Характеристика фрикционных передач и использование их в системах сервиса

Фрикционную передачу с параллельными осями валов и с рабочими поверхностями цилиндрической формы называют цилиндрической. Простейшая фрикционная передача с гладкими катками и постоянным передаточным числом показана на рис.9.1.

Один вал диаметром dx устанавливают на неподвижных подшипниках, подшипники другого вала диаметром d2 — плавающие. Катки 1 и 2 закрепляют на валах с помощью шпонок и прижимают один к другому специальным устройством с силой Fr.Цилиндрические фрикционные передачи с гладкими катками применяют для передачи небольшой мощности (в машиностроении до 10 кВт); эти передачи находят широкое применение в приборостроении. Для одноступенчатых силовых цилиндрических фрикционных передач рекомендуется  .

В некоторых случаях применяется цилиндрическая фрикционная передача с катками клинчатой формы (см. рис.9.2).

В передачах с клинчатыми катками при данной силе Fr прижатия одного катка к другому нормальные силы между рабочими поверхностями, a следовательно, и силы трения значительно больше, чем в передачах с гладкими катками (тем большие, чем меньше угол клина).

Это позволяет снизить в передачах с клинчатыми катками силу Fr в 2—3 раза.

Число клиновых выступов для катков принимают равным z = 3-5 (рис.9.5). При z> 5 условие равномерного прилегания всех рабочих поверхностей таких катков ухудшается.

Цилиндрические фрикционные передачи могут быть выполнены с гладкими, выпуклыми и выпукло-вогнутыми катками (рис. 9.6, а, б, в). Имеются и другие конструктивные разновидности фрикционных цилиндрических передач. 

 

 

     

Рис.9.5. Катки клинчатой передачи 

 

 

                                       

а) б) в)

Рис.9.6. Типы катков: a — гладкие катки: 

б — выпуклые катки: в — выпукло-вогнутые катки 

 

Геометрические параметры передачи (см. рис. 9.4).

Межосевое расстояние

.                                               

Диаметр ведущего катка

.                                                                               

Диаметр ведомого катка

.                                                               

Рабочая ширина обода катка

,                                                                                   

где  = 0,2 - 0,4 — коэффициент ширины обода катка по межосевому расстоянию.

Для компенсации неточности монтажа на практике ширину малого катка (см. рис.9.1) принимают, мм:

.                                                                   

 

Силы в передаче.

Для обеспечения работоспособности фрикционных передач необходимо прижать катки (см. рис.9.4) силой нажатия   таким образом, чтобы соблюдалось условие (1), т. е.

                                                                             

где  — максимальная сила трения;   — передаваемая окружная сила;  — коэффициент трения (выбирается по табл.1). Отсюда сила нажатия   или

,                                                                                  (2)

где  — коэффициент запаса сцепления; вводится для предупреждения пробуксовки от перегрузок в период пуска передачи (для силовых передач   = 1,25 - 1,5; для передач приборов   = 3 - 5).

По схеме, показанной на рис.9.4,

.                                                             (3)

Подставив формулу (3) в формулу (2), определим силу нажатия

.                                                                

На практике применяют два способа прижатия катков: постоянной силой и автоматическое. Постоянная по значению прижимная сила катков допустима при передаче постоянной нагрузки. При переменной нагрузке прижатие катков должно изменяться автоматически — пропорционально изменению передаваемого вращающего момента. В этом случае снижаются потери на трение, повышается долговечность передачи.

В первом случае сила прижатия, осуществляемая обычно с помощью пружин, в процессе paботы изменена быть не может; во втором случае сила прижатия изменяется с изменением нагрузки, что положительно, сказывается на качественных характеристиках передачи. Однако применение специальных нажимных устройств (например, шариковое самозатягивающее устройство) усложняет конструкцию.

Один каток к другому может быть прижат:

- предварительно  затянутыми пружинами (в передачах, предназначенных для работы при небольших нагрузках);

- гидроцилиндрами (при передаче больших нагрузок);

- собственной  массой машины или узла;

- через  систему рычагов с помощью  перечисленных выше средств;

- центробежной  силой (в случае сложного движения катков в планетарных системах). 

 

Скольжение во фрикционных передачах

Скольжение является причиной износа, уменьшения КПД и непостоянства передаточного отношения во фрикционных передачах. Различают три вида скольжения: буксование, упругое скольжение, геометрическое скольжение.

Буксование наступает при перегрузках, когда не соблюдается условие (1). При буксовании ведомый каток останавливается, а ведущий скользит по нему, вызывая местный износ или задир поверхности.

Нарушение геометрической формы и качества поверхности катков выводит передачу из строя. Поэтому при проектировании следует принимать достаточный запас сцепления К и не допускать использования фрикционной передачи в качестве предохранительного устройства от перегрузки.

Упругое скольжение связано с упругими деформациями в зоне контакта. Величина этого скольжения невелика и обычно не превышает 0,2% для стальных катков и 1% для текстолита по стали. Это можно объяснить на примере цилиндрической передачи. Если бы катки были абсолютно жесткими, то первоначальный контакт по линии оставался бы таким и под нагрузкой. При этом окружные скорости по линии контакта равны и скольжения не происходит. При упругих телах первоначальный контакт по линии переходит под нагрузкой в контакт по некоторой площадке. Равенство окружных скоростей соблюдается только в точках, расположенных на одной из линий этой площадки. Во всех других точках происходит скольжение.

Геометрическое скольжение. Помимо упругого скольжения катков, которое возникает так же, как и в ременных передачах, во фрикционных передачах может иметь место еще геометрическое скольжение вследствие разности скоростей ведущего и ведомого катков по длине контакта b. Геометрическое скольжение не позволяет катки делать широкими, вследствие чего в передаче возникают большие контактные напряжения, ограничивающие передаваемую мощность. Геометрическое скольжение является основной причиной износа рабочих поверхностей фрикционных передач.     

Примером геометрического скольжения могут служить фрикционные передачи с клинчатыми катками.

                                       

Рис.9.7 

 

Допустим, что на линии контакта   есть некоторая точка   (рис.9.7), на которой скорости обоих колёс одинаковы, то есть  . На самой линии контакта  , на всём её протяжении, кроме точки  , линейные скорости колёс различны, то есть   и  . Таким образом, везде происходит относительное скольжение, что приводит к нагреву и износу сопряжённых конусных поверхностей, что, в свою очередь, понижает коэффициент полезного действия передачи. Чтобы избежать этого не следует делать общую образующую   больших размеров. Необходимо уметь находить оптимальный размер образующей  .

Явление, где на сопряжённых поверхностях векторы линейных скоростей в одних и тех же точках различны, что связано с геометрией формы, принято называть геометрическим скольжением. Его следует избегать, однако это не всегда удаётся.

Широкое применение нашли фрикционные вариаторы, работающие в масле. Хотя при этом коэффициент трения ниже и сила прижатия больше, однако скольжение в этом случае менее опасно: наличие масла уменьшает износ, способствует лучшему охлаждению катков, приближая условия работы катков к работе зубьев зубчатой закрытой передачи. 

 

Коническая фрикционная передача. Устройство и основные геометрические соотношения

Фрикционную передачу с пересекающимися валами и катками, рабочие поверхности которых конические, называют фрикционной конической передачей. На рис. 9.8 показана фрикционная коническая передача с нерегулируемым передаточным числом. Ее устройство аналогично цилиндрической  фрикционной  передаче. Прижимной  каток конической   передачи обычно меньший, так как при этом необходима меньшая сила нажатия. Угол  между осями валов (рис. 9.8) может быть различным. Как правило, межосевой угол передачи

 

,                                                                                         

       где   — угол при вершине конуса ведущего катка;   — угол при вершине конуса ведомого катка. Для нормальной работы передачи необходимо, чтобы общая вершина конусов лежала в точке пересечения геометрических осей валов. Коническая фрикционная передача может быть нереверсивной (чаще) и реверсивной. Ее применяют для передачи небольшой мощности (до 25 кВт).

Геометрические параметры конической фрикционной передачи (см. рис. 9.8).

Передаточное отношение:  . 

 

Рис.9.8. Геометрические параметры конической фрикционной передачи 

 

 

1. Внешнее  конусное расстояние

                                             (4)

Среднее конусное расстояние  ; т — индекс среднего сечения.

2. Внешний  диаметр ведущего катка

 или                                        

3. Диаметр  ведомого катка

 или                                      

4. Длина линии контакта

 ,                                                                                                         

где   = 0,25 - 0,3 — коэффициент длины линии контакта.

5.  Ширина обода катка

;     .                                                             

6.  Средний диаметр ведущего катка

                       

7.  Средний диаметр ведомого катка

,                     

 

отсюда  .

Подставив в формулу (4) значение   , получим

 

 

 

 

 

 

Вариаторы

Большинство современных рабочих машин требует регулирования скорости рабочих органов в зависимости от условий осуществления технологического процесса. Для этого машины снабжают ступенчатыми коробками передач с большим числом зубчатых пар, например, в коробке передач автомобилей их 4 - 6 пар, станков 5 - 16 лишь в механизме главного движения. Применение в машинах вариаторов (бесступенчатых передач) значительно упрощает конструкцию, позволяет установить оптимальный скоростной режим и регулировать скорость на ходу. Все это существенно повышает производительность машины, качество продукции и, кроме того, вызывает уменьшение шума и вибрации. Эти достоинства вариаторов обусловили их широкое распространение в различных областях машиностроения (в станках, в машинах пищевой и легкой промышленности, в сельскохозяйственном и дорожном машиностроении и т.д.).

Фрикционный механизм, предназначенный для бесступенчатого регулирования передаточного числа, называют фрикционным вариатором или просто вариатором.

Вариаторы можно разделить на следующие группы: клиноременные, цепные и фрикционные.

В данном разделе рассмотрим только фрикционные вариаторы.

Фрикционные вариаторы нашли применение в приводах с малыми габаритами — в станках и транспортных машинах. При рациональном конструировании и тщательном изготовлении они имеют наиболее высокий КПД — до 0,95. Однако надлежащее качество исполнения их возможно только на специализированных заводах.

Вариаторы разделяются на два основных типа:

а) простые, в которых изменяется только один радиус контакта, а другой остается постоянным (лобовой, конусный, дисковый);

б) сложные, в которых изменяются оба радиуса (торовый, шаровой).

Вариаторы выполняют в виде отдельных одноступенчатых механизмов с непосредственным касанием катков без промежуточного диска (см. рис.9.9) или с промежуточным диском (см. рис.9.10 и 9.11).

Предельные передаточные отношения вариатора, будут

 и 

где D1, d1 и D2, d2 — наибольший и наименьший диаметры ведущего и ведомого колеса;   — коэффициент скольжения, который зависит от типа и конструкции передачи.