自行车自动变速器设计

自行车自动变速器设计

赵春锋a

, 周人杰b

, 郭 玮b

(上海工程技术大学 a. 工程实训中心; b. 城市轨道交通学院, 上海 201620)

摘要: 针对普通自行车手动变速器使用繁琐、 保养困难的缺陷,设计了基于单片机的自行车自动

变速装置, 自动检测自行车时速,并依据使用者的舒适度对自行车设置自动变速. 该装置根据单

片机采集的自行车发电前花鼓产生的交流电频率来判断车速, 与自行车当前的换挡设置进行比

较,进而控制安装在车架上的直线步进电机, 推动自行车后轮内置式变速器的变速杆达到变速目

的.自行车自动变速装置实现了轻松骑行,无需手动换挡,可以适应不同用户的变速设置要求. 关键词: 自行车; 自动变速器; 单片机

中图分类号: U 484 文献标志码: A

Design of Automatic Transmission for Bicycle

ZHAO Chunfeng a

, ZHOU Renjieb

, GU O Wei

b

( a. Engineering T rain ing Center; b. College of U rban Railway Transp ortat ion, S hanghai U nivers ity of Engin eering Science, Sh angh ai 201620, Ch ina)

Abstract: Aiming at shortcomings o f the cumbersome operat ion and dif ficult maintenance for the hand

operat ing t ransmissio n o f common bicy cles, an automat ic t ransmission based on single chip micro computer ( SCM) w as desig ned, w hich can detect the bicy cle speed and shift speeds automat ically

acco rding to the comfo rt lev el o f users. The device can determine the bicycle speed in accordance w ith the

SCM collect ing alternat ing current fr equency produced by the f ront hub g ener ator, compare w ith current

shift set ting of the bicy cle and contr ol the linear stepping motor to push the g earlever of the rear

derailleur of the bicycle for chang ing the bicycle speed. T he automatic bicycle t ransmission can achiev e

requirements o f easy r iding , no manual shif t and shif t set t ing of different users.

Key words : bicycle; automat ic t ransmission; SCM( Sing le Chip Micr ocomputer)

自行车是一种环保健康的出行代步工具,传统

的自行车采用了固定齿比的传动系统, 在上坡和起

步时相对费力. 自行车手动变速器的出现, 虽然解

决了这个问题, 但是, 由于需要频繁地使用转动拨

杆,使得普通变速车的故障率变高, 很大程度上阻

碍了人们使用变速功能的热情. 基于此, 本文设计

了一款结构简单, 能降低机构故障率, 并且能根据

自行车时速自动进行变速的变速器[ 1- 5]

.

1 变速器自动控制系统

1. 1 变速器自动控制原理

整套自行车自动变速器的系统布置如图 1( a)

所示[ 6]

.前轮的发电花鼓会随着前轮转速的变化而 第 1 期 赵春锋,等: 自行车自动变速器设计

改变其发出电流,并对电源充电.单片机通过信号转

换接收电流周期改变的信号, 根据信号的强弱判定

是否需要进行变速.如果信号周期数值达到了单片

机中预定的值,单片机会发出命令,使安装在自行车

尾部的直线步进电机作出动作,推动自行车后变速

器的变速杆,从而达到自行车变速的目

.

图1( b)为自行车后变速机构装配布置图. 直线

步进电机安放于自行车后叉上,当单片机发送出变

速的指令后,直线步进电机即开始运作,通过挡板推

动自行车变速后花鼓的变速杆,使自行车变速.

图 1 自行车自动变速器布置图

Fig. 1 Layout of automatic transmission of bicycle

1. 2 自动控制系统组成

自行车自动变速控制系统如图2 所示.自行车

自动变速器内的单片机检测控制系统采用51 单片

机作为控制核心. 光耦作为整形电路的核心, 51

单片机控制直线步进电机作出相应动作来操纵变

速器的变速,让用户能轻松骑行. 其工作原理是前

轮的发电花鼓产生的正弦波交流电通过整形电路

转化为方波信号,方波信号的周期随着发电前花鼓

的转速变化呈线性变化, 单片机计算方波信号的周

期.当周期达到单片机程序预设的值后, 单片机发

出直线步进电机的命令, 经过步进电机驱动器的处 的

理,传输给直线步进电机,使步进电机产生动作,最

终达到自动变速的目的.

图 2 单片机控制系统组成图

Fig. 2 Composition diagram of SCM control system

1. 2. 1 发电花鼓作为信号检测源

在自行车自动变速器中, 采用了自行车发电前

花鼓作为自行车车速检测源, 解决目前市场上普遍

采用的踏频信号车速检测器灵敏度低的问题,能够

反映在最低速度情况下的速度变化情况.

图3 为踏频信号车速检测器与发电前花鼓车

速检测器在不同车速下产生电压的对比

.

图 3 踏频信号车速检测器与发电前花鼓

车速检测器检测灵敏度比较

Fig . 3 Sensitivity comparison of trample frequency

signal detector with front hub

generator detector

踏频信号车速检测器是在自行车曲柄上安装

一个信号发射器,在自行车中轴处装载一个信号接

收器,曲柄转动一圈接受一次脉冲信号. 这样的器

材灵敏度低, 当车速低于8 km/ h 时,由于脉冲信

号太弱, 传感器难以正确反映速度变化.

发电机脉冲信号检测,即在自行车前轴上安装一

个小型发电机,利用的是切割磁感线产生电流的原

理,通过检测产生的交流电流频率来监测自行车车

速,实时反馈车速,使车速检测更精准,而且发电前花

鼓经过结构优化,大大减少了发电时所产生的阻力,

其对骑行的影响可忽略不计.因此, 采用发电前花鼓

作为自行车车速检测源的自动变速系统能更精确地

测速,使得变速动作更为细腻,骑行感觉更为舒适.

1. 2. 2 自行车速度的采集

自行车发电前花鼓在自行车骑行过程中产生

的交流电的频率随着车速的变化呈线性变化,如图

4( a)所示. 左图为发电前花鼓低速转动时, 在数字

155 上 海 工 程 技 术 大 学 学 报 第 25 卷

示波器上采集的波形;右图为发电前花鼓高速转动

时,在数字示波器上采集的波形. 自行车自动变速

器的信号采集是对交流电的频率进行采样,与预先

设定的标准变速频率进行比对,从而决定是否要进

行变速动作.由于交流电的波形是正弦波, 测定频

率较为困难,所以, 在本套系统中先将交流电的正

弦波波形转化为方波波形,从而方便单片机进行交

流电频率的测量.

本文使用了 TLP521 光耦将正弦波转化为方

波,其优点是抗干扰能力强,输出和输入之间隔离、

耐干扰.由于发电前花鼓在中高速运转的过程中极

端峰值电压可能会达到100 V 以上,采用诸如斯密

特触发器等元件进行转换,遇到峰值电压时会对方

波的生成造成干扰, 并且存在交流电与直流电之间

的共地问题,这些可能对转换元件本身带来不可逆

的损害.而光耦合器则解决了这样的问题, 其输入

端和输出端电气隔离,发电花鼓高速运作中产生的

峰值电压对生成的方波信号没有丝毫影响.

图4( b) 左图为低速状态下, 在数字示波器上

采集的方波波形;右图为高速状态下在数字示波器

上采集的方波波形. 图5 为利用光耦合器进行频率

采集的原理图.

图 4 发电花鼓在不同车速下的波形图

Fig. 4 Waveforms of generator hub in diff erent speeds

图 5 频率采集电路图

Fig. 5 Circuit diagramof frequency acquisition

2 控制系统软件

周期测量使用的是51 单片机中自带的计数器

进行计算测量,测定脉冲的周期,计算出脉冲频率,

晶振频率为12 MHz.通过键盘对单片机进行信号设

置后,开始信号采集.当接收到一个低电平时, 51 单

片机内计数器开始计数,直到接收到一个高电平,停

止计数.通过计算得出频率值,将频率与预设信号值

作比较,如果符合调速条件,则发出脉冲信号使步进

电机进行调速动作, 并将挡位通过发光二极管

( LED)显示[7- 9]

.

图6 为整套变速控制系统的流程图.

图 6 变速控制系统流程图

Fig. 6 Flow diagram of transmission control system

本套自行车自动变速器在设计初,即为替代用

户思考自行车变速时机的系统,但是每个人对于速

度和体力消耗的理解各不相同. 因此,在本文这套

系统上增设了用户的微调开关和数码管显示,方便

用户对于各挡位的速度预设值进行调整.如果用户

觉得骑行中挡位的变化过快,自己来不及适应, 可

以升高各挡位之间速度的预设值,延缓系统变速的

时间;相反,如果用户觉得骑行过程中挡位的变化

过慢,消耗了自己的体力而速度没有明显变化, 则

可以降低各挡位之间的速度预设值,加快系统变速

的时间. 通过这套速度微调装置的设定, 用户可以

拥有符合自己使用习惯的自动变速系统,在骑行过

程中能更加省力.

3 结 语

自行车变速器采用发电前花鼓作为速度采集

设备,解决了市场上一般的速度检测器材灵敏度低

的问题. 同时,采用单片机控制自行车变速动作, 无

需用户干预, 用户不必学习自行车变速的相关知识

156 第 1 期 赵春锋,等: 自行车自动变速器设计

就能享受变速自行车轻松快速的骑行特点,特别适

合老年人和女性等一些不习惯复杂的自行车变速

动作的骑行者. 整套装置结构简单,无需维护,方便

维修,能通过简单设置以适应不同用户的变速设置

要求.整套系统在达到批量生产之后, 能将成本控

制在人民币 600 元左右, 相对于日本售价12 000

日元的自行车自动变速系统来说, 更能让消费者接

受.如果在有内三速变速器的自行车基础上进行升

级改装, 还可将成本控制在 200 元以内, 性价比

更高.

参考文献:

[ 1] 薛荣生, 林毓培,郝充志. 数字智能传动传感化自动控

制系统在电动自行车上的应用[ J] .中国自行车, 2007

( 8) : 26- 36.

[ 2] 沈爱国. 推杆式内三变速器[ J] . 中国自行车, 1994

( 9) : 12.

[ 3] 王维德. 以电脑控制使自行车自动变速的方法与装

置: 中国, 95102805. 7[ P] . 1995- 03- 28.

[ 4] 薛荣生. 一种可自动感知路况的智能化自动变速器

[ J] .电动自行车, 2008( 5) : 32.

[ 5] 江南. CVG 自行车自动无级变速器夺人眼球[ J] . 中

国自行车, 2007( 9) : 26.

[ 6] 岛野株式会社. 自行车的自动变速控制装置及其方

法: 中国, 02146927. X[ P] . 2002- 10- 16.

[ 7] 王秀和. 电机学[M] .北京: 机械工业出版社, 2009.

[ 8] 戴佳, 戴卫恒,刘博文. 51 单片机 C 语言应用程序设

计实例精讲[ M] . 北京:电子工业出版社, 2008.

[ 9] 杨国田, 白焰,董玲. 51 单片机实用 C 语言程序设计

与典型实例[ M] . 北京:中国电力出版社, 2009.

科技论文写作中常见的差错( 3)

关于 浓度、 含量和化学元素符号作量符号的正确使用

1 浓度、 含量应视不同情况分别称为:

质量浓度( ) ,即某物质的质量除以混合物的体积, 单位为 kg / m3

;

质量分数( w ) , 即某物质的质量与混合物的质量之比, 单位为1;

体积分数( ) ,即某物质的体积与混合物的体积之比,单位为1;

浓度( c) ,只有物质的量浓度可简称为 浓度,即某物质的物质的量除以混合物的体积, 单位为mol/ L.

2 化学元素符号作量符号使用

例如 H2 O2= 2 1这是不规范的表示方式.

正确的表示方式为:

指质量比,应为m( H2 ) m( O2 ) = 2 1;

指体积比,应为V( H2 ) V ( O2 ) = 2 1.

摘自图书编校质量认定细则

157


© 2024 实用范文网 | 联系我们: webmaster# 6400.net.cn