鏈傳動機構自動上鏈系統

張超等

摘 要： 鏈傳動因為它可以在兩軸中心相距較遠的情況下傳輸動力；能在低速、重載、高溫和潮濕以及灰土飛揚等惡劣環境中工作；與摩擦型帶傳動相比，鏈傳動無彈性滑動和整體打滑現象，能保證準確的平均傳動比，傳遞功率較大，且作用在軸和軸承上的力較小；傳遞效率較高等優點，成為機械傳動中應用很廣的傳動機構。鏈條脫落現象是鏈傳動最常見的一種失效形式，我們通過聯系實際，從最為大眾化的自行車的鏈傳動入手，設計了鏈傳動機構自動上鏈系統，通過計算、仿真、試驗，驗證了此設計可以達到對脫鏈的自行車進行自動上鏈的要求。

關鍵詞： 自行車；上鏈；漸近線

1 引言

作為最接近大眾的鏈傳動代表，自行車不僅是一種低碳環保的交通工具，同時也是一種健康的有氧運動。

自行車的種種優點使其成為中國受眾最多的代步工具，從第24屆中國國際自行車展覽會上獲悉，截至2013年底，中國自行車社會保有量為3.70億輛，電動自行車社會保有量為1.81億輛。現在在全國各地盛行的公共自行車，其日均使用量的數據也相當可觀。

2 設計流程

2.1 設計背景

自行車的“掉鏈”是指自行車的一種常見故障，即在行駛過程中，鏈條從傳動的鏈輪上脫落，從而失去了傳動能力。而“掉鏈子”也是我們生活中一種常用詞，本是東北方言俗語，意思是關鍵時刻或者是比較重要的事情沒做好，或者說做"砸"了。在使用的上下文中常與“關鍵”搭配，例：關鍵時候掉鏈子，真是郁悶啊。可見“掉鏈”對于每一個碰到它的人，都是一件極其煩惱的事情。

大學的校園里，自行車以絕對的優勢成為了學生們的主力交通工具。無論是上下課，參與社團活動，班級騎行活動等過程中，如果自行車“掉鏈”了，絕對是一件十分苦惱的事情。不緊費時費力，還會讓手上沾滿油污，必定會對之后的行程、活動造成一定的影響。

然而，自行車的“掉鏈”是可以避免的嗎？自行車以鏈傳動為主要傳動形式，掉鏈也是鏈傳動的一種失效形式，即因跳齒等問題引起的脫鏈。鏈輪在長期疲勞使用下，會產生變形和磨損，致使鏈傳動載荷不均勻，易發生跳齒脫鏈等現象；鏈條在工作過程中，鉸鏈中的銷軸與套筒不僅承受較大的壓力，彼此又產生相對轉動，因而導致鉸鏈摩損，其結果使鏈的實際節距增大（內、外鏈節的實際節距、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），鏈條總長度增加，鉸鏈磨損后，由于實際節距的增長主要出現在外鏈節，內鏈節的實際節距幾乎不受磨損影響而保持不變，因而增加了各鏈節運動的不均勻性和動載荷，使傳動更不平穩。鏈的實際節距因磨損而伸長到一定程度時，鏈條與輪齒的嚙合情況變壞，從而發生爬高和跳齒現象；鏈條鉸鏈的膠合：在高速重載時，銷軸與套筒接觸表面間難以形成潤滑油膜，金屬直接接觸導致膠合。膠合限制了鏈傳動的極限轉速。所以，如果你的自行車經常的脫鏈，那說明你的自行車的某些部件由于長期磨損以致于無法提供穩定的傳動，此時你就應該修理你的自行車，替換相應的零部件；當然，有時過于激烈和不合適的騎車行為，也會使自行車脫鏈。

既然，脫鏈是無法避免的，我們的設計就是為大家提供一種不耽誤時間，也不臟手的應急上鏈方案。

2.2 設計思路

2.2.1 設計目標

作為幫助自行車進行上鏈的系統，不能給自行車正常運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，所以本系統不能在自行車鏈傳動原本的軌跡上。本系統只在自行車脫鏈后起作用，考慮到自行車鏈傳動中某一鏈輪脫鏈后，其運動軌跡在鏈輪兩邊，并貼于鏈輪，所以本系統的作用范圍應在鏈輪兩側。考慮到自行車本身的結構，重量，以及成本因素，本系統的結構盡可能的簡單，有效，經多次試驗，決定使用漸開線作為本系統的主要作用結構。

2.2.2 結構原理

在自行車牙盤兩側加上“自動上鏈機構”，此機構主要的工作部分是對稱切相對旋轉180度分部于牙盤兩側的帶鏈齒的漸開線，其鏈齒的規格與自行車相同。當自行車鏈條脫落時，就會掉到左（右）側的漸開線上，由于漸開線和鏈輪是固連的，當自行車車輪轉動時，漸開線同時轉動，從而把鏈條“順”回正確的軌跡。由于本漸開線運動具有周期性，在騎行時，當鏈條脫落，此機構便會發揮功用，以完成即時上鏈過程，從而保證騎行的連續性。

2.3 設計說明

（1）取常規（非變速）自行車的基本信息：（通過取樣調查所得）

1）車胎標號26*1.75 350kpa 80kg，約車胎直徑為66cm

2）小鏈輪齒數z2=16 大鏈輪齒數z1=38 可得傳動比

3）滾子鏈的參數規格：08A

4）鏈輪參數規格

PS：公式：

齒根圓直徑：

5）通過對比測量：普通自行車兩傳動輪之間的中心距b約為37p=469.9mm，鏈條為102節=1295.4mm理想狀態，當上下鏈條都屬于張緊狀態需鏈條長度c為1290.9mm

（2）實現方式：通過漸開線狀的牙盤將鏈條送入正確的運行軌道。

1）漸開線計算方程：

rb—基圓半徑

2）曲線求弧長公式：

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

4）確定使用參數：

取θ范圍：0-360°

漸開線點距基圓圓心的距離L范圍：rb-2π rb

漸開線最大接觸滾子鏈時θ范圍：180°-360°

此時漸開線距離基圓圓心的距離范圍： 至2π rb

通過弧長公式求得

通過計算得漸開線基圓半徑：前牙盤處rb1=16.72

后牙盤處rb2=7.40

漸開線距離基圓圓心的最遠距離：前牙盤處L1=105.05

后牙盤處L2=46.49

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

3 結論

3.1 設計手段

通過PRO/E對所設計的結構進行仿真、分析與改進，使用mathematics對試驗數據進行處理和校對。

3.2 創新與優勢

利用簡潔的結構達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程，不會加大自行車鏈輪的負荷和損耗；鏈輪上鏈的過程完全自動，無需中斷行駛，無需手動參與，正常蹬騎即可，輕松解決脫鏈這種突發狀況；成本低廉，適用于通用的單速自行車，外置添加也不會影響自行車鏈輪原本的結構。

3.3 不足與改進

自行車雖有統計的標準，但是各個廠家生產的自行車數據上略有偏差，對于比較特別的自行車，可能出現無法適配的情況。下一步應改進適配性，使得漸開線參數可以自行調整，盡可能適配更多的車型。

參考文獻：

[1]（日）土屋喜一主編.機械實用手冊[M].北京：科學出版社，2002.

[2]濮量貴，陳國定等.機械設計第九版[M].北京：高等教育出版社，2013.endprint