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PE10自行車無級變速器設計 摘 要：本文在分析各種無級變速器和無級變速自行車的基礎上，把鋼球外錐式無級變速器進行部分改裝，從而形成了自行車的無級變速裝置。該裝置通過八個鋼球利用摩擦力將動力進行輸入輸出，用一對斜齒輪進行分度調速，從而使自行車在0.75～1.22之間進行無級調速。研究表明：無級變速器被用于自行車方面可以大大改善自行車的使用性能，方便廣大消費者使用。 關鍵字: 無級變速自行車；無級變速器 The design of the CVT on PE 10 bicycle ABSTRACT: Based on the analysis of various CVT and CVT bikes,in this dissertation ,we change some parts of the Kopp-B CVT forming a new kind of CVT used to the bicycle .They are used to input or output the power through the friction and a pair of helical gears is also used to adjust the speed, so the speed can change between 0.75 and 1.22.This research shows that when the CVT are used in the bicycle ,they can significant improve the performance of bike so that all customers can use it convenient. Keyword: CVT bike; CVT 第一章 緒論 §1.1 機械無級變速器的發(fā)展概況 無級變速器分為機械無級變速器，液壓傳動無級變速器，電力傳動無級變速器三種，但本設計任務要求把無級變速器安裝在自行車上，所以一般只能用機械無級變速器，所以以下重點介紹機械無級變速器。 機械無級變速器最初是在19世紀90年代出現(xiàn)的，至20世紀30年代以后才開始發(fā)展，但當時由于受材質與工藝方面的條件限制，進展緩慢。直到20世紀50年代，尤其是70年代以后，一方面隨著先進的冶煉和熱處理技術，精密加工和數(shù)控機床以及牽引傳動理論與油品的出現(xiàn)和發(fā)展，解決了研制和生產(chǎn)無級變速器的限制因素；另一方面，隨著生產(chǎn)工藝流程實現(xiàn)機械化、自動化以及機械要改進工作性能，都需要大量采用無級變速器。因此在這種形式下，機械無級變速器獲得迅速和廣泛的發(fā)展。主要研制和生產(chǎn)的國家有美國、日本、德國、意大利和俄國等。產(chǎn)品有摩擦式、鏈式、帶式和脈動式四大類約三十多種結構形式。 國內無級變速器是在20世紀60年代前后起步的，當時主要是作為專業(yè)機械配套零部件，由于專業(yè)機械廠進行仿制和生產(chǎn)，例如用于紡織機械的齒鏈式，化工機械的多盤式以及切削機床的Kopp型無級變速器等，但品種規(guī)格不多，產(chǎn)量不大，年產(chǎn)量僅數(shù)千臺。直到80年代中期以后，隨著國外先進設備的大量引進，工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)代化及自動流水線的迅速發(fā)展，對各種類型機械無級變速器的需求大幅度增加，專業(yè)廠才開始建立并進行規(guī)?；a(chǎn)，一些高等院校也開展了該領域的研究工作。經(jīng)過十幾年的發(fā)展，國外現(xiàn)有的幾種主要類型結構的無級變速器，在國內皆有相應的專業(yè)生產(chǎn)廠及系列產(chǎn)品，年產(chǎn)量約10萬臺左右，初步滿足了生產(chǎn)發(fā)展的需要。與此同時，無級變速器專業(yè)協(xié)會、行業(yè)協(xié)會及情報網(wǎng)等組織相繼建立。定期出版網(wǎng)訊及召開學術信息會議進行交流。自90年代以來，我國先后制定的機械行業(yè)標準共14個： 1. JB/T 5984-92 《寬V帶無級變速裝置基本參數(shù)》 2. JB/T 6950-93 《行星錐盤無級變速器》 3. JB/T 6951-93 《三相并聯(lián)連桿脈動無級變速器》 4. JB/T 6952-93 《齒鏈式無級變速器》 5. JB/T 7010-93 《環(huán)錐行星無級變速器》 6. JB/T 7254-94 《無級變速擺線針輪減速機》 7. JB/T 7346-94 《機械無級變速器試驗方法》 8. JB/T 7515-94 《四相并列連桿脈動無級變速器》 9. JB/T 7668-95 《多盤式無級變速器》 10. JB/T 7683-95 《機械無級變速器 分類及型號編制方法》 11. JB/T 7686-95 《錐盤環(huán)盤式無級變速器》 12. JB/T 50150-1999 《行星錐盤無級變速器 質量分等》 13. JB/T 53083-1999 《三相并聯(lián)連桿脈動無級變速器 質量分等》 14. JB/T 50020-×××× 《無級變速擺線針輪減速機產(chǎn)品質量分等》（報批稿） 現(xiàn)在，機械無級變速器從研制、生產(chǎn)、組織管理到情報網(wǎng)信息各方面已組成一較完 整的體系，發(fā)展成為機械領域中一個新型行業(yè)。 §1.2 機械無級變速器的特征和應用 機械無級變速器是一種傳動裝置，其功能特征主要是：在輸入轉速不變的情況下，能實現(xiàn)輸出軸的轉速在一定范圍內連續(xù)變化，以滿足機器或生產(chǎn)系統(tǒng)在運轉過程中各種不同工況的要求；其結構特征主要是：需由變速傳動機構、調速機構及加壓裝置或輸出機構三部分組成。 機械無級變速器的適用范圍廣，有在驅動功率不變的情況下，因工作阻力變化而需要調節(jié)轉速以產(chǎn)生相應的驅動力矩者（如化工行業(yè)中的攪拌機械，即需要隨著攪拌物料的粘度、阻力增大而能相應減慢攪拌速度）；有根據(jù)工況要求需要調節(jié)速度者（如起重運輸機械要求隨物料及運行區(qū)段的變化而能相應改變提升或運行速度，食品機械中的烤干機或制藥機械要求隨著溫度變化而調節(jié)轉移速度）；有為獲得恒定的工作速度或張力而需要調節(jié)速度者（如斷面切削機床加工時需保持恒定的切削線速度，電工機械中的繞線機需保持恒定的卷繞速度，紡織機械中的漿紗機及輕工機械中的薄膜機皆需調節(jié)轉速以保證恒定的張力等）；有為適應整個系統(tǒng)中各種工況、工位、工序或單元的不同要求而需協(xié)調運轉速度以及需要配合自動控制者（如各種各樣半自動或自動的生產(chǎn)、操作或裝配流水線）；有為探求最佳效果而需變換速度者（如試驗機械或李心機需調速以獲得最佳分離效果）；有為節(jié)約能源而需進行調速者（如風機、水泵等）；此外，還有按各種規(guī)律的或不規(guī)律的變化而進行速度調節(jié)以及實現(xiàn)自動或程序控制等。 綜上所述?？梢钥闯霾捎脽o級變速器，尤其是配合減速傳動時進一步擴大其變速范圍與輸出轉矩，能更好的適應各種工況要求，使之效能最佳，在提高產(chǎn)品的產(chǎn)量和質量，適應產(chǎn)品變換需要，節(jié)約能源，實現(xiàn)整個系統(tǒng)的機械化、自動化等各方面皆具有顯著的效果。故無級變速器目前已成為一種基本的通用傳動形式，應用于紡織、輕工、食品、包裝、化工、機床、電工、起重運輸?shù)V山冶金、工程、農(nóng)業(yè)、國防及試驗等各類機械。 §1.3 無級變速自行車研究現(xiàn)狀 自行車發(fā)展到現(xiàn)在已經(jīng)有傳統(tǒng)的自行車演變成無級變速自行車，現(xiàn)代的無級變速自行車可謂是形式多樣，五花八門，以下是當今社會上存在的部分無級變速自行車。 1. 低座無級變速自行車 是由低矮形車架把一個作驅動的前輪和一個作導向的后輪連接在一塊的自行車，帶靠背的座椅安裝在車架中部，騎行者可斜躺著坐在座椅上，兩腿放在前輪二側。杠桿式曲柄無級傳動裝置固定在前輪的前上方，通過左右曲柄桿上的滑塊鉸接鏈條交替?zhèn)鲃忧拜?。操縱把手裝于前輪的正上方，由鋼絲繩牽引后輪轉向。這樣就不會干擾車子的方向操縱。由于降低了座位高度，減少了空氣阻力。采用杠桿式曲柄無級傳動裝置，適應人體功能的要求。 2. 人力腳踏式無級變速自行車 一種人力腳踏式無級變速自行車，在自行車車架兩側面的中軸上，安裝有錐面相對的變速輪盤組成的主動輪，主動輪兩側安裝有腳蹬兩變速輪盤輪沿掛有三角皮帶，兩盤面間安裝有壓縮彈簧；在車架的前斜梁上，安裝有由變速桿操縱可前后移動的挺桿，挺桿的近變速輪盤端安裝有可使兩變速輪盤靠近或分離的插件；在自行車后軸上的后輪輪輻兩側面支承有附輪，附輪的外沿輪面設有三角皮帶槽，附輪的內側設有帶動后輪單向轉動的棘齒；車架后斜梁上在三角皮帶上方安裝有可推壓三角皮帶張緊的張緊輪。自行車的行走和變速不用成組鏈輪和鏈條傳動，成本低、重量輕，可實現(xiàn)無級變速，速度轉換快，速比大。 3. 帶傳動無級變速自行車 一種無級變速自行車，改進了現(xiàn)有自行車的動力傳動機構。該自行車的動力傳動機構包括以下部件：小動輪、小定輪、小動輪撥叉，小動輪、大動輪、大定輪、大動輪撥叉，大動輪、Ｖ型傳動帶、Ｖ型帶張緊裝置、調速器、閘線、飛輪，飛輪由飛輪軸套、飛輪底座、滾柱、滾珠構成。其特征在于自行車的動力傳動機構包括以下部件：小動輪、小定輪、小動輪撥叉，小動輪、小定輪呈錐形，兩輪大小形狀一致，錐面相對，組成帶有Ｖ形溝槽的小傳動輪，與自行車后軸上的飛輪軸套固定連接，小動輪在撥叉控制下沿軸滑動；大動輪、大定輪、大動輪撥叉，大動輪、大定輪也呈錐形，兩輪大小形狀一致，錐面相對，組成帶有Ｖ形溝槽的大傳動輪，固定在自行車中軸上，大動輪在撥叉控制下沿軸滑動；Ｖ型傳動帶、Ｖ型帶張緊裝置、調速器、閘線、飛輪，Ｖ型傳動帶鑲在大小輪的溝槽中；Ｖ型帶張緊裝置裝在后軸上，其支承輪支撐傳動帶；調速器裝在車把附近，與閘線連接，閘線帶動調節(jié)大小動輪位置的撥叉；飛輪由飛輪軸套、飛輪底座、滾柱、滾珠構成，裝在后軸上，靠緊小傳動輪，飛輪軸套與小傳動輪固定連接，飛輪底座與后軸固定連接，飛輪軸套內還設有流線型的槽，滾柱放置在槽內。 這種無級變速自行車通過帶傳動來實現(xiàn)自行車的無級變速，傳動平穩(wěn)、噪音低、調速操作方便、變速范圍大；同時該無級變速自行車的結構簡單、易于加工，可以實現(xiàn)大規(guī)模成批生產(chǎn)。 4.前置往復式無級變速自行車 針對自行車的驅動、乘座和避震進行改進。包括：乘騎者坐靠休閑式椅，兩腳蹬踏前置的兩個懸搖桿曲柄，可進行弧形的曲線往復運動，用腳掌面的蹬踏角度或用手直接調動搖桿上力臂的長短實現(xiàn)無級變速，高效能的帶動撓性件驅動后輪；還包括裝卸方便且不互換的休閑式座椅和防落物防盜的可帶走座椅；簡化的全避震使乘坐舒適并使貨架攜帶的物品減小了顛簸 5. 純滾動式四個檔位無級變速自行車 一種純滾動式四個檔位無級變速自行車，其中在中軸上的中心齒輪嚙合連接有一級行星輪和二級行星輪，中心齒輪的兩側分別套裝有推動盤，一側固定在腳蹬輪軸上，另一側固定在鏈輪上；二級行星輪和中心齒輪為棘輪總成與鏈輪嚙合連接，在中軸和后軸的車架體上固定有座盤，座盤上固定有升降檔位彈簧；在座盤上固定連接有自鎖離合器總成，自鎖離合器總成滾動套裝在停轉盤上，停轉盤固定在中軸和后軸上；在中軸和后軸的自鎖離合器總成上裝有移動升降檔位拉桿。隨時變增減速檔位，對自行車零部件無影響，制造簡單，性能可靠，操作簡單，使用方便。 6. 無鏈無級變速自行車 一種無鏈條傳動，可隨意變換車速的自行車。該自行車包括車輪、把手、三角架和踏拐等，橫梁左端設有后齒輪、大齒輪和正反齒輪，橫梁右端設有中軸齒輪，齒輪與拐軸齒輪嚙合，偏心連桿的上端和杠桿的右端同軸裝在定位槽板的滑槽中，杠桿的左端與齒條連接，齒條與正反齒輪嚙合，橫梁上方設有拉簧、活動支架和鋼絲拉索。該自行車結構簡單，調速方便靈活，經(jīng)久耐用，適合各種型號。 7. 蓄能型-全自動無級變速自行車 一種蓄能型一全自動無級變速自行車，屬于交通工具技術領域。本實用新型的目的通過如下技術方案實現(xiàn)：主要由設置每側腳蹬上的長型齒盤交替工作，通過同側的鏈條傳動同側的飛輪，飛輪連同帶動設置在輪骨內的發(fā)條內端發(fā)條外端同輪骨固定。其中：同每側的飛輪安裝在同一軸套上還設置有防逆轉裝置，防逆轉裝置的內部結構如同飛輪，外殼同車架子固定。騎行時由于每側長型齒盤的作用，通過鏈條對同側的發(fā)條交替蓄能，從而實現(xiàn)全自動無級變速。本實用新型是現(xiàn)代變速自行車的換代產(chǎn)品。 8. 便攜式高安全型無級變速自行車 一種新式樣的自行車。其特征是由行走機構，車椅式直立車龍頭轉向機構，杠桿式無級變速驅動機構。適用于交通擁擠，樓層高，住房緊，停放車輛不便的都市區(qū)。本裝置是由足踏杠桿式無級變速機構，車架可橫向折疊，驅動大車輪在前面，導向小車輪在后邊的行走機構與帶靠背車坐椅式的直立車龍頭轉向機構組成的自行車裝置。該裝置形體式樣，較為奇特但騎行舒適，更安全，并能折疊便攜帶。 §1.4 畢業(yè)論文設計內容和要求 設計內容：根據(jù)男式自行車的特點選擇合適的傳動比；比較和選擇合適的方案；完成自行車無級變速器變速器的結構設計與計算；對關鍵部件進行強度和壽命校核。 設計要求：傳動比范圍0.75～1.22；變速器尺寸要盡可能小，輕便；結構設計時應使制造成本盡可能低；安裝拆卸要方便；外觀要勻稱，美觀；調速要靈活，調速過程中不能出現(xiàn)卡死現(xiàn)象，能實現(xiàn)動態(tài)無級調速；關鍵部件滿足強度和壽命要求；畫零件圖和裝配圖。 第二章 自行車無級變速器總體方案的選擇 自行車無級變速方式多種多樣，在此，我只選擇了兩種方案供參考，作比較，選出理想方案。該兩種方案分別是鋼球長錐式(RC型)無級變速器和鋼球外錐式無級變速器，分別描述如下。 §2.1 鋼球長錐式(RC型)無級變速器 圖2-1 鋼球長錐式(RC型)無級變速器 如上圖所示，為一種早期生產(chǎn)的環(huán)錐式無級變速器，是利用鋼環(huán)的彈性楔緊作用自動加壓而無需加壓裝置。由于采用兩軸線平行的長錐替代了兩對分離輪，并且通過移動鋼環(huán)來進行變速，所以結構特別簡單。但由于長錐的錐度較小，故變速范圍受限制。 RC型變速器屬升、降速型，其機械特性如下圖所示。技術參數(shù)為：傳動比 i21 = n2/n1 =2～0.5,變速比Rb = 4,輸入功率P1=（0.1～2.2） kw ，輸入轉速 n1=1500 r/min ,傳動效率η＜85% 。一般用于機床和紡織機械等. 下圖是RC型變速器的機械特性： 圖2-2 RC型變速器的機械特性 §2.2 鋼球外錐式無級變速器 1,11-輸入，輸出軸 2，10-加壓裝置 3，9-主，從動錐輪 4-傳動鋼球 5-調速蝸輪 6-調速蝸桿 7-外環(huán) 8-傳動鋼球軸 12，13-端蓋 圖2-3 鋼球外錐式無級變速器 如圖所示，動力由軸1輸入，通過自動加壓裝置2，帶動主動輪3同速轉動，經(jīng)過一組（3～8）鋼球4利用摩擦力驅動輸出軸11，最后將運動輸出。傳動鋼球的支承軸8的兩端，嵌裝在殼體兩端蓋12和13的徑向弧行倒槽內，并穿過調速渦輪5的曲線槽；調速時，通過蝸桿6和蝸輪5轉動，由于曲線槽的作用使鋼球軸線的傾斜角發(fā)生變化，導致鋼球與兩錐輪的工作半徑改變，輸出軸轉速得到調節(jié)。其動力范圍為：Rn=9，Imax=1/Imin，P≤11 kw ，ε≤4% ，η＝0.80～0.92 。此種變速器應用廣泛。 從動調速齒輪5的端面分布一組曲線槽，曲線槽數(shù)目與鋼球數(shù)相同。曲線槽可用阿基米德螺旋線，也可用圓弧。當轉動主動齒輪6使從動齒輪5轉動時，從動齒輪的曲線槽迫使傳動鋼球軸8繞鋼球4的軸心線擺動，傳動輪3以及從動輪9與鋼球4的接觸半徑發(fā)生變化，實現(xiàn)無級調速。具體分析如下： 圖2-4 鋼球外錐式無級變速器變速示意圖 主要由兩個錐輪1、2和一組鋼球3（通常為6個）組成。主、從動錐輪1和2分別裝在軸Ⅰ、Ⅱ上，鋼球3被壓緊在兩錐輪的工作錐面上，并可在軸4上自由轉動。工作時，主動錐輪1依靠摩擦力帶動鋼球3繞軸4旋轉，鋼球同樣依靠摩擦力帶動從動錐輪2轉動。軸Ⅰ、Ⅱ傳動比 ，由于 ，所以 。調整支承軸4的傾斜角與傾斜方向，即可改變鋼球3的傳動半徑r1和r2，從而實現(xiàn)無級變速。 §2.3 兩方案的比較與選擇 鋼球長錐式(RC型)無級變速器結構很簡單，且使用參數(shù)更符合我們此次設計的要求，但由于在調速過程中，怎樣使鋼環(huán)移動有很大的難度，需要精密的裝置，如果此裝置用于自行車，成本會大大的提高，顯得不合理。 而鋼球外錐式無級變速器的結構也比較簡單，原理清晰，各項參數(shù)也比較符合設計要求，故選擇此變速器。只是字選用此變速器的同時須對該裝置進行部分更改。 須更改的部分是蝸輪蝸桿調速裝置部分。因為我們是選用了8個鋼球，曲線槽設計見第三章，一個曲線槽跨度是900，也就是說自行車從最大傳動比調到最小傳動比，需要使其轉過900，而普通蝸輪蝸桿傳動比是1/8，那么其結構和尺寸將完全不符合我們設計的要求。為此，我們想到了將它們改為兩斜齒輪傳動，以用來調速。選用斜齒輪是因為斜齒輪傳動比較平穩(wěn)。在設計過程中，將主動斜齒輪的直徑設計成從動斜齒輪的3/4，這樣只要主動輪轉動1200，那么從動輪就會轉動900，符合設計要求。 第三章 鋼球外錐式無級變速器部分零件的設計與計算 鋼球外錐式無級變速器零件的設計與計算包括主﹑從動錐齒輪，加壓盤，調速齒輪上變速曲線槽，輸入軸，輸出軸，輸入﹑輸出軸上軸承，輸入﹑輸出軸上端蓋，調速機構等部分的設計與計算，以下各章節(jié)分別介紹以上內容。 §3.1 鋼球與主﹑從動錐齒輪的設計與計算 輸入功率 =0.4039 kw 其中： , kg, kg, , km/h m/s, 輪胎直徑： mm 由力學知識可得：輪胎所產(chǎn)生的轉矩與鋼球摩擦所產(chǎn)生的轉矩應平衡 其中： mm ,， , Q為鋼球所受正壓力 代入數(shù)據(jù)可得： σHmax=1353×=1353×=56284/dq 由于傳動件的[σj]=2200～2500 Mpa 帶入上式得： ～ mm ,取 dq=25 mm,鋼球數(shù) 輸出轉速 n2==142.3 r/min 輸入轉速 n1=142.3/(0.75～1.22)=189.7～116.6 r/min 傳動比 變速范圍 鋼球支軸的極限轉角θ 增速方向 減速方向 圓錐工作直徑 mm 鋼球中心圓直徑 mm 鋼球側隙 []×=[]×25=2.43 mm 外環(huán)內經(jīng) mm 外環(huán)軸向截面圓弧半徑 R=(0.7～0.8)×dq=(0.7～0.8)×25=17.5～20 mm ,取 R=18 mm 錐輪工作圓之間的軸向距離 mm §3.2 加壓盤的設計與計算 加壓盤的作用直徑 = (0.5～0.6) × D1 = (0.5～0.6) × 54 = 27～32.4 mm 取 mm 滑動摩擦角 加壓盤V形槽傾角 λ=arctan =14.850 傳動鋼球的確接觸應力為 σ=1353×=1353×=2251.35 Mpa ≦[σj] 每個鋼球作用在V形槽側面的正壓力 Qy= =651.6 N 用鋼球加壓裝置時 σjmax=1370×=1370× =4865.6 Mpa ≤[σj] 其中：[σj]為4000～5000 Mpa 鋼球半徑 mm mm 碟形彈簧預緊力為200 N ,結構設計如下圖所示： 圖3-1 加壓裝置 §3.3 調速齒輪上變速曲線槽的設計與計算 槽的張角ψ=800～120 ,取ψ=900。 (1)變速曲線槽的槽形曲線為圓弧，中心線上三個特殊點 A，B，C的坐標系（以O為極點）分別為： 時, mm 其中：（0.5～1.0）=（0.5～1.0）=15.5 mm I=1時 ，ψB= ==49.460 mm 時 ，, mm 圖3-2 調速論 (3)用通過三點作圓弧的方法確定槽圓弧確定曲線半徑R和中心O” (4)要求傳動比Ix與齒輪轉角ψ呈線性變化時，槽形曲線方程為： R（ψ）=0.5D3+lsinθ =0.5D3+lsin｛arctan[]｝ =0.5×71.7+15.5sin｛arctan[]｝ =35.85+15.5sin(arctan) §3.4 輸入軸的設計與計算 1.輸入軸上傳遞的功率為 kw 轉速 n1=189.7～116.6 r/min ,取 n1=135 r/min 轉矩 T1=9550000=9550000×=28572 N·mm 2.如圖所示，作用于錐輪的正壓力 Q 圖3-3 正壓力計算示意圖 由前計算可知： , 其中mm 所以 N 單個錐輪的軸向力 Fa=徑向力 N 3.初步確定軸的最小直徑 選取軸的材料是40Cr ,調質處理 .取A0=100 ,于是得： dmin = =100×=14.4 mm ,取 dmin=14.5 mm 4.軸的結構設計 圖3-4 輸入軸 如圖所示，Ⅰ-Ⅱ段裝飛輪， Ⅱ-Ⅲ段裝端蓋， Ⅲ-Ⅳ段裝軸承，規(guī)格是d=17 mm , Ⅳ-Ⅴ段為軸肩，d=19.4 mm,Ⅴ-Ⅵ段裝軸承，規(guī)格d=12 mm ,Ⅵ-Ⅶ ,Ⅶ-Ⅷ段裝壓緊裝置以及裝錐輪，具體尺寸如零件圖所示 求軸上的載荷 Ⅱ-Ⅲ段不承受徑向載荷 兩軸承的距離為 mm 飛輪壓軸力方向線與軸承的距離為 mm 圖3-5 壓軸力受力模型 a.計算壓軸力Fp Fe=1000 v= 選定鏈條型號和節(jié)距 查《機械設計》表9-7，9-13，單排鏈 kw r/min由PCA和n’的值查《機械設計》圖9-11，得可選10A-1，鏈條節(jié)距 mm 故 v==0.904857 m/s 所以 Fe==446.4 N 所以 n（鏈條水平布置時的壓軸力系數(shù)KFP=1.15） b. 所以 N 所以 n 計算最大彎矩 N.mm 5.校核扭矩 T=9550000=9550×=28572 N·mm σCA== =34.7 Mpa﹤[σ-1]=60 Mpa 鍵槽處軸的校核 W(c)===224.7 σ（AC）== 57.22 Mpa ＜[σCA]=60 Mpa 6.鍵強度的校核 平鍵的尺寸為 ，鍵槽軸深 σp===147.8 Mpa≤ [σp]=120～150 Mpa 滿足條件 花鍵校核 σp=2T×103/(ψzhldm) 其中： ψ為載荷分配不均系數(shù)，取0.8 花鍵齒數(shù) 齒的工作長度 mm 花鍵齒側的工作高度 mm 花鍵的平均直徑 mm σp===41.34 Mpa ≤ [σp]=40～70 Mpa 花鍵的連接情況是：使用或制造情況不良，齒面未經(jīng)熱處理，故滿足要求 §3.5 輸出軸的設計與計算 1.輸出軸上的傳遞功率為 kw 轉速 r/min 于是轉矩 T2= =9550000×=23311.9 N·mm 2.作用于錐輪的正壓力 Q 由前計算可知： , 其中mm 所以 Q= N 單個錐輪的軸向力 Fa=徑向力 3.初步確定軸的最小直徑 選取軸的材料是40Cr ,調質處理 .取A0=100 ,于是得： dmin = =100×=13.5 mm 取d=14.5 mm 4.軸的結構設計 圖3-6 輸出軸 Ⅱ-Ⅷ段與輸入軸的Ⅱ-Ⅷ段完全相同，只有Ⅰ-Ⅱ段不一樣，輸出軸Ⅰ-Ⅱ段裝的是后輪軸。這樣設計便于統(tǒng)一加工. 5.求軸上的載荷 兩軸承的距離為 mm 壓軸力F合壓與軸承的距離為mm 圖3-7 壓軸力受力模型 如上圖所示 F合壓===558.1 N N 所以 N N 6.計算最大彎矩 N 7.校核扭矩 所受扭矩： N·mm A處校核 σCA==52.3 Mpa ＜ [σCA] Mpa C出校核 W(c)===224.7 σ（AC）==41.5 Mpa ＜[σCA]=60 Mpa 故校核安全 8.鍵強度的校核 平鍵的尺寸為，鍵槽軸深 σp===26.8 Mpa ≤ [σp]=120～150 Mpa 滿足條件 花鍵校核σp=2T×103/(ψzhldm) 其中： ψ為載荷分配不均系數(shù)，取0.8 花鍵齒數(shù) mm 齒的工作長度 花鍵齒側的工作高度 mm 花鍵的平均直徑 mm σp===29.99 Mpa ≤ [σp]=40～70 Mpa 花鍵的連接情況是：使用或制造情況不良，齒面未經(jīng)熱處理，故滿足要求 §3.6 輸入﹑輸出軸上軸承的選擇與計算 1. 輸入軸上軸承的壽命計算 圖3-8 輸入軸軸承受力計算示意圖 N 2軸承被拉松 N N 1軸承被壓緊 N N 所以 軸承2的當量載荷為 N 軸承1的當量載荷為 N 所以 Lh1= ==1088 h Lh2== h 2. 輸出軸上軸承的壽命計算 圖3-9 輸出軸軸承受力計算示意圖 N 2軸承被拉松 N N 1軸承被壓緊 N N 所以軸承1的當量載荷為 N 軸承2的當量載荷為 N 所以 Lh1===1127.3 h Lh2== h §3.7 輸入﹑輸出軸上端蓋的設計與計算 密封件的設計如下：見下圖3-10 軸徑 mm ， mm ， mm ， mm 端蓋的設計及計算如下：見下圖 3-11 圖3-10 密封圈 圖3-11 端蓋 螺釘直徑 mm mm mm mm mm ,取 4 mm mm D4=D–﹝10～15﹞ mm mm D6=﹝2～4﹞==32 mm mm , mm , mm 主從動軸一樣. §3.8 調速機構的設計與計算 調速機構采用兩斜齒輪分度調速。 1.調速齒輪1的設計與計算 模數(shù) mm 螺旋角 法面壓力角 端面壓力角 所以 基圓柱螺旋角 所以 法面齒距 mm 端面齒距 mm 法面基圓齒距 mm 法面齒頂高系數(shù) 法面頂隙系數(shù) 分度圓直徑 mm 基圓直徑 mm 齒頂高 mm 齒根高 mm 齒頂圓直徑 mm 齒根圓直徑 mm 法面齒厚 mm 端面齒厚 mm 當量齒數(shù) 2.主動斜齒輪2的設計與計算 模數(shù) mm 分度圓直徑 mm 基圓直徑 mm 齒頂圓直徑 mm 齒根圓直徑 mm 當量齒數(shù) 其余參數(shù)均與調速齒輪1相同. 兩齒輪的寬度均為 5 mm . 但主動斜齒輪只需轉過1200，所以該斜齒輪只需做成不完全齒輪，具體尺寸見另加圖。 §3.9 自行車無級變速器的安裝 無級變速器的輸出軸上安裝著自行車的后輪，輸入軸上安裝自行車的后飛輪，整個變速器位于后輪右側。變速器的主動調速齒輪上安裝搖桿，該搖桿可以伸縮，這樣在不調速時保證搖桿空間尺寸較小。搖桿可轉動1200，這樣可帶動從動調速論轉動900,從而使自行車速度在最大速度和最小速度之間變動。 1、4、7-端蓋 2-軸承 3-套筒 5-軸套 6-軸管 圖3-12 變速器安裝示意圖 自行車后輪與輸出軸的安裝方式如上圖所示，1、4、7端蓋是用來密封，保護軸承5的，普通自行車的后軸管和花盤是分開的，我這里把它們作成一個整體，即軸管6，與后軸用鍵連，軸套5的作用是軸向定位軸管，軸承2與軸采用過盈配合，具體尺寸設計見輸出軸的零件圖。 參考文獻 [1]濮良貴,紀名剛.機械設計[M].第八版.西安:高等教育出版社, 2005. 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[8]葛志淇.機械零件設計手冊[M].天津:冶金工業(yè)出版社,1980. 心得與體會 經(jīng)過為時兩個月的努力，我的畢業(yè)設計終于告一段落了。 在這兩個月的時間里，我查閱了很多關于這次設計的資料，也學到了不少東西。首先，畫圖方面，我們用CAD制圖，這讓我熟悉了CAD的制圖方法，為我兩個月后走上工作崗位打下了一個好的基礎。其次，論文的撰寫與編輯方面，里面的章章節(jié)節(jié)都經(jīng)過了我的細心編排經(jīng)過周友行副教授的指導，讓我深刻領略到了，論文編寫的嚴謹性，我想我以后如果有機會發(fā)表某些論文的話，就不會再無從下手了。再次，這個課題是我和同學譚浩共同完成的，這讓我再次體會到了分工與協(xié)作的重要性，設計過程中，一般他在網(wǎng)上找資料，我去圖書館找，這樣我們倆同時獲得內容就比較豐富，另外，在方案選擇方面，我們兩各自提出了自己的方案，然后經(jīng)過我們的討論與分析，最終選定設計方案，我想這無形中也增強了我們分析和解決問題的能力。 設計過程中，我們查閱了許多課本上沒有的內容和資料，大大的豐富了我的大腦，讓我們懂得了更多的只是，有人說畢業(yè)設計才是我們真正開始掌握知識的時候，我現(xiàn)在覺得也挺有道理的。 最后，要感謝指導老師周友行副教授和邱愛紅老師的悉心指導和熱情幫助，周老師每個星期固定和我們至少見一次面，審查我們的進度，幫我們解決前期遇到的問題，不但使我能夠順利地完成畢業(yè)設計，在專業(yè)知識上長進不少，而且為我樹立了嚴謹治學和忘我工作的榜樣；而邱老師幫我們審查圖紙，耐心幫我們找出中間的點滴錯誤。在此對他們表示由衷的感謝。 許海峰 2008年4月24日 附錄1 翻譯原文及譯文 Doc No: P0193-GP-01-1 Doc Name: Analysis of Manufacturing Process Data Using QUICK TechnologyTM Issue： 1 Data： 20 April ，2006 Name(Print) Signature Author： D.Clifton Reviewer： S.Turner Table of Contents 1 Executive Summary 4 1.1 Introdution 4 1.2 Techniques Employed 4 1.3 Summary of Results 4 1.4 Observations 4 2 Introdution 6 2.1 Oxford BioSignals Limited 6 3 External References 7 4 Glossary 7 5 Data Description 8 5.1 Data types 8 5.2 Prior Experiment Knowledge 8 5.3 Test Description 8 6 Pre-processing 10 6.1 Removal of Start/Stop Transients 10 6.2 Removal of Power Supply Signal 10 6.3 Frequency Transformation 10 7 Analysis I-Visualisation 13 7.1 Visualisation of High-Dimensional Data 13 7.2 Visualising 5-D Manufacturing Process Data 13 7.3 Automatic Novelty Detection 15 7.4 Conclusion of Analysis I-Visualisation 16 8 Analysis II-Signature Analysis 17 8.1 Constructing Signatures 17 8.2 Visualising Signatures 19 8.3 Conclusion of Analysis II-Signature Analysis 23 9 Analysis III-Template Analysis 24 9.1 Constructing a Template of Normality 24 9.2 Results of Novelty Detection Using Template Analysis 25 9.3 Conclusion of Analysis III-Template Analysis 26 10 Analysis IV-None-linear Prediction 27 10.1 Neural Networks for On-Line Prediction 27 10.2 Results of Novelty Detection using Non-linear Prediction 27 10.3 Conclusion of Analysis IV-Non-linear Prediction 28 11 Overall Conclusion 29 11.1 Methodology 29 11.2 Summary of Tesults 29 11.3 Future Work 29 12 Appendix A-NeuroScale Visualisations 31 Table of Figures Figure 1- Test 90. From top to bottom: Ax, Ay, Az, AE, SP against time t(s) Figure 2- Power spectra for Test 19 after removal of 50Hz power supply contribution. The top plot shows a 3-D “l(fā)andspace” plot of each spectrum. The bottom plot shows a “contour” plot of the same information, with increasing signal power shown as increasing colour from black to red Figure 3- Power spectra for Test 19 after removal of all spectral components beneath power threshold Figure 4- Az against time (in seconds) for Test 19,before removal of low-power frequency components Figure 5- Az against time (in seconds) for Test 19, after removal of low-power frequency components Figure 6- SP for an example test, showing three automatically-detecrmined states:S1-drilling in (shown in green); S2-drill-bit break-through and removal (shown in red); S3-retraction (shown in blue) Figure 7- Example signature of variable plotted against operating-point Figure 8- Power spectra for test 51, frequency (Hz) on the x-axis between [0 fs/2] Figure 9- Average significant frequency Figure 10- Visualisation of AE signatures for all tests Figure 11- Visualisation of Ax broadband signatures for all tests Figure 12- Visualisation of Ax average-frequency signatures for all tests Figure 13- Novelty detection using a template signature Figure 14- 1 Executive Summary 1.1 Introduction The purpose of this investigation conducted by Oxford BioSignals was to examine and determine the suitability of its techniques in analyzing data from an example manufacturing process. This report has been submitted to Rolls-Royce for the expressed of assessing Oxford BioSignals’ techniques with respect to monitoring the example process. The analysis conducted by Oxford BioSignals (OBS) was limited to a fixed timescale固定的時間標度( 時間間隔) , a fixed set of challenge data for a single process (as provided by Rolls-Royce and Aachen university of Technology), with no prior domain knowledge 相關先驗知識 , nor information of system failure系統(tǒng)崩潰的征兆 . 1.2 Techniques Employed引用的技術 OBS used a number of analysis techniques given the limited timescales: I-Visualisation, and Cluster Analysis聚類分析 This powerful method allowed the evolution of the system state (fusing all available data types提煉所有的現(xiàn)有數(shù)據(jù)類型 ) to be visualised throughout the series of tests. This showed several distinct modes of operation幾個截然不同的運作模式 during the series, highlighting major events observed within the data, later correlated with actual changes to the system’s operation by domain experts. Cluster analysis automatically detects which of these events may be considered to be “abnormal”, with respect to previously observed system behavior 聚類分析能夠綜合考慮系統(tǒng)的特性習慣，自動從這些系統(tǒng)事件中識別出異常事件 . II-Signature represents信號再現(xiàn) each test as a single point on a plot, allowing changes between tests to be easily identified. Abnormal tests are shown as outlying points, with normal tests forming a cluster每一次實驗將一一個單獨的點的形式出現(xiàn)在圖表中，允許個實驗點之間存在一定的誤差，超出誤差范圍的實驗點就可以很容易的識別出來。在正常的一系列實驗點圖表中，異常實驗點將被高亮顯示出來。 . Modeling the normal behavior of several features selected from the provided data分析已經(jīng)獲取的數(shù)據(jù)的各種特性，并依據(jù)這些行為特性建立數(shù)學模型 , this method showed that advance warning of system failure could be automatically detected using these features, as well as highlighting significant events within the life of the system.該方法證明：根據(jù)這些行為特性，加工失敗的預警系統(tǒng)可以自動針對檢測加工狀態(tài)判斷是否報警，并高亮提醒重要事件。 III-Template Analysis模板分析 This method allows instantaneous sample-by –sample novelty detection, suitable for on-line implementation.模板分析法可以進行逐點瞬時采樣分析，這種方法適合于在線分析。 Using a complementary approach to Signature Analysis, this method also models normal system behavior. Results confirmed the observation made using previous methods. IV-Neural network Predictor Similarly useful for on-line analysis, this method uses an automated predictor of system behaviour(a neural network predictor), in which previously identified events were confirmed, and further significant episodes were detected. 1.3 Summary of Results Early warning of system failure was independently identified by the various analysis methods employed. Several significant events during the life of the process were correlated with actual known events later revealed by system experts. Changes in sensor configurations are identified, and periods of system stability (in which tests are similar to one another) are highlighted. This report shall be used as the basis for further correlation of detected events against actual occurrences within the life of the system, to be performed by Aachen University of Technology. 1.4 Observations Based on this limited study, OBS are confident that their techniques are applicable to condition monitoring of the example manufacturing process as follows: Evidence shows that automated detection of system novelty is possible, compared to its “normal” operation. Early warning of system distress may be provided, giving adequate time to tak