[发明专利]摩擦力可控的接触表面耦合结构及其设计方法

说明书

本发明公开了一种摩擦力可控的接触表面耦合结构及其设计方法，其能够在宏观尺度下大幅度降低物体运动时的摩擦力。其中，摩擦力可控的接触表面耦合结构，其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，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；被动面相对于主动面运动时，凸起与万向摆轮的冠部接触，且凸起带着万向摆轮绕着其根部向着被动面运动方向转动。

技术领域

本发明涉及结构超滑领域，具体涉及一种接触表面间摩擦力可控的耦合结构及其设计方法。

背景技术

一般地，摩擦力是阻碍物体相对运动(或相对运动趋势)的力。摩擦力的方向与物体相对运动(或相对运动趋势)的方向相反。摩擦力分为静摩擦力、滚动摩擦、滑动摩擦三种。一个物体在另一个物体表面发生滑动时，接触面间产生阻碍它们相对运动的摩擦，称为滑动摩擦。

传统的理论认为，滑动摩擦力的大小与接触面的粗糙程度的大小和压力大小有关。压力越大，物体接触面越粗糙，产生的滑动摩擦力就越大。由于摩擦力的存在，两个相互接触并产生相对运动的摩擦表面会发生磨损。据估计，世界上的能源消耗中约有1/3～1/2是由于摩擦和磨损造成的，一般机械设备中约有80％的零件因磨损而失效报废。摩擦是不可避免的自然现象，磨损是摩擦的必然结果，因此，降低摩擦力进而减少磨损具有极其重要的意义。

通常，降低摩擦力的措施包括减小压力、使物体与接触面光滑、使物体与接触面分离、变滑动为滚动等。近来，人们在压力诱导摩擦塌缩实现超滑方面取得新进展。多种微观滑动体系摩擦力随载荷的演化行为表明，在界面间高接触压力的近接触区域和低压力的远接触区域，界面摩擦均会发生随着法向压力的增加而减小的反常行为。

类似的摩擦力随压力增大而负增长的现象也在原子力显微镜探针对石墨烯的摩擦实验中被发现。然而这些只在微纳米尺度下存在的超滑或反常摩擦行为的机理距离大规模工业应用尚有距离。最新的研究发现，通过设计合适的宏观尺度的接触面表面结构，也可以实现摩擦力随法向压力的增加而减小，不过此时的摩擦力的大小尚且不能达到超滑水平。因此，在宏观尺度下大幅降低摩擦力尤为重要。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供了一种接触表面间摩擦力可控的耦合结构及其设计方法，其能够在宏观尺度下大幅度降低物体运动时的摩擦力。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

第一方面，提供一种摩擦力可控的接触表面耦合结构，其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，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；被动面相对于主动面运动时，凸起与万向摆轮的冠部接触，且凸起带着万向摆轮绕着其根部向着被动面运动方向转动。

进一步地，凸起与被动面一体成型，万向摆轮与主动面一体成型。

进一步地，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。

进一步地，冠部的顶面为一以根部中心线的中心为圆心的曲面，凸起的顶面宽度a≥冠部顶面的半径×万向摆轮转动角度。

进一步地，凸起的顶面宽度a≤冠部顶面的圆心角×冠部顶面的半径。

进一步地，凸起为梯形台，万向摆轮的根部为矩形柱；或者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；万向摆轮的根部为圆柱体。

进一步地，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。

第二方面，提供一种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；