要耐磨又要精度這種摩擦輪傳動怎么設(shè)計(jì)才合適

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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(yùn)動及動力的一種精密傳動機(jī)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)運(yùn)動中具有一定應(yīng)用價(jià)值。李洪波等人以回轉(zhuǎn)窯托輪為研究對象，介紹了托輪的接觸疲勞設(shè)計(jì)；董潔等人對起重機(jī)重載車輪的動態(tài)接觸進(jìn)行了研究；楊鵬等人借助有限元對起重機(jī)輪軌接觸應(yīng)力進(jìn)行了分析；王鵬等人對起重機(jī)車輪表面硬度對應(yīng)力場的影響進(jìn)行了研究。上述研究主要集中在對承載用輪對的接觸、疲勞及強(qiáng)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(yīng)力、高磨損的難題，在臥式回轉(zhuǎn)運(yùn)動中還要防止軸向竄動。本文結(jié)合課題開發(fā)的大型精密旋轉(zhuǎn)機(jī)架，對精密重載摩擦輪傳動設(shè)計(jì)進(jìn)行探討。2

摩擦輪傳動應(yīng)力狀態(tài)及主要失效形式摩擦輪副赫茲接觸應(yīng)力如圖1所示，驅(qū)動機(jī)架旋轉(zhuǎn)的摩擦輪副為圓柱型摩擦輪副，外圓相切。根據(jù)赫茲接觸理論，在靜態(tài)接觸狀態(tài)下，接觸區(qū)域承受沿法向的集中接觸應(yīng)力，接觸區(qū)域?qū)挾认鄬缀吻芯€對稱，寬度2a。摩擦輪副接觸區(qū)受力及彈性滑動產(chǎn)生機(jī)理如圖2所示，在接觸區(qū)域，滾筒軌道受到和其旋轉(zhuǎn)方向相同的摩擦力Ft2作用后開始轉(zhuǎn)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(zhuǎn)方向相反的摩擦力Ft1，其表面材料先壓縮后拉伸。在連續(xù)運(yùn)行過程中，摩擦輪副表面持續(xù)受到法向應(yīng)力、拉伸應(yīng)力及壓縮應(yīng)力的周期性作用。利用有限元對傳動過程中接觸區(qū)域及相鄰影響區(qū)的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行分析。摩擦輪副靜態(tài)接觸時(shí)應(yīng)力分布如圖3所示，接觸區(qū)最大應(yīng)力479.01MPa；對摩擦輪副施加驅(qū)動扭矩時(shí)應(yīng)力狀態(tài)分布如圖4所示，接觸區(qū)最大應(yīng)力達(dá)到695.68MPa。摩擦輪傳動過程中摩擦輪副承受切向的往復(fù)拉伸及壓縮作用，承受交變的法向載荷，摩擦接觸區(qū)及兩側(cè)影響區(qū)始終處于高交變應(yīng)力狀態(tài)，其失效形式以疲勞點(diǎn)蝕為主，同時(shí)磨損量不容忽視。

圖1摩擦輪副赫茲接觸應(yīng)力示意

圖2摩擦輪副接觸區(qū)受力及彈性滑動產(chǎn)生機(jī)理示意圖3摩擦輪副靜態(tài)接觸時(shí)應(yīng)力分布

圖4對摩擦輪副施加驅(qū)動扭矩時(shí)應(yīng)力分布3

摩擦輪副材質(zhì)的選擇及匹配摩擦輪副在接觸區(qū)域同時(shí)承受法向壓力及切向的拉伸力及壓縮力作用，材料的屈服強(qiáng)度及拉伸強(qiáng)度決定了抗疲勞強(qiáng)度的高低，為提高疲勞強(qiáng)度，應(yīng)選擇高強(qiáng)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(qū)域變形大，接觸區(qū)域較大，可以降低接觸應(yīng)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(qū)域變形小，接觸區(qū)域穩(wěn)定，所造成的高接觸應(yīng)力問題可以通過選用高強(qiáng)度材料加以改善，因此摩擦輪副應(yīng)選用高彈性模量材料。摩擦輪在進(jìn)入和脫離接觸區(qū)時(shí)分別承受拉伸及壓縮作用，會在摩擦輪副表面產(chǎn)生微觀車削效應(yīng)，造成表面磨損，尤其在制動時(shí)，驅(qū)動摩擦輪處于靜止?fàn)顟B(tài)，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(dǎo)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(jī)試制階段，選擇了4種材質(zhì)配對方案，其關(guān)鍵力學(xué)性能參數(shù)見表1。圖5為所開發(fā)的旋轉(zhuǎn)機(jī)架空載狀態(tài)實(shí)物，機(jī)架滾筒的軌道為從動摩擦輪，滾筒集成負(fù)載后總重約10t。為模擬整機(jī)設(shè)備在醫(yī)院中的使用工況，設(shè)置運(yùn)行速度為1r/min，觀察摩擦輪副表面狀態(tài)。滾筒累計(jì)承載運(yùn)行3萬轉(zhuǎn)后，驅(qū)動摩擦輪表面狀態(tài)對比如圖6所示。表1摩擦輪副材質(zhì)配對方案及對應(yīng)關(guān)鍵性能參數(shù)圖5旋轉(zhuǎn)機(jī)架空載狀態(tài)實(shí)物a）方案1

b）方案2

c）方案3

d）方案4圖6驅(qū)動摩擦輪表面承載運(yùn)行后狀態(tài)對比圖6a為表1中方案1對應(yīng)的摩擦輪表面狀態(tài)，持續(xù)運(yùn)行后摩擦輪表面完整，有污跡，用酒精擦拭后可恢復(fù)光澤。圖6b為表1中方案2對應(yīng)的摩擦輪表面狀態(tài)，持續(xù)運(yùn)行后驅(qū)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(qū)相比，光澤度降低，回轉(zhuǎn)精度未降低。圖6c為表1中方案3對應(yīng)的摩擦輪表面狀態(tài)，持續(xù)運(yùn)行后驅(qū)動摩擦輪表面出現(xiàn)黑色焦皮，用刮板輕刮可去除，輪面和周圍非接觸區(qū)相比，光澤度降低，回轉(zhuǎn)精度未降低。圖6d為表1中方案4對應(yīng)的摩擦輪表面狀態(tài)，持續(xù)運(yùn)行后驅(qū)動摩擦輪表面完整，有光澤。通過對比測試，本文認(rèn)為在大型精密重載摩擦輪傳動設(shè)計(jì)中，摩擦輪副應(yīng)選擇高強(qiáng)度材料，采用較高的硬度，建議參照硬齒面齒輪的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。從動摩擦輪硬度范圍400±30HB，驅(qū)動摩擦輪的硬度應(yīng)高于從動輪硬度。通過實(shí)際測試驗(yàn)證，本文推薦的硬度差為100～120HB。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(fù)軸向竄動。單一軸向竄動不隨旋轉(zhuǎn)方向改變，主要由軸線傾斜引起；往復(fù)軸向竄動隨著旋轉(zhuǎn)方向改變，呈螺旋往復(fù)運(yùn)動規(guī)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(dǎo)致驅(qū)動摩擦輪軸線與從動摩擦輪軸線不平行，存在扭轉(zhuǎn)角θ或傾斜角γ，這是摩擦輪傳動過程中產(chǎn)生軸向竄動的主要原因。扭轉(zhuǎn)角是引起往復(fù)軸向竄動的主要原因，如圖7所示，當(dāng)驅(qū)動摩擦輪與從動摩擦輪之間存在扭轉(zhuǎn)角θ

時(shí)，驅(qū)動摩擦輪產(chǎn)生的摩擦力F作用在從動摩擦輪表面，作用點(diǎn)位于接觸點(diǎn)，作用方向垂直于驅(qū)動摩擦輪軸線。摩擦力F帶動從動摩擦輪繞其軸線回轉(zhuǎn)，由于從動摩擦輪回轉(zhuǎn)軸線固定，實(shí)際的回轉(zhuǎn)驅(qū)動力為Fr

＝Fcosθ，與此同時(shí)，沿回轉(zhuǎn)軸線產(chǎn)生Fa＝Fsinθ的軸向力。驅(qū)動摩擦輪換向時(shí)，作用在從動摩擦輪上的軸向力方向改變。

圖7存在扭轉(zhuǎn)角θ

時(shí)的受力示意在整機(jī)設(shè)備中，滾筒軌道為從動摩擦輪，由4個(gè)驅(qū)動摩擦輪支撐，回轉(zhuǎn)軸線水平。當(dāng)驅(qū)動摩擦輪與從動摩擦輪之間存在傾斜角γ

時(shí)（見圖8），滾筒在重力作用下發(fā)生軸線傾斜，重力沿回轉(zhuǎn)軸線產(chǎn)生分量，導(dǎo)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(jìn)行修形優(yōu)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(tài)，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(chǎn)生扭轉(zhuǎn)角和傾斜角。通過對摩擦輪廓形進(jìn)行修形優(yōu)化，可以降低上述誤差的影響，減小扭轉(zhuǎn)角及傾斜角，同時(shí)可以改善接觸狀態(tài)，提高疲勞壽命。5

結(jié)束語摩擦輪在