摩擦轮传动中滑动问题及其对传动比的影响

【摘 要】本文主要分析了对摩擦轮传动（friction wheel drive）的结构特性和工作特性，并且对弹性滑动的产生因素以及几何滑动的产生因素进行了研究和分析，以及对于动力传输以及机械设备的影响。本文以无级变速摩擦轮传动系统作为主要分析对象，阐述了滑动问题对传动系统造成的影响以及主要的力学计算方法。

【关键词】摩擦轮传动;滑动;无级变速

摩擦轮传动方式主要依靠传动轮之间进行紧密的解除，因产生较高的摩擦力，以实现机械传动的目的。根据摩擦轮传动的运行方式以及传动原理进行分析，可以看出打滑现象主要可以概括为两种主要类型，第一种可以归纳为弹性滑动类型，第二种可以归纳为几何滑动类型。

1、弹性滑动的主要特点

弹性滑动的主要产生是摩擦轮由于某种原因发生了弹性变形导致的，摩擦轮传动系统在实际生产工作时，在摩擦面的接触处会受到压力的影响，由于物体弹性的影响，会在接触处形成一个非常小的接触区。在进行摩擦机械传动过程时，接触区会受到摩擦力的作用，摩擦力与摩擦传动系统主动轮的转动方向相反，与从动轮的转动方向相同。所以，在摩擦力的相互作用下，主动轮和从动轮会产生细小的弹性变形，变形的幅度与受力大小、制造摩擦轮的材质以及制造工艺有关，于是主动轮与从动轮在工作时就会在接触区出现打滑现象，导致摩擦轮传动系统传动不准。因为导致打滑现象发生的主要原因是摩擦轮在受力时产生了弹性形变，所以通常被定义为弹性滑动，在摩擦轮传动系统中，弹性滑动是无法避免的。

弹性滑动现象的发生将直接影响传动的结果，造成不正确的传动比，而且还会导致相关零部件发热，导致相关零部件磨损速度增加等不利因素，增加生产成本。通过对弹性滑动的分析，可以得到下面的表达式：

(1)

在上面表达式中，主动轮圆周线速度使用符号 表示，从动轮圆周线速度使用符号 表示。通过对上面表达式进行分析，可以得到下面的表达式：

(2)

在上面表达式中，使用符号表示弹性滑动系数，当摩擦轮传动系统处于正常工作状态时，不同材质的部件进行配合时，值分别规定为：钢组件与钢组件配合，值规定为0.2%；铸铁组件与铸铁组件配合，值规定为0.2%；钢组件与加布胶木组件配合，值规定为1%；钢组件与橡胶组件配合，值规定为3%。

2、几何滑动的主要特点

在摩擦轮传动系统实际工作时，由于传动部件的几何关系发生改变而造成的打滑现象叫做几何滑动，摩擦轮在工作时需要紧密结合以保证足够的摩擦力，但是如果某种原因改变了摩擦轮等部件产生几何关系，因此造成摩擦轮结合不够紧密，导致摩擦力下降，就会导致在传动过程中出现打滑的现象。在本文例举的摩擦轮传动系统，结构中带有中间轮。因此，摩擦轮传动系统的主动轮轴线与从动轮轴线之间的直线距离假设为C，中间轮轮子的宽度假设为b，中间轮直径假设为D3，这样从主动轮轴线到中间轮轴线的距离（设为X）与从动轮轴线到中间轮轴线距离（设为Y）的和应该等于该传动系统主动轮轴线到从动轮轴线的距离，即X+Y=C。

图1为我们详细描述了摩擦轮传动系统中各个传动轮的力学原理和机械结构。假设图中规定的位置P的圆周速度使用符号VF13表示，主动轮主动轮（在图中序号为1）在图中规定的b区段中运行的圆周速度最大为V1，同样，图中用符号P表示该摩擦轮传动系统的的纯滚动点，并且假设该点的圆周速度使用符号VF13表示，最大速度使用符号V13表示，对该点产生作用的摩擦力分别用符号F和F′表示，在理想状态下，该图所示传动系统的主动轮（在图中序号为1）和中间轮（在图中序号为2）接触面上每个点的速度分别用符号V13和V13′表示。通过对图1的分析，只有在图中P点的位置，主动轮（在图中序号为1）和中间轮（在图中序号为2）的速度是一样的，除图中P点之外的其余位置主动轮和从动轮的速度都是不同的。这种由于传动组件出现几何形变而导致的滑动现象叫做几何滑动，而P点称为纯滚动点。

3、传动比计算

3.1相关参数

在主动摩擦轮或从动摩擦轮与中间轮之间施加压紧力Q,主动轮1与从动轮2的材料相同,它们与中间轮之间的摩擦系数为f,设主动轮1和从动轮2的转速分别为n1和n2; 中间轮3的转速为n3;主动轮1的输入扭矩和从动轮2的输出扭矩分别为Mt1和Mt2,而i12、i13和i32分别表示主动轮1和从动轮2、主动轮1和中间轮3以及中间轮3和从动轮2之间的传动比。

3.2分析与计算

空载时,即处于Mt1=Mt2=0理想状态时,纯滚动点P应该位于中间轮3宽度的中线位置。然而,加上负载Mt2后,即Mt1>0时,纯滚动点P会偏离中间轮中线一段距离,令主动轮与中间轮接触处以及中间轮轮与从动接触处纯滚动点P偏离中间轮中线的距离分别为及′。

图1和图2分别表示加上负载Mt2后,中间轮与主动轮和从动轮之间的速度分布及摩擦力分布情况。若不计弹性滑动的影响, 则可列出主动轮与中间轮的传动比:

由于主动轮与从动轮材料相同, 它们与中间轮之间摩擦系数相同, 且主动轮与中间轮之间以及从动轮与中间轮之间压紧力均为Q。根据中间轮的力学平衡条件可判定=′。于是可列出中间轮与从动轮的传动比:

4、结束语

摩擦轮传动具有运转平稳、噪声小的优点,可在运转中平稳地调整传动比, 有过载保护作用,结构简单,易于制造和测量等特点。摩擦轮传动应用范围很广,如摩擦绞车、机械无级变速器、渐开线齿形检测仪、滚轮法大直径测量仪、三坐标划线机和坐标镗床的精密定位机构等。

参考文献

[1]徐登峰.摩擦传动机构动特性的实验研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2008.

[2]曾盛琦.一种可调变速机构的设计及其有限元分析[D].武汉:武汉理工大学,2010.