共享单车可变档的轴传动装置设计 - 传媒与出版

0　引言

随着我国城市化进程的不断加深，空气污染问题日益加剧，交通拥堵成为亟须解决的问题。自行车因节能环保、不受交通拥堵困扰等诸多优势，在城市交通中应用广泛。特别是近两年共享单车概念的提出和推广，使自行车的生产和应用更呈现出较快增长的趋势。传统的自行车的传动方式为链传动，但是存在易掉链、卡夹裙裤、磨损后易跳齿、暴露在外易生锈损坏等问题。考虑到共享单车对可靠性和免维护性的较高要求，部分共享单车改用轴传动作为传动装置，达到了工作稳定不易磨损、传动装置不外露的效果，有效地改善了传统链式自行车的不足。但是，因轴传动结构紧凑、配件精密，缺少链条各段之间的配合间隙，所以在加速和启动时比较费力，目前没有变档功能设计。因此，对共享单车的核心部件，即对轴n传动装置改进，进而使其具有变档功能就显得很有必要。

链传动变档是通过切换不同大小的链轮以实现变档功能，如李宏杰提出的自行车变速装置，就是通过在花键轴上安装通过拨叉控制的滑动齿轮达到变档目的。但这种变档方式须有链条传动，并不适用于轴传动装置。在自行车领域少有针对轴传动装置变速设计的文献。在汽车等领域，为达到变速效果，常采用齿轮变速箱配合离合器实现变档功能^]。但是汽车等使用的变速箱常常为多轴系的定轴轮系结构，结构过于复杂，重量过大，难以应用于自行车传动装置。而行星齿轮变速箱是一种典型的紧凑型结构，因具有体积小、重量轻、传动比大、承载能力高等优点，已经广泛应用在冶金、机械、电子等多个领域。但是，有关行星齿轮变速箱的变档功能设计的研究相对较少。

基于采用轴传动装置的共享单车启动费力和缺少变档功能的不足，考虑到体积和重量限制，本文将尝试基于行星齿轮变速箱，设计一种可变档的自行车轴传动装置。在轴传动装置的基础上增加变档功能，改进现有轴传动装置的缺陷，提升自行车的性能。

1　轴传动技术及其变档装置位置

参考图1和图2，现有自行车轴传动技术是利用2对圆锥齿轮和1根传动杆达到传动效果。与踏板轴相连的是作为驱动齿轮的圆锥齿轮a，与后轮轴相连的是作为从动齿轮的圆锥齿轮b，传动杆靠近脚蹬部位处安装与圆锥齿轮a啮合的圆锥齿轮c，靠近后轮轴处安装与圆锥齿轮b啮合的圆锥齿轮d。圆锥齿轮a的旋转运动直接源自脚蹬，是整个轴传动装置的主动轮。圆锥齿轮c与圆锥齿轮a轴线成90°啮合，将旋转运动传递至传动杆。传动杆有一定长度，规避了轴承传动距离短的缺点。传动杆的另一端固连圆锥齿轮d，圆锥齿轮b与圆锥齿轮d轴线成90°啮合，从而带动后轮轴转动。现有自行车轴传动技术就是利用两组轴线成90°的圆锥齿轮将传动方向进行两次转换，把脚蹬产生的旋转运动传递到较远的后轮。

图1　现有的轴传动装置示意图（靠近脚蹬一侧）

图2　现有的轴传动装置示意图（靠近后轮一侧）

参考图3，拟增加的变档装置在转动杆中段，替换掉一截传动杆。变档装置主要结构是一种行星齿轮变速箱，它的输入轴与靠近脚蹬一侧圆锥齿轮c的部分连接，输出轴与靠近后轮轴一侧圆锥齿轮d的部分连接。

图3　对轴传动装置进行变档改进的位置示意图

2　变档装置组成和原理

变档装置是基于二级行星齿轮变速箱，通过控制车闸达到变档效果。参考图4和图5，变档装置由2个周转轮系组成，具体包括支架、2个车闸、两组由中心轮，行星轮、齿圈组成的周转轮系。与靠近脚蹬端相连的是输入轴，踏板产生的动力由输入轴输入并带动中心轮1和中心轮2一并转动。车闸1和车闸2分别控制齿圈1和齿圈2的转动和静止。系杆1与齿圈2 相连，故行星轮1与齿圈2联动，即行星轮1的轴线位置与齿圈2的同步旋转和静止。

参考图4，档位A时车闸2下压使齿圈2静止，由于行星轮1轴线（系杆）与齿圈2联动，所以行星轮1轴向处于静止状态。这时的周转轮系退化成一个定轴轮系，右边周转轮系由于被固定了齿圈则相当于一个行星轮系。整个变档装置的传动比仅由右边轮系决定。参考图5，档位B时车闸1下压使齿圈1静止，此时左边轮系为行星轮系，右边轮系为周转轮系，两个轮系共同影响传动比。这样的话，档位A和档位B的传动比不同，因此可以通过控制车闸A和车闸B的开关状态来获得两个不同的档位，即实现了变档功能。两种档位下详细的传动比计算将在第3部分进行。