摩擦系数各向异性材料的一种应用的设想_材料相互间的摩擦系数

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复旦大学 蒋力夫

摩擦系数各向异性材料的一种应用

无级变速器（CVT，Continuously Variable Transmiion）在实际生活中有广泛的用途，最为大家熟知的就是用在汽车上，其优点有：①零配件少、内部组装结构简单、体积小、重量轻（与同功率的手自一体变速器相比较）；②从输出性能上讲：（有级变速器）不同齿轮的变换、组合，必然存在着间隔和时差，这也必然要造成动力传输的损失，产生无用功；CVT在动力输出上无间隙，动力传输连绵不断，动力损耗小、不会产生无用功（不包括摩擦系数），其效果可与DSG双离合器所媲美；③在加、减速上基本消除了顿挫感（人为操控不包括在内），驾驶更舒适，操作也简便；④油耗低，节能环保。

最大缺点就是高转速或高扭矩的情况下容易因打滑而损失动力，（常见几种无级变速器结构简图如下），因为CVT是靠摩擦力传递动力，而不像有级变速器那样靠齿轮传递动力。这就是限制CVT普及的主要原因。而且我个人认为，无法设计出利用齿轮传动的无级变速器，（如果以后造出来了，还请原谅我的愚昧。）有限的齿数与无穷的变速比（无级）似乎是一对不可能调和的矛盾。/ 3

复旦大学 蒋力夫

防止打滑的一个方法就是增大面于面之间的挤压力，进而增加摩擦力，这样带来的问题就是变速的阻力也增大了，需要更大的驱动力进行变速，同时也加快了接触面的磨损。

一种可行的解决方案就是，让接触面的摩擦力显著地各向异性，比如图中圆台（锥轮）和圆盘的母线方向，摩擦系数应尽可能小，以使变速的阻力小；而垂直于此方向（切线方向）的摩擦系数应尽可能大，以获得尽可能大的传动力。这样，在不增加接触面的挤压力的情况下，既能得到更大的传动力，又能减少接触面的磨损。

如何利用复合材料做到摩擦系数各向异性呢？我的设想是，将碳纤维或碳纳米管沿圆台（锥轮）和圆盘的母线方向植入，取向的整齐程度将极大地影响最终的效果。也就是说，假如碳纤维或碳纳米管的取向完全混乱的话，摩擦系数会变回各向同性。这些碳纤维或碳纳米管像微型的齿轮一样，能增大摩擦力，减小打滑的可能。

目前在汽车上使用最广的是第一幅图所示的金属带式无级变速器，常见的金属带的结构有以下两种： / 3

复旦大学 蒋力夫

金属带的侧面（与锥轮的接触面）也需植入碳纤维或碳纳米管，（同样，取向的整齐度很重要）。这些碳纤维或碳纳米管不能太短，否则，仍然可能增加变速的阻力。/ 3