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1、X X 大 学本 科 毕 业 论 文（设计）题目: 自行车内三速变速器设计 姓名: 专业: 机械设计制造及其自动化 学院: 机电与控制工程学院 学号: XXXXXXXXX 指导教师: XXX 职称： 教 授 2012 年 X 月 X 日深圳大学本科毕业论文（设计）诚信声明本人郑重声明：所呈交的毕业论文（设计） ，题目自行车内三速变速器设计是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明。除此之外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。本人完全意识到本声明的法律结果。毕业论文（设计）作者签名：日期： 年 月
2、 日目录【摘要】 .11.序言 .11.1 自行车内三速变速器的应用与发展 .21.2 研究的目的和意义 .31.3 研究思路和方法 .32.内三速结构和变速原理 .32.1 行星齿轮的传动比 .42.2 自行车内三速变速器结构简图 .52.3 离合器十字拨块结构研究 .62.4 均载机构分析 .62.5 减速工作原理 .62.6 常速工作原理 .72.7 增速工作原理 .72.8 行星轮系的工作效率 .82.9 总结表格 .93.内三速变速器三维建模和动作模拟 .93.1.1 对内三速变速器零件建模 .93.1.2 用 solidworks 软件对零件进行装配 .123.1.3 说明 .15
3、3.2 运动模拟 .153.2.1 对行星轮系的仿真 .154.齿轮参数测量、计算和优化 .184.1 基于中心距、齿数、模数、啮合角，对各齿轮参数进行计算 .184.2 基于标准齿轮，对行星齿轮传动比范围的初步选择 .224.3 基于原传动比，对比标准齿轮与变位齿轮的齿根弯曲强度 .244.4 对内三速变速器的优化 .255.研究总结 .27XX 大学本科毕业论文自行车内三速变速器设计第 1 页 共 31 页自行车内三速变速器设计机械设计制造及其自动化 XXX学号：XXXXXXXXX【摘要】人类自行车发展至今已有 200 多年的历史，并随着科学技术和人文精神等的发展，人类对自行车有更高的要求
4、。在遇到上坡、下坡、平坦公路、柏油马路以及凹凸不平的不良道路、冬季迎着寒风骑车等不良骑行条件下，为了适应骑车人的条件，不改变脚蹬上的踏力和踏速(脚瞪踏速)，只改变速比，从人体工程学角度出发，将人的力量最大限度地转化为推力为了达到这些要求，人类便在自行车上装上一种变速装置-内三速变速器。并以最优传动比，将人的踏力最大限度地转化为推力。自行车内三速变速器，是以行星齿轮系为变速主体，由外部的控制来进行离合器与调速元件的作动，来改变各档位，从而获得最后由轴皮筒输出的加速、常速、减速变速。本研究对已有内三速变速器工作原理进行分析，并计算其工作效率。深入研究时，对内三速先进行拆卸；再测量其各部件主要参数，
5、用计算机辅助设计软件进行三维建模，并进行运动仿真；最后对内三速变速器主要机构-行星轮系中各齿轮进行参数测量、计算和优化，用经优化后的参数进行设计，在行星轮系体积和传动比相当的前提下，可提高行星轮系中中心轮和行星齿轮的抗弯强度安全系数，中心轮提高 4.05%、行星轮提高 0.69%，达到优化的效果。【关键词】自行车、骑行条件、人体工程学、内三速变速器、行星齿轮、传动比1.序言自行车从发明时起至今已有 200 余年的历史。经过不断地演变和改进，其结构日趋合理，性能不断改善。自行车无噪音、无污染、重量轻、结构简单、造价低廉、使用和维修方便，既能作为代步和运载货物的工具，又能用于体育锻炼，因而为人们所
6、广泛使用。就是在汽车相当普及的发达国家，自行车也很受欢迎。18 世纪末，法国人西夫拉克发明了最早的自行车。这辆最早的自行车是木制的，其结构比较简单，既没有驱动装置，也没有转向装置，骑车人靠双脚用力蹬地前行，改变方面时也只能下车搬动车子。世界上第一批真正实用型的自行车出现于 19 世纪初。1817 年，德国人德莱斯在法国巴黎发明了带车把的木制两轮自行车。这种自行车虽然仍旧用脚蹬才能前行，但是可以一边前行一边改变方向，它一问世便引起了人们的极大兴趣。人类便进入了自行车时代。 10随着科学技术和人类人文精神等的发展，人们对自行车的要求也越来越高。在外形美观、传动速度等方面都在不断的改良优化。在 19
7、02 年出现了第一辆变速自行车后，变速自行车开始发展，并在 20 世纪 80 年代开始流行。20 世纪 90 年代，人们又基于外变速自行车，从外形美观、保养等方面出发，发明了自行车内变速器。自行车内变速器最常见的便是自行车内三速变速器。自行车内三速变速器，是以行星齿轮系为变速主体，由外部的控制来进行离合器与调速元件的作动，来改变各档位，从而获得最后由轴皮筒输出的加速、常速、减速变速。XX 大学本科毕业论文自行车内三速变速器设计第 2 页 共 31 页自行车内三速变速器安装在自行车后轴上，消除了自行车后轴在运行过程中的轴向摆动现象,改善了自行车后轴回转运动的稳定性,并提高了使用的可靠性与安全性，
8、同时可使自行车在外观上有进一步的改善。自行车内三速变速器作为内变速系统，变速主要装置暗藏在轴皮筒内部，经过多层特殊密封材料保护，避免暴露在外界，因此雨水、灰尘、油垢等无法进入、也避免了太阳的暴晒与风雨等的侵蚀，故无需定期保养，实现了免保养、精密、耐用、轻巧等优点，达到人们使用方便的效果。总体外观如图 1 所示。图 1 自行车后轴内三速变速器总体外观1.1 自行车内三速变速器的应用与发展自行车内变速器装置自诞生至今已有 10 年的历史，在日本、美国及西欧国家等发达国家，内变速器已经非常普遍了（在日本超过 50%的自行车是内变速车） 。在中国国内，内变速器也有较快的发展，目前，已有越来越多的人选择
9、内变速自行车。1）国外应用现状及发展在日本、美国及西欧国家等发达国家，内变速器已经非常普及。随着科学技术的不断发展，内变速器在外观结构设计及制造材料等方面也有了突飞猛进的发展。其在结构设计上越来越微型轻巧化、并且有由内变速与外变速相结合的变速系统，简图如图 2 所示（美国 SRAM 公司产品之一） 。也从内三速变速发展到更多速变速；同时也采用了更优质的材料进行制造，在零件钢度、强度及重量方面有很大的改善，使其在总体上达到质量更好，重量更轻的效果。这方面在日本和美国等发达国家发展得比较好，现在市面上比较常见的内三速变速器品牌有主要有 SRAM 和 Shimano 两大品牌，分别是美国和日本的。图
10、 2 内、外变速相结合变速系统简图（SRAM 公司产品）2）国内应用现状及发展XX 大学本科毕业论文自行车内三速变速器设计第 3 页 共 31 页和日本和美国等发达国家相比，中国国内由于消费者人文意识还不是很强烈，也未能体会到内变速器的魅力，所以内变速器在现阶段还未普及，人们更多的是使用需保养、易损坏的外变速器，但随着社会的进步发展，内变速器会是人们最终的选择。然而，国内也有部分地区及企业已经加速在内变速器方面的研究，同时也取得了较快的发展。捷安特等中国台湾大型自行车品牌企业在内变速器上做出巨大的贡献，同时我国也有一部分科研学者已经发明并申请了自行车内变速系统的相关专利，为我国自行车内变速系统
11、做出重要贡献。随着人们的重视、及科学技术地不断创新，内变速系统会越来越普及。1.2 研究的目的和意义当今，社会发展已由工业社会向后工业社会、信息社会过渡，越来越重视“以人为本” 、为人服务，因此，各机械零件的设计更应强调从人自身出发，在以人为主体的前提下结合人们衣、食、住、行以及一切生活、生产活动中的综合习惯来研究设计。自行车内三速变速器正是本着人体工程学，以人为本的前提下研究设计出的，因此，研究并设计自行车内三速变速系统具有符合人类需求、顺应时代发展等特点。时代的主题便是企业发展生存的主题。换而言之，自行车企业要屹立于竞争如此之大的社会中，必须顺应时代的发展，以人为本，从而设计出更为人们所青
12、睐的变速系统。无庸置疑，自行车企业应加快发展自行车内变速系统，提高其市场竞争力。1.3 研究思路和方法自行车内三速变速器设计的研究方法、手段：1、对某款自行车内三速变速器进行拆卸，分析其传动特征2、用三维绘图软件进行建模、装配后仿真模拟3、对内三速变速器重要零件进行设计研究步骤：1、拆卸并分析各零件2、用测量工具测量各零件尺寸3、用三维绘图软件进行绘图、装配和模拟4、设计内三速变速器重要零件2.内三速结构和变速原理对现在内三速器变速机进行拆卸，提取其主要部件：行星轮系。由于内三速变速器的主要变速原理是由行星轮系实现的，则对内三速的变速原理的研究转化为对行星轮系的变速研究。XX 大学本科毕业论文自行车内三速变速器设计第 4 页 共 31 页2.1 行星齿轮的传动比行星齿轮系为周转轮系，故其传动比不能直接用定轴轮系传动比的求法来计算。为方便计算其传动比，可根据相对运动原理，给整个行星齿轮系加上一个公共角速度“-w H”（w H 为行星齿轮系中行星架的角速度） ，则此时，行星架的角速度为 wH-wH=0（即行星架“静止不动”
