自行车的链传动现象分析

摘要: 自行车采用了链传动,利用链条与链轮之间的啮合力来传递运动和动力。骑自行车省力,下坡时自行车后轮转而脚踏板不转,骑车时链条会上下抖动,有时还会出现脱链等现象,本文从机械原理的角度对上述现象进行了分析。

关键词: 自行车链传动超越机构多边形现象脱链

一、骑车比步行省力。

图1 链传动

自行车是利用链传动来传递运动和动力的,链传动由主动链轮(安装在脚踏板的中轴上),从动链轮(又称后飞轮,安装在自行车的后轴上)和中间挠性件链条组成,链条的链节和链轮的轮齿相啮合。在图1传动中,设主动链轮的齿数为z■,转速为n■,后飞轮的齿数为z■,转速为n■,主动链轮每转过一个齿,链条移动一个链节,从动链轮被链条带动也转过一个齿,即在相同时间内主动链轮转过的齿数等于从动链轮转过的齿数,则n■·z■=n■·z■,即■=■。链传动的传动比即主、从动链轮的转速之比,等于主、从动链轮齿数之反比。通常链传动主动轮的齿数大于从动轮的齿数,即z■>z■,则传动比小于1,所以采用链传动的自行车是增速的。例28英寸的男式自行车,主动链轮的齿数为47,后飞轮齿数为21,骑车人蹬一圈,主动链轮转一圈,飞轮转2.5圈,后轮也转2.5圈,自行车可向前进5.5米左右,所以骑车与步行相比快多了。

在自行车的前链轮上加两个左右曲柄,脚踏的切向力改进成转动力矩,两脚的摆动幅度大一些,转动力矩也大,用脚蹬踏更有利于自行车转动。所以骑自行车既省力又快捷。

二、下坡时,自行车前进而脚踏板不动。

自行车骑行过程中,人经常需要歇脚休息或是下坡时不需要踩踏,自行车自动向前运动,这是因为自行车后飞轮采用了棘轮式超越机构。

a) b)

图2 后轮轴上的内啮合棘轮机构

图2为自行车后轮轴上的内啮合棘轮机构。后飞轮是一个内圈带有棘齿的棘轮,当脚蹬踏板时,经主动链轮1和链条2,带动内圈具有棘齿的从动链轮3顺时针转动(从动链轮在棘轮机构中为主动件)。再通过棘爪的作用,后轮轴5(从动件)顺时针转动,从而驱动自行车前进。自行车骑行过程中,快蹬几下后停止或是下坡时,不要踩踏板,后轮轴5在惯性力的作用下按其原来的方向脱开链轮3,并超越主动链轮3而转动。棘爪4不起作用并受迫在棘轮齿背上滑过,所以自行车照常行驶。这种从动件的运动超越主动件而独立运动的特性称为超越作用,自行车的后飞轮采用的就是棘轮式超越机构。

三、链条在骑行中会上下抖动,发出噪音(瞬时速度不恒定,使传动不平稳)。

图3 链传动的运动分析

图3中,链条以折线形状绕在链轮上,相当于链条绕在边长为节距P,边数为链轮齿数z的多边形轮上。若两轮的转速分别为n■,n■,则链条的平均速度为v=■=■

链传动的平均传动比为

i=■=■

实际上链条的瞬时速度和瞬时传动比在每一瞬时都是变化的,而且是按每一链节的啮合过程作周期性变化,假设链条的上边始终处于水平位置,铰链A已进入啮合,主动轮以角速度ω■回转,其圆周速度v■为d■ω/2,将其分解为沿链条前进方向的水平分速度v和垂直方向的分速度v′,则v和v′的值分别为

v=v■cosβ=■cosβ

v′=v■sinβ=■sinβ

式中β为主动轮上铰链A的圆周速度方向与链条前进方向的夹角,也称为铰链A在主动轮

上的位置角。每一链节自啮入链轮后,在随链轮的转动沿圆周方向送进一个链节的过程中,铰链所转过的角度为链条节距P所对应的圆心角φ■=■。当铰链中心转至链轮的垂直中心线位置(最高位置)时,其链速达最大值(v■=v■=■d■),β角的变化范围为-■~+■。故β角等于-■或+■时链速最小,v■=■cos■,即链条速度是由小到大,再由大到小地变化,每转过一个链节,就重复一次上述过程(如图4a所示)。链条在垂直方向上的分速度也作周期性变化(如图4b所示),使链条上下抖动。

a)

b)

图4 瞬时链速度变化规律

这种由于链条绕在链轮上形成多边形啮合传动而引起传动速度不均匀的现象,在机械上称为多边形效应。当链轮齿数较多,β的变化范围较小时,其链速的变化范围也较小,多边形效应相应减弱,因此链轮齿数多一些,传动会平稳一些。但也不是齿数越多越好,在尺寸不变时,齿数越多,轮齿越细。自行车是人力蹬踏,速度较低,在传递相同功率的情况下,所需的圆周力较大,使链轮的轮齿容易磨损,折断,所以不采用过多齿数来消除振动。链传动工作时,由于链条与链轮的结构特点,不可避免会产生振动冲击,引起附加的动载荷,因此链传动不适用于高速传动。

四、脱链。

链条是由于内链板、外链板、销轴、套筒和滚子组成。内链板与套筒、外链板与销轴之间采用过盈配合,套筒、销轴、滚子之间采用间隙配合,正是由于这种松紧配合,使得链节一曲一折向前移动。当链节不断地进入和退出链轮时,内、外链板作相对转动,套筒与销轴之间产生滑动,外来杂质及微观不平的表面凸峰被剪断,形成磨料,造成销轴与套筒之间的磨损。磨损后,外链节节距增大,内链节节距增大很小,一般可认为不变,结果造成链节距的不均匀,进一步降低了传动的平稳性,磨损使链条的平均节距增大,同时链轮工作面磨损,使轮齿变细,如果节距伸长过大,将造成工作中的脱链。

若链节距伸长不是很大,可调节后轮轴在燕尾槽的位置,增大两链轮的中心距来张紧链条。若链节距伸长过大,无法通过调链轮中心距的方法来张紧,可拆卸2节链节,使链长缩短达到张紧的状态。因为链节数为偶数,拆卸2节后还是偶数,偶数链节的链条两头正好是内链节和外链节,通常使接头处外链节的一个链板与销轴可拆,再用弹性锁片或开口销,将该链板固定在销轴上,从而实现首尾相连(如图5)。但如果链节数为奇数,就必须采用过渡链节的方法,由于过渡链节链板上受附加弯曲应力,强度大约减弱20%,故应避免出现奇数链节的现象。

a)开口销锁紧

b)弹簧下卡锁紧

图5 链条的拆装

若拆卸2节链节或更换链条后还是脱链,则应检查链轮是否磨损过度,若链轮的轮齿磨得过细,应考虑更换链轮。

骑自行车与步行相比较省力。因为安装了棘轮式超越离合器,后车轮与链轮的运动有时可以分开,下坡时,使自行车前进而脚踏板不动。由于链条与链轮组成了正多边形,产生了多边形效应,因此链条在骑行中会上下抖动,发出噪音。自行车工作一些年后,链节距磨损增大,链轮的齿变细,会造成脱链,了解自行车的各种现象,有助于更好地骑行和延长自行车的寿命。

参考文献:

[1]陈立德.机械设计基础.高等教育出版社.

[2]吴宗泽主编.机械设计.中央广播电视大学出版社.

[3]天津大学机械零件教研室编.机械零件.天津科学技术出版社.

[4]郑志峰主编.链传动设计与应用手册.机械工业出版社.