摩擦傳動在行走機械中的應用

洪 曼，王 志，田 甜，劉學文

(1.中國農業機械化科學研究院，北京100083； 2.北京金輪坤天特種機械有限公司，北京100083)

0 引言

在機械傳動中存在一類利用摩擦作用實現運動傳遞的形式，其原理與實現的方式比較簡單，但起的作用與應用領域十分廣闊，主要有輪帶摩擦、輪輪摩擦兩類。輪帶摩擦是比較普遍的傳動方式，是由橡膠帶與金屬帶輪相互作用實現的傳動，環形膠帶與兩帶輪同時發生摩擦作用，將主動輪的運動傳遞到被動輪。由于兩個帶輪可以設計成不同直徑，因此可以實現一定的傳動比。另外一類摩擦傳動為摩擦輪傳動，其利用直接接觸并相互壓緊的兩摩擦輪之間的摩擦力，將主動輪的運動傳遞給從動輪。相當于去掉傳動帶，利用兩個傳動輪直接摩擦傳動，摩擦輪傳動雖然沒有帶傳動應用廣泛，但在一些特定場合仍有應用[1]。

摩擦作用在行走機械行駛作業中具有正反兩個方面的特性，摩擦副之間、行走裝置與地面之間的摩擦力對行駛起阻礙作用，而行走驅動也是利用輪與地面之間摩擦產生的附著作用實現驅動。摩擦存在于行走機械之中不可避免，而如何利用其特性減小負作用揚長避短，則是設計所要關注的問題。動力傳動是行走機械中不可缺少的環節，摩擦傳動在其中起到不可或缺的作用。除了結構的傳動形式外，摩擦傳動在行走機械的行走驅動方面的應用獨具特色。

1 膠帶傳動

膠帶傳動應用廣泛，用于行走傳動中的無級變速功能尤為出色。無級變速方式在農業機械中的聯合收割機、自動擋小型客車中都有應用。通過膠帶輪與膠帶傳動實現無級變速，其實質是通過改變膠帶輪的直徑，實現傳動比的變化。

1.1 單變速帶式無級變速裝置

帶傳動無級變速可理解為2組可變徑帶輪機構相互配合的結果，每組變徑帶輪機構由動盤與定盤等構成。調整其中一帶輪直徑變大時，另一帶輪直徑變小以保持兩軸間距不變，因而可以通過調整驅動帶輪與傳動帶的接觸半徑改變傳動比。主動輪組和從動輪組都由可動盤和固定盤組成，可動盤與固定盤都是楔面結構，它們的楔面形成V型槽來與V型傳動帶嚙合。通常情況下利用液壓油缸驅動一動盤在軸上滑動，動盤作軸向移動來改變金屬帶與輪盤楔面的摩擦位置[2]。由于可動盤的軸向移動量可實現連續調節，因而使得主動輪和從動輪的工作半徑能夠實現連續調節，從而實現無級變速。當控制主動帶輪動盤部分向主動輪固定部分靠近，主動帶輪間距減小，因帶輪的V型楔面作用，傳動帶沿帶輪徑向向外滑移，作用半徑增大。由于傳動帶的長度不變、兩帶輪的軸距不變，從動輪動盤受傳動帶的作用向外移動，從動輪兩盤之間間距將增大，帶與帶輪的摩擦部位沿楔面下移，從動輪的作用半徑因此減小，從而傳動比減小實現轉速提高。反之調整主動帶輪動盤遠離定盤，則有相反的作用過程，導致傳動比增加。正常當等速傳動時，傳動帶位于兩帶輪的中間位置，傳動比保持不變[3-4]。

通過帶與帶輪傳動實現無級變速功能的帶傳動無級變速裝置，變速可實現連續無級調節，不需人為中斷動力來更換擋位，這類變速裝置在自動變速的轎車和摩托車中有應用。其中傳動帶可以是橡膠帶，也可以是特殊的金屬帶。自動擋轎車用變速裝置中的無級變速帶采用的是金屬帶，這類變速裝置包括液力變矩器、液壓系統、換擋離合器、行星齒輪機構和金屬帶無級變速器構成[5]。發動機的動力經液力變矩器傳入變速裝置，金屬帶無級變速器是無級變速的核心裝置，通過兩傳動膠帶輪直徑的改變，實現扭矩與速度的連續變化。行星齒輪機構與兩離合器配合，通過離合器的不同接合方式，實現空擋、前進擋、倒退擋的變換。變速器的前端集成有液壓泵，用于驅動變速器變速執行機構的液壓系統。金屬帶無級變速器主要由主動輪組、從動輪組、傳動帶和液壓執行元件等部件組成。駕駛者根據需要，通過控制液壓系統中液壓缸的動作，實現主、從動輪的輪徑變化，達到變速的目的[6]。某型號汽車CVT變速裝置如圖1所示。

1.鎖止離合器 2.液力變矩器 3.液壓泵 4.前進擋離合器 5.倒擋離合器 6.行星齒輪機構 7.中間減速傳動齒輪 8.金屬帶無級變速器圖1 汽車CVT變速裝置Fig.1 CVT transmission gear of car

1.2 雙變速帶式無級變速裝置

農業機械中的聯合收割機是一特殊形式的車輛，車輛行走需將發動機的動力傳遞給行走車輪。行走動力傳動需要存在能夠實現變速、離合和制動等功能的裝置來完成。聯合收割機有自己專用的變速箱、減速器及無級變速裝置來完成動力的傳輸。其中在發動機輸出與變速箱輸入的中間布置有無級變速裝置，無級變速器的原理很簡單，就是依據膠帶傳動時傳動比隨兩膠帶輪直徑變化而改變。常用無級變速裝置有2種形式，一種是雙變速帶式，另一種是單變速帶式。單變速帶結構與汽車自動變速裝置類似，只是傳動帶為橡膠帶。雙變速帶式無級變速裝置的核心部件是變速膠帶輪，變速膠帶輪由定輪和可在其間軸向滑動的動輪組成，動輪與定輪共同構成雙槽膠帶輪。雙槽膠帶輪可帶動2條傳動膠帶，一條來自于發動機膠帶輪，另一條來自于變速箱輸入膠帶輪，通過變速膠帶輪與兩條變速膠帶將發動機與變速箱聯系在一起[7]。

變速膠帶輪位于發動機膠帶輪和變速箱膠帶輪中間某一位置，當變速膠帶輪沿轉臂擺轉形成的軌跡運動時，變速膠帶輪的軸心與發動機膠帶輪的軸心距離、變速膠帶輪和變速箱輸入膠帶輪的軸心距離均發生改變，并且改變大小近似相等且方向相反。變速膠帶輪相對發動機膠帶輪與變速箱輸入膠帶輪相對位置不變時，兩條變速膠帶作用于變速膠帶輪的力平衡，動輪左右受力相等而保持相對定輪的位置不變。傳動系統達到穩定狀態，行走裝置按照此時形成的傳動比穩定工作。當油缸推動擺臂運動，變速膠帶輪的位置發生變化，則平衡被破壞，速度發生變化。假設變化的趨勢為遠離發動機膠帶輪方向，這時發動機與變速膠帶輪間的變速帶被拉緊，同時變速膠帶輪與變速箱輸入膠帶輪之間的膠帶變松，導致動輪向后者方向滑移，直至兩條變速膠帶作用于動輪的力達到平衡。此時變速膠帶輪徑相對發動機膠帶輪徑變小，而變速膠帶輪徑相對變速箱輸入膠帶輪徑變大，因而行走速度變大。反之向遠離變速箱輸入膠帶輪方向運動，則行走速度變小。雙變速帶式無級變速裝置如圖2所示。

圖2 雙變速帶式無級變速裝置Fig.2 Variable-speed unit with double variable speed belt

雙變速帶式無級變速裝置的特點是變速所需的膠帶輪變徑均由變速膠帶輪實現，發動機膠帶輪與變速箱輸入膠帶輪無需變徑。存在的問題是變速膠帶輪需改變位置，變速膠帶的傳動面也隨變速而發生偏擺。而采用單變速帶式無級變速裝置時，發動機的動力通過膠帶定傳動比傳遞到中間變速輪，中間變速輪與變速箱輸入膠帶輪相匹配組成變速裝置。中間變速輪安裝于機器的側壁上，軸線與變速箱輸入軸線平行。核心變速部件是動盤與定盤，其中動盤可由液壓油缸操控沿軸線移動。這種變速裝置可以設計為有反饋增扭功能的變速結構，實現按行走所需動力的大小自動張緊或放松變速膠帶。當行走阻力變大時，變速膠帶在有增扭器的變速輪定盤與動盤之間打滑，會導致膠帶帶動動盤及相對定盤轉動一個很小的角度，使動盤向定盤方向靠攏而將膠帶拉緊，直到消除打滑為止，從而實現增扭作用。

2 摩擦輪傳動

應用于行走驅動中的摩擦傳動，其摩擦方式及摩擦輪的結構形式與作用對象相關，可以是專用摩擦輪，也可以是行走驅動輪實施摩擦輪的功能。

2.1 專用摩擦驅動行走輪

飛機牽引車是一類用于調運飛機的車輛，普通的牽引車利用牽引桿將飛機連接到牽引車上實施牽引作業，這類車輛必須有足夠大的質量才能產生出牽引所需的作用力。無桿牽引車則改變了牽引桿連接方式，以自身專有的操作裝置連接飛機，大多數無桿牽引車將飛機的前起落架馱負在牽引車上。牽引車利用飛機部分質量來增加附著能力，從而減輕牽引車自身質量，但同時必須有足夠的結構強度來承載飛機的這部分質量。因此也有了另外一種不牽引、不馱負的飛機調運方式，即采用摩擦輪驅動飛機機輪使飛機移動，實現飛機調運。采用這種方式的調運設備可以是車輛形式，也可以是小型裝置。

在飛機牽引車家族中，一款Powerpush無桿牽引車比較特殊，其與眾不同之處在于其結構形式與操作飛機的方式。該車不同于一般的無桿牽引車將前機輪抱離地面拖拽飛機，而是抱住飛機主輪且不離開地面。當飛機主機輪被前后摩擦輥加緊后，摩擦輥轉動驅動飛機主輪轉動，靠機輪與地面的滾動實現飛機的移動。該車整體結構呈U型，U型底部即車體前部布置有動力裝置等，尾部開口為了使飛機機輪可以進入其中。兩側縱梁布置有前后兩組輥，主要功能分別為夾緊與摩擦驅動。前輥位置固定，由液壓馬達驅動其旋轉。后輥可實現延縱梁上的軌道移動，并且移動到后部時擺到縱梁內，以便機輪進入兩縱梁之間與前輥接觸。當要調運飛機時，操作車輛使其開口對向主機輪，移動該車使機輪進入其間并盡量靠近前輥。操控后輥擺轉出縱梁，然后沿軌道向前移動，逐漸夾緊機輪輪胎，當達到規定的壓緊力時停止。啟動馬達驅動前部的摩擦輥旋轉，旋轉的摩擦輥帶動機輪轉動，與地面接觸的機輪轉動導致機輪在地面上滾動實現飛機移動[8]。摩擦輪驅動的飛機牽引車如圖3所示。

圖3 摩擦輪驅動飛機牽引車Fig.3 Friction pulley driven aircraft tractor

大型飛機采用摩擦輪驅動飛機牽引車實現調運，小型飛機采用小型裝置即可實現調運。如圖4所示的裝置也是采用摩擦輪驅動方式，其直接連接到飛機的前機輪上，利用裝置上的電機驅動摩擦輥，驅動前機輪轉動從而達到牽引飛機的目的。裝置整體為一桿狀結構，裝置的兩端分別用于連接飛機機輪和操作手柄。裝置的長度要保證連接機輪后，操作者可以避開飛機頭部。裝置的動力部分集中在手柄一側，通過鏈輪、鏈條等機械裝置傳遞動力給摩擦輥。摩擦輥位于裝置的另一端，直接與前輪輪胎接觸實現摩擦驅動。為了使摩擦輥與輪胎之間保持一定的壓力，裝置的前端設計有與前機輪叉聯接機構。牽引作業之前由人工連接后，調節好摩擦輥與機輪軸心距，以保證驅動力穩定。操控集成在手柄上的控制開關，使摩擦輥轉動帶動機輪轉動，達到牽引飛機的目的。桿狀結構同時可起到操向桿的作用，左右擺動該裝置則機輪偏轉，實現行走操向。

圖4 摩擦輪驅動牽引裝置Fig.4 Friction pulley driven traction device

2.2 行走驅動輪驅動摩擦傳動

公鐵兩用車是一種既能在軌道上行走又能在地面道路行走的特種工程車輛，自帶動力和公路、鐵路兩套行走裝置，從而實現路軌兩種不同路況條件的行駛功能。路軌兩用車輛主要用于牽引與工程作業等方面，其作業的側重點不同也使得其行走裝置結構、驅動形式有所變化，其中有的機型就采用以行走驅動輪為主動輪的摩擦傳動方式，如圖5所示。公鐵兩用車上用于軌道行走的車輪均為金屬車輪，車輪較窄且帶有凸緣以便與軌道配合，這種車輪難以在道路上行駛。用于道路行駛的車輪一般為充氣輪胎，輪胎相對較寬，直接在鐵軌上行駛也困難。因此公鐵兩用車的行走裝置通常情況下為兩套，分別對應兩種路況。車輛在軌道上運行時使用鋼輪與軌道配合，車輛在道路上運行時采用橡膠輪[9]。

圖5 摩擦驅動的公鐵兩用車Fig.5 Friction driven road-railer

無論是在道路上行駛還是在軌道上行駛，必須將動力裝置的動力傳遞到驅動輪實現行走驅動。若兩種行駛驅動均獨立實現，則需要兩套傳動分別對應軌道鋼輪驅動和橡膠輪道路驅動，導致傳動復雜。為此可采取摩擦傳動的方式，利用統一傳動路線實現兩種傳動。車載動力裝置的動力傳遞到行走驅動輪實現一種行走方式，當轉換到另外一方式時，這一驅動輪通過摩擦傳動的方式將動力傳遞到該行走輪。如動力傳遞給道路行走的輪胎式車輪，此時道路行走與普通車輛無異。上述車輛在軌道上運行時，放下金屬輪對作為驅動輪并將公路用橡膠輪胎全部升起，金屬輪對與軌道接觸并承載，橡膠輪胎升起后與鋼輪接觸并實施摩擦驅動，車輛以膠輪與鋼輪的黏著力作為牽引力，即所謂的摩擦輪驅動。此時產生驅動作用的仍是輪對，輪胎的驅動對象發生變換，輪胎只作為動力傳動中的一個環節。

采用摩擦驅動的主動輪并不一定是輪胎，也可是金屬輪對。如主要用于軌道牽引作業的車輛，在道路行駛的時間較短，因此傳動的主要路線是輪對驅動，驅動輪胎為輔，此時在軌道上行進時為直接驅動，道路行駛時再由軌道輪對摩擦橡膠輪胎使動力傳遞給輪胎，此時輪對懸空、輪胎接地。無論是輪胎驅動輪對、還是輪對驅動輪胎，二者之間都是通過摩擦傳動實現。這類行走裝置的驅動輪形式不變，與輪胎接觸的輪對上加裝滾筒摩擦裝置，通過橡膠輪胎與滾筒摩擦產生力。由于鋼輪與橡膠輪胎共用一個動力源，傳動路線一致，可以使結構簡單化。

此外該類摩擦輪傳動在行走機械的一些試驗中也有采用。如車輛轉鼓試驗臺就是利用摩擦輪與驅動輪輪胎之間的摩擦傳動，如圖6所示。車輛正常行駛時車輛移動，路面不動，在轉鼓實驗臺上則相反，車輛不動，而“路面”移動。利用轉鼓與車輪之間的相對運動模擬車輪在路面上行駛，以轉鼓的表面代替路面，轉鼓相對車輛做旋轉運動。轉鼓軸端部裝有測功機，測功機能產生一定的阻力矩并能調節轉鼓的轉速，用來模擬汽車道路行駛的各種運行工況。試驗時被試車輛的驅動輪放在轉鼓上，車輪轉動帶動轉鼓旋轉。同時轉鼓端部的測功機將相應的載荷施于轉鼓，轉鼓通過與輪胎的摩擦作用再施加到車輪上，實現行駛工況模擬[10]。

圖6 汽車試驗臺輪輪摩擦傳動Fig.6 Pulley-to-pulley friction drive of auto tester

3 結束語

摩擦傳動被廣泛應用于各類機械中，在行走機械中所實現的功能尤為出色。帶輪摩擦傳動改變了傳統的定比傳動模式，可實現無間斷連續變比傳動。該類無級變速裝置結構簡單、便于實現，被大量應用于農業機械、汽車等行業。輪輪摩擦傳動是除無級變速裝置外的另一種摩擦傳動，在行走機械中更多用于實現直接驅動，其直接作用于行走車輪驅動車輪，是一種特殊的驅動方式。