專利名稱：魚形齒輪與自行車無級變速箱的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及機(jī)械工程中非圓齒輪傳動(dòng)。
背景技術(shù)：
目前機(jī)械傳動(dòng)中，齒輪變速器采用圓形齒輪嚙合和換檔來實(shí)現(xiàn)變速。圓形齒輪無法實(shí)現(xiàn)無級變速。非圓齒輪嚙合的傳動(dòng)比不是一個(gè)恒定值，而是一個(gè)應(yīng)變量，是以齒輪轉(zhuǎn)角為自變量的函數(shù)。本發(fā)明就是以此為基礎(chǔ)而做出的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種具有無級變速功能的魚形齒輪傳動(dòng)裝置。魚形齒輪是具有封閉節(jié)曲線的非圓齒輪，其形狀好似一條大頭魚，因而命名為魚形齒輪。魚形齒輪有兩種類型，根據(jù)其節(jié)曲線方程式的特征，分別命名為指數(shù)型魚形齒輪和線性型魚形齒輪。設(shè)計(jì)正確的指數(shù)型魚形齒輪與線性型魚形齒輪能嚙合轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)期望的傳動(dòng)比函數(shù)。指數(shù)型魚形齒輪是本發(fā)明的權(quán)利要求之一，線性型魚形齒輪是本發(fā)明的權(quán)利要求之二。魚形齒輪副，輔以超越機(jī)構(gòu)，構(gòu)成的傳動(dòng)裝置，可以實(shí)現(xiàn)無級變速，本發(fā)明以自行車無級變速箱為例說明魚形齒輪的實(shí)際應(yīng)用。自行車無級變速箱是本發(fā)明權(quán)利要求之三。自行車無級變速箱由三個(gè)互相平行的主軸、六個(gè)相同的指數(shù)型魚形齒輪、六個(gè)相同的線性型魚形齒輪、三個(gè)棘輪組成。變速箱安裝在自行車的車架上，變速箱功率輸出軸連接在自行車后軸右花盤的外螺紋上，驅(qū)動(dòng)自行車前進(jìn)。變速箱由手動(dòng)變速控制器操縱，可以實(shí)現(xiàn)大鏈輪對后軸的傳動(dòng)比的連續(xù)變換。


圖1傳動(dòng)比函數(shù)為指數(shù)函數(shù)的非圓齒輪副圖2組成魚形齒輪的兩對非圓齒輪副圖3指數(shù)型魚形齒輪圖4線性型魚形齒輪圖5指數(shù)型魚形齒輪和線性型魚形齒輪嚙合圖6二級魚形齒輪傳動(dòng)圖7二級魚形齒輪傳動(dòng)的傳動(dòng)比函數(shù)曲線(1)圖8二級魚形齒輪傳動(dòng)的傳動(dòng)比函數(shù)曲線(2)圖9變速箱二級魚形齒輪傳動(dòng)軸測示意10變速箱齒輪輪系結(jié)構(gòu)11變速箱變速機(jī)制示意12安裝有無級變速箱的自行車具體實(shí)施說明下面通過文字、數(shù)學(xué)表達(dá)式和

本發(fā)明。一、傳動(dòng)比函數(shù)為指數(shù)函數(shù)的非圓齒輪副圖1中，輪1和輪2是二個(gè)互相嚙合的圓心角為2π的非圓齒輪，輪1為主動(dòng)輪。傳動(dòng)比函數(shù)i12等于輪1轉(zhuǎn)速/輪2轉(zhuǎn)速令 式中i12為傳動(dòng)比，b為常量，大于0，a為常量，大于1，1為輪1的轉(zhuǎn)角，即節(jié)曲線的極角根據(jù)非圓齒輪的性質(zhì)輪1 輪2 式中r1為輪1的節(jié)曲線向徑r2為輪2的節(jié)曲線向徑2為輪2的轉(zhuǎn)角，即節(jié)曲線的極角l為輪1和輪2的中心距從(3)式得， 將(5)式代入(4)式得r2＝l/(1+1/b-2·lna)……………………(6)從(3)式得， 當(dāng)1＝2π，并且b＝(1-1/a2π)/(lna·2π)時(shí)，輪2的2＝2π，這說明節(jié)曲線方程為式(2)的非圓齒輪1與節(jié)曲線為式(6)的非圓齒輪2能在0～2π的轉(zhuǎn)角內(nèi)嚙合擺動(dòng)，其傳動(dòng)比函數(shù)為式(1)。二、魚形齒輪和魚形齒輪副圖2中，輪3和輪4為二個(gè)互相嚙合的圓心角為2π/c的非圓齒輪，c為一個(gè)常量，其數(shù)值大于1而小于2。輪3為主動(dòng)輪，兩輪中心距為l，b＝(1-1/a2π/c)/(lna·2π/c)。那么根據(jù)上節(jié)的計(jì)算和推導(dǎo)的公式可知輪3 輪4 r4＝l/(1+1/b-lna·4)……………………(9)輪3和輪4可以在0～2π/c之間擺動(dòng)，其傳動(dòng)比函數(shù)為指數(shù)函數(shù)。圖2中輪5和輪6為二個(gè)互相嚙合的圓心角為(2π-2π/c)的非圓齒輪，輪5為主動(dòng)輪，兩輪中心距為L，b＝(1-1/a2π/c)/(lna·2π/c)。
同理根據(jù)上節(jié)的推導(dǎo)和公式可知輪5r5=l/(1+b·aβ5)-------(10)]]>輪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)輪5和輪6可以在(2π-2π/c)～2π之間擺動(dòng)，其傳動(dòng)比函數(shù)為指數(shù)函數(shù)。
通過進(jìn)一步的計(jì)算可知，輪3節(jié)曲線的短軸和輪5節(jié)曲線的短軸相等，輪3節(jié)曲線的長軸和輪5節(jié)曲線的長軸相等，并且兩輪圓心角之和為2π，所以可以將輪3和輪5整合成一個(gè)齒輪(見圖3)。同理可以將輪4和輪6整合成一個(gè)齒輪(見圖4)。圖3和圖4所示齒輪，形狀象條大頭魚。故稱為魚形齒輪。魚形齒輪就這樣發(fā)明出來了。魚形齒輪分兩種類型，一種類型為圖3所示，其節(jié)曲線方程含有指數(shù)函數(shù)，所以稱其為指數(shù)型魚形齒輪，簡稱指數(shù)齒輪，其特征為節(jié)曲線方程為(13)、(14)。 其中，L，a，c為系數(shù)，l＞0，a＞1，2＞c＞1b＝(1-1/a(2π/c))/(lna·2π/c)，β＝(2π-)/(c-1)圖4所示為另一類型魚型齒輪。稱其為線性型魚形齒輪，簡稱線性齒輪，其特征為節(jié)曲線方程表達(dá)式為(15)、(16)式。 其中，L，a，c為系數(shù)，l＞0，a＞1，2＞c＞1b＝(1-1/a(2π/c))/(lna·2π/c)，β＝(2π-)/(c-1)圖5是參數(shù)l，a，c相同的指數(shù)齒輪和線性齒輪的嚙合，是一對魚形齒輪副，主動(dòng)輪輪1為指數(shù)齒輪，輪2為線性齒輪，其傳動(dòng)比函數(shù)為i12＝輪1轉(zhuǎn)速/輪2轉(zhuǎn)速＝ω1/ω2即 其中，β1＝(2π-1)/(c-1)三、自行車無級變速箱(一)魚形齒輪及其參數(shù)變速箱內(nèi)共有6對魚形齒輪，設(shè)計(jì)魚形齒輪遠(yuǎn)比設(shè)計(jì)圓形齒輪復(fù)雜，首先要給定傳動(dòng)比函數(shù)，確定節(jié)曲線的三個(gè)參數(shù)，然后確定齒廓、齒數(shù)等，最后進(jìn)行必要的校核。1、傳動(dòng)比函數(shù)
變速箱內(nèi)魚形齒輪節(jié)曲線的三個(gè)參數(shù)為l＝56，a＝1.6129，c＝8/7那么計(jì)算出b＝0.3531，β1＝7×(2π-1)傳動(dòng)比函數(shù)為 2、節(jié)曲線方程指數(shù)齒輪的節(jié)曲線方程為 線性齒輪的節(jié)曲線方程為 3、齒廓根據(jù)非圓齒輪的嚙合原理來設(shè)計(jì)魚形齒輪的齒廓。變速箱的魚形齒輪的輪齒齒廓采用凸圓弧齒形，齒根齒形和齒頂齒形也為凸圓弧，根據(jù)共軛齒形原理，分別為每一個(gè)輪齒設(shè)計(jì)合理的齒廓。變速箱用的魚形齒輪的節(jié)曲線由兩段組成，其圓心角分別為7/4×π和1/4×π。
節(jié)曲線長度 利用上式，計(jì)算出圓心角為7/4×π的節(jié)曲線長度為199.51毫米，圓心角為1/4×π的節(jié)曲線長度為53.86毫米。在199.51毫米長度上設(shè)計(jì)11.5個(gè)齒，當(dāng)量模數(shù)M＝5.52。在53.86毫米長度上設(shè)計(jì)3.5個(gè)齒，當(dāng)量模數(shù)M＝4.9。圖5是設(shè)計(jì)好的魚形齒輪，輪1為指數(shù)齒輪，輪2為線性齒輪。齒數(shù)為15個(gè)齒，兩輪中心距為56毫米。4、壓力角驗(yàn)算、嚙合重合度驗(yàn)算、強(qiáng)度核算非圓齒輪的每個(gè)輪齒具有不同的壓力角，節(jié)曲線上的壓力角為嚙合角，為減少摩擦和避免自鎖必須保證嚙合角的變化范圍不超過極限值。非圓齒輪副的嚙合重合度各個(gè)齒都不等，因此為保證傳動(dòng)的連續(xù)性必須驗(yàn)算各個(gè)齒的嚙合重合度。自行車無級變速箱屬于輕載低速機(jī)械，其齒輪只需校核輪齒的彎曲強(qiáng)度。(二)二級魚形齒輪傳動(dòng)比函數(shù)變速箱的齒輪輪系采用二級魚形齒輪傳動(dòng)，圖6是其示意圖。圖6中第一級傳動(dòng)為輪3對輪1。主動(dòng)輪輪3是線性齒輪；從動(dòng)輪輪1為指數(shù)齒輪；第二級傳動(dòng)為輪1對輪2，主動(dòng)輪為輪1，從動(dòng)輪輪2為線性齒輪。下面通過計(jì)算，說明二級魚形齒輪傳動(dòng)的傳動(dòng)比函數(shù)的特點(diǎn)。
第一級傳動(dòng)比函數(shù) 第二級傳動(dòng)比函數(shù) 式中0為輪1、輪2中心連線與輪1、輪3中心連線的夾角，其數(shù)值可在0與7/4×π之間變動(dòng)。
那么二級傳動(dòng)的總傳動(dòng)比函數(shù)i32=i31i21=i12i13---------(26)]]>將式(21)、(22)、(23)、(24)、(25)代入式(26)，可得i32的函數(shù)式。第一種情況當(dāng)0≤0≤1/4×π時(shí) 第二種情況當(dāng)1/4×π≤0≤7/4×π時(shí) 圖7是0＝0°，45°，102°時(shí)，1-i32的曲線圖。圖8是0＝0°，45°，102°時(shí)，3-i32的曲線圖。從圖8中可以清楚地看到1、0＝0°，主動(dòng)輪輪3勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，從動(dòng)輪輪2也在作勻速轉(zhuǎn)動(dòng)。其速比為i32＝1∶1。2、0＝45°，主動(dòng)輪輪3勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，從動(dòng)輪輪2的轉(zhuǎn)速以360度為周期，有規(guī)律地變化，其規(guī)律為主動(dòng)輪轉(zhuǎn)角3在0°～106.3°區(qū)間內(nèi)，i32從13.857下降到0.687，3在106.3°到315°區(qū)間內(nèi)(區(qū)間寬度208.7度)，i32＝0.687為常數(shù)，3在315°到360°區(qū)間內(nèi)，i32從0.687上升到13.85。3、0＝102°，主動(dòng)輪輪3勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，從動(dòng)輪輪2以360度為周期，有規(guī)律地變化，其規(guī)律為主動(dòng)輪轉(zhuǎn)角3在0°到128.5°區(qū)間內(nèi)，i32＝8.46為常數(shù)；3在128.5°到194.6°區(qū)間，i32從8.46下降到0.42，3在194.6°到315°區(qū)間內(nèi)(區(qū)間寬度120.4度)，i32＝0.42為常數(shù)，3在315°到360°區(qū)間內(nèi)，i32從0.42上升到8.46。
上述情況說明，當(dāng)0在0°和102°之間的任何數(shù)值時(shí)，二級魚形齒輪傳動(dòng)的主動(dòng)輪輪3對從動(dòng)輪輪2的傳動(dòng)比的變化有下列特點(diǎn)1、主動(dòng)輪輪3對從動(dòng)輪輪2的速比在特定轉(zhuǎn)角區(qū)間內(nèi)是個(gè)常數(shù)，該常數(shù)等于或小于1。2、這部分轉(zhuǎn)角區(qū)間的大小和0的大小相關(guān)。0＝0°，該區(qū)間為360°；當(dāng)0＝102°，該區(qū)間為120.4°。3、上述常數(shù)的大小由0決定，因?yàn)?當(dāng)0＝0°(0弧度)時(shí)，i32＝1，當(dāng)0＝102°(1.78弧度)時(shí)，i32＝0.621.78＝0.42。4、上述常數(shù)是傳動(dòng)比函數(shù)值中的最小值。
本發(fā)明利用上述特點(diǎn)，發(fā)明了齒輪無級變速裝置。圖9是變速箱中二級魚形齒輪傳動(dòng)的軸測示意圖。輪1為主動(dòng)輪，輪2輪3為惰輪，輪4為從動(dòng)輪。(三)變速箱的齒輪輪系圖10是變速箱齒輪輪系結(jié)構(gòu)圖。1——長后軸輥2——惰輪軸3——小鏈輪軸4——小鏈輪5——變速連桿架6——箱體7——變速曲柄8——外接螺套9——長軸套11、21、31——線性齒輪12、22、32——指數(shù)齒輪13、23、33——指數(shù)齒輪14、24、34——線性齒輪15、25、35——棘輪圖中剖面線處為自行車車架從圖10中看出變速箱采用三軸式齒輪輪系，并且由三個(gè)結(jié)構(gòu)相同的傳動(dòng)支流構(gòu)成。每個(gè)傳動(dòng)支流有小鏈輪、小鏈輪軸、線性齒輪/指數(shù)齒輪、指數(shù)齒輪/線性齒輪、棘輪、長軸套、外接螺套組成，其作用為小鏈輪勻速轉(zhuǎn)動(dòng)120.4度，通過傳動(dòng)支流傳遞，外接螺套勻速轉(zhuǎn)動(dòng) 度，小鏈輪轉(zhuǎn)動(dòng)其它的(360-120.4)度時(shí)，外接螺套按上述轉(zhuǎn)速繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)直到其轉(zhuǎn)速可能小于上值時(shí)，該傳動(dòng)支流中的棘輪斷開了小鏈輪和外接螺套之間的傳動(dòng)鏈，另一個(gè)傳動(dòng)支流使外接螺套的轉(zhuǎn)速繼續(xù)保持上值。三個(gè)傳動(dòng)支流相位差120度，這樣當(dāng)小鏈輪勻速旋轉(zhuǎn)1圈時(shí)，外接螺套勻速旋轉(zhuǎn) 圈。因此，連續(xù)改變0角，就實(shí)現(xiàn)了無級變速。0角的變化范圍為0度至102度，那么速比的變化范圍為1∶1至1∶2.381。就是說無級變速箱可以在自行車原有的大小鏈輪變速的基礎(chǔ)上，擴(kuò)大變速范圍2.381倍，該范圍已經(jīng)超過現(xiàn)有的自行車外變速裝置的變速范圍。(四)變速箱的變速機(jī)制變速箱是如何操縱的呢？圖11是變速機(jī)制示意圖。1——自行車大鏈輪2——變速箱小鏈輪3——變速滑槽4——長后軸輥5——變速連桿架6——調(diào)速滑塊7——變速曲柄剖面線部分是自行車車架。
圖11中，件5和件7之間的夾角就是0角。改變該角的大小，就實(shí)現(xiàn)了變速。變速箱的變速機(jī)構(gòu)實(shí)質(zhì)上是一個(gè)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，件5是連桿，件7是曲柄，件6是滑塊。由于變速滑槽3是以大鏈輪中心為圓心的圓弧形槽，并且小鏈輪的中心和調(diào)速滑塊的中心重合，所以變速過程中，雖然小鏈輪的位置變動(dòng)，但是大鏈輪和小鏈輪的中心距始終不變，所以自行車鏈條的長度也不變。(五)安裝有無級變速箱的自行車圖12為安裝了無級變速箱的自行車。車架后平叉咀開檔達(dá)到160毫米的自行車都可以安裝上變速箱。安裝時(shí)，變速箱通過其外接螺套和自行車后軸右花盤的外螺紋連接，然后變速箱箱體和自行車后軸輥一起固定在車架上。變速控制器可安裝在車把上或車架大梁上，騎車人可方便地通過變速控制器操縱變速箱。由于變速箱體積小，安裝后，騎車人騎車時(shí)，右腳仍有足夠的運(yùn)動(dòng)空間。(六)變速箱的制造變速箱的專用零件中，工藝要求較高的是魚形齒輪，由于魚形齒輪的精度要求不高，大量生產(chǎn)時(shí)，可采用沖壓工藝加工。其它零件都是普通構(gòu)件，通用件，標(biāo)準(zhǔn)件。所有零件用現(xiàn)有的金屬材料，現(xiàn)有的金屬加工技術(shù)，現(xiàn)有的熱處理技術(shù)和現(xiàn)有的表面處理技術(shù)生產(chǎn)。變速箱的裝配工藝也較簡單。
(七)變速箱的優(yōu)點(diǎn)1、變速箱采用無級變速，其變速范圍大，變速方便，無沖擊，使用壽命長。2、變速箱適用范圍廣，操縱方便，普通自行車稍加改裝，就可以安裝。3、和現(xiàn)有的外變速自行車相比自行車的鏈條在同一平面里轉(zhuǎn)動(dòng)，沒有扭曲，提高鏈條的使用壽命，也減少騎行時(shí)的功率損失。4、采用無級變速使騎車人的腳踏頻率和其心臟跳動(dòng)頻率更為接近，更有利于騎車人的健康。5、和昂貴的摩擦式無級變速器相比，它變速可靠，制造成本小，體積小。
權(quán)利要求
1.一種指數(shù)型魚形齒輪，特征是其節(jié)曲線方程為 其中，r為魚形齒輪的節(jié)曲線向徑，為魚形齒輪節(jié)曲線的極角l，a，c為系數(shù)，l＞0，a＞1，2＞c＞1b＝(1-1/a(2π/c))/(lna·2π/c)，β＝(2π-)/(c-1)
2.一種線性型魚形齒輪，特征為其節(jié)曲線方程為 其中，r為魚形齒輪的節(jié)曲線向徑，為魚形齒輪節(jié)曲線的極角l，a，c為系數(shù)，l＞0，a＞1，2＞c＞1b＝(1-1/a(2π/c))/(lna·2π/c)，β＝(2π-)/(c-1)
3.一種自行車無級變速箱，特征為其齒輪輪系采用魚形齒輪輪系，它由三個(gè)互相平行的主軸、六個(gè)指數(shù)型魚形齒輪、六個(gè)線性型魚形齒輪、三個(gè)棘輪組成。指數(shù)型魚形齒輪，特征是其節(jié)曲線方程為 線性型魚形齒輪，特征為其節(jié)曲線方程為 其中，r為魚形齒輪的節(jié)曲線向徑，為魚形齒輪節(jié)曲線的極角l，a，c為系數(shù)，l＞0，a＞1，2＞c＞1b＝(1-1/a(2π/c))/(lna·2π/c)，β＝(2π-)/(c-1)
全文摘要
魚形齒輪涉及機(jī)械工程中非圓齒輪傳動(dòng)領(lǐng)域,魚形齒輪屬于非圓齒輪,魚形齒輪有兩種類型,分別命名為指數(shù)型魚形齒輪和線性型魚形齒輪。設(shè)計(jì)正確的指數(shù)型魚形齒輪與線性型魚形齒輪能嚙合轉(zhuǎn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)期望的傳動(dòng)比函數(shù)。魚形齒輪副,輔以超越機(jī)構(gòu),構(gòu)成的傳動(dòng)裝置,可以實(shí)現(xiàn)無級變速,自行車無級變速箱是魚形齒輪的實(shí)際應(yīng)用。無級變速箱功率的輸出軸連接在自行車后軸右花盤的外螺紋上,驅(qū)動(dòng)自行車前進(jìn)。無級變速箱由手動(dòng)變速控制器操縱,可以在自行車原有的大小鏈輪變速的基礎(chǔ)上,擴(kuò)大變速范圍2.381倍,該范圍已經(jīng)超過現(xiàn)有的自行車外變速裝置的變速范圍。
文檔編號F16H55/17GK1375648SQ0211718
公開日2002年10月23日 申請日期2002年4月25日 優(yōu)先權(quán)日2002年4月25日
發(fā)明者周祖煥 申請人:周祖煥