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
相关文章
- 自行车无级变速器设计2
- 自行车变速器设计_毕业论文设计1 精品
- 机械类毕业设计题目
- 自行车的组装技术
- _汽车概论思考题答案
- 汽车销售产品知识
- 汽车驾驶基础知识
- 汽车术语大全
- 成家立业新标杆
四川大学锦城学院 本科生毕业论文(设计) 题 目 自行车无级变速器设计 学 院 四川大学锦城学院 专 业 学生姓名 学 号 年级 指导教师 教务部制表 二Ο一三 年 四 月 二十 日 自行车无级变速器设计 专业: 学生 指导老师 摘 要 无 ...
本科毕业论文(设计) 论文题目 : 姓 学 班 年 专 系名 : 号 : 级 : 级 : 业 : 部 : 自行车变速器设计 机械设计制造及自动化 机械工程系 2013年5月15日 指导教师 : 完成时间 : 作者声明 本毕业论文(设计)是在 ...
机械机电类:1.压燃式发动机油管残留测量装置设计2.DTⅡ型固定式带式输送机的设计3.双铰接剪叉式液压升降台的设计4.万能外圆磨床液压传动系统设计5.实验用减速器的设计6.管套压装专机设计7.可调速钢筋弯曲机的设计8.新KS型单级单吸离心泵 ...
您当前的位置: 首页 / 行 / 技术篇 / 正文 自行车的组装技术 编辑:6年未逝 发布于:2011-07-15 18:22:26 分类:自行车 浏览:183 ·点击收藏按钮可以将文章收藏至自己的会员 ...
题型: 1. 名词解释 2. 填空 3. 选择 4. 判断 5. 简答 6. 论述都在里面抽 汽车概论思考题 第一章 汽车发展史 1. 汽车的定义怎样?美国.日本与我国有什么区别? 在美国,汽车是指本身的动力驱动(不包括人力.畜力),装有驾 ...
汽车产品销售知识 技术总监:韩基君 现在消费市场上提出"明明白白消费"做一个明白消费者.3.15一到,商家胆战心惊(一年就惊这么一回).为什么?因为产品没蒙人,销售员蒙人了.我们一些销售人员为了把商品销售出去,把产品夸得 ...
汽车驾驶基础知识 一汽-大众北京冀东丰 2011-02-21 16:09:30 1.驾驶前车辆的检查 作为驾驶员,在每次行车前均应做好如下工作事项: 起动前车辆检查: 检查驾驶证.行车证.通行证.保险单.车辆标识等证件是否齐全并且有效. 检 ...
1. 整车装备质量(kg):汽车完全装备好的质量,包括润滑油.燃料. 随车工具.备胎等所有装置的质量. 2. 最大总质量(kg):汽车满载时的总质量. 3. 最大装载质量(kg):汽车在道路上行驶时的最大装载质量. 4. 最大轴 ...
中国家轿的故事还得从桑塔纳说起.在那个产品匮乏的上世纪90年代,汽车消费主要集中在商务领域,价格在20万上下.所以1983年开始在上海生产的桑塔纳在那个时候是以第二代帕萨特为平台,也就意味着是主打公务用车.而随着人们物质生活水平的提高,桑塔 ...