CN108916637B - 一种影响摩擦力的摩擦表面及其设计方法 - Google Patents

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    • F16S—CONSTRUCTIONAL ELEMENTS IN GENERAL; STRUCTURES BUILT-UP FROM SUCH ELEMENTS, IN GENERAL
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Abstract

本发明公开了一种影响摩擦力的摩擦表面及其设计方法。该摩擦表面包括通过弹性材料制备的摩擦表面；摩擦表面为一体式结构，具有弧形接触面；弧形接触面上设置有相互对称的摩擦层；摩擦层均包括摩擦系数大小不同的第一接触区和第二接触区；第一接触区位于弧形接触面的端部，第二接触区位于第一接触区与弧形接触面中点之间，且第一接触区与第二接触区之间具有垂直间距h。本发明设计的摩擦表面可在滑动摩擦过程中控制摩擦力减小。

Description

一种影响摩擦力的摩擦表面及其设计方法
技术领域
本发明属于工程学技术领域，具体涉及一种影响摩擦力的摩擦表面及其设计方法。
背景技术
摩擦学与工程问题紧密联系在一起，在不同的场合，解决摩擦学问题有不同的设计要求。为了提高设备工作效率，减小摩擦力造成的能量损耗，需要摩擦接触有最小的摩擦系数；依靠摩擦力来提供动力时，需要较大的摩擦力以实现设备的功能。对摩擦力的调控和摩擦结构的设计可以有效地优化上述问题，改变摩擦力与压力正相关的变化规律。
摩擦学设计考虑不同材料间的摩擦系数及控制接触表面的粗糙程度和硬度以满足实际问题中对摩擦力的要求，这些经典的摩擦学设计方法能满足大多数的要求，摩擦力与压力的关系满足库仑定律，却忽略了摩擦表面的结构变形对摩擦力的影响。设计特殊的空间结构和摩擦界面可以改变摩擦力随着压力的变化关系，在特定场合中，可以采用摩擦力随着压力的增大而减小的结构设计方法，提高设备的性能。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供一种影响摩擦力的摩擦表面及其设计方法，能在滑动过程中控制摩擦力减小。
为实现上述目的，本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种影响摩擦力的摩擦表面，包括通过弹性材料制备的摩擦表面；摩擦表面为一体式结构，具有弧形接触面；弧形接触面上设置有相互对称的摩擦层；摩擦层均包括摩擦系数大小不同的第一接触区和第二接触区；第一接触区位于弧形接触面的端部，第二接触区位于第一接触区与弧形接触面中点之间，且第一接触区与第二接触区之间具有垂直间距h。
上述摩擦表面的设计方法，包括以下步骤：
(1)采用弹性材料制备，且能通过表面形貌变形改变摩擦接触条件的摩擦表面；
(2)将摩擦表面与物体的接触面设计为弧形，并在弧形接触面上设置相互对称的摩擦层；
(3)在每个摩擦层上均设置有摩擦系数大小不同的第一接触区和第二接触区，且第一接触区与第二接触区之间具有垂直间距h。
进一步地，弹性材料为橡胶。
进一步地，摩擦表面中两第一接触区的摩擦系数相同，两第二接触区的摩擦系数相同，且第一接触区的摩擦系数大于第二接触区。
进一步地，摩擦表面中一侧的第一接触区的摩擦系数大于另一侧的第一接触区；摩擦表面中一侧的第二接触区的摩擦系数大于另一侧的第二接触区；其中，摩擦系数较大的第一接触区和摩擦系数较小的第二接触区位于摩擦表面中的同一侧。
本发明的有益效果为：
1、利用有良好弹性变形恢复能力的材料特性加工有特殊结构与接触表面形貌差异的摩擦层，在压力引起结构变形的过程中，改变接触界面以控制摩擦力的减小，该设计巧妙地将结构变形与摩擦表面的接触界面的改变结合在一起，能控制摩擦力与压力的变化关系，实现在压力增大的过程中减小滑动摩擦阻力。
2、在实施案例一中，摩擦表面的Y字型结构的第一接触区先与底面接触，压力增大后，摩擦表面特殊结构变形，第二接触区开始与底面接触，随着变形程度加深，压力逐渐由第一接触区承受转移到第二接触区承受，直到第一接触区脱离接触离开底面，压力完全施加在第二接触区上。在压力增大的过程中，因第二接触区与第一接触区有摩擦系数的差异，摩擦力随着压力分布的变化而可控的变化，实现摩擦力随着压力的增大在第一接触区离开底面之前发生变化，达到控制摩擦力的目的。
3、在实施案例二中，Y字型结构变形向下位移的过程中，具有较大摩擦系数的第一接触区与底面接触，另一侧的第一接触区与底面间的摩擦阻力较小，会向摩擦阻力较小的一侧滑动，之后，第一接触区离开底面，第二接触区与底面接触；
在Y字型结构变形向上位移的过程中，具有较大摩擦系数的第二接触区与底面接触，两者间具有较大的静摩擦力；另一侧的第二接触区因具有较小的摩擦系数，会使其向具有较大的静摩擦力的方向滑动，之后，第二接触区离开底面，第一接触区与底面再次接触；在周期性的振动下，Y字型顺序结构摩擦表面会产生间断的摩擦力差驱动物体向摩擦力更小的方向滑动，或者给螺栓类连接件提供锁紧的自锁力；由此，结合第一接触区、第二触区和摩擦表面的结构设计可以在部件振动的过程中产生摩擦力差，作为物体定向运动的动力源或保持锁紧的自锁力。
附图说明
图1为改变摩擦系数的摩擦表面的结构示意图；
图2为产生摩擦力差的摩擦表面的结构示意图。
其中，1、第一接触区；2、第二接触区。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
实施例1
如图1所示，该影响摩擦力的摩擦表面，包括由弹性材料制备而成，呈Y字形；该摩擦表面为一体式结构的特殊结构，并具有弧形接触面，在弧形接触面上设置有相互对称的摩擦层。
如图1所示，摩擦层包括第一接触区1和第二接触区2，其中，第一接触区1位于弧形接触面的端部，第二接触区2位于第一接触区1与弧形接触面中点之间，且第一接触区1与第二接触区之间具有垂直间距h。
如图1所示，第一接触区1和第二接触区2均呈弧形，然后在第一接触区1的弧形表面设置有波浪式条纹，增加其摩擦系数，而第二接触区2的弧形表面未设置有波浪式条纹，与第一接触区1的弧形表面相比，更加光滑，由此，使得第一接触区1的摩擦系数大于第二接触区2，同时，位于弧形接触面两端的第一接触区1的摩擦系数相同，两个第二接触区2的摩擦系数相同。
在受压时，对称的第一接触区1先与底面接触，有较大的摩擦阻力，压力增大后，Y字型结构变形，第二接触区2开始与底面接触，随着变形程度加深，压力逐渐由第一接触区1承受转移到第二接触区2承受，直到第一接触区1脱离接触离开底面，压力完全施加在第二接触区2上。在压力增大的过程中，因第二接触区2与第一接触区1有不同的摩擦系数，摩擦力随着压力分布的变化减小，即能实现摩擦力随着压力的增大在第一接触区1离开底面之前呈减小的变化趋势，达到控制摩擦力变小的目的。
实施例2
如图2所示，该影响摩擦力的摩擦表面，包括由弹性材料制备而成，呈Y字形，优选弹性材料为橡胶；该摩擦表面为一体式结构的特殊结构，并具有弧形接触面，在弧形接触面上设置有相互对称的摩擦层。
如图2所示，摩擦层包括第一接触区1和第二接触区2，其中，第一接触区1位于弧形接触面的端部，第二接触区2位于第一接触区1与弧形接触面中点之间，且第一接触区1与第二接触区之间具有垂直间距h。
如图2所示，第一接触区1和第二接触区2均呈弧形，然后在Y字型结构中位于其左侧的第一接触区1和位于其右侧的第二接触区2的弧形表面上，同时设置有波浪式条纹，增强两者的摩擦系数；剩余的位于Y字型结构右侧的第一接触区1和位于Y字型结构左侧的第二接触区2的弧形表面上均未设置有波浪式条纹，具有较小的摩擦系数。
Y字型结构未变形时，第一接触区1与底面接触，第二接触区2与底面的距离为h，在承受一定压力后结构变形，第二接触区2与底面接触。
受垂直方向振动的影响，第一接触区1与第二接触区2承受的压力周期性变化，会产生驱动物体向右移动的摩擦力差。
实施方式为：在Y字型结构受压向下位移的过程中，左侧的第一接触区1与底面间有较大的静摩擦力，右侧的第一接触区1与底面间的摩擦阻力较小，会使得本体向右滑动，之后，第一接触区1离开底面，第二接触区2与底面接触。
在Y字型结构变形向上位移的过程中，右侧的第二接触区2与底面间有较大的静摩擦力，左侧的第二接触区2因与底面较小的摩擦系数会向右滑动，之后，第二接触区2离开底面，第一接触区1与底面再次接触。在周期性的振动下，具有Y字型结构的摩擦表面会产生间断的向右的摩擦力差驱动物体向右滑动，或者给螺栓类连接件提供锁紧的自锁力。

Claims (5)

1.一种影响摩擦力的摩擦表面，其特征在于，包括通过弹性材料制备的摩擦表面；所述摩擦表面为一体式结构，具有弧形接触面；所述弧形接触面上设置有相互对称的摩擦层；所述摩擦层均包括摩擦系数大小不同的第一接触区(1)和第二接触区(2)；所述第一接触区(1)位于弧形接触面的端部，第二接触区(2)位于第一接触区(1)与弧形接触面中点之间，且第一接触区(1)与第二接触区(2)之间具有垂直间距( h) 。
2.权利要求1所述的摩擦表面的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)采用弹性材料制备，且能通过表面形貌变形改变摩擦接触条件的摩擦表面；
(2)将摩擦表面与物体的接触面设计为弧形，并在弧形接触面上设置相互对称的摩擦层；
(3)在每个摩擦层上均设置有摩擦系数大小不同的第一接触区和第二接触区，且第一接触区与第二接触区之间具有垂直间距h。
3.根据权利要求2所述影响摩擦力的摩擦表面的设计方法，其特征在于，步骤(1)中所述弹性材料为橡胶。
4.根据权利要求2所述影响摩擦力的摩擦表面的设计方法，其特征在于，步骤(3)中所述第一接触区的摩擦系数相同，第二接触区的摩擦系数相同，且第一接触区的摩擦系数大于第二接触区。
5.根据权利要求2所述影响摩擦力的摩擦表面的设计方法，其特征在于，步骤(3)中所述摩擦表面中一侧的第一接触区的摩擦系数大于另一侧的第一接触区；所述摩擦表面中一侧的第二接触区的摩擦系数大于另一侧的第二接触区；其中，摩擦系数较大的第一接触区和摩擦系数较小的第二接触区位于摩擦表面中的同一侧。
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