張 超,李元?jiǎng)P,高兵華,譚國(guó)慶（山西農(nóng)業(yè)大學(xué),山西 太谷 030801）

鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu)自動(dòng)上鏈系統(tǒng)

張 超,李元?jiǎng)P,高兵華,譚國(guó)慶
（山西農(nóng)業(yè)大學(xué),山西 太谷 030801）

摘 要:鏈傳動(dòng)因?yàn)樗梢栽趦奢S中心相距較遠(yuǎn)的情況下傳輸動(dòng)力；能在低速、重載、高溫和潮濕以及灰土飛揚(yáng)等惡劣環(huán)境中工作；與摩擦型帶傳動(dòng)相比,鏈傳動(dòng)無(wú)彈性滑動(dòng)和整體打滑現(xiàn)象，能保證準(zhǔn)確的平均傳動(dòng)比,傳遞功率較大,且作用在軸和軸承上的力較小；傳遞效率較高等優(yōu)點(diǎn)，成為機(jī)械傳動(dòng)中應(yīng)用很廣的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。鏈條脫落現(xiàn)象是鏈傳動(dòng)最常見(jiàn)的一種失效形式，我們通過(guò)聯(lián)系實(shí)際，從最為大眾化的自行車的鏈傳動(dòng)入手，設(shè)計(jì)了鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu)自動(dòng)上鏈系統(tǒng)，通過(guò)計(jì)算、仿真、試驗(yàn)，驗(yàn)證了此設(shè)計(jì)可以達(dá)到對(duì)脫鏈的自行車進(jìn)行自動(dòng)上鏈的要求。

關(guān)鍵詞:自行車；上鏈；漸近線

1　引言

作為最接近大眾的鏈傳動(dòng)代表，自行車不僅是一種低碳環(huán)保的交通工具，同時(shí)也是一種健康的有氧運(yùn)動(dòng)。

自行車的種種優(yōu)點(diǎn)使其成為中國(guó)受眾最多的代步工具，從第24屆中國(guó)國(guó)際自行車展覽會(huì)上獲悉，截至2013年底，中國(guó)自行車社會(huì)保有量為3.70億輛，電動(dòng)自行車社會(huì)保有量為1.81億輛?，F(xiàn)在在全國(guó)各地盛行的公共自行車，其日均使用量的數(shù)據(jù)也相當(dāng)可觀。

城市　北京　上?！V州　太原　濟(jì)寧　杭州　張家港　西安自行車投放量（輛） 21000　35000　20000　35000　10000　65000　3900　30399日均使用量（萬(wàn)次）　8.1　6　5.4　47　1.6　40　1.35　13.8

2　設(shè)計(jì)流程

2.1 設(shè)計(jì)背景

自行車的“掉鏈”是指自行車的一種常見(jiàn)故障，即在行駛過(guò)程中，鏈條從傳動(dòng)的鏈輪上脫落，從而失去了傳動(dòng)能力。而“掉鏈子”也是我們生活中一種常用詞，本是東北方言俗語(yǔ)，意思是關(guān)鍵時(shí)刻或者是比較重要的事情沒(méi)做好，或者說(shuō)做"砸"了。在使用的上下文中常與“關(guān)鍵”搭配，例：關(guān)鍵時(shí)候掉鏈子，真是郁悶啊?？梢?jiàn)“掉鏈”對(duì)于每一個(gè)碰到它的人，都是一件極其煩惱的事情。

大學(xué)的校園里，自行車以絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)成為了學(xué)生們的主力交通工具。無(wú)論是上下課，參與社團(tuán)活動(dòng)，班級(jí)騎行活動(dòng)等過(guò)程中，如果自行車“掉鏈”了，絕對(duì)是一件十分苦惱的事情。不緊費(fèi)時(shí)費(fèi)力，還會(huì)讓手上沾滿油污，必定會(huì)對(duì)之后的行程、活動(dòng)造成一定的影響。

然而，自行車的“掉鏈”是可以避免的嗎？自行車以鏈傳動(dòng)為主要傳動(dòng)形式，掉鏈也是鏈傳動(dòng)的一種失效形式，即因跳齒等問(wèn)題引起的脫鏈。鏈輪在長(zhǎng)期疲勞使用下，會(huì)產(chǎn)生變形和磨損，致使鏈傳動(dòng)載荷不均勻，易發(fā)生跳齒脫鏈等現(xiàn)象；鏈條在工作過(guò)程中，鉸鏈中的銷軸與套筒不僅承受較大的壓力，彼此又產(chǎn)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，因而導(dǎo)致鉸鏈摩損，其結(jié)果使鏈的實(shí)際節(jié)距增大（內(nèi)、外鏈節(jié)的實(shí)際節(jié)距、是指相鄰兩滾子間的中心距，它隨使用中磨損情況不同而變化），鏈條總長(zhǎng)度增加，鉸鏈磨損后，由于實(shí)際節(jié)距的增長(zhǎng)主要出現(xiàn)在外鏈節(jié)，內(nèi)鏈節(jié)的實(shí)際節(jié)距幾乎不受磨損影響而保持不變，因而增加了各鏈節(jié)運(yùn)動(dòng)的不均勻性和動(dòng)載荷，使傳動(dòng)更不平穩(wěn)。鏈的實(shí)際節(jié)距因磨損而伸長(zhǎng)到一定程度時(shí)，鏈條與輪齒的嚙合情況變壞，從而發(fā)生爬高和跳齒現(xiàn)象；鏈條鉸鏈的膠合：在高速重載時(shí)，銷軸與套筒接觸表面間難以形成潤(rùn)滑油膜，金屬直接接觸導(dǎo)致膠合。膠合限制了鏈傳動(dòng)的極限轉(zhuǎn)速。所以，如果你的自行車經(jīng)常的脫鏈，那說(shuō)明你的自行車的某些部件由于長(zhǎng)期磨損以致于無(wú)法提供穩(wěn)定的傳動(dòng)，此時(shí)你就應(yīng)該修理你的自行車，替換相應(yīng)的零部件；當(dāng)然，有時(shí)過(guò)于激烈和不合適的騎車行為，也會(huì)使自行車脫鏈。

既然，脫鏈?zhǔn)菬o(wú)法避免的，我們的設(shè)計(jì)就是為大家提供一種不耽誤時(shí)間，也不臟手的應(yīng)急上鏈方案。

2.2 設(shè)計(jì)思路

2.2.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

作為幫助自行車進(jìn)行上鏈的系統(tǒng)，不能給自行車正常運(yùn)行添加不必要的阻力和干擾，以致于提高自行車脫鏈的可能性，所以本系統(tǒng)不能在自行車鏈傳動(dòng)原本的軌跡上。本系統(tǒng)只在自行車脫鏈后起作用，考慮到自行車鏈傳動(dòng)中某一鏈輪脫鏈后，其運(yùn)動(dòng)軌跡在鏈輪兩邊，并貼于鏈輪，所以本系統(tǒng)的作用范圍應(yīng)在鏈輪兩側(cè)?？紤]到自行車本身的結(jié)構(gòu)，重量，以及成本因素，本系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)盡可能的簡(jiǎn)單，有效，經(jīng)多次試驗(yàn)，決定使用漸開(kāi)線作為本系統(tǒng)的主要作用結(jié)構(gòu)。

2.2.2 結(jié)構(gòu)原理

在自行車牙盤兩側(cè)加上“自動(dòng)上鏈機(jī)構(gòu)”，此機(jī)構(gòu)主要的工作部分是對(duì)稱切相對(duì)旋轉(zhuǎn)180度分部于牙盤兩側(cè)的帶鏈齒的漸開(kāi)線，其鏈齒的規(guī)格與自行車相同。當(dāng)自行車鏈條脫落時(shí)，就會(huì)掉到左（右）側(cè)的漸開(kāi)線上，由于漸開(kāi)線和鏈輪是固連的，當(dāng)自行車車輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，漸開(kāi)線同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而把鏈條“順”回正確的軌跡。由于本漸開(kāi)線運(yùn)動(dòng)具有周期性，在騎行時(shí)，當(dāng)鏈條脫落，此機(jī)構(gòu)便會(huì)發(fā)揮功用，以完成即時(shí)上鏈過(guò)程，從而保證騎行的連續(xù)性。

2.3 設(shè)計(jì)說(shuō)明

（1）取常規(guī)（非變速）自行車的基本信息：（通過(guò)取樣調(diào)查所得）

1）車胎標(biāo)號(hào)26*1.75 350kpa 80kg，約車胎直徑為66cm

2）小鏈輪齒數(shù)z2=16 大鏈輪齒數(shù)z1=38 可得傳動(dòng)比

3）滾子鏈的參數(shù)規(guī)格：08A

節(jié)距p　滾子直徑d1內(nèi)鏈節(jié)內(nèi)寬b1銷軸直徑d2　內(nèi)鏈板高度h212.7　7.92　7.85　3.98　12.07

4）鏈輪參數(shù)規(guī)格

節(jié)距p　分度圓直徑d齒頂圓直徑da齒根圓直徑df齒高h(yuǎn)a最大齒根距LX 12.7　153.69　160　145.77　4.6　145.77 12.7　65.10　71　57.18　4.6　57.18

PS：公式：

5）通過(guò)對(duì)比測(cè)量：普通自行車兩傳動(dòng)輪之間的中心距b約為37p=469.9mm，鏈條為102節(jié)=1295.4mm理想狀態(tài)，當(dāng)上下鏈條都屬于張緊狀態(tài)需鏈條長(zhǎng)度c為1290.9mm

（2）實(shí)現(xiàn)方式：通過(guò)漸開(kāi)線狀的牙盤將鏈條送入正確的運(yùn)行軌道。

1）漸開(kāi)線計(jì)算方程：rb—基圓半徑

2）曲線求弧長(zhǎng)公式：

3）漸開(kāi)線基圓半徑確定公式：（注：d另非代入左式的d；使張緊時(shí)滾子鏈長(zhǎng)度不變）

4）確定使用參數(shù)：

取θ范圍：0-360°

漸開(kāi)線點(diǎn)距基圓圓心的距離L范圍：rb-2π rb

漸開(kāi)線最大接觸滾子鏈時(shí)θ范圍：180°-360°

通過(guò)弧長(zhǎng)公式求得

通過(guò)計(jì)算得漸開(kāi)線基圓半徑：前牙盤處rb1=16.72

后牙盤處rb2=7.40

漸開(kāi)線距離基圓圓心的最遠(yuǎn)距離：前牙盤處L1=105.05

后牙盤處L2=46.49

為使鏈條可以平滑過(guò)渡至牙盤使用切于漸開(kāi)線且最后平行于牙盤且高于牙盤一定高度的圓弧作為過(guò)渡線。

3　結(jié)論

3.1 設(shè)計(jì)手段

通過(guò)PRO/E對(duì)所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真、分析與改進(jìn)，使用mathematics對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和校對(duì)。

3.2 創(chuàng)新與優(yōu)勢(shì)

利用簡(jiǎn)潔的結(jié)構(gòu)達(dá)到給因各種情況而脫鏈的自行車上鏈的目的；不參與和妨礙自行車正常的行駛過(guò)程，不會(huì)加大自行車鏈輪的負(fù)荷和損耗；鏈輪上鏈的過(guò)程完全自動(dòng)，無(wú)需中斷行駛，無(wú)需手動(dòng)參與，正常蹬騎即可，輕松解決脫鏈這種突發(fā)狀況；成本低廉，適用于通用的單速自行車，外置添加也不會(huì)影響自行車鏈輪原本的結(jié)構(gòu)。

3.3 不足與改進(jìn)

自行車雖有統(tǒng)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)，但是各個(gè)廠家生產(chǎn)的自行車數(shù)據(jù)上略有偏差，對(duì)于比較特別的自行車，可能出現(xiàn)無(wú)法適配的情況。下一步應(yīng)改進(jìn)適配性，使得漸開(kāi)線參數(shù)可以自行調(diào)整，盡可能適配更多的車型。

參考文獻(xiàn):

[1](日)土屋喜一主編.機(jī)械實(shí)用手冊(cè)[M].北京:科學(xué)出版社,2002.

[2]濮量貴,陳國(guó)定等.機(jī)械設(shè)計(jì)第九版[M].北京：高等教育出版社,2013.