大型精密重載摩擦輪傳動設計

郭召

西安大醫集團股份有限公司研發中心 陜西西安 710000

1 序言

摩擦輪傳動是利用相互壓緊的摩擦輪之間的摩擦力傳遞運動及動力的一種精密傳動機構，其結構簡單、加工精度易保證、無反向間隙且可無級分度，在大中型精密回轉運動中具有一定應用價值。李洪波等人以回轉窯托輪為研究對象，介紹了托輪的接觸疲勞設計；董潔等人對起重機重載車輪的動態接觸進行了研究；楊鵬等人借助有限元對起重機輪軌接觸應力進行了分析；王鵬等人研究了起重機車輪表面硬度對應力場的影響。上述研究主要集中在對承載用輪對的接觸、疲勞及強度的研究，對精密重載傳動用摩擦輪副的研究較少。

摩擦輪傳動在重載工況下面臨高接觸應力、高磨損的難題，在臥式回轉運動中還要防止軸向竄動。本文結合課題開發的大型精密旋轉機架，對精密重載摩擦輪傳動設計進行探討。

2 摩擦輪傳動應力狀態及主要失效形式

摩擦輪副赫茲接觸應力如圖1所示，驅動機架旋轉的摩擦輪副為圓柱型摩擦輪副，外圓相切。根據赫茲接觸理論，在靜態接觸狀態下，接觸區域承受沿法向的集中接觸應力，接觸區域相對幾何切線對稱，寬度2a。摩擦輪副接觸區受力及彈性滑動產生機理如圖2所示，在接觸區域，滾筒軌道受到和其旋轉方向相同的摩擦力Ft2作用后開始轉動。在這一過程中，滾筒軌道表面材料先受到拉伸作用，后受到壓縮作用。摩擦輪承受和其旋轉方向相反的摩擦力Ft1，其表面材料先壓縮后拉伸。在連續運行過程中，摩擦輪副表面持續受到法向應力、拉伸應力及壓縮應力的周期性作用。利用有限元對傳動過程中接觸區域及相鄰影響區的應力狀態進行分析。摩擦輪副靜態接觸時應力分布如圖3所示，接觸區最大應力479.01MPa；對摩擦輪副施加驅動扭矩時應力分布如圖4所示，接觸區最大應力達到695.68MPa。

圖1 摩擦輪副赫茲接觸應力示意

圖2 摩擦輪副接觸區受力及彈性滑動產生機理示意

圖3 摩擦輪副靜態接觸時應力分布

圖4 對摩擦輪副施加驅動扭矩時應力分布

摩擦輪傳動過程中摩擦輪副承受切向的往復拉伸及壓縮作用，并承受交變的法向載荷，摩擦接觸區及兩側影響區始終處于高交變應力狀態，其失效形式以疲勞點蝕為主，同時磨損量不容忽視。

3 摩擦輪副材質的選擇及匹配

摩擦輪副在接觸區域同時承受法向壓力及切向拉伸力和壓縮力的作用，材料的屈服強度及拉伸強度在一定程度上反映了疲勞強度的高低，為提高疲勞強度，應選擇高強度材料。彈性模量決定摩擦輪副的局部剛度，低彈性模量材料在接觸區域變形大，因而接觸區域較大，可以降低接觸應力，但接觸面積增大，彈性滑動也會增加，影響傳動精度；高彈性模量材料接觸區域變形小，接觸區域穩定，所造成的高接觸應力問題可以通過選用高強度材料加以改善，因此摩擦輪副應選用高彈性模量材料。摩擦輪在進入和脫離接觸區時分別承受拉伸及壓縮作用，會在摩擦輪副表面產生微觀車削效應，造成表面磨損，尤其在制動時，驅動摩擦輪處于靜止狀態，從動摩擦輪在大慣量帶動下沿摩擦輪表面滑移一定角度，導致局部磨損加劇，因此硬度的匹配是減少磨損的重要 手段。

為選擇合理的摩擦輪副材料，在原理樣機試制階段，選擇了4種材質配對方案，其關鍵力學性能參數見表1。圖5為所開發的旋轉機架空載狀態實物，機架滾筒的軌道為從動摩擦輪，滾筒集成負載后總重約10t。為模擬整機設備在醫院中的使用工況，設置運行速度為1r/min，觀察摩擦輪副表面狀態。滾筒累計承載運行3萬轉后，驅動摩擦輪表面狀態對比如圖6所示。

圖6 驅動摩擦輪承載運行后表面狀態對比

表1 摩擦輪副材質配對方案及關鍵力學性能參數

圖5 旋轉機架空載狀態實物

圖6a為表1中方案1對應的摩擦輪表面狀態，持續運行后摩擦輪表面完整，有污跡，用酒精擦拭后可恢復光澤。圖6b為表1中方案2對應的摩擦輪表面狀態，持續運行后驅動摩擦輪表面有黑色膜狀附著物，干燥隆起，用刮板輕刮可去除，輪面和周圍非接觸區相比，光澤度降低，回轉精度未降低。圖6c為表1中方案3對應的摩擦輪表面狀態，持續運行后驅動摩擦輪表面出現黑色焦皮，用刮板輕刮可去除，輪面和周圍非接觸區相比，光澤度降低，回轉精度未降低。圖6d為表1中方案4對應的摩擦輪表面狀態，持續運行后驅動摩擦輪表面完整，有光澤。

通過對比測試，筆者認為在大型精密重載摩擦輪傳動設計中，摩擦輪副應選擇高強度材料，采用較高的硬度，建議參照硬齒面齒輪的要求進行設計。從動摩擦輪硬度范圍（400±30）HBW，驅動摩擦輪的硬度應高于從動輪硬度。通過實際測試驗證，筆者推薦的硬度差為100～120HBW。

4 軸向竄動的分析及抑制

臥式布局的大型重載精密摩擦輪傳動需要克服軸向竄動的問題。常見的竄動形式有單一軸向竄動和往復軸向竄動。單一軸向竄動不隨旋轉方向改變，主要由軸線傾斜引起；往復軸向竄動隨著旋轉方向改變，呈螺旋往復運動規律。摩擦輪自身加工誤差、安裝誤差及承載后的形變會造成摩擦輪副相對位置的變化，導致驅動摩擦輪軸線與從動摩擦輪軸線不平行，存在扭轉角θ或傾斜角γ，這是摩擦輪傳動過程中產生軸向竄動的主要原因。

扭轉角是引起往復軸向竄動的主要原因，如圖7所示，當驅動摩擦輪與從動摩擦輪之間存在扭轉角θ時，驅動摩擦輪產生的摩擦力作用在從動摩擦輪表面，作用點位于接觸點，作用方向垂直于驅動摩擦輪軸線。摩擦力帶動從動摩擦輪繞其軸線回轉，由于從動摩擦輪回轉軸線固定，實際的回轉驅動力為Fr＝Fcosθ，與此同時，沿回轉軸線產生Fa＝Fsinθ的軸向力。驅動摩擦輪換向時，作用在從動摩擦輪上的軸向力方向改變。

圖7 存在扭轉角θ時的受力示意

在整機設備中，滾筒軌道為從動摩擦輪，由4個驅動摩擦輪支承，回轉軸線水平。當驅動摩擦輪與從動摩擦輪之間存在傾斜角γ時（見圖8），滾筒在重力作用下發生軸線傾斜，重力沿回轉軸線產生分量，導致單一方向的軸向竄動。

圖8 傾斜角γ示意

通過對摩擦輪廓形進行修形優化，可以改變接觸位置，降低對安裝精度的要求，改善接觸狀態，抑制軸向竄動。圓柱型摩擦輪理論上為線接觸，其接觸軌跡為其幾何相切線，但由于加工誤差、安裝誤差及承載后的形變誤差的存在，會造成摩擦輪副之間的相對位置變化，產生扭轉角和傾斜角。通過對摩擦輪廓形進行修形優化，可以降低上述誤差的影響，減小扭轉角及傾斜角，同時可以改善接觸狀態，提高疲勞壽命。

5 結束語

摩擦輪在傳動過程中，接觸區域及兩側影響區同時承受高法向集中載荷及沿切向的周期性拉伸和壓縮載荷，表層材料先壓縮后拉伸，承受交變應力，疲勞點蝕是其主要失效形式。選用高強度材料通過熱處理提高硬度可以提高疲勞壽命，但在硬度匹配上驅動輪的硬度應高于從動輪，推薦硬度差 100～120HBW。