5.10. Фрикционные передачи.

Фрикционной передачей называют механизм, в котором движение одного жесткого звена преобразуется в движение другого жесткого звена за счет сил трения в одной или нескольких зонах контакта (сопряжения).

Необходимая сила трения создается прижатием одного из них к другому, т.е. силовым замыканием. Такие механизмы применяют преимущественно для преобразования параметров вращательного движения. Они работают всухую или в масле. Их примняют реже других механических передач, т.к. требуется большая сила прижатия катков, ведущая к износу опор, понижением к.п.д.

Фрикционные передачи могут иметь разнобразное конструктивное исполнение (рис.5.52). Они широко применяются в приборах, например в лентопротяжных механизмах..., транспортных машинах и т.д.

В конических фрикционных передачах угол между валами может быть любым, но он равен 90.

В цилиндрической и конической передачах передаточное отношение постоянно. При переменном диаметре вращения и переменном передаточном отношении фрикционная передача называется вариатором. На рис. 5.52,д,е показан лобовой вариатор.

Лобовой вариатор характеризуется в основном диапазоном регулирования D= n_2max/n_2vin= i_max/ i_min.

Практически D 3, т.к. при малых d₂ значительно возрастает скольжение, износ, снижается к.п.д. Для повышения диапазона регулирования применяют 2-х дисковые лобовые вариаторы с промежуточным роликом. Тогда D= 8…10.

Простейшая передача включает в себя ведущий 1 и ведомый 2 катки (рис.5.52,а) и две опоры 3 и 4, одна из которых может смещаться для создания начального прижатия катков.

Линейная скорость движения поверхности цилиндрического ведомого катка определяется из соотношения

₂= (1- )₁, (5-81)

где  = 0,01...0,03- коэффициент скольжения.

Так как

₁= ₁d₁/2; ₂= ₂d₂/2,

то передаточное отношение цилиндрического механизма будет

i= ₁/ ₂= d₂/[d₁(1- )]. (5-82)

(для конической передачи i= tg₂/(1- )).

Заметим, что направление вращения ведомого катка обратно ведущему.

При этом окружная сила равна

F_t= F_n /K, (5-83)

где K - запас сцепления (K= 1,25...1,5- для силовых передач; K  до 3- для передач приборов);  - коэффициент трения (= 0,04...0,05- для стали по стали в масле; = 0,15...0,20- для стали по стали или чугуну без смазки; = 0,2...0,3- сталь по текстолиту или фибре без смазки)

Достоинство- передачи в простоте конструкции, плавности движения, бесшумности, удобстве регулирования частоты вращен7ия ведемого звена.

Недостатки- сравнительно большие нагрузки на опоры, проскальзывание катков.

Звенья передачи могут иметь как цилиндрическую, так и коническую форму.

Скольжение приводит к уменьшению к.п.д., непостоянству передаточного отношения. Различают буксование, упругое скольжение, геометрическое скольжение.

Упругое скольжение связано с упругими деформациями в зоне контакта. Это достаточно сложный процесс. Значение такого скольжения не превышает 2...3% и обычно определяется экспериментально. (Для стальных катков оно существенно меньше, чем для текстолито- стальных или резино- стальных пар.)

Геометрическое скольжение связано с неравенством скоростей на площадке контакта катков. Оно является решающим для фрикционных передач. Поиск новых форм тел качения часто связан со стремлением снизить это скольжение.

Природу геометрического скольжения рассмотрим на лобовом вариаторе рис. 5.52,ж.

В точке П- полюсе качения ₁= d₁n₁/60, ₂= ₂r₂.

При отсутствии буксования скорости ₁ и ₂ на линии контакта равны. Однако здесь такое равенство можно получить только для полюса качения, через который проходит расчетная окружность d₂, так что n₁/n₂= = d₂/d₁. Во всех других точках имеет место скольжение _ск=₁- ₂.

Полюс качения располагается в середине линии контакта только при холостом ходе, а под нагрузкой он смещается на некоторое расстояние . Это смещение определяется из условий равновесия ролика

= M_kpb/(d₁F_n), где F_n - нормальная сила;  - коэффициент трения.

Тогда максмальная скорость скольжения

_ск=[d₁n₁/(30i)](0,5b+ 1).

Здесь размерность n₁- об/мин.

Из выражения для  следует:

д) е)

ж)

Рис. 5.52 Схемы фрикционных механизмов: а, в) цилиндрическая передача; б) коническая передача; г) сферическая передача; д, е) лобовой вариатор; ж) расположение полюса качения в вариаторе.

1. При F_n= const величина  меняется в зависимости от нагрузки.

2. Если нажимной саморегулирующийся механизм обеспчивает М_кр1/F_n= =const, то  = const, i= const.

3. Величина  и изменение i от нагрузки пропорциональны длине линии контакта или ширине ролика.

Положение полюса качения связано также с распределением давления по длине линии контакта. Следовательно, вариторы должны иметь высокую точность и жесткость.

При работе фрикционных пар происходят следующие виды разрушения рабочих поверхностей:

1. Усталостное выкрашивание- в передачах, работающих в масле при жидкостном трении.

2. Износ- в передачах, работающих без смазки.

3. Задир поверхностей – из-за буксования или перегрева передачи при больших скоростях и нагрузках при недостаточной смазке.

Все эти виды разрушения зависят от контактных напряжений, которые для тел качения можно оценить из выражения

_H= 0,418[F_nE_np/(b_np)]^1/2 [_H].

Допускаемые напряжения для закаленных сталей твердостью, превышающей 60HRC, при начальном контакте по линии и при хорошей смазке принимают [_H]= 1000…1200 МПа; при начальном контакте в точках [_H]= 2000…2500 МПа. Для текстолита при контакте по линии [_H]= 80…100 МПа.