基于專創(chuàng)融合的摩擦輪傳動(dòng)教學(xué)體系的構(gòu)建

姜 松,姜奕奕,劉淑一,姜 宇

(江蘇大學(xué) 食品與生物工程學(xué)院,江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

0 引言

摩擦輪傳動(dòng)是機(jī)械傳動(dòng)中常見的傳動(dòng)形式之一,是利用兩輪直接壓緊接觸所產(chǎn)生的摩擦力來傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的一種機(jī)械運(yùn)動(dòng)[1]。它具有運(yùn)動(dòng)形式轉(zhuǎn)換、可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離輸送和往復(fù)運(yùn)動(dòng)、外載能力驅(qū)動(dòng)自適應(yīng)、在閉環(huán)控制系統(tǒng)中可以實(shí)現(xiàn)高精度傳動(dòng)和定位、過載自保護(hù)、成本低和結(jié)構(gòu)及制造工藝簡(jiǎn)單等特點(diǎn),廣泛應(yīng)用于金屬軋制機(jī)、汽車和火車等輪式車輛的輪地傳動(dòng)、摩擦壓力機(jī)、摩擦離合器、制動(dòng)器、機(jī)械無級(jí)變速器及儀器的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等場(chǎng)合[1-2]。目前,一般普遍認(rèn)為摩擦輪傳動(dòng)比不精確、效率低、過載打滑、傳動(dòng)關(guān)系簡(jiǎn)單,課程學(xué)時(shí)有限和受教材篇幅限制,在高校機(jī)械設(shè)計(jì)課程中一般不納入教學(xué)內(nèi)容、大部分教材中不體現(xiàn)或體現(xiàn)很少[3-5];即使在課程和教材中有體現(xiàn),也仍然停留在20世紀(jì)20年代的認(rèn)識(shí),未將100多年的發(fā)展引入課程教學(xué)和教材,如無心磨床、斜軋機(jī)械、光軸斜輪傳動(dòng)裝置等中的摩擦輪傳動(dòng)[6-8]。由于摩擦輪傳動(dòng)相關(guān)知識(shí)教學(xué)的不充分或缺失,特別是工程上應(yīng)用非常廣泛的新型摩擦輪傳動(dòng)技術(shù)未及時(shí)引入教學(xué)之中,使該類新型摩擦輪傳動(dòng)在工程應(yīng)用中命名極不規(guī)范,形成了行業(yè)和領(lǐng)域之間的知識(shí)壁壘。因此,非常有必要重新構(gòu)建摩擦輪傳動(dòng)的教學(xué)體系,并以摩擦輪傳動(dòng)技術(shù)知識(shí)為載體,培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力和創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力以及復(fù)雜工程問題解決能力,使專業(yè)與創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)有機(jī)融合。摩擦輪傳動(dòng)教學(xué)體系的創(chuàng)新設(shè)計(jì)可為機(jī)械設(shè)計(jì)課程教學(xué)和教材及手冊(cè)編寫提供知識(shí)體系和案例參考。

1 摩擦輪傳動(dòng)

1.1 分類體系

運(yùn)用分類思維方法,通過比較思維法揭示各種摩擦輪傳動(dòng)之間的共同點(diǎn)和異同點(diǎn),按其屬性的異同劃分為不同種類的摩擦輪傳動(dòng)。摩擦輪傳動(dòng)具體分類形式：(1)按載荷的大小分為傳遞動(dòng)力的傳動(dòng)和傳遞運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng);(2)按傳動(dòng)比分為定傳動(dòng)比的傳動(dòng)和變傳動(dòng)比的傳動(dòng);(3)按軸的相互配置可以分為平行軸之間的傳動(dòng)和相交軸之間的傳動(dòng)及交錯(cuò)軸之間的傳動(dòng);(4)按輪子的形狀分為圓柱形、圓錐形、腰鼓形、橢圓形、環(huán)狀形、葉瓣形、環(huán)狀形、球形及曲面形;(5)按輪緣的表面結(jié)構(gòu)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(jī)構(gòu)的、可定期改變壓緊力的和可自動(dòng)調(diào)節(jié)壓緊力的;(7)按速度可調(diào)性分為定速、有級(jí)變速、無級(jí)變速;(8)按不同用途分為實(shí)現(xiàn)兩軸(平行軸、相交軸、交錯(cuò)軸)之間的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳遞、實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與往復(fù)運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)換(火車輪與軌道、車輪與地面、軋鋼機(jī)中軋輥與鋼坯等)、實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與螺旋運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)換(無心磨床、光軸斜輪傳動(dòng))、實(shí)現(xiàn)無級(jí)變速(各種形式的摩擦輪無級(jí)變速器);(9)按接觸方式分為外接觸和內(nèi)接觸(定傳動(dòng)比)、直接接觸和間接接觸(變傳動(dòng)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(dòng)基本分類體系如圖1所示。

圖1 摩擦輪傳動(dòng)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(dòng)和相交軸之間傳動(dòng)的基礎(chǔ)上,通過演繹思維方法提出了交錯(cuò)軸之間的傳動(dòng)[11-12],即交錯(cuò)軸摩擦輪傳動(dòng);也可以根據(jù)齒輪傳動(dòng)按軸的相互配置關(guān)系分類方法通過類比思維方法得出交錯(cuò)軸摩擦輪傳動(dòng)[12],即圖1中的點(diǎn)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(dòng)分類體系按軸之間關(guān)系的分類,超越了目前文獻(xiàn)中的分類,完善了分類體系。

1.2 運(yùn)動(dòng)關(guān)系

按軸的相互配置關(guān)系,定傳動(dòng)比的平行軸、相交軸和交錯(cuò)軸摩擦輪傳動(dòng)的主動(dòng)輪和從動(dòng)輪之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系如表1所示,其中交錯(cuò)軸摩擦輪傳動(dòng)比較特殊,有斜動(dòng)和直動(dòng)2種運(yùn)動(dòng)形式,從動(dòng)輪作螺旋運(yùn)動(dòng),從動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速和移動(dòng)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(dòng)比3類摩擦輪傳動(dòng)關(guān)系

在教學(xué)設(shè)計(jì)時(shí),可利用文獻(xiàn)[2]和[13]的研究結(jié)果,運(yùn)用比較思維法分析斜動(dòng)和直動(dòng)形式交錯(cuò)軸摩擦輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖之間的共同點(diǎn)和異同點(diǎn)以及轉(zhuǎn)化關(guān)系(見圖2),一般交錯(cuò)軸摩擦輪傳動(dòng)與輪地和特殊交錯(cuò)軸摩擦輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)2種運(yùn)動(dòng)形式的從動(dòng)輪運(yùn)動(dòng)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(shè)思維方法。

1.主動(dòng)摩擦輪;2.從動(dòng)摩擦輪;3.支撐軸;4.機(jī)架。圖2 交錯(cuò)軸摩擦輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)兩種基本形式示意圖

圖3 輪地交錯(cuò)軸摩擦輪傳動(dòng)

2 交錯(cuò)軸摩擦輪傳動(dòng)應(yīng)用的認(rèn)知

相關(guān)教材和手冊(cè)對(duì)一般摩擦輪傳動(dòng)的應(yīng)用已有比較多介紹,本文僅僅介紹交錯(cuò)軸摩擦輪傳動(dòng)在工程上的應(yīng)用。

2.1 基本形式

從交錯(cuò)軸摩擦輪傳動(dòng)原理和機(jī)構(gòu)形式及演化來看,基于結(jié)構(gòu)化思維交錯(cuò)軸摩擦輪傳動(dòng)可分為斜動(dòng)式和直動(dòng)式兩種基本運(yùn)動(dòng)形式(見圖2a、2c),其基本結(jié)構(gòu)形式可分為外接觸(見圖6)、內(nèi)接觸(見圖7-8)、輪地(見圖3)、特殊結(jié)構(gòu)(機(jī)構(gòu)示意圖,如圖2b所示;應(yīng)用示意圖,如圖4-5所示)等4種基本結(jié)構(gòu)形式。

圖4 摩擦式卵形體送料裝置

圖5 摩擦式連續(xù)送料裝置

2.2 一般性應(yīng)用

2.2.1 斜動(dòng)式交錯(cuò)軸摩擦輪傳動(dòng)

運(yùn)用類比思維方法分析應(yīng)用于貫穿法無心磨床、鋼管斜軋穿孔機(jī)、圓截面金屬管材和棒材的斜輥矯直機(jī)以及拋光機(jī)中的交錯(cuò)軸摩擦輪傳動(dòng),其共同特征是利用被加工件的螺旋運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)進(jìn)給[14-18],即被加工件(從動(dòng)輪)螺旋運(yùn)動(dòng)中的移動(dòng)是沿其自身軸線方向,與主動(dòng)輪存在一個(gè)偏置角,因而運(yùn)用歸納思維方法將這類傳動(dòng)稱為斜動(dòng)式交錯(cuò)軸摩擦輪傳動(dòng)或螺旋式交錯(cuò)軸摩擦輪傳動(dòng)。

2.2.2 直動(dòng)式交錯(cuò)軸摩擦輪傳動(dòng)

將類比思維方法分析應(yīng)用于某種柴油機(jī)中,利用光軸螺旋傳動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)調(diào)速桿遙控其轉(zhuǎn)速的裝置[19]。某擴(kuò)散爐上利用光軸滾動(dòng)螺旋傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)送片裝置直線運(yùn)動(dòng)[20]。冰箱發(fā)泡線上采用斜輪—光軸摩擦傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)夾具輸送小車移動(dòng)[21]。利用摩擦輪與光軸軸線偏置外接觸形成的可實(shí)現(xiàn)窗簾、門、窗的自動(dòng)開合、線(絲、帶)纏繞的旋轉(zhuǎn)光軸直線驅(qū)動(dòng)裝置[22-28]。利用螺旋輪驅(qū)動(dòng)管道檢測(cè)機(jī)器人[29]。此外,利用光軸斜輪式摩擦傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)精密機(jī)床、三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)、影像測(cè)量?jī)x的精密定位驅(qū)動(dòng)[30-32]。這些傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的共同特征都是通過光軸旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)偏置輪作螺旋運(yùn)動(dòng),其中螺旋運(yùn)動(dòng)的移動(dòng)量由偏置輪的支撐結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)輸出,從而使光軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為偏置輪支撐結(jié)構(gòu)沿其軸線的移動(dòng)。因而,運(yùn)用歸納思維方法將這類傳動(dòng)稱為直動(dòng)式交錯(cuò)軸摩擦輪傳動(dòng)或移動(dòng)式交錯(cuò)軸摩擦輪傳動(dòng)。

在斜動(dòng)式和直動(dòng)式交錯(cuò)軸摩擦輪傳動(dòng)中,共同特征是一個(gè)構(gòu)件做螺旋運(yùn)動(dòng),僅僅運(yùn)動(dòng)輸出的形式和方向不同,傳動(dòng)的基本原理是相同的。

2.3 綜合性應(yīng)用

運(yùn)用遷移思維方法將交錯(cuò)軸摩擦輪傳動(dòng)的基本原理知識(shí)應(yīng)用于組合型復(fù)雜運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)和標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品的分析,構(gòu)建組合型復(fù)雜運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)和標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品(部件)的分析方法。

2.3.1 組合型復(fù)雜運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)

基于Mecanum輪全方位小車和蛙式運(yùn)動(dòng)車屬于組合型復(fù)雜運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)。將交錯(cuò)軸摩擦輪的傳動(dòng)關(guān)系與Mecanum輪全方位小車中腰鼓形輥?zhàn)优c地面的傳動(dòng)關(guān)系進(jìn)行類比分析,其傳動(dòng)的基本原理是一樣的,運(yùn)用交錯(cuò)軸摩擦輪傳動(dòng)原理比流行方法更直觀和簡(jiǎn)潔地解析全方位小車的運(yùn)動(dòng);同理可解析蛙式運(yùn)動(dòng)車的運(yùn)動(dòng)[2,13]。

2.3.2 標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品(部件)

德國(guó)UHING公司開發(fā)了兩款回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)的內(nèi)接觸式交錯(cuò)軸摩擦輪傳動(dòng)裝置,分別為滾動(dòng)環(huán)傳動(dòng)(Rolling Ring Drives)和直線傳動(dòng)螺母(Linear Drive Nut),并形成了產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化和系列化,其中滾動(dòng)環(huán)傳動(dòng)是一種無級(jí)變速器;并在其基礎(chǔ)上開發(fā)了一種應(yīng)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(huì)社開發(fā)了系列外接觸式交錯(cuò)軸摩擦輪傳動(dòng)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換裝置,稱為滑動(dòng)螺桿或滑動(dòng)螺旋桿或直線驅(qū)動(dòng)裝置[34]。日本旭精工株式會(huì)社開發(fā)了ASAHI系列內(nèi)接觸式交錯(cuò)軸摩擦輪傳動(dòng)裝置產(chǎn)品,稱為無牙螺母[35]。

2.3.3 特殊應(yīng)用

卵形體農(nóng)產(chǎn)品大小頭自動(dòng)定向中軸向分列運(yùn)動(dòng)是非固定軸交錯(cuò)軸摩擦輪傳動(dòng)[12]。滾輪支架的竄動(dòng)是交錯(cuò)軸摩擦輪傳動(dòng)螺旋運(yùn)動(dòng)的移動(dòng)引起的[36]。

2.4 特點(diǎn)總結(jié)

運(yùn)用比較思維方法總結(jié)交錯(cuò)軸摩擦輪傳動(dòng)相對(duì)一般摩擦輪傳動(dòng)的特點(diǎn)：將回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成螺旋運(yùn)動(dòng)或直線移動(dòng),當(dāng)交錯(cuò)軸之間的夾角(偏置角)變化時(shí)可實(shí)現(xiàn)輸出運(yùn)動(dòng)參數(shù)可調(diào);在閉環(huán)控制系統(tǒng)中可以實(shí)現(xiàn)高精度傳動(dòng)和定位;可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離輸送和往復(fù)運(yùn)動(dòng);在一定范圍內(nèi)驅(qū)動(dòng)外載能力可以任意調(diào)節(jié)和自適應(yīng)[2,13,37-38]。

2.5 課外項(xiàng)目式作業(yè)

本文運(yùn)用遷移思維方法將交錯(cuò)軸摩擦輪傳動(dòng)的基本理論知識(shí)應(yīng)用于工程領(lǐng)域的案例分析,通過相關(guān)文獻(xiàn)檢索與分析,綜合其在不同行業(yè)領(lǐng)域中的具體應(yīng)用,形成文獻(xiàn)綜述。

3 交錯(cuò)軸摩擦輪傳動(dòng)的規(guī)范命名

3.1 教材和手冊(cè)及專利中的命名

文獻(xiàn)[5]、[7]、[39]—[40]早期翻譯國(guó)外的大部分教材和后期國(guó)內(nèi)個(gè)別教材,介紹了一種“將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)槁菪\(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)”機(jī)構(gòu),但僅僅描述其能實(shí)現(xiàn)螺旋運(yùn)動(dòng),沒有給出具體的機(jī)構(gòu)名稱,其實(shí)是斜動(dòng)式交錯(cuò)軸摩擦輪傳動(dòng)。文獻(xiàn)[3]—[4]在機(jī)械設(shè)計(jì)類手冊(cè)的摩擦輪傳動(dòng)分類中,介紹了軸間交錯(cuò)的雙曲面輪摩擦機(jī)構(gòu)和螺旋摩擦輪傳動(dòng),僅僅描述這種結(jié)構(gòu)適用于空間交錯(cuò)軸傳動(dòng)。文獻(xiàn)[8]在變速器分類中,介紹了一種光軸斜環(huán)式變速器(即UHING的產(chǎn)品)。文獻(xiàn)[41]—[42]在專利中,用斜輪光軸實(shí)現(xiàn)輸送、開合的傳動(dòng)裝置。

3.2 工程應(yīng)用中的命名

從參考文獻(xiàn)中可以看出,工程上形成了各種命名,如：雙曲面輪摩擦機(jī)構(gòu)、螺旋摩擦輪傳動(dòng)、實(shí)現(xiàn)螺旋運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)、光軸斜環(huán)式變速器、無心磨床導(dǎo)輪機(jī)構(gòu)、鋼管斜軋機(jī)構(gòu)、斜輥軋制機(jī)構(gòu)、斜輥矯直機(jī)構(gòu)、光軸螺旋傳動(dòng)、光軸滾動(dòng)螺旋傳動(dòng)裝置、斜輪—光軸摩擦傳動(dòng)、旋轉(zhuǎn)光軸直線驅(qū)動(dòng)裝置、無級(jí)變速螺旋驅(qū)動(dòng)器、圓盤和滾子傳動(dòng)、軸承和滾子傳動(dòng)、管道機(jī)器人螺旋輪式驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、扭輪摩擦傳動(dòng)、光軸斜輪式摩擦傳動(dòng)、滾動(dòng)環(huán)傳動(dòng)、直線傳動(dòng)螺母、滑動(dòng)螺桿、滑動(dòng)螺旋桿、直線驅(qū)動(dòng)裝置、無牙螺母、無牙螺桿等。綜觀這些命名,有的從運(yùn)動(dòng)形式,有的從軸線關(guān)系形式,有的從傳動(dòng)軸的外形結(jié)構(gòu)形式,有的從輪的結(jié)構(gòu)形式等角度進(jìn)行命名,這些命名未真正反映傳動(dòng)的核心特征,不利于交流和傳播及借鑒。

3.3 規(guī)范命名的建議

追溯解析交錯(cuò)軸摩擦輪傳動(dòng)發(fā)展歷程和發(fā)展階段可知,交錯(cuò)軸摩擦輪傳動(dòng)早在100多年前就開始應(yīng)用[41,43]。20世紀(jì)60年代出現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化和專用化產(chǎn)品(部件)[33-35],20世紀(jì)90年代應(yīng)用于精密定位驅(qū)動(dòng),打破了對(duì)摩擦輪傳動(dòng)的傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)。但從“工程應(yīng)用中的命名”看,對(duì)交錯(cuò)軸摩擦輪傳動(dòng)的認(rèn)知存在很大的局限,對(duì)傳動(dòng)理論未形成共識(shí),各領(lǐng)域行業(yè)之間存在知識(shí)的壁壘。因此,需要根據(jù)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)的主要核心特征進(jìn)行規(guī)范命名,其主要特征是摩擦輪、交錯(cuò)軸、螺旋運(yùn)動(dòng)、光軸、斜輪(滾輪),其中核心特征是摩擦輪、交錯(cuò)軸、螺旋運(yùn)動(dòng)。為了有利于理解和交流及傳播并體現(xiàn)核心特征,建議可以命名為交錯(cuò)軸摩擦輪傳動(dòng);為了區(qū)分不同的輸出運(yùn)動(dòng)形式,可以再增加斜動(dòng)式和直動(dòng)式或螺旋式和移動(dòng)式,其命名為(斜動(dòng)式、直動(dòng)式)交錯(cuò)軸摩擦輪傳動(dòng)或(螺旋式和移動(dòng)式)交錯(cuò)軸摩擦輪傳動(dòng)。

4 結(jié)語

本文基于科學(xué)思維方法,在現(xiàn)有分類體系的基礎(chǔ)上構(gòu)建了交錯(cuò)軸摩擦輪傳動(dòng)分支,完善了摩擦輪傳動(dòng)分類體系,規(guī)范了交錯(cuò)軸摩擦輪傳動(dòng)名稱。新分類體系可使學(xué)生的摩擦輪傳動(dòng)知識(shí)結(jié)構(gòu)更完善,工程應(yīng)用的剖析提升了學(xué)生運(yùn)用摩擦輪傳動(dòng)的分析與綜合能力,拓寬了學(xué)生應(yīng)用機(jī)械傳動(dòng)的視野。摩擦輪傳動(dòng)特別是交錯(cuò)軸摩擦輪傳動(dòng)教學(xué)體系的創(chuàng)新設(shè)計(jì)為機(jī)械原理與設(shè)計(jì)類課程的教與學(xué)提供了一個(gè)完整的案例,也為交錯(cuò)軸摩擦輪傳動(dòng)知識(shí)的普及傳播奠定了基礎(chǔ)。