱼形齿轮副,主动轮轮1为指数齿轮,轮2为线性齿轮,其传动比函数为:
i12=轮1转速/轮2转速=ω1/ω2
即
其中,β1=(2π-1)/(c-1)
三、自行车无级变速箱
(一)鱼形齿轮及其参数
变速箱内共有6对鱼形齿轮,设计鱼形齿轮远比设计圆形齿轮复杂,首先要给定传动比函数,确定节曲线的三个参数,然后确定齿廓、齿数等,最后进行必要的校核。
1、传动比函数:
变速箱内鱼形齿轮节曲线的三个参数为l=56,a=1.6129,c=8/7那么计算出b=0.3531,β1=7×(2π-1)
传动比函数为:
2、节曲线方程
指数齿轮的节曲线方程为:
线性齿轮的节曲线方程为:
3、齿廓
根据非圆齿轮的啮合原理来设计鱼形齿轮的齿廓。变速箱的鱼形齿轮的轮齿齿廓采用凸圆弧齿形,齿根齿形和齿顶齿形也为凸圆弧,根据共轭齿形原理,分别为每一个轮齿设计合理的齿廓。变速箱用的鱼形齿轮的节曲线由两段组成,其圆心角分别为7/4×π和1/4×π。
利用上式,计算出圆心角为7/4×π的节曲线长度为199.51毫米,圆心角为1/4×π的节曲线长度为53.86毫米。在199.51毫米长度上设计11.5个齿,当量模数M=5.52。在53.86毫米长度上设计3.5个齿,当量模数M=4.9。图5是设计好的鱼形齿轮,轮1为指数齿轮,轮2为线性齿轮。齿数为15个齿,两轮中心距为56毫米。
4、压力角验算、啮合重合度验算、强度核算
非圆齿轮的每个轮齿具有不同的压力角,节曲线上的压力角为啮合角,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极限值。非圆齿轮副的啮合重合度各个齿都不等,因此为保证传动的连续性必须验算各个齿的啮合重合度。自行车无级变速箱属于轻载低速机械,其齿轮只需校核轮齿的弯曲强度。
(二)二级鱼形齿轮传动比函数
变速箱的齿轮轮系采用二级鱼形齿轮传动,图6是其示意图。图6中第一级传动为轮3对轮1。主动轮轮3是线性齿轮;从动轮轮1为指数齿轮;第二级传动为轮1对轮2,主动轮为轮1,从动轮轮2为线性齿轮。下面通过计算,说明二级鱼形齿轮传动的传动比函数的特点。
第一级传动比函数:
第二级传动比函数:
式中0为轮1、轮2中心连线与轮1、轮3中心连线的夹角,其数值可在0与7/4×π之间变动。
那么二级传动的总传动比函数
将式(21)、(22)、(23)、(24)、(25)代入式(26),可得i32的函数式。第一种情况:当0≤0≤1/4×π时
第二种情况:当1/4×π≤0≤7/4×π时
图7是0=0°,45°,102°时,1-i32的曲线图。图8是0=0°,45°,102°时,3-i32的曲线图。从图8中可以清楚地看到:
1、0=0°,主动轮轮3匀速转动时,从动轮轮2也在作匀速转动。其速比为i32=1∶1。
2、0=45°,主动轮轮3匀速转动时,从动轮轮2的转速以360度为周期,有规律地变化,其规律为:主动轮转角3在0°~106.3°区间内,i32从13.857下降到0.687,3在106.3°到315°区间内(区间宽度208.7度),i32=0.687为常数,3在315°到360°区间内,i32从0.687上升到13.85。
3、0=102°,主动轮轮3匀速转动时,从动轮轮2以360度为周期,有规律地变化,其规律为:主动轮转角3在0°到128.5°区间内,i32=8.46为常数;3在128.5°到194.6°区间,i32从8.46下降到0.42,3在194.6°到315°区间内(区间宽度120.4度),i32=0.42为常数,3在315°到360°区间内,i32从0.42上升到8.46。
上述情况说明,当0在0°和102°之间的任何数值时,二级鱼形齿轮传动的主动轮轮3对从动轮轮2的传动比的变化有下列特点:
1、主动轮轮3对从动轮轮2的速比在特定转角区间内是个常数,该常数等于或小于1。
2、这部分转角区间的大小和0的大小相关。0=0°,该区间为360°;当0=102°,该区间为120.4°。
4、上述常数是传动比函数值中的最小值。
本发明利用上述特点,发明了齿轮无级变速装置。图9是变速箱中二级鱼形齿轮传动的轴测示意图。轮1为主动轮,轮2轮3为惰轮,轮4为从动轮。
(三)变速箱的齿轮轮系
图10是变速箱齿轮轮系结构图。
10——长后轴辊
20——惰轮轴
30——小链轮轴
40——小链轮
50——变速连杆
16——箱体
7——变速曲柄
8——外接螺套
9——长轴套
11、21、31——线性齿轮
12、22、32——指数齿轮
13、23、33——指数齿轮
14、24、34——线性齿轮
15、25、35——棘轮
图中剖面线处为自行车车架
从图10中看出变速箱采用三轴式齿轮轮系,并且由三个结构相同的传动支流构成。每个传动支流有小链轮、小链轮轴、线性齿轮/指数齿轮、指数齿轮/线性齿轮、棘轮、长轴套、外接螺套组成,其作用为:小链轮匀速转动120.4度,通过传动支流传递,外接螺套匀速转动120.4/0.620度,小链轮转动其它的(36-120.4)度时,外接螺套按上述转速继续转动直到其转速可能小于上值时,该传动支流中的棘轮断开了小链轮和外接螺套之间的传动链,另一个传动支流使外接螺套的转速达到上值。
三个传动支流相位差120度,这样当小链轮匀速旋转1圈时,连接螺母匀速旋转1/0.620圈。因此,连续改变0角,就实现了无级变速。0角的变化范围为0度至102度,那么速比的变化范围为1∶1至1∶2.381。就是说无级变速箱可以在自行车原有的大小链轮变速的基础上,扩大变速范围2.381倍,该范围已经超过现有的自行车外变速装置的变速范围。
(四)变速箱的变速机制
变速箱是如何操纵的呢?图11是变速机制示意图。
36——自行车大链轮
40——小链轮
37——变速滑槽
10——长后轴辊
50——变速连杆
38——调速滑块
7——变速曲柄
剖面线部分是自行车车架。
图11中,件50和件7之间的夹角就是0角。改变该角的大小,就实现了变速。变速箱的变速机构实质上是一个曲柄滑块机构,件50是连杆,件7是曲柄,件38是滑块。由于变速滑槽37是以大链轮中心为圆心的圆弧形槽,并且小链轮的中心和调速滑块的中心重合,所以变速过程中,虽然小链轮的位置变动,但是大链轮和小链轮的中心距始终不变,所以自行车链条的长度也不变。
(五)安装有无级变速箱的自行车
图12为安装了无级变速箱的自行车。车架后平叉咀开档达到160毫米的自行车都可以安装上变速箱。安装时,变速箱通过其外接螺套和自行车后轴右花盘的外螺纹连接,然后变速箱箱体和自行车后轴辊一起固定在车架上。变速控制器可安装在车把上或车架大梁上,骑车人可方便地通过变速控制器操纵变速箱。由于变速箱体积小,安装后,骑车人骑车时,右脚仍有足够的运动空间。
(六)变速箱的制造
变速箱的专用零件中,工艺要求较高的是鱼形齿轮,由于鱼形齿轮的精度要求不高,大量生产时,可采用冲压工艺加工。其它零件都是普通构件,通用件,标准件。所有零件用现有的金属材料,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。变速箱的装配工艺也较简单。
(七)变速箱的优点
1、变速箱采用无级变速,其变速范围大,变速方便,无冲击,使用寿命长。
2、变速箱适用范围广,操纵方便,普通自行车稍加改装,就可以安装。
3、和现有的外变速自行车相比自行车的链条在同一平面里转动,没有扭曲,提高链条的使用寿命,也减少骑行时的功率损失。
4、采用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,更有利于骑车人的健康。
5、和昂贵的摩擦式无级变速器相比,它变速可靠,制造成本小,体积小。
Claims (3)
1、一种指数型鱼形齿轮,特征是其节曲线方程为:
其中,r为鱼形齿轮的节曲线向径,为鱼形齿轮节曲线的极角
l,a,c为系数,l>0,a>1,2>c>1
b=(1-1/a(2π/c))/(lna·2π/c),β=(2π-)/(c-1)
3、一种自行车无级变速箱,特征为: 有主动轴、惰轴、从动轴,三个互相平行的主轴;从动轴和齿轮之间,采用棘轮传动;从动轴与惰轴之间装有系杆、主动轴与惰轴之间装有另一种系杆、通过手动调整两种系杆的夹角,实现无级变速;采用指数型鱼形齿轮和线性型鱼形齿轮啮合传动:
指数型鱼形齿轮,特征是其节曲线方程为:
线性型鱼形齿轮,特征为其节曲线方程为:
其中,r为鱼形齿轮的节曲线向径,为鱼形齿轮节曲线的极角
l,a,c为系数,l>0,a>1,2>c>1
b=(1-1/a(2π/c))/(lna·2π/c),β=(2π-)/(c-1)
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