机械设计优秀案例分享——〖案例13〗摩擦轮传动加压方式的优劣

六月飘雪

      这次是一个摩擦轮加压的讨论，如图13-1所示可看出主要原理是减速机驱动橡胶轮带动钢筒转动，旋转方向已示出。

1.问题描述

    方案1和方案2的加压方式，从受力分析来看，使用效果一样吗？如不一样，哪一种更合理？有没有更好的方案？

2.讨论

   甲说，分析这类问题，通常首先是凭感觉，这是人类长期自然进化发展出来的天生的判断力，如果看起来不协调，往往就有隐患；某些非常重要的设备，在样机做出来之后会让一些老工程师和科学家坐在一边看两天，不为别的，就是纯粹地盯着看，如果觉得哪里不合适，马上有人记下来，也许就是一个隐患；从图13-1上看，此机构的力传递路线是：弹簧—减速机安装座—减速机输出轴—小摩擦轮，由此将小摩擦轮压紧在大摩擦轮上；

    一般这种小摩擦轮材料是聚氨酯，大摩擦轮材料是Q235；可以看出其设计思想为：使用一段时间后，小摩擦轮直径磨损变小，这时只需将弹簧的压紧螺母向里旋紧，即可继续正常使用，直至用到需要更换摩擦轮；

    这种加压装置，不足之处是减速机输出轴承受较大弯矩，选择减速机时要考虑减速机输出轴所能承受的最大径向力必需大于摩擦轮传动所需的正压力，而且要留出一定的富裕量；优点是装置简单、体积小，使用时调整、更换摩擦轮都很方便。

粗略分析之后，甲建议不要使减速器直接联接小摩擦轮，说，这样会让减速器输出轴承受侧弯距，并提出解决方案：

    1．摩擦轮固定在一个回转臂上，通过回转臂压紧大的摩擦轮；

    2．减速器与摩擦轮之间增加一个传动装置，可以采用链条、三角带或同步带，根据设备工作条件选择传动方式。

乙说，整个磨擦轮的机构也有问题：

    1.首先，只有一个铰接机构，电机、减速器及压板等会有较大的重量，造成磨擦轮侧弯而没有理想中的水平压进，那么磨擦轮轴线有可能不能保持与大轮平行，从而造成偏磨，使用时间越久问题会越严重；

    2.其次，没有考虑卸荷；磨擦轮悬臂安装，大轮给减速器输出轴同样于正压力的反压力，输出轴的轴承会有问题；

建议更改方案：

    1．用双导轨保持磨擦轮水平压进；

    2．做卸荷机构，磨擦轮用单独的轴承支承反压力，轴承座与进给导轨架固连，当然电机减速器也与导轨架固连，减速器输出轴与磨擦轮轴用联轴器联接。

    不用说，如果按照上面甲、乙两位提出的方案进行安排肯定更合理，但提问者解释说，安装空间有限，恐怕只能如此布置；在选择减速机时，已考虑到减速机输出轴所允许承受的最大径向力，并计算出摩擦轮传动的最大径向力约980Kgf；所选减速机额定承受的最大径向力为1600Kgf，所以使用应该没问题，但对减速机的寿命可能会有一点影响。

    丙完全理解提问者的无奈，说，有时候设计就是在一个无可奈何的情况下进行的；所有的工程师都希望能够拥有最宽松的条件和最有力的支持，可以做出一套如春夜暖风般让所有人在各方面都感到心满意足的方案，但是很可惜，正如现实中不会出现误差为零的尺寸一样，想要做出符合要求的设计，往往都必须在某一些方面付出代价，就好像这台加压装置的配置，为了节约空间，只好退而求其次；而为了在“不完全”的条件下把设计做好，如图14-2的受力分析，就是必不可少的了。

   丁说，从图13-2可以看出，两轮的正压力总是沿着两轮的圆心连线的——即法线方向；而对减速机进行受力分析可知，虽然力的方向不太一样，但对铰轴产生的力矩效果是一样的；由此可以得出结论，两种方案，其实并没有区别。

   丙不同意，说，上面的分析中其中有个致命的疏忽，即：虽然在静止情况下，弹力和正压力对铰轴的力矩和为零，但小摩擦轮的驱动电机启动时，一定会有新的力加入，受力情况会改变；

   具体是这样的：在完全静止的情况下，受力如图13-2所示，当驱动电机带动小摩擦轮做逆时针旋转时，大摩擦轮得到两轮相切点的向下的力，并做顺时针旋转，由此可知小摩擦轮从与大摩擦轮相切点处得到一个向上的反力，方案一和方案二一致；但不一致的地方在于铰链座的位置，方案一的铰链座在下方，方案二的铰链座在上方；

因此可以得到这样的判断：

    方案一，小摩擦轮得到的反力使得整个自动加压装置有脱离大摩擦轮的趋势；

    方案二，小摩擦轮得到的反力使得整个自动加压装置有靠近大摩擦轮的趋势；

   丁同意丙的分析，并补充说，电机启动的时候最为猛烈，然后逐渐趋于平稳；而在任一瞬间这种趋势的剧烈程度，取决于此时小摩擦轮驱动大摩擦轮所需要克服的阻力矩的大小，如大摩擦轮中心轴的轴承的滚动摩擦力，大摩擦轮自身的惯性矩等。

3.结论

    结论大致就出来了，两种方案的优缺点是互补的，方案一的优点是减速机输出轴相对负载小，电机不易卡死，缺点是易振动，而方案二正好相反，优点是不易振动，缺点是减速机输出轴相对负载大，电机易卡死。至于孰优孰劣，就要看这台机器的其他部件设计方案了。

小贴士：

    在成大先主编的《机械设计手册》（化学工业出版社第3版）第3卷，第2章摩擦轮传动里的图12-2-5—一种自动加压装置中，显示的装置和方案二原理一样，只是摆放位置稍有变化。有兴趣的读者，不妨查阅一番，以作比较。