[发明专利]摩擦力可控的接触表面耦合结构及其设计方法

权利要求书

1.摩擦力可控的接触表面耦合结构，其特征在于，包括其上具有若干万向摆轮的主动面及其上具有若干凸起的被动面，相邻两个凸起的顶面不接触，所述万向摆轮的冠部顶面为曲面，且相邻两个万向摆轮之间不接触；所述被动面相对于主动面运动时，所述凸起与所述万向摆轮的冠部接触，且凸起带着万向摆轮绕着其根部向被动面运动方向转动。

2.根据权利要求1所述的摩擦力可控的接触表面耦合结构，其特征在于，所述凸起与被动面一体成型，万向摆轮与主动面一体成型。

3.根据权利要求1或2所述的摩擦力可控的接触表面耦合结构，其特征在于，所述冠部的顶面采用多种曲面组合而成，且多种曲面的曲率半径不完全相等。

4.根据权利要求1或2所述的摩擦力可控的接触表面耦合结构，其特征在于，所述冠部的顶面为一以根部中心线的中心为圆心的曲面，所述凸起的顶面宽度a≥冠部顶面的半径×万向摆轮转动角度。

5.根据权利要求4所述的摩擦力可控的接触表面耦合结构，其特征在于，所述凸起的顶面宽度a≤冠部顶面的圆心角×冠部顶面的半径。

6.根据权利要求4所述的摩擦力可控的接触表面耦合结构，其特征在于，所述凸起为梯形台，万向摆轮的根部为矩形柱；

或者所述凸起呈蜂窝状分布在被动面，万向摆轮按照正六边形阵列分布在主动面上；所述万向摆轮的根部为圆柱体。

7.根据权利要求4所述的摩擦力可控的接触表面耦合结构，其特征在于，所述万向摆轮的根部为轴向刻制有裂缝的圆柱体，或者万向摆轮采用拉簧构成其根部。

8.一种权利要求1-7任一所述的摩擦力可控的接触表面耦合结构的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、获取待设计的主动面和被动面间的设计摩擦系数、万向摆轮材质及主动面每平方米的承受力；

S2、确定凸起和万向摆轮的结构形式和阵列布局；

S3、随机生成一组万向摆轮和凸起的结构参数，并采用结构参数计算单个万向摆轮受被动面水平力时，冠部在水平方向上的最大覆盖半径；

S4、采用最大覆盖半径计算每平方米需布置万向摆轮的总个数；

S5、根据主动面每平方米的承受力和万向摆轮总个数，计算单个万向摆轮需承受的设计法向力；

S6、根据万向摆轮和凸起的结构参数、根部的材料性能参数及设计法向力，计算主动面和被动面间的理论摩擦系数；

S7、采用万向摆轮根部的截面面积和万向摆轮的容许应力，计算单个万向摆轮需承受的理论法向力；

S8、当理论法向力大于设计法向力，且理论摩擦系数小于设计摩擦系数时，输出万向摆轮和凸起的结构参数；

S9、当理论法向力小于等于设计法向力和/或理论摩擦系数大于等于设计摩擦系数时，返回步骤S3。

9.根据权利要求8所述的设计方法，其特征在于，当万向摆轮的根部为矩形柱时，结构参数包括冠部顶面半径R、冠部顶面最大宽度L、凸起顶面宽度a和根部的长宽高，根部的材料性能参数包括材料弹性常数E和截面惯性矩I；

当万向摆轮的根部为圆柱体时，结构参数包括冠部顶面半径R、冠部顶面最大宽度L、凸起顶面宽度a和根部的半径r；根部的材料性能参数包括材料弹性常数E和截面惯性矩I；

当万向摆轮的根部为拉簧时，结构参数包括冠部顶面半径R、冠部顶面最大宽度L、凸起顶面宽度a及拉簧高度H、均径D和簧丝直径根部的材料性能参数包括材料弹性常数E和泊松比υ。

10.根据权利要求9所述的设计方法，其特征在于，所述最大覆盖半径R_h＝Rsin[arcsin(L/2R)+a/R]；

单位面积需布置万向摆轮的总个数M＝[1/(2R_h)]²；设计法向力N₁＝W/M，其中W为主动面单位面积承受力；

当根部为矩形体时，理论摩擦系数μ₁＝[aEI/(hR²)]/N₁，所述理论法向力N₂＝[σ]×S，h为根部的高，[σ]为万向摆轮的容许应力，S为根部的截面面积；

当根部为圆柱体时，理论摩擦系数μ₁＝[πaEr⁴/(64hR²)]/N₁；理论法向力N₂＝[σ]×S，h为根部的高，[σ]为万向摆轮的容许应力，S为根部的截面面积；

当根部为拉簧时，理论摩擦系数理论法向力