基于专创融合的摩擦轮传动教学体系的构建

姜 松,姜奕奕,刘淑一,姜 宇

(江苏大学 食品与生物工程学院,江苏 镇江 212013)

0 引言

摩擦轮传动是机械传动中常见的传动形式之一,是利用两轮直接压紧接触所产生的摩擦力来传递运动和动力的一种机械运动[1]。它具有运动形式转换、可实现远距离输送和往复运动、外载能力驱动自适应、在闭环控制系统中可以实现高精度传动和定位、过载自保护、成本低和结构及制造工艺简单等特点,广泛应用于金属轧制机、汽车和火车等轮式车辆的轮地传动、摩擦压力机、摩擦离合器、制动器、机械无级变速器及仪器的传动机构等场合[1-2]。目前,一般普遍认为摩擦轮传动比不精确、效率低、过载打滑、传动关系简单,课程学时有限和受教材篇幅限制,在高校机械设计课程中一般不纳入教学内容、大部分教材中不体现或体现很少[3-5];即使在课程和教材中有体现,也仍然停留在20世纪20年代的认识,未将100多年的发展引入课程教学和教材,如无心磨床、斜轧机械、光轴斜轮传动装置等中的摩擦轮传动[6-8]。由于摩擦轮传动相关知识教学的不充分或缺失,特别是工程上应用非常广泛的新型摩擦轮传动技术未及时引入教学之中,使该类新型摩擦轮传动在工程应用中命名极不规范,形成了行业和领域之间的知识壁垒。因此,非常有必要重新构建摩擦轮传动的教学体系,并以摩擦轮传动技术知识为载体,培养学生的创新思维能力和创新设计能力以及复杂工程问题解决能力,使专业与创新实现有机融合。摩擦轮传动教学体系的创新设计可为机械设计课程教学和教材及手册编写提供知识体系和案例参考。

1 摩擦轮传动

1.1 分类体系

运用分类思维方法,通过比较思维法揭示各种摩擦轮传动之间的共同点和异同点,按其属性的异同划分为不同种类的摩擦轮传动。摩擦轮传动具体分类形式：(1)按载荷的大小分为传递动力的传动和传递运动的传动;(2)按传动比分为定传动比的传动和变传动比的传动;(3)按轴的相互配置可以分为平行轴之间的传动和相交轴之间的传动及交错轴之间的传动;(4)按轮子的形状分为圆柱形、圆锥形、腰鼓形、椭圆形、环状形、叶瓣形、环状形、球形及曲面形;(5)按轮缘的表面结构形状分为光滑和楔形槽;(6)按接触处的压紧方法分为无特殊压紧机构的、可定期改变压紧力的和可自动调节压紧力的;(7)按速度可调性分为定速、有级变速、无级变速;(8)按不同用途分为实现两轴(平行轴、相交轴、交错轴)之间的回转运动传递、实现回转运动与往复运动的转换(火车轮与轨道、车轮与地面、轧钢机中轧辊与钢坯等)、实现回转运动与螺旋运动的转换(无心磨床、光轴斜轮传动)、实现无级变速(各种形式的摩擦轮无级变速器);(9)按接触方式分为外接触和内接触(定传动比)、直接接触和间接接触(变传动比);(10)按支撑轴固定方式分为定轴和非定轴等[5,7,9-10]。摩擦轮传动基本分类体系如图1所示。

图1 摩擦轮传动分类

在图1的分类体系中,本文在前人按轴的相互配置分为平行轴之间传动和相交轴之间传动的基础上,通过演绎思维方法提出了交错轴之间的传动[11-12],即交错轴摩擦轮传动;也可以根据齿轮传动按轴的相互配置关系分类方法通过类比思维方法得出交错轴摩擦轮传动[12],即图1中的点划线部分。因此,通过演绎思维方法或类比思维方法完善了摩擦轮传动分类体系按轴之间关系的分类,超越了目前文献中的分类,完善了分类体系。

1.2 运动关系

按轴的相互配置关系,定传动比的平行轴、相交轴和交错轴摩擦轮传动的主动轮和从动轮之间的运动关系如表1所示,其中交错轴摩擦轮传动比较特殊,有斜动和直动2种运动形式,从动轮作螺旋运动,从动轮的转速和移动速度随摩擦轮轴间偏置角φ的变化而变化[2-3,13]。

表1 定传动比3类摩擦轮传动关系

在教学设计时,可利用文献[2]和[13]的研究结果,运用比较思维法分析斜动和直动形式交错轴摩擦轮传动机构简图之间的共同点和异同点以及转化关系(见图2),一般交错轴摩擦轮传动与轮地和特殊交错轴摩擦轮传动机构2种运动形式的从动轮运动分析的异同如图3-5所示,从承载能力的分析中理想化假设思维方法。

1.主动摩擦轮;2.从动摩擦轮;3.支撑轴;4.机架。图2 交错轴摩擦轮传动机构两种基本形式示意图

图3 轮地交错轴摩擦轮传动

2 交错轴摩擦轮传动应用的认知

相关教材和手册对一般摩擦轮传动的应用已有比较多介绍,本文仅仅介绍交错轴摩擦轮传动在工程上的应用。

2.1 基本形式

从交错轴摩擦轮传动原理和机构形式及演化来看,基于结构化思维交错轴摩擦轮传动可分为斜动式和直动式两种基本运动形式(见图2a、2c),其基本结构形式可分为外接触(见图6)、内接触(见图7-8)、轮地(见图3)、特殊结构(机构示意图,如图2b所示;应用示意图,如图4-5所示)等4种基本结构形式。

图4 摩擦式卵形体送料装置

图5 摩擦式连续送料装置

2.2 一般性应用

2.2.1 斜动式交错轴摩擦轮传动

运用类比思维方法分析应用于贯穿法无心磨床、钢管斜轧穿孔机、圆截面金属管材和棒材的斜辊矫直机以及抛光机中的交错轴摩擦轮传动,其共同特征是利用被加工件的螺旋运动实现自动进给[14-18],即被加工件(从动轮)螺旋运动中的移动是沿其自身轴线方向,与主动轮存在一个偏置角,因而运用归纳思维方法将这类传动称为斜动式交错轴摩擦轮传动或螺旋式交错轴摩擦轮传动。

2.2.2 直动式交错轴摩擦轮传动

将类比思维方法分析应用于某种柴油机中,利用光轴螺旋传动机构驱动调速杆遥控其转速的装置[19]。某扩散炉上利用光轴滚动螺旋传动实现送片装置直线运动[20]。冰箱发泡线上采用斜轮—光轴摩擦传动实现夹具输送小车移动[21]。利用摩擦轮与光轴轴线偏置外接触形成的可实现窗帘、门、窗的自动开合、线(丝、带)缠绕的旋转光轴直线驱动装置[22-28]。利用螺旋轮驱动管道检测机器人[29]。此外,利用光轴斜轮式摩擦传动实现精密机床、三坐标测量机、影像测量仪的精密定位驱动[30-32]。这些传动结构的共同特征都是通过光轴旋转驱动偏置轮作螺旋运动,其中螺旋运动的移动量由偏置轮的支撑结构实现输出,从而使光轴旋转运动转化为偏置轮支撑结构沿其轴线的移动。因而,运用归纳思维方法将这类传动称为直动式交错轴摩擦轮传动或移动式交错轴摩擦轮传动。

在斜动式和直动式交错轴摩擦轮传动中,共同特征是一个构件做螺旋运动,仅仅运动输出的形式和方向不同,传动的基本原理是相同的。

2.3 综合性应用

运用迁移思维方法将交错轴摩擦轮传动的基本原理知识应用于组合型复杂运动系统和标准化产品的分析,构建组合型复杂运动系统和标准化产品(部件)的分析方法。

2.3.1 组合型复杂运动系统

基于Mecanum轮全方位小车和蛙式运动车属于组合型复杂运动系统。将交错轴摩擦轮的传动关系与Mecanum轮全方位小车中腰鼓形辊子与地面的传动关系进行类比分析,其传动的基本原理是一样的,运用交错轴摩擦轮传动原理比流行方法更直观和简洁地解析全方位小车的运动;同理可解析蛙式运动车的运动[2,13]。

2.3.2 标准化产品(部件)

德国UHING公司开发了两款回转运动转换成直线运动的内接触式交错轴摩擦轮传动装置,分别为滚动环传动(Rolling Ring Drives)和直线传动螺母(Linear Drive Nut),并形成了产品标准化和系列化,其中滚动环传动是一种无级变速器;并在其基础上开发了一种应用于工程的成套化排线器(又称为光杆排线器)[33]。日本NIPPON BEARING株式会社开发了系列外接触式交错轴摩擦轮传动运动转换装置,称为滑动螺杆或滑动螺旋杆或直线驱动装置[34]。日本旭精工株式会社开发了ASAHI系列内接触式交错轴摩擦轮传动装置产品,称为无牙螺母[35]。

2.3.3 特殊应用

卵形体农产品大小头自动定向中轴向分列运动是非固定轴交错轴摩擦轮传动[12]。滚轮支架的窜动是交错轴摩擦轮传动螺旋运动的移动引起的[36]。

2.4 特点总结

运用比较思维方法总结交错轴摩擦轮传动相对一般摩擦轮传动的特点：将回转运动转换成螺旋运动或直线移动,当交错轴之间的夹角(偏置角)变化时可实现输出运动参数可调;在闭环控制系统中可以实现高精度传动和定位;可实现远距离输送和往复运动;在一定范围内驱动外载能力可以任意调节和自适应[2,13,37-38]。

2.5 课外项目式作业

本文运用迁移思维方法将交错轴摩擦轮传动的基本理论知识应用于工程领域的案例分析,通过相关文献检索与分析,综合其在不同行业领域中的具体应用,形成文献综述。

3 交错轴摩擦轮传动的规范命名

3.1 教材和手册及专利中的命名

文献[5]、[7]、[39]—[40]早期翻译国外的大部分教材和后期国内个别教材,介绍了一种“将旋转运动变为螺旋运动的传动”机构,但仅仅描述其能实现螺旋运动,没有给出具体的机构名称,其实是斜动式交错轴摩擦轮传动。文献[3]—[4]在机械设计类手册的摩擦轮传动分类中,介绍了轴间交错的双曲面轮摩擦机构和螺旋摩擦轮传动,仅仅描述这种结构适用于空间交错轴传动。文献[8]在变速器分类中,介绍了一种光轴斜环式变速器(即UHING的产品)。文献[41]—[42]在专利中,用斜轮光轴实现输送、开合的传动装置。

3.2 工程应用中的命名

从参考文献中可以看出,工程上形成了各种命名,如：双曲面轮摩擦机构、螺旋摩擦轮传动、实现螺旋运动的机构、光轴斜环式变速器、无心磨床导轮机构、钢管斜轧机构、斜辊轧制机构、斜辊矫直机构、光轴螺旋传动、光轴滚动螺旋传动装置、斜轮—光轴摩擦传动、旋转光轴直线驱动装置、无级变速螺旋驱动器、圆盘和滚子传动、轴承和滚子传动、管道机器人螺旋轮式驱动机构、扭轮摩擦传动、光轴斜轮式摩擦传动、滚动环传动、直线传动螺母、滑动螺杆、滑动螺旋杆、直线驱动装置、无牙螺母、无牙螺杆等。综观这些命名,有的从运动形式,有的从轴线关系形式,有的从传动轴的外形结构形式,有的从轮的结构形式等角度进行命名,这些命名未真正反映传动的核心特征,不利于交流和传播及借鉴。

3.3 规范命名的建议

追溯解析交错轴摩擦轮传动发展历程和发展阶段可知,交错轴摩擦轮传动早在100多年前就开始应用[41,43]。20世纪60年代出现了标准化和专用化产品(部件)[33-35],20世纪90年代应用于精密定位驱动,打破了对摩擦轮传动的传统认识。但从“工程应用中的命名”看,对交错轴摩擦轮传动的认知存在很大的局限,对传动理论未形成共识,各领域行业之间存在知识的壁垒。因此,需要根据机构传动的主要核心特征进行规范命名,其主要特征是摩擦轮、交错轴、螺旋运动、光轴、斜轮(滚轮),其中核心特征是摩擦轮、交错轴、螺旋运动。为了有利于理解和交流及传播并体现核心特征,建议可以命名为交错轴摩擦轮传动;为了区分不同的输出运动形式,可以再增加斜动式和直动式或螺旋式和移动式,其命名为(斜动式、直动式)交错轴摩擦轮传动或(螺旋式和移动式)交错轴摩擦轮传动。

4 结语

本文基于科学思维方法,在现有分类体系的基础上构建了交错轴摩擦轮传动分支,完善了摩擦轮传动分类体系,规范了交错轴摩擦轮传动名称。新分类体系可使学生的摩擦轮传动知识结构更完善,工程应用的剖析提升了学生运用摩擦轮传动的分析与综合能力,拓宽了学生应用机械传动的视野。摩擦轮传动特别是交错轴摩擦轮传动教学体系的创新设计为机械原理与设计类课程的教与学提供了一个完整的案例,也为交错轴摩擦轮传动知识的普及传播奠定了基础。