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自行車自適應內(nèi)變速系統(tǒng)

作者：2016級本科生 易希理 余宗澤 杜伯源 機械工程系

指導老師：邵珠峰 機械工程系

關(guān)鍵詞：自適應變速 內(nèi)變速 

摘要

該款自行車自適應內(nèi)變速系統(tǒng)用純機械的自動換檔機構(gòu)，免除復雜的電控系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)的可靠性，響應速度加快；不需要另外加裝發(fā)電花鼓或電池，使結(jié)構(gòu)更加緊湊；采用內(nèi)變速系統(tǒng)，維護簡單，安全性高。結(jié)構(gòu)采用彈簧等柔性連接機構(gòu)，配合牽拉傳遞機構(gòu)和棘輪機構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)變速比隨輸入扭矩改變而變化即自動變速功能，和無級變速功能。

工作原理

該項目旨在通過研制可自適應調(diào)節(jié)傳動比的內(nèi)變速系統(tǒng)，通過踩踏力度的輸入實時調(diào)節(jié)傳動比，在面對不同外界環(huán)境時能夠適應穩(wěn)定的踩踏速率及踩踏力度，提高騎行的舒適程度；通過無級變速結(jié)構(gòu)減小有限擋位帶來的沖擊，并無縫匹配不同大小的力矩；同時其作為內(nèi)變速系統(tǒng)可以有效避免可能的外部沖擊，且能夠最大程度保有與現(xiàn)有主流自行車架的兼容性。

圖1 系統(tǒng)原理圖

首先，為了將扭矩大小線性映射為機構(gòu)的運動，扭矩輸入盤通過彈簧與同步帶等組成的結(jié)構(gòu)與動力輸入盤柔性相連，當動力輸入盤所受輸入力矩變化時，由于兩盤間彈簧等柔性連接機構(gòu)的作用，兩盤間的夾角會產(chǎn)生與力矩成線性關(guān)系的變化。而在扭矩傳遞盤上，有一組可沿盤徑向滑動的滑塊結(jié)構(gòu)，兩盤間夾角變化可使得該滑塊結(jié)構(gòu)隨角度變化進行徑向運動，而此運動在后續(xù)結(jié)構(gòu)中可以進一步映射到傳動比變化。簡而言之，借助兩盤間的柔性連接和滑塊結(jié)構(gòu)，扭矩傳遞盤上的滑塊可根據(jù)輸入力矩的變化運動到圓盤徑向不同位置。

其次，對于無極變速方面，我們給出了基于多組凸輪及棘輪的無級變速機構(gòu)。具體工作方式如下，為方便理解圖中只留有一組凸輪棘輪結(jié)構(gòu)：

隨著輸入盤的旋轉(zhuǎn)，多組滑塊繞軸線運動，且會隨力矩變化沿徑向運動。滑塊的一部分作為凸輪結(jié)構(gòu)的導桿，當導桿撥動凸輪旋轉(zhuǎn)時，凸輪的旋轉(zhuǎn)能通過繩索牽拉帶動一組棘輪，實現(xiàn)輸出端的運動。

圖2 輸入部分原理圖

而整個變速機構(gòu)有多組凸輪棘輪機構(gòu)，每一組該機構(gòu)帶動一組棘輪運動。

圖3 棘輪牽拉部分原理圖

由于棘輪的速度選擇特性，輸出端一直由最高速度的凸輪棘輪機構(gòu)實際輸出，從而實現(xiàn)了相對較為平緩的傳動比變化。而每組棘輪都裝有回彈結(jié)構(gòu)，當滑塊脫離凸輪時棘輪與凸輪自動回歸初始位置，等待進行下一輪牽拉。

圖4 輸出結(jié)構(gòu)原理圖

為方便解釋，這里使用的是未經(jīng)優(yōu)化的凸輪進行說明。下圖為單一凸輪棘輪機構(gòu)傳動時的傳動比反比曲線：

而多組凸輪棘輪機構(gòu)共同傳動時，傳動比反比隨時間曲線如圖中紅色曲線：

可以看出，采用多組凸輪棘輪機構(gòu)，且其數(shù)量與滑塊數(shù)量互質(zhì)，能夠有效平緩傳動比的變化。

樣機制作

原理樣機目的是驗證自適應變速原理是否可行，至于傳動效率與體積等都暫時忽略。為了控制制作成本，同時方便組裝，因此原理樣機尺寸較大，且簡化了部分結(jié)構(gòu)。原理樣機主要板件均為激光切割的膠合板，其他零件除標準件外均為3D打印件。棘輪部分由于制作難度大，精度要求高，因而選擇使用單向軸承替代棘輪。同時為了方便固定與測試，還設計并制作了支架。

圖4 原理樣機