交錯軸摩擦輪傳動及其應(yīng)用

姜松，姜奕奕，陳琦瑩，劉 維，馮 侃，陳章耀

（1 江蘇大學(xué)食品與生物工程學(xué)院 江蘇鎮(zhèn)江212013 2 江蘇大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院 江蘇鎮(zhèn)江 212013）

交錯軸摩擦輪傳動是一種未被廣泛認知且被忽視的傳動機構(gòu)，雖以不同結(jié)構(gòu)形式和不同命名在一些特殊領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用，但在整體上人們還未真正認識其傳動原理和其在機構(gòu)分類中的歸屬。交錯軸摩擦輪傳動是摩擦輪傳動中除平行軸摩擦輪傳動和相交軸摩擦輪傳動之外的第3 種傳動方式，兩摩擦輪軸線之間既不平行也不相交，是空間交錯，不同的約束形式可實現(xiàn)輸出運動為直線移動或螺旋運動[1-3]。其在物料的自動輸送、工作裝置的牽引、平臺的精密定位、遠距離輸送、運動形式的轉(zhuǎn)換等方面有較廣泛的應(yīng)用[4-12]。過去的100 多年中交錯軸摩擦輪傳動技術(shù)取得了較大的進步，形成了代表性的應(yīng)用和定型的產(chǎn)品。1915年導(dǎo)輪和托板的引入是現(xiàn)代無心磨床的起點[13]，無心磨床實現(xiàn)了被磨削工件的自動進給，導(dǎo)輪與被磨削工件之間的傳動關(guān)系即為螺旋運動輸出的交錯軸摩擦輪傳動；鋼管斜軋穿孔機的原理也是這種運動形式[6]。20 世紀50 年代德國UHING 公司開發(fā)了主要用于電線電纜工業(yè)的收線裝置和復(fù)繞設(shè)備上的光桿排線機構(gòu)，其原理為內(nèi)接觸交錯軸摩擦輪傳動，將轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)化為直線移動且可實現(xiàn)無級變速[14-15]；而日本NB 公司開發(fā)了外接觸交錯軸摩擦輪傳動的直線位移傳動裝置[10]；20 世紀90年代意大利DEA 公司推出的GAMA 型三坐標測量機，將交錯軸摩擦輪傳動直線移動輸出機構(gòu)應(yīng)用于精密定位系統(tǒng)的傳動[16]。

交錯軸摩擦輪傳動技術(shù)之所以受到人們的關(guān)注，在于其具有以下重要的傳動特性[1-12]。①將回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)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(xiàn)輸出運動參數(shù)可調(diào)；②在閉環(huán)控制系統(tǒng)中可以實現(xiàn)高精度傳動和定位；③可實現(xiàn)遠距離輸送和往復(fù)運動；④在一定范圍內(nèi)驅(qū)動能力可任意調(diào)節(jié)并具有自適應(yīng)功能；⑤具有過載自保護能力；⑥傳動效率高、磨損小、壽命長、成本低、結(jié)構(gòu)和制造工藝簡單。然而，其在各工程領(lǐng)域的名稱各不相同，在機械類教材和設(shè)計手冊及相關(guān)資料中未將其歸入摩擦輪傳動的分類體系，也未見文獻對其進行系統(tǒng)闡述。目前深入研究較少，而工程應(yīng)用很廣泛。

本文將系統(tǒng)地總結(jié)和歸納交錯軸摩擦輪傳動的基本原理和基本傳動形式，明確其歸屬，完善摩擦輪傳動的分類體系。發(fā)掘梳理交錯軸摩擦輪傳動兩種基本傳動形式在各種工程裝備上的應(yīng)用和研究進展，以及典型產(chǎn)品（部件）和特殊的組合應(yīng)用；最后提出目前存在的主要問題，并對其發(fā)展趨勢進行展望。為其今后更廣泛的應(yīng)用提供參考和借鑒。

1 傳動原理及形式

交錯軸摩擦輪傳動是一種結(jié)構(gòu)簡單的空間機構(gòu)，其中一個構(gòu)件（一般是從動輪）作螺旋運動，這是其核心特征。當采用不同約束關(guān)系，可實現(xiàn)螺旋運動或直線移動方式輸出，可適用于不同的應(yīng)用場景。

1.1 傳動原理

1.1.1 傳動關(guān)系 交錯軸摩擦輪傳動組成及結(jié)構(gòu)關(guān)系，如圖1 所示，其由主動摩擦輪和從動摩擦輪及機架等組成，主動摩擦輪和從動摩擦輪支撐軸軸線之間的夾角為φ，稱之為偏置角。當主動摩擦輪1 旋轉(zhuǎn)時，從動摩擦輪2 在兩輪接觸點摩擦力的作用下同時作旋轉(zhuǎn)運動和直線運動，即作螺旋運動[1-3]。

圖1a、1b 是交錯軸摩擦輪傳動機構(gòu)的兩種基本形式[1-2]，圖1a 為從動摩擦輪繞其支撐軸軸線轉(zhuǎn)動并同時沿該軸軸線方向移動（相對于主動輪軸線方向是斜動）；圖1b 為從動摩擦輪及其支撐軸繞其支撐軸軸線做轉(zhuǎn)動并相對機架做平動，移動方向為主動摩擦輪支撐軸軸線方向（相對于主動輪軸線方向是直動）；兩者的差異僅僅是從動摩擦輪移動方向不同，因而分別稱為斜動式和直動式交錯軸摩擦輪傳動；圖1b 可以視為圖1a 從動摩擦輪在主動摩擦輪軸線垂直方向運動受限演化而成。圖1c 是圖1b 機構(gòu)示意圖另一種表達形式，兩者是等價的。

1.1.2 運動關(guān)系 將圖1a 和圖1b 的主動摩擦輪表面展成平面（平板），即形成與圖1a 和圖1b 等效的從動摩擦輪與平板之間的傳動，如圖2a 和圖2b 所示[2]。

圖2 交錯軸摩擦輪傳動機構(gòu)的運動和力分析示意圖Fig.2 The diagram of the motion and the force analysis of the crossed friction wheel drive

當主動摩擦輪以接觸點線速度V 轉(zhuǎn)動時，運用基點法，則兩種運動形式的從動輪轉(zhuǎn)動速度和移動速度及位移（導(dǎo)程）之間的關(guān)系如圖2a 和圖2b，其理論計算關(guān)系如表1 所示[2]。

表1 兩種運動形式的從動輪轉(zhuǎn)動速度和移動速度Table 1 Rotation speed and moving speed of the driven wheel for two types of motion

由表1 可知，當主動輪轉(zhuǎn)速和偏置角φ 一定時，交錯軸摩擦輪傳動機構(gòu)理論上能實現(xiàn)定傳動比；當主動輪轉(zhuǎn)速一定時，從動輪轉(zhuǎn)動速度和移動速度（輸出速度）隨偏置角φ 的變化而變化，可用于調(diào)速；當偏置角φ 為0°時，機構(gòu)轉(zhuǎn)化為平行軸摩擦輪傳動，可用于移動暫停變換；當偏置角φ 為90°時，斜動形式轉(zhuǎn)化為摩擦輪與摩擦條傳動，而直動形式此時不能成為傳動機構(gòu)；當偏置角反向設(shè)置即為-φ 時，從動輪移動速度方向也反向，而從動輪轉(zhuǎn)動線速度不變，可用于移動方向的轉(zhuǎn)換。

1.1.3 驅(qū)動能力 交錯軸摩擦輪傳動的驅(qū)動能力與一般摩擦輪傳動一樣，理論上取決于摩擦輪間的靜摩擦系數(shù)和接觸處壓緊力形成的靜摩擦力的大小。為確?？煽坑行鲃?，實際設(shè)計時驅(qū)動力應(yīng)小于滑動摩擦力。當交錯軸摩擦輪有效傳動時，摩擦輪接觸處所產(chǎn)生的靜摩擦力隨外加載荷而變化，接觸處靜摩擦力與所加的外載荷能自適應(yīng)平衡，靜摩擦力方向與從動摩擦輪軸線之間的夾角取決于所加的載荷。當僅加與從動輪軸向一致的載荷時，靜摩擦力方向基本上沿從動摩擦輪軸線方向；當僅加與從動輪周向（轉(zhuǎn)矩）一致的載荷時，靜摩擦力基本上垂直于從動摩擦輪軸線方向；當從動輪同時加軸向和周向（轉(zhuǎn)矩）載荷時，靜摩擦力與從動摩擦輪軸線夾角取決于所加的載荷比值[3]。從動摩擦輪運動參數(shù)及與主動輪之間運動關(guān)系不受外加載荷的影響[3]。

1.2 傳動形式

1.2.1 按運動形式 交錯軸摩擦輪傳動可分為直動式和斜動式兩種形式[2]，斜動式交錯軸摩擦輪傳動輸出的是螺旋運動形式（圖1a），直動式交錯軸摩擦輪傳動輸出的是直線移動形式（圖1b）。直動式交錯軸摩擦輪傳動是斜動式的一種運動轉(zhuǎn)換形式。

1.2.2 按接觸形式 交錯軸摩擦輪傳動按主動輪與從動輪接觸形式可分為外接觸和內(nèi)接觸形式[2，10，14-15]。斜動式交錯軸摩擦輪傳動一般都為外接觸，而直動式交錯軸摩擦輪傳動的外接觸和內(nèi)接觸形式都有應(yīng)用。按從動輪數(shù)量常見可分為單輪（圖1b）、雙輪組合和3 輪組合（圖3 為外接觸；圖4、圖5 為內(nèi)接觸）及4 輪組合（常見的在圖4中再增加一個斜輪（環(huán)））[14-15]。

圖3 光軸與斜輪外接觸Fig.3 External contact between the plain shaft and the inclined wheel

圖5 管道內(nèi)壁與斜輪內(nèi)接觸Fig.5 Internal contact between the inner wall of the pipe and the inclined wheel

1.2.3 按輪地形式 當圖1 中主動摩擦輪直徑趨向于無窮大，該輪轉(zhuǎn)化為平面，形成移動平面與摩擦輪傳動；當平面為地面時，即為輪地交錯軸摩擦輪傳動，此時根據(jù)相對運動原理主動（驅(qū)動）運動由從動輪中心支撐軸的支座承擔。輪地交錯軸摩擦輪傳動也可分為斜動式和直動式兩種形式[3]，是交錯軸摩擦輪傳動的特殊形式，如圖6、7 所示。

圖6 斜動式輪地交錯軸摩擦輪傳動Fig.6 Wheel-ground crossed friction wheel drive of tilt-moving

圖7 直動式輪地交錯軸摩擦輪傳動Fig.7 Wheel-ground crossed friction wheel drive of direct-moving

1.3 分類體系

在傳統(tǒng)的摩擦輪傳動分類體系中一般僅有平行軸和相交軸[17-18]，圖8 中增列了交錯軸摩擦輪傳動（點劃線框內(nèi)），首次使摩擦輪傳動的分類體系得到了完善，形成了平行、相交和交錯軸完整的分類體系。定傳動比和變傳動比交錯軸摩擦輪傳動的應(yīng)用，如后文的德國UHING 公司和日本ASAHI產(chǎn)品等。

2 工程應(yīng)用及研究進展

2.1 轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)換成螺旋運動的應(yīng)用

轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)換成螺旋運動的斜動式交錯軸摩擦輪傳動廣泛應(yīng)用于磨削和軋制及矯直設(shè)備中，其傳動的基本原理如圖1a。在無心磨床貫穿法中，調(diào)節(jié)輪與被磨工件之間偏置一定角度（一般0°～8°），在旋轉(zhuǎn)導(dǎo)輪的作用下被磨工件作螺旋運動，實現(xiàn)磨輪磨削和被磨工件的自動進給[7]。在鋼管斜軋穿孔機中，軋輥與管坯之間偏置一定角度，管坯在旋轉(zhuǎn)軋輥的作用下螺旋運動，實現(xiàn)軋制穿孔和管坯自動進給，鋼管斜軋穿孔機有兩斜輥和三斜輥形式[6]；斜軋也可實現(xiàn)零件軋制[19]。在拋光機中，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)輪與被拋光件作用原理與無心磨床一樣。在圓截面金屬管材和棒材的斜輥矯直機中，斜輥與被矯直工件之間偏置一定角度，被矯直工件在斜輥的作用下螺旋運動，工件在多個斜輥組的作用下被矯直并作自動進給[20-21]。在圓截面鋼管（棒）送料機中，有鋼管感應(yīng)熱處理的輥式送料機，無心磨床滾輪式送料機等，實現(xiàn)工件螺旋輸送。螺旋運動的運動參數(shù)關(guān)系為表1 中的“斜動形式”所表示的關(guān)系。

2.2 轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)換成直線運動的應(yīng)用

轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)換成直線運動的直動式交錯軸摩擦輪傳動在直線移動送料、遠距離輸送和纏繞作業(yè)等工程上得到了廣泛應(yīng)用，而且還用于精密定位傳動，其傳動的基本原理如圖1b，其接觸形式有外接觸和內(nèi)接觸，如圖3 和圖4。

某種柴油機中利用4 個滾動軸承與光軸軸線偏置內(nèi)接觸形成的光軸螺旋傳動，驅(qū)動調(diào)速桿實現(xiàn)柴油機的調(diào)速功能[5]。某擴散爐上利用2 組6 個滾動軸承與光軸軸線偏置外接觸形成的光軸滾動螺旋傳動，實現(xiàn)擴散爐上送片裝置地直線運動[8]。冰箱制造的發(fā)泡線上夾具輸送小車的驅(qū)動部分所用的采用一組斜輪與光軸軸線偏置外接觸形成的斜輪——光軸摩擦傳動實現(xiàn)小車移動[4]。利用摩擦輪與光軸軸線偏置外接觸形成的旋轉(zhuǎn)光軸直線驅(qū)動裝置還可實現(xiàn)窗簾、門、汽車玻璃窗的自動開合功能[9，22-23]。纏繞線（絲、帶）機也是利用相同的原理實現(xiàn)纏繞功能[24-26]。此外，還可以實現(xiàn)遠距離輸送、傳動比調(diào)整、顯微鏡微調(diào)等[27-29]。

管道機器人的驅(qū)動是利用3 個120°分布的輪子與管道軸線偏置實現(xiàn)其在管道內(nèi)的直線移動，結(jié)構(gòu)關(guān)系如圖5 所示，傳動原理屬于輪地交錯軸摩擦輪傳動，如圖7 所示（假設(shè)平面（地面）卷成管道）[30-34]。

2.3 應(yīng)用基礎(chǔ)研究

2.3.1 斜軋技術(shù) 斜軋是軋輥軸線與坯料軸線相交一定角度的軋制方法，斜軋又稱為螺旋軋制。斜軋的軋輥互相交錯成一定角度，并做同方向旋轉(zhuǎn)，使坯料在軋輥間既繞自身軸線轉(zhuǎn)動，又沿其軸線作前進運動，即螺旋運動。與此同時受壓變形獲得所需產(chǎn)品。1862 年英國人Dyson 發(fā)明了二輥矯直機，用于矯圓和平整及拋光圓鋼棒材，這是人類首次出現(xiàn)的斜軋技術(shù)，是鋼管工業(yè)奠基性發(fā)明之一。1883 年德國人Mannesmann（曼內(nèi)斯曼兄弟）發(fā)明了一種無縫鋼管斜軋穿孔工藝，是用斜軋完成金屬塑性成形的第一人，是鋼鐵工業(yè)史上的重大發(fā)明之一，由此揭開了無縫鋼管生產(chǎn)的新篇章[35]。20世紀70 年代起陳惠波基于共軛運動與共軛幾何原理進行了管（棒）材矯正機輥形曲線理論研究和斜軋輥形設(shè)計的數(shù)學(xué)建模，構(gòu)建了無縫鋼管斜軋（幾何）原理及非代數(shù)曲面軋輥的設(shè)計方法[36]。目前，斜軋技術(shù)的相關(guān)文獻都未闡明斜軋的軋輥與坯料之間的傳動機理，僅僅分析了運動的參數(shù)關(guān)系。由上述的傳動關(guān)系可知，其傳動原理符合圖1a，屬于斜動式交錯軸摩擦輪傳動，其特征是坯料作螺旋運動，且與軋輥軸線偏置一個既定的角度。

2.3.2 精密定位傳動技術(shù) 在精密工程中，定位傳動是一項關(guān)鍵技術(shù)。超精密機床和測量機的定位系統(tǒng)應(yīng)該具備很高的定位分辨率以及幾百毫米的行程。

20 世紀90 年代日本學(xué)者Mizumoto H（水本洋）最早提出了應(yīng)用于精密定位驅(qū)動的扭輪摩擦傳動（Twist-roller friction drive），并進行了運動學(xué)和動力學(xué)特性的系統(tǒng)研究，基于閉環(huán)控制和靜壓導(dǎo)軌系統(tǒng)的扭輪摩擦傳動定位分辨率小于10 nm，適合于一些切削力比較小的超精密機床和精密測量平臺中[37-39]；秦付軍等[40]將光桿螺旋傳動機構(gòu)應(yīng)用于大量程、亞微米級微位移工作臺系統(tǒng)，對其導(dǎo)程精度和影響因素進行了研究，光桿螺旋傳動機構(gòu)是一種新型的、適合于伺服控制的、造價低廉的高精度傳動機構(gòu)；羅兵、李圣怡、田軍委等將扭輪摩擦驅(qū)動定位技術(shù)應(yīng)用于精密和超精密機床的設(shè)計[11，15，41-44]；用于精密定位傳動的扭輪摩擦傳動和光桿螺旋傳動機構(gòu)其傳動原理，如圖1c 所示。目前利用直動式交錯軸摩擦輪傳動實現(xiàn)精密定位驅(qū)動的技術(shù)在三坐標測量機、影像測量儀中得到了廣泛應(yīng)用[45-47]。

2.3.3 管道機器人驅(qū)動技術(shù) 螺旋式管道機器人的主要特征是驅(qū)動輪的軸線與管道中心軸線有一定夾角，一般螺旋驅(qū)動單元由6 個驅(qū)動輪組成，每3 個驅(qū)動輪安置在一個平面且成120°分布，每個驅(qū)動輪由1 個驅(qū)動臂與驅(qū)動單元本體連接，驅(qū)動臂通過卷簧將驅(qū)動輪按壓于管道內(nèi)壁形成摩擦傳動。在扭矩的作用下，驅(qū)動輪繞管道軸線做旋轉(zhuǎn)，與此同時帶動管道機器人沿管道軸線作前進運動。由于驅(qū)動輪在管道內(nèi)壁的運行軌跡是螺旋線，由此得名螺旋式管道機器人[48]，如圖9 所示，其傳動原理如圖5 所示。對螺旋式管道機器人的研究始于1994 年，Iwashina 和Iwatsuki 的團隊首次展示了一種螺旋管道機器人的設(shè)計[49-51]。螺旋式驅(qū)動管道機器人研究已成為一個熱點，馬書根團隊等開展系列螺旋管道機器人，具有軸向和周向探查功能的螺旋驅(qū)動管內(nèi)機器人、一種用于穿越彎管和支管的螺旋旋入式管道機器人、螺旋驅(qū)動管道機器人自救機構(gòu)[52-54]。任濤[48]開展了適用于小尺寸管道檢測的螺旋管道機器人關(guān)鍵技術(shù)研究，構(gòu)建了主動螺旋管道機器人運動學(xué)和力學(xué)模型，通過理論分析和實驗研究，證明了主動螺旋管道機器人的優(yōu)越性，建立了螺旋管道機器人牽引力分析模型，提出了變螺旋角過彎策略及方法。

圖9 運動原理Fig.9 Running principle

2.3.4 交錯軸摩擦輪傳動機理 在文獻[2]和[3]中，筆者首次對交錯軸摩擦輪傳動機理、轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)換成螺旋運動和直線運動的兩種基本形式及驅(qū)動能力進行了系統(tǒng)研究，建立了完整的交錯軸摩擦輪傳動的各運動參數(shù)的計算方法，并用仿真軟件進行了驗證[2-3]。

2.4 標準化產(chǎn)品（部件）

2.4.1 光桿排線器 20 世紀50 年代，德國UHING 公司應(yīng)用內(nèi)接觸交錯軸摩擦輪傳動開發(fā)了兩款回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換成直線運動的傳動裝置，分別為滾動環(huán)傳動（Rolling ring drives）（又稱為光軸轉(zhuǎn)環(huán)直線移動式無級變速器、轉(zhuǎn)環(huán)直動式無級變速器、光桿排線器、轉(zhuǎn)環(huán)直動變速器，屬于變傳動比）和直線傳動螺母（Linear drive nut）（又稱為直動螺母、無牙螺母），并形成了產(chǎn)品標準化和系列化及應(yīng)用的成套化[55]。

滾動環(huán)傳動（Rolling ring drives）產(chǎn)品分為RG/ARG 系列各16 個產(chǎn)品（如圖10a 所示）、RGK/ARGK 系列3 個和2 個產(chǎn)品、KI/AKI 系列各1 個產(chǎn)品，其中RG/ARG 系列中滾動環(huán)設(shè)置了3 個和4 個，其傳動的接觸形式如圖4 所示，其傳動的基本原理如圖1b，其結(jié)構(gòu)如圖10b 所示，滾動環(huán)（即斜輪）的偏置角β 可在-15°～15°范圍變化。由表1可知，調(diào)整偏置角可改變光軸每轉(zhuǎn)1 周滑塊（滾動環(huán)的安裝座）移動的位移（類似于螺旋傳動螺距），從正偏置角調(diào)整到負偏置角可實現(xiàn)滑塊的反向移動，當偏置角0 度時滑塊移動停止。因此，具有無級調(diào)整滑塊移動速度（位移）、不改變光軸旋轉(zhuǎn)方向時瞬時換向（往復(fù)運動）、傳動結(jié)合與分離的釋放裝置、高速運行的特點。20 世紀70 年后期國內(nèi)企業(yè)開始試制光桿排線器（裝置），目前生產(chǎn)企業(yè)眾多，主要分布上海、江蘇、浙江、山西等，廣泛應(yīng)用于電線電纜、塑料、紡織、鋼鐵、有色金屬等行業(yè)收線和繞線設(shè)備上[14，55-63]。

圖10 滾動環(huán)傳動產(chǎn)品外觀（a）及結(jié)構(gòu)示意圖（b）Fig.10 Product appearance（a）and structure diagram（b）of rolling ring transmission

2.4.2 滑動螺桿 日本ベアリング（NIPPON BEARING）株式會社應(yīng)用外接觸交錯軸摩擦輪傳動開發(fā)了回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換成直線運動的傳動裝置，稱為滑動螺桿（スライドスクリュー）或滑動螺旋桿或直線驅(qū)動裝置，屬于定傳動比。如圖11 所示產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)形式為2 組3 個滾動軸承相對于光軸軸線120°分布，6 個滾動軸承的軸線與光軸軸線偏置一個相同的角度，并將6 個滾動軸承的外圈壓緊在光軸上，其傳動的基本原理如圖1b，其傳動的接觸形式如圖3 所示。公司提供的產(chǎn)品為SS系列，其光軸直徑分為6，8，10，12，13，16，20，25，30 mm，除軸徑25 mm 以外每個軸徑下有2 種螺距（即有2 種偏置角），一共有17 個產(chǎn)品[64]。

圖11 NB 滑動螺桿產(chǎn)品外觀Fig.11 Appearance of NB sliding screw product

2.4.3 無牙螺母 日本旭精工株式會社生產(chǎn)的ASAHI 回転を直線へ（旋轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€）AR 系列產(chǎn)品（如圖12），國內(nèi)譯成無螺導(dǎo)桿、線性回轉(zhuǎn)軸承、無牙導(dǎo)桿、無牙螺桿、無牙螺母、直線回轉(zhuǎn)軸承等，屬于定傳動比，其傳動的基本原理如圖1b，其傳動的接觸形式如圖4 所示。系列產(chǎn)品內(nèi)徑φ 為10～25 mm 的4 種尺寸，又分左右旋向，共8 種型號（AR10R，AR10L；AR15R，AR15L；AR20R，AR20L；AR25R，AR25L），可實現(xiàn)多種運動需求如圖13 所示?？蓱?yīng)用于工業(yè)機器人、貼標機、自動門、包裝機、測定器、高處窗的自動開關(guān)裝置、印刷機等設(shè)備上[65]。

圖12 ASAHI 產(chǎn)品外觀Fig.12 ASAHI product appearance

圖13 運動和組合形式Fig.13 Movement and combination forms

德國UHING 公司的直線傳動螺母（Linear Drive Nut）產(chǎn)品為RS/ARS 系列共10 種型號，其傳動原理同滾動環(huán)傳動，而滾動環(huán)的偏置角固定。可應(yīng)用于自動化設(shè)備、精密儀器、三坐標測量機、全自動影像儀、印刷網(wǎng)印機、玻璃制造裝備、搬運裝置、自動包裝機等設(shè)備[55]。

2.5 組合和特殊應(yīng)用

2.5.1 基于Mecanum 輪全方位小車 基于Mecanum 輪的全方位移動小車是一種應(yīng)用非常廣泛的機器人[66]。當小車的4 個輪子按一定規(guī)律組合驅(qū)動時，可實現(xiàn)小車左右、前后、旋轉(zhuǎn)和斜向等全方位運動[67-70]，如圖14 所示。當Mecanum 輪上的腰鼓形輥子隨其轉(zhuǎn)動時，腰鼓形輥子與地面接觸形成輪地交錯軸摩擦輪傳動，其傳動的基本原理如圖6。應(yīng)用輪地交錯軸摩擦輪傳動原理理論可解析Mecanum 輪轉(zhuǎn)速與小車不同方位運動時的速度之間的關(guān)系。它是交錯軸摩擦輪傳動的一種比較特殊的應(yīng)用，利用4 個輪子上的腰鼓形輥子與地面形成的輪地交錯軸摩擦輪傳動的巧妙運動組合，實現(xiàn)整車的全方位運動，4 輪運動組合與小車運動的關(guān)系如表2 所示[3]。

表2 4 輪運動組合與平臺運動的關(guān)系Table 2 Relationship between four Mecanum wheel motion combination and motion mode of platform

圖14 全方位移動平臺Fig.14 All-round mobile platform

2.5.2 蛙式運動車 蛙式（運動）車是一種健身小車，如圖15 所示。當踏板在人兩腿外推和內(nèi)收驅(qū)動下作一開一合重復(fù)運動時，踏板分別帶動其末端的萬向輪運動，此時兩萬向輪與地面形成輪地交錯軸摩擦輪傳動關(guān)系（其傳動的基本原理如圖6），從而使兩個萬向輪的軸向運動轉(zhuǎn)化為蛙式車整體的前進運動（直線移動）[2]。

圖15 蛙式運動車Fig.15 Frog kick scooter

2.5.3 卵形體農(nóng)產(chǎn)品大小頭自動定向中分列運動

在卵形體農(nóng)產(chǎn)品大小頭機械式自動定向裝置的分列運動中，卵形體農(nóng)產(chǎn)品在兩側(cè)轉(zhuǎn)動支撐輥子的驅(qū)動下沿支撐輥子軸線方向作螺旋運動，實現(xiàn)小頭指向不同的卵形體農(nóng)產(chǎn)品的分列[71-75]，如圖16 所示。卵形體農(nóng)產(chǎn)品分列運動的基本原理為直動式交錯軸摩擦輪傳動，其傳動的基本原理如圖1b。在類橢球體的采后甘藍定向過程中，甘藍在輥輪上繞自身軸線轉(zhuǎn)動的同時沿輥輪軸線方向移動，即作螺旋運動，也屬于直動式交錯軸摩擦輪傳動[76]。與圖1b 不同之處在于卵形體農(nóng)產(chǎn)品的轉(zhuǎn)動軸是非固定支撐軸。

圖16 卵形體農(nóng)產(chǎn)品軸向運動傳動原理示意圖Fig.16 Schematic plot of transmission principle of ovoid agricultural products axial motion

2.5.4 滾輪支架的竄動 在滾輪支架支撐回轉(zhuǎn)體工件中，當回轉(zhuǎn)體軸線與滾輪軸線不平行時，主動滾輪驅(qū)動回轉(zhuǎn)體工件會出現(xiàn)竄動，竄動的原因是主動驅(qū)動滾輪與回轉(zhuǎn)體工件兩者軸線不平行，形成了一個偏置角，構(gòu)成了直動式交錯軸摩擦輪傳動從而產(chǎn)生回轉(zhuǎn)工件的軸向移動[77-79]，其傳動的基本原理如圖1b。

2.6 規(guī)范命名

從上述的工程應(yīng)用及研究進展中可以看到，各領(lǐng)域?qū)诲e軸摩擦輪傳動機構(gòu)命名各不相同，甚至有些名稱與已形成共識的傳動機構(gòu)名稱混淆，對其認識大部分都局限在自身領(lǐng)域，工程界和學(xué)術(shù)界都未形成共識。目前僅個別教材和手冊及專利中，提出這種機構(gòu)時僅歸屬于摩擦輪傳動的一種運動形式，也未給出機構(gòu)統(tǒng)一規(guī)范的名稱[80-95]?？蓞⒄正X輪機構(gòu)按支撐軸的關(guān)系分類方法，統(tǒng)一規(guī)范為交錯軸摩擦輪傳動（機構(gòu)），使目前在不同領(lǐng)域各不相同的名稱“光軸斜輪傳動、扭輪摩擦傳動、滾動環(huán)傳動、光軸傳動、螺旋輪傳動、斜輪-光軸摩擦傳動、光軸螺旋傳動、光軸滾動螺旋傳動、旋轉(zhuǎn)光軸直線驅(qū)動、滑動螺旋桿傳動、內(nèi)斜輪機構(gòu)、光杠排線機構(gòu)、光桿螺旋傳動機構(gòu)、光桿-滾珠軸承傳動、無牙螺母、無螺導(dǎo)桿、無牙導(dǎo)桿、無牙螺桿、滑動螺桿、管道機器人的螺旋運動式驅(qū)動機構(gòu)、纜索纏包機驅(qū)動機構(gòu)、鋼管螺旋運動式輸送輥道的傳動”等有統(tǒng)一的歸屬。歸一化規(guī)范命名，易于識別，也將有利于其特色鮮明的傳動特點能得到更廣泛的應(yīng)用。

3 研究展望

100 多年來交錯軸摩擦輪傳動在一般傳動和精密傳動領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，可以預(yù)期交錯軸摩擦輪傳動作為一種具有多種獨特特點的傳動機構(gòu)，將具有更廣闊的應(yīng)用前景。為了使其得到更廣泛應(yīng)用和提升傳動質(zhì)量，以及使技術(shù)人員形成共識，未來的工作主要在以下幾個方面：

1）交錯軸摩擦輪傳動起動和停止及運行過程的動力學(xué)特性研究：由于起動和停止時運動過程存在加速度，以及運行過程中接觸摩擦力不穩(wěn)定引起的速度波動，因而需要探討其運動全過程的動力學(xué)特性[2-3，37-44]。

2）傳動構(gòu)件（摩擦輪）接觸處的動力學(xué)特性研究：接觸處應(yīng)力、驅(qū)動能力、可調(diào)速裝置接觸表面形狀設(shè)計、構(gòu)件表面滑動與磨損等研究[96-100]。

3）在綜合應(yīng)用中的動力學(xué)特性研究：開展基于Mecanum 輪全方位小車和蛙式運動車等綜合案例中的交錯軸摩擦輪傳動運動學(xué)和動力學(xué)特性的研究[66-70]。

4）工程上應(yīng)用情況的歸類和總結(jié)：目前交錯軸摩擦輪傳動在工程上應(yīng)用非常廣泛，然而由于命名的不一致，很難相互借鑒，需要梳理和總結(jié)歸納形成案例集，便于該傳動機構(gòu)的發(fā)展和推廣。

5）編寫和納入相關(guān)的教材和手冊：在總結(jié)和系統(tǒng)研究的基礎(chǔ)上，完善相關(guān)教材和手冊中摩擦輪傳動的基本知識，為該傳動機構(gòu)的研究和發(fā)展及應(yīng)用提供有效的借鑒資料。

4 結(jié)語

本文系統(tǒng)地歸納總結(jié)了交錯軸摩擦輪傳動基本原理和兩種基本運動形式，以及4 種基本結(jié)構(gòu)形式；構(gòu)建了完整的摩擦輪傳動分類體系（歸入了交錯軸摩擦輪傳動），完善了僅有平行軸、相交軸的傳統(tǒng)分類體系；運用交錯軸摩擦輪傳動的基本原理，闡明了所列舉的工程裝備上應(yīng)用的一種兩傳動構(gòu)件軸線在空間上交錯一定角度的摩擦輪機構(gòu)的傳動關(guān)系。

隨著裝備的自動化、精密化和智能化程度不斷提升，交錯軸摩擦輪傳動的動力學(xué)特性研究的不斷深入，以及其傳動特點在技術(shù)界共識的形成，交錯軸摩擦輪傳動技術(shù)必將得到更廣泛的應(yīng)用。