Тема 3.3. ФРИКЦИОННЫЕ ПЕРЕДАЧИ.

3.3.1. Общие сведения.

3.3.2. Особенности рабочего процесса цилиндрических фрикционных передач (ЦФП). Условие работоспособности ЦФП.

3.3.3. Расчёт на прочность ЦФП.

3.3.4. Фрикционные вариаторы (ФВ)*.

3.3.1. Фрикционной передачей (ФП) называется механизм, служащий для передачи вращательного движения от одного вала к другому с по­мощью сил трения, возникающих между насаженными на валы и при­жатыми друг к другу дисками, цилиндрами или конусами. Подшипники одного из валов выполнены подвижными, благодаря чему этот вал может перемещаться в направлении линии центров передачи. Пружина сжатия, действующая на подвижный подшипник, прижимает катки один к другому силой .

ФП можно классифицировать по нескольким признакам:

· по форме тел качения (с гладкими цилиндри­ческими катками, рис.3.3.1; катками с клинчатым ободом, рис. 3.3.2; с коническими катками, рис. 3.3.3; торовые, рис. 3.3.5 и др.);

· по условиям работы (открытые — работающие всухую и закрытые — работающие в масляной ванне);

· по возможности регулирования передаточного числа (с условно постоянным передаточным числом, с бесступенчатым регулированием передаточного числа — фрикционные вариаторы).

Достоинства ФП:

· простота конструкции;

· плавность и бесшумность работы;

· предохраняют механизмы от поломок при перегрузках вследствие скольжения ведущего катка по ведомому;

· возможность плавного изменения передаточного числа на ходу машины.

Недостатки ФП:

· главный недостаток ФП— значительная радиальная нагрузка на опоры валов, которая может до 35 раз превышать передаваемую окружную силу;

· ФП не обеспечивают строгого постоянств передаточного числа при изменении нагрузки из-за неизбежного упругого скольжения катков;

· повышенный износ катков;

· имеют сравнительно невысокий КПД ();

· предаваемая мощность до 20 кВт;

· допускаемая скорость катков до 25 м/с.

Область применение ФП с постоянным передаточным отношением ограничивается преимущественно кинематическими цепями: кузнечно-прессовом оборудовании (фрикционные прес­сы, фрикционные молоты), металло­режущих станках; транспортирующих машинах (лебедки с фрикционным приводом); в прибо­рах(магнитофоны, спидометры); счетно-решающих машинах и т.д. Как силовые они не могут конкурировать с зубчатыми передачами (ЗП) по габаритам, надёжности и КПД. Наибольшее применение в ма­шиностроении имеют фрикционные вариаторы (ЗП не позволяет выполнять плавное регулирование скоростей).

3.3.2. При передаче вращающего момента за счет силы трения, возникающей на площадке контакта прижатых друг к другу катков, неизбежно возникает относи­тельное проскальзывание их рабочих поверхностей, причем рабочая по­верхность ведущего катка является опережающей, а рабочая по­верхность ведомого катка — отстающей. Степень этого проскаль­зывания зависит от передаваемой окружной силы, упругих свойств ма­териала катков и поэтому называется упругим скольжением, сопутствующим работе фрикционной передачи с катками любой формы. Скольжение является причиной износа, снижения КПД и непостоянства передаточ­ного числа фрикционных передач.

У ФП окружные скорости рабочих поверхностей, вследствие проскальзывания сопряжённых катков, не равны () и связь между ними выражается формулой , где — коэффициент скольжения (для металлических катков = 0,01... 0,03, большие значения относятся к передачам, работающим всухую; для текстолитового катка 0,1). Скольжение приводит к уменьшению угловой скорости ведомого вала и точное значение передаточного числа ЦФП (рис. 3.3.1) определяется по формуле

.

Наличие упругого скольжения и некоторая его зависимость от ко­лебаний нагрузки и условий работы передачи вынуждают называть пе­редаточное число ФП условно постоянным.

Для одной пары катков силовых передач , для передач прибо­ров .

Для передачи от одного вала к другому вращающего момента необходимо за счет силы трения приложить к ведомому катку окружную силу , которая должна быть меньше наибольшей силы трения покоя, возника­ющей между катками, прижатыми друг к другу силой . Таким обра­зом, условие работы ЦФП:

,

где k — коэффициент запаса сцепления (k = 1,3... 1,4); — коэффициент трения (для стальных или чугунных катков, работающих в масляной ванне =0,04...0,05; работающих всухую =0,15...0,20; для передач с одним неметаллическим катком =0,2 ... 0,3).

Тогда требуемая сила прижатия катков ФП

.

При перегрузках, когда сила трения на площадке контакта катков оказывается меньше окружной силы, ведомый каток останавливается, ведущий каток скользит по нему и наступает буксование, приво­дящее к интенсивному местному износу ведомого катка.

Материалы тел качения фрикционных передач должны обла­дать высокой износостойкостью и прочностью рабочих поверхностей, возможно большим коэффициентом трения скольжения, высоким мо­дулем упругости (для уменьшения упругого скольжения). Максималь­ную нагрузочную способность имеют катки из закаленной стали типа ШХ15, которые могут работать в масляной ванне и всухую. Применя­ются в силовых передачах также чугунные катки и сочетания текстоли­товых и стальных или чугунных катков. Кроме того, для изготовления катков или их облицовки (для повышения коэффициента трения) при­меняют кожу, резину, прорезиненную ткань, дерево, фибру и другие ма­териалы. Катки из неметаллических материалов работают всухую.

При разных материалах тел качения ведущий каток делают из менее прочного материала во избежание образования задиров и лысок в слу­чае буксования передачи. Принцип равной работоспособности тел качения при этом не нарушается, так как у фрикционных передач рабо­чая поверхность ведущего катка является опережающей и обла­дает большей нагрузочной способностью, чем рабочая поверхность ве­домого катка.

3.3.3. Критерием работоспособности ФП является износостойкость рабочих поверхностей тел качения. В процессе работы на поверхности тел качения возникают циклически изменяющиеся контактные напряжения, которые вызывают усталостное изнашивание рабочих поверхностей катков.

Для катков, изготовленных из материалов, подчиняющихся закону Гука (металлы и текстолит), наибольшие контактные напряжения вычисляются по формуле Герца (3.1.1). Тогда условие прочности имеет вид

,

где - нагрузка на единицу длины контактной линии; - приведённый радиус кривизны контактирующихся поверхностей; - приведённый модуль упругости; - коэффициент Пуассона.

При условие прочности примет вид

.

Основным расчетным параметром цилиндрической фрикционной передачи будем считать межосевое расстояние и формула для проектного расчёта имеет вид (при )

.

где - коэффициент ширины катка по межосевому расстоянию; — допускаемое контактное напряжение для катка из менее прочного материала.

Допускаемые контактные напряжения устанавливают в зависимос­ти от материалов катков, твердости НВ рабочих поверхностей или пре­дела прочности при изгибе и условий работы передачи.

Вычислив межосевое расстояние, определяют размеры катков по формулам:

, , ,

Величина коэффициента ширины катка влияет на габариты катков, точность их изготовления и монтажа, на величину прижимающей силы . Чем больше , тем, за счёт уменьшения , меньше масса и габариты передачи, при этом увеличивается ширина обода катков, что затрудняет получение равномерного контакта по всей длине. Обычно принимают .

Предельное значение ширины большего катка . Для компенсации неточностей монтажа ширину малого катка принимают .

3.3.4. Вариатором или бесступенчатой передачей называ­ется механизм для плавного изменения передаточного отношения.

В машиностроении фрикционные вариаторы используют в силовых приводах, мощность которых колеблется от небольших величин до десятков и даже сотен киловатт. Вариаторы бывают одно- и двухступен­чатые.

Основной кинематической характеристикой любого вариатора яв­ляется диапазон регулирования , равный максимальному передаточному отношению, деленному на минимальное

.

Для одноступенчатых вариаторов преимущественные значения . С увеличением диапазона регулирования снижается КПД ва­риатора.

Наиболее встречающиеся в практике вариаторы: лобовой и торовый.

На рис.3.3.4 изображена схема лобового вариатора, в котором оси взаимно перпендикулярны, а изменение скорости ведомого вала происходит за счет осевого перемещения ролика. Лобовой вариатор допус­кает реверсивные вращения ведомого вала при одностороннем вращении ведущего. Ведущим звеном в лобовой передаче может быть либо ролик, либо работающий торцом диск. Передаточное число и диапазон регулирования лобового вариатора

, .

Для уменьшения геометричес­кого скольжения, которое приво­дит к интенсивному износу и сни­жению КПД, рабочую поверхность ролика делают выпуклой, но при этом уменьшается площадка кон­такта и, следовательно, увеличива­ются контактные напряжения.

Одними из наиболее совершенных являются торовые вариаторы, которые могут работать всухую и в масляной ванне. На рис.3.3.5 изображена схема соосного торового вариатора (конструкция В. А. Светозарова, советский изобретатель). Вариатор состоит из двух соосных катков с тороидной рабочей поверхностью и двух промежуточных роликов, наклон осей которых может одновременно изменяться, за счет чего достигается изменение передаточного отношения. Диапазон регулирования торовых вариаторов

Торовые вариаторы отличаются малым геометрическим скольжением и высоким КПД до 0,95. Торовые вариаторы нормализованы для мощностей от 1,5 до 20 кВт.

Кроме описанных существует много других конструкций фрикционных вариаторов.

Расчет фрикционных пар вариаторов выполняется подобно расчет фрикционных передач с постоянным передаточным отношением.