基于專創融合的摩擦輪傳動教學體系的構建

姜 松,姜奕奕,劉淑一,姜 宇

(江蘇大學 食品與生物工程學院,江蘇 鎮江 212013)

0 引言

摩擦輪傳動是機械傳動中常見的傳動形式之一,是利用兩輪直接壓緊接觸所產生的摩擦力來傳遞運動和動力的一種機械運動[1]。它具有運動形式轉換、可實現遠距離輸送和往復運動、外載能力驅動自適應、在閉環控制系統中可以實現高精度傳動和定位、過載自保護、成本低和結構及制造工藝簡單等特點,廣泛應用于金屬軋制機、汽車和火車等輪式車輛的輪地傳動、摩擦壓力機、摩擦離合器、制動器、機械無級變速器及儀器的傳動機構等場合[1-2]。目前,一般普遍認為摩擦輪傳動比不精確、效率低、過載打滑、傳動關系簡單,課程學時有限和受教材篇幅限制,在高校機械設計課程中一般不納入教學內容、大部分教材中不體現或體現很少[3-5];即使在課程和教材中有體現,也仍然停留在20世紀20年代的認識,未將100多年的發展引入課程教學和教材,如無心磨床、斜軋機械、光軸斜輪傳動裝置等中的摩擦輪傳動[6-8]。由于摩擦輪傳動相關知識教學的不充分或缺失,特別是工程上應用非常廣泛的新型摩擦輪傳動技術未及時引入教學之中,使該類新型摩擦輪傳動在工程應用中命名極不規范,形成了行業和領域之間的知識壁壘。因此,非常有必要重新構建摩擦輪傳動的教學體系,并以摩擦輪傳動技術知識為載體,培養學生的創新思維能力和創新設計能力以及復雜工程問題解決能力,使專業與創新實現有機融合。摩擦輪傳動教學體系的創新設計可為機械設計課程教學和教材及手冊編寫提供知識體系和案例參考。

1 摩擦輪傳動

1.1 分類體系

運用分類思維方法,通過比較思維法揭示各種摩擦輪傳動之間的共同點和異同點,按其屬性的異同劃分為不同種類的摩擦輪傳動。摩擦輪傳動具體分類形式：(1)按載荷的大小分為傳遞動力的傳動和傳遞運動的傳動;(2)按傳動比分為定傳動比的傳動和變傳動比的傳動;(3)按軸的相互配置可以分為平行軸之間的傳動和相交軸之間的傳動及交錯軸之間的傳動;(4)按輪子的形狀分為圓柱形、圓錐形、腰鼓形、橢圓形、環狀形、葉瓣形、環狀形、球形及曲面形;(5)按輪緣的表面結構形狀分為光滑和楔形槽;(6)按接觸處的壓緊方法分為無特殊壓緊機構的、可定期改變壓緊力的和可自動調節壓緊力的;(7)按速度可調性分為定速、有級變速、無級變速;(8)按不同用途分為實現兩軸(平行軸、相交軸、交錯軸)之間的回轉運動傳遞、實現回轉運動與往復運動的轉換(火車輪與軌道、車輪與地面、軋鋼機中軋輥與鋼坯等)、實現回轉運動與螺旋運動的轉換(無心磨床、光軸斜輪傳動)、實現無級變速(各種形式的摩擦輪無級變速器);(9)按接觸方式分為外接觸和內接觸(定傳動比)、直接接觸和間接接觸(變傳動比);(10)按支撐軸固定方式分為定軸和非定軸等[5,7,9-10]。摩擦輪傳動基本分類體系如圖1所示。

圖1 摩擦輪傳動分類

在圖1的分類體系中,本文在前人按軸的相互配置分為平行軸之間傳動和相交軸之間傳動的基礎上,通過演繹思維方法提出了交錯軸之間的傳動[11-12],即交錯軸摩擦輪傳動;也可以根據齒輪傳動按軸的相互配置關系分類方法通過類比思維方法得出交錯軸摩擦輪傳動[12],即圖1中的點劃線部分。因此,通過演繹思維方法或類比思維方法完善了摩擦輪傳動分類體系按軸之間關系的分類,超越了目前文獻中的分類,完善了分類體系。

1.2 運動關系

按軸的相互配置關系,定傳動比的平行軸、相交軸和交錯軸摩擦輪傳動的主動輪和從動輪之間的運動關系如表1所示,其中交錯軸摩擦輪傳動比較特殊,有斜動和直動2種運動形式,從動輪作螺旋運動,從動輪的轉速和移動速度隨摩擦輪軸間偏置角φ的變化而變化[2-3,13]。

表1 定傳動比3類摩擦輪傳動關系

在教學設計時,可利用文獻[2]和[13]的研究結果,運用比較思維法分析斜動和直動形式交錯軸摩擦輪傳動機構簡圖之間的共同點和異同點以及轉化關系(見圖2),一般交錯軸摩擦輪傳動與輪地和特殊交錯軸摩擦輪傳動機構2種運動形式的從動輪運動分析的異同如圖3-5所示,從承載能力的分析中理想化假設思維方法。

1.主動摩擦輪;2.從動摩擦輪;3.支撐軸;4.機架。圖2 交錯軸摩擦輪傳動機構兩種基本形式示意圖

圖3 輪地交錯軸摩擦輪傳動

2 交錯軸摩擦輪傳動應用的認知

相關教材和手冊對一般摩擦輪傳動的應用已有比較多介紹,本文僅僅介紹交錯軸摩擦輪傳動在工程上的應用。

2.1 基本形式

從交錯軸摩擦輪傳動原理和機構形式及演化來看,基于結構化思維交錯軸摩擦輪傳動可分為斜動式和直動式兩種基本運動形式(見圖2a、2c),其基本結構形式可分為外接觸(見圖6)、內接觸(見圖7-8)、輪地(見圖3)、特殊結構(機構示意圖,如圖2b所示;應用示意圖,如圖4-5所示)等4種基本結構形式。

圖4 摩擦式卵形體送料裝置

圖5 摩擦式連續送料裝置

2.2 一般性應用

2.2.1 斜動式交錯軸摩擦輪傳動

運用類比思維方法分析應用于貫穿法無心磨床、鋼管斜軋穿孔機、圓截面金屬管材和棒材的斜輥矯直機以及拋光機中的交錯軸摩擦輪傳動,其共同特征是利用被加工件的螺旋運動實現自動進給[14-18],即被加工件(從動輪)螺旋運動中的移動是沿其自身軸線方向,與主動輪存在一個偏置角,因而運用歸納思維方法將這類傳動稱為斜動式交錯軸摩擦輪傳動或螺旋式交錯軸摩擦輪傳動。

2.2.2 直動式交錯軸摩擦輪傳動

將類比思維方法分析應用于某種柴油機中,利用光軸螺旋傳動機構驅動調速桿遙控其轉速的裝置[19]。某擴散爐上利用光軸滾動螺旋傳動實現送片裝置直線運動[20]。冰箱發泡線上采用斜輪—光軸摩擦傳動實現夾具輸送小車移動[21]。利用摩擦輪與光軸軸線偏置外接觸形成的可實現窗簾、門、窗的自動開合、線(絲、帶)纏繞的旋轉光軸直線驅動裝置[22-28]。利用螺旋輪驅動管道檢測機器人[29]。此外,利用光軸斜輪式摩擦傳動實現精密機床、三坐標測量機、影像測量儀的精密定位驅動[30-32]。這些傳動結構的共同特征都是通過光軸旋轉驅動偏置輪作螺旋運動,其中螺旋運動的移動量由偏置輪的支撐結構實現輸出,從而使光軸旋轉運動轉化為偏置輪支撐結構沿其軸線的移動。因而,運用歸納思維方法將這類傳動稱為直動式交錯軸摩擦輪傳動或移動式交錯軸摩擦輪傳動。

在斜動式和直動式交錯軸摩擦輪傳動中,共同特征是一個構件做螺旋運動,僅僅運動輸出的形式和方向不同,傳動的基本原理是相同的。

2.3 綜合性應用

運用遷移思維方法將交錯軸摩擦輪傳動的基本原理知識應用于組合型復雜運動系統和標準化產品的分析,構建組合型復雜運動系統和標準化產品(部件)的分析方法。

2.3.1 組合型復雜運動系統

基于Mecanum輪全方位小車和蛙式運動車屬于組合型復雜運動系統。將交錯軸摩擦輪的傳動關系與Mecanum輪全方位小車中腰鼓形輥子與地面的傳動關系進行類比分析,其傳動的基本原理是一樣的,運用交錯軸摩擦輪傳動原理比流行方法更直觀和簡潔地解析全方位小車的運動;同理可解析蛙式運動車的運動[2,13]。

2.3.2 標準化產品(部件)

德國UHING公司開發了兩款回轉運動轉換成直線運動的內接觸式交錯軸摩擦輪傳動裝置,分別為滾動環傳動(Rolling Ring Drives)和直線傳動螺母(Linear Drive Nut),并形成了產品標準化和系列化,其中滾動環傳動是一種無級變速器;并在其基礎上開發了一種應用于工程的成套化排線器(又稱為光桿排線器)[33]。日本NIPPON BEARING株式會社開發了系列外接觸式交錯軸摩擦輪傳動運動轉換裝置,稱為滑動螺桿或滑動螺旋桿或直線驅動裝置[34]。日本旭精工株式會社開發了ASAHI系列內接觸式交錯軸摩擦輪傳動裝置產品,稱為無牙螺母[35]。

2.3.3 特殊應用

卵形體農產品大小頭自動定向中軸向分列運動是非固定軸交錯軸摩擦輪傳動[12]。滾輪支架的竄動是交錯軸摩擦輪傳動螺旋運動的移動引起的[36]。

2.4 特點總結

運用比較思維方法總結交錯軸摩擦輪傳動相對一般摩擦輪傳動的特點：將回轉運動轉換成螺旋運動或直線移動,當交錯軸之間的夾角(偏置角)變化時可實現輸出運動參數可調;在閉環控制系統中可以實現高精度傳動和定位;可實現遠距離輸送和往復運動;在一定范圍內驅動外載能力可以任意調節和自適應[2,13,37-38]。

2.5 課外項目式作業

本文運用遷移思維方法將交錯軸摩擦輪傳動的基本理論知識應用于工程領域的案例分析,通過相關文獻檢索與分析,綜合其在不同行業領域中的具體應用,形成文獻綜述。

3 交錯軸摩擦輪傳動的規范命名

3.1 教材和手冊及專利中的命名

文獻[5]、[7]、[39]—[40]早期翻譯國外的大部分教材和后期國內個別教材,介紹了一種“將旋轉運動變為螺旋運動的傳動”機構,但僅僅描述其能實現螺旋運動,沒有給出具體的機構名稱,其實是斜動式交錯軸摩擦輪傳動。文獻[3]—[4]在機械設計類手冊的摩擦輪傳動分類中,介紹了軸間交錯的雙曲面輪摩擦機構和螺旋摩擦輪傳動,僅僅描述這種結構適用于空間交錯軸傳動。文獻[8]在變速器分類中,介紹了一種光軸斜環式變速器(即UHING的產品)。文獻[41]—[42]在專利中,用斜輪光軸實現輸送、開合的傳動裝置。

3.2 工程應用中的命名

從參考文獻中可以看出,工程上形成了各種命名,如：雙曲面輪摩擦機構、螺旋摩擦輪傳動、實現螺旋運動的機構、光軸斜環式變速器、無心磨床導輪機構、鋼管斜軋機構、斜輥軋制機構、斜輥矯直機構、光軸螺旋傳動、光軸滾動螺旋傳動裝置、斜輪—光軸摩擦傳動、旋轉光軸直線驅動裝置、無級變速螺旋驅動器、圓盤和滾子傳動、軸承和滾子傳動、管道機器人螺旋輪式驅動機構、扭輪摩擦傳動、光軸斜輪式摩擦傳動、滾動環傳動、直線傳動螺母、滑動螺桿、滑動螺旋桿、直線驅動裝置、無牙螺母、無牙螺桿等。綜觀這些命名,有的從運動形式,有的從軸線關系形式,有的從傳動軸的外形結構形式,有的從輪的結構形式等角度進行命名,這些命名未真正反映傳動的核心特征,不利于交流和傳播及借鑒。

3.3 規范命名的建議

追溯解析交錯軸摩擦輪傳動發展歷程和發展階段可知,交錯軸摩擦輪傳動早在100多年前就開始應用[41,43]。20世紀60年代出現了標準化和專用化產品(部件)[33-35],20世紀90年代應用于精密定位驅動,打破了對摩擦輪傳動的傳統認識。但從“工程應用中的命名”看,對交錯軸摩擦輪傳動的認知存在很大的局限,對傳動理論未形成共識,各領域行業之間存在知識的壁壘。因此,需要根據機構傳動的主要核心特征進行規范命名,其主要特征是摩擦輪、交錯軸、螺旋運動、光軸、斜輪(滾輪),其中核心特征是摩擦輪、交錯軸、螺旋運動。為了有利于理解和交流及傳播并體現核心特征,建議可以命名為交錯軸摩擦輪傳動;為了區分不同的輸出運動形式,可以再增加斜動式和直動式或螺旋式和移動式,其命名為(斜動式、直動式)交錯軸摩擦輪傳動或(螺旋式和移動式)交錯軸摩擦輪傳動。

4 結語

本文基于科學思維方法,在現有分類體系的基礎上構建了交錯軸摩擦輪傳動分支,完善了摩擦輪傳動分類體系,規范了交錯軸摩擦輪傳動名稱。新分類體系可使學生的摩擦輪傳動知識結構更完善,工程應用的剖析提升了學生運用摩擦輪傳動的分析與綜合能力,拓寬了學生應用機械傳動的視野。摩擦輪傳動特別是交錯軸摩擦輪傳動教學體系的創新設計為機械原理與設計類課程的教與學提供了一個完整的案例,也為交錯軸摩擦輪傳動知識的普及傳播奠定了基礎。