一種新型“鉆木取火”裝置的機械原理與摩擦學原理研究

郭盼

摘 要：原始人鉆木取火，借助木塊之間的摩擦作用能夠成功取得火種，火的使用是人類歷史發展的一大里程碑，但純手動操作使鉆頭轉動時旋轉極不穩定且費時費力。我們受到旋轉拖把脫水原理的啟示設計了一種能夠提高取火效率的取火裝置，在機械原理上我們從中心螺旋桿的螺紋升角設計、單向傳動機構的設計、驅動裝置的設計三個方面進行分析;在摩擦學原理上我們從織構類型、儲存在微織構里面的磨粒對取火的影響等兩個角度進行分析，最終設計出最優取火裝置。

關鍵詞：鉆木取火;機械原理;摩擦學;表面織構;木制磨粒

1 機構設計

1.1靈感來源

隨著現代生活水平的提高，一種手壓式旋轉拖把被發明出來。它采用了離心力的原理，通過人力上下不斷提拉拖把桿而使得拖把頭在配套的拖把桶內高速旋轉。因其可以起到很好的甩干作用并且省時省力而得到了廣泛的應用。手壓式旋轉拖把桿的直線往復運動轉化為拖把頭的旋轉運動，我們受其運動轉換形式的啟發而設計了一種鉆木取火機構。

1.2機構設計原理

鉆桿的直線往復運動能成功轉化為鉆頭的旋轉運動的關鍵在與中心螺旋桿與安裝有超越離合器的攻有內螺紋的滑塊B的嚙合作用0，如圖1所示。

1.2.1中心螺旋桿的螺紋升角設計

從保證鉆頭轉動、運動學、力學角度設計中心桿螺旋桿的螺紋升角。

從保證鉆頭轉動的角度來看，如圖1所示，A是具有外螺紋的螺旋桿，B是通過自身的內螺紋套嵌在A的外螺紋上的滑塊。A上的外螺紋相當于卷成桶裝的斜面，為了使螺紋嚙合時不發生自鎖現象，中心螺旋桿螺紋的螺紋升角必須大于摩擦角，即 。

從運動學的角度來看，可以把滑塊與螺旋桿嚙合的過程簡化成如圖3來分析，B在下壓的過程中，其下行速度 可以看成是B相對于A的速度 ，和A相對于地的速度 的矢量和，由平行四邊形定則可知它們之間的大小關系為 。因此，從運動學的角度來看， 角越小，越有利于讓A獲得較大的速度。

其次，從力學的角度來看。如圖2所示，B在下滑的過程中會對A產生一個向右的分力F，由平行四邊形定則可知 ，在相同的壓力下， 角越大，這個向右的分力F就越大，即讓A發生轉動的加速度就越大。因此， 角越大，越有利于讓中心螺旋桿A獲得較大的速度。

由此可見，角度 不僅是影響鉆頭是否旋轉的重要因素，而且也是影響鉆頭旋轉快慢的一個重要參數。

1.2.2單向傳動機構的設計

如圖1所示的滑塊B上安裝的單向傳動機構由超越離合器來實現。

取火裝置的單向傳動機構采用滾柱式超越離合器，其結構如圖1所示。它由爪輪1，外圈2，彈簧壓頭3和滾輪4等零件組成。如果爪輪是原始零件并沿順時針方向旋轉，則滾輪4在摩擦力的作用下楔入楔形凹槽中，從而驅動外圈旋轉。當爪輪反轉時，滾子4被帶到溝槽的相對較大的部分而不被楔入溝槽中，從而爪輪1不能驅動外環2旋轉，因此離合器處于分離狀態;如果外圈2是原始構件，而爪輪1是從動構件，則也可以實現單向傳動運動，并且還可以實現分離狀態下的反向工作狀態。

2 摩擦學分析

2.1 鉆頭表面織構對摩擦性能的影響

所謂表面織構（Surface texture），是指在摩擦副表面通過一定的加工技術加工出具有一定尺寸和排列的凹坑、凹痕或凸包等圖案的點陣。研究表明0，表面織構圖案形狀、大小以及分布密度對摩擦副的摩擦學性能都有著顯著影響，在鉆頭表面刻上表面織構將會對鉆木取火過程產生影響。目前所研究的表面織構圖案主要有：鱗片形口、凸包形、圓凹坑形和方凹坑形，以及條狀凹痕形和網格狀凹痕形等等0。

2.1.1 織構類型對取火的影響

吉林大學宋起飛等0對表面織構的研究表明表面織構增加了材料的耐磨性和摩擦因數，這對鉆頭表面織構的選取有很大的指導意義。

Ulrika等0對凹痕形表面織構的研究表明，在有潤滑的條件下，表面織構能夠減小摩擦因數，而且網格狀凹痕比條紋狀凹痕減摩效果更加明顯，則取火鉆頭應該采用條紋狀凹痕。宋起飛等0對不同表面織構的研究表明，在耐磨性方面，凹坑狀圖案最好，條紋狀次之，網格狀最差，則取火鉆頭應該采用條紋狀凹痕或者網格狀凹痕。表面織構的圖案形狀、大小及分布密度等對摩擦副的摩擦學性能都有著顯著影響。Ulrika等0就表面織構對邊界潤滑條件下滑動接觸表面的影響進行的研究表明，相互接觸的兩物體表面的耐磨性與物體運動方向和表面織構形狀方向存在一定的關系，運動方向與凹痕方向平行時耐磨性最差，故取火鉆頭表面織構可以設計成圖3所示樣式。

2.1.2 儲存在微織構里面的磨粒對取火的影響

機械設備摩擦副的摩擦狀態的發展與磨損顆粒的大小和數量的變化有關0。當鉆頭被加工成表面紋理時，大量的木屑或磨料顆粒保留在紋理內部。通常，在存在磨粒的情況下，除了磨粒之間的擠壓，切割和嚙合之外，由磨粒和基體形成的三體磨料磨損會導致摩擦副的摩擦系數變大，從而增加能耗和加速磨損00。在相對滑動過程中，摩擦副會產生磨損碎片。磨碎的碎屑將被壓制并粘結，以形成具有大晶粒尺寸和高硬度的磨粒。磨粒的存在極大地影響了摩擦副接觸表面之間的接觸狀態。嵌入到基材的表面以形成切割槽，并且微紋理的存在可以容納磨料顆粒。摩擦產生的大量熱量加速了微紋理中積聚的木質磨粒的碳化，從而提高了取火效率0。

3 實驗探究

鉆木取火時轉動速度是一個很大的影響因素，當我們實驗時發現轉動速度過快會造成桿的不穩定，從而使桿擺動。但轉動速度過慢時又會導致木棍與木板之間因摩擦而產生的熱無法維持下去，從而導致取火不成功。因此我們通過調節螺旋裝置的壓力角和在轉動桿上焊接一個帶有扶手的軸承裝置從而保證了高轉速下桿的穩定性問題。

3.1中心螺旋桿螺紋升角對取火效率影響的探究

中心螺旋桿的螺紋升角的選取會影響鉆頭的轉動速度、所受扭矩等等物理量，這將直接影響取火效率。我們實驗時發現轉動速度過快會造成桿的不穩定，從而使中心螺旋桿產生劇烈擺動從而降低取火效率;轉動速度過慢時又會導致產生的摩擦熱少且速度慢，最終導致取火失敗。因此我們通過調節螺旋裝置的壓力角和在轉動桿上焊接一個帶有扶手的軸承裝置從而保證了高轉速下中心螺旋桿的穩定旋轉。

我們選取了6種螺紋升角不同的螺旋桿進行探究實驗，在其他實驗條件相同的條件下分別測量鉆頭的旋轉速度，實驗結果如表1所示，最終選定取火最佳的螺紋升角值為78度。

3.2鉆頭表面織構對取火效率影響的探究

鉆頭表面織構類型和規格的選取會影響鉆頭表面的摩擦系數和磨損率，進而影響鉆木取火的效率。因此我們選取不同類型和規格的表面織構進行摩擦取火實驗。

首先我們探究在其他條件相同的條件下，不同表面織構對于取火時間的影響。我們分別在鉆頭上面刻蝕了多種表面織構，測量鉆木取火所用時間，實驗結果如表2所示，最終選定取火最佳表面織構是條形織構。

然后我們探究不同間距的條形織構對于鉆木取火效率的影響，實驗結果如

表3所示，最終選定最佳條形織構間距為5mm。

4 總結

我們最初受到手壓式旋轉拖把原理的啟示，設計了一種高效取火的裝置，其傳動核心機構是中心螺旋桿和安裝有單向軸承的滑塊的齒輪嚙合。我們還從摩擦學原理的角度分析了鉆頭表面織構和儲存在織構里面的磨粒對于鉆木取火效率的影響，最終設計出鉆頭帶有理想表面織構的鉆木取火裝置。

參考文獻

[1] 宋起飛，周宏，李躍，等. 仿生非光滑表面鑄鐵材料的常溫摩擦磨損性能[J]. 摩擦學學報，2006，26（1）：24-27.

[2] UIrikaPettersson，Staffan Jacobson. Textured surfaces for improved lubrication at high presure and low sliding speed of roller/piston in hydraulic motors[J]. Tribology International，2007，40：355-359.

[3] Ulrika Pettersson，Staffan Jacobson. Influence of surface texture on boundary lubricated sliding contacts [J]. Tribology Inter-national，2003，36：857-864.

[4] 姚安佑. 磨粒對摩擦過程的影響[J]. 武漢理工大學學報，1982（4）：445-455.

[5] 曾亞維，陳立宇，楊夏明，等. 表面微織構改善摩擦性能的研究進展[J]. 工具技術，2016（5）：3-7.

[6] 劉洪龍，王文中，趙自強，等. 表面微織構影響點接觸潤滑摩擦性能的實驗研究[J]. 潤滑與密封，2014，39（1）：9-16.

[7] 李媛，劉小君，張彥，等. 面接觸條件下織構表面摩擦特性研究[J]. 機械工程學報，2012，48（19）：109-115.

[8] 朱章楊，王東偉，劉銘倩，等. 溝槽型織構表面對界面摩擦學行為的作用機制[J]. 潤滑與密封，2017，41（9）：38-42.

[9] 丁行武，王家序，郭胤，等 基于滑動摩擦的摩擦副表面織構優化分析[J]. 四川大學學報（工程科學版），2013（S1）：183-188.

[10] 歷建全，朱華. 表面織構及其對摩擦學性能的影響[J]. 潤滑與密封，2009，34（2）.

[11] 孫恒，陳作模，葛文杰主編.機械原理第七版.高等教育出版社，2006