2.2 Фрикционные передачи

Фрикционные передачи — передачи, в которых движение от одного вала к другому передается за счет трения между рабочими поверхностями вращающихся катков (дисков). Трение между элементами может быть сухое, граничное, жидкостное. Жидкостное трение наиболее предпочтительно, так как значительно увеличивает долговечность фрикционной передачи.

Фрикционная передача состоит из двух колес (катков) — ведущего и ведомого, которые прижаты друг к другу с заданной силой. При вращении одного из катков, например, ведущего приходит в движение ведомый, благодаря возникающей силе трения.

Условие работоспособности передачи Т_mp ≥ F,

где: F — передаточное окружное усилие;

Т_mp — сила трения в месте контакта.

Примечание. Окружное усилие — сила, которая вращает шкив, коленчатый вал, маховик и т. д., направленная по касательной к окружности, по которой движется точка приложения этой силы. Определяют окружное усилие по формуле

где: М — вращающий момент;

r — расстояние от точки приложения окружного усилия до оси вращения.

Если это условие нарушается, то возникает буксование, то есть ведомый каток не вращается, а ведущий скользит по нему.

Передаточное число фрикционной передачи — отношение угловых скоростей ведущего и ведомого валов — не может быть строго постоянным, так как всегда существует относительное проскальзывание катков, изменяющееся в зависимости от нагрузки.

Различают фрикционные передачи с условно постоянным передаточным числом между валами с параллельными пересекающимися осями и передачи с переменным передаточным числом (вариаторы) без промежуточного звена и с промежуточным звеном.

В зависимости от условий работы фрикционные передачи подразделяют на открытые, работающие всухую, и закрытые, работающие в масле. Коэффициент трения в открытых фрикционных передачах выше, а прижимное усилие катков меньше. В закрытых фрикционных передачах масляная ванна делает скольжение менее опасным, кроме того, обеспечивается отвод тепла и увеличивается долговечность передачи [5].

Фрикционные передачи обладают рядом достоинств, основными из которых являются: простота и бесшумность работы; равномерность вращения колес; возможность регулирования скорости (без остановки передачи); небольшая стоимость колес (катков).

К недостаткам фрикционных передач относятся значительные нагрузки на валы и подшипники, непостоянство передаточного числа, сравнительно низкий КПД, неравномерный износ рабочих поверхностей колес.

Фрикционные передачи широко используются в различных отраслях промышленности. Их часто применяют в приводах конвейеров, в сварочных и литейных машинах, в металлорежущих станках и др.

Для колес применяют следующие сочетания износостойких материалов с высоким коэффициентом трения и модулем упругости: закаленная сталь по закаленной стали (такое сочетание обеспечивает высокий КПД, не требует изготовления передачи с высоким классом шероховатости поверхности); чугун по стали или чугуну (в этом случае рабочим поверхностям придают большую твердость, для чего отбеливают поверхность чугунных колес).

Типы фрикционных передач

Цилиндрическая фрикционная передача. На ведущем 2 (рис. 1) и ведомом 1 валах насажены на шпонках два катка. Подшипники вала 1 установлены неподвижно, а подшипники вала 2 позволяют перемещаться валу по направлению линии центров передачи. Если привести во вращение ведущий вал 2, то вместе с ним будет вращаться и ведущий диск. Ведомый диск не будет вращаться до тех пор, пока не будет преодолено полезное сопротивление на валу 1 — вращающий момент и сопротивление трения в подшипниках. Но так как подшипники ведущего вала выполнены плавающими и находятся под действием пружины сжатия, то этим самым обеспечивается прижимное усилие Т, а следовательно, и вращение ведомого вала.

Рис. 1 Рис. 2

Коническая фрикционная передача. Катки передачи (рис. 2) представляют собой усеченные конусы, которые соприкасаются по общей образующей. При осевом сжатии конусов на их образующих в месте контакта возникает сила трения, которая и увлекает во вращение ведомый каток и вал. Для правильной работы передачи необходимо, чтобы конусы имели общую вершину, являющуюся точкой пересечения осей катков.

Вариаторы — передачи, посредством которых можно плавно, бесступенчато изменять передаточное число. По форме тел вращения вариаторы бывают лобовые, конусные, торцовые и др.

Лобовые вариаторы (рис. 3) применяются в винтовых прессах и приборах. В наиболее простом из них (рис. 3, I) ведущий ролик катится по торцовой поверхности большого диска и передает ему вращение. Движение можно передавать и в обратном направлении — от диска к ролику. Для регулирования скорости вращения ролик передвигают вдоль диска. Передаточное отношение в таких вариаторах равно

где: R₁ и R₂ — радиусы колес.

Рис. 3

В более сложном плоском вариаторе (рис. 3, II) между двумя большими дисками вращается передвижной ролик. Один диск ведущий, другой — ведомый. Ролик служит промежуточным звеном, передающим вращение. При регулировании скорости ролик перемещают вдоль обоих дисков, причем, приближаясь к центру одного из них, он в то же самое время удаляется от центра другого. Поэтому изменение передаточного отношения и плавное регулирование скоростей вращения производится быстрее и в более широких пределах, чем в вариаторе с одним диском.

Вариаторы с раздвижными конусами (рис. 4) имеют ограниченное применение в машиностроении. Конические диски насажены на два параллельных вала I I и II. Между дисками зажато стальное кольцо, которое передает движение от ведущего вала к ведомому. Изменение передаточного числа осуществляется сближением одной пары конусов и раздвижением другой.

Рис. 4 Рис. 5

На рис. 5 представлены торовые вариаторы. На валах I и II насажены два диска, имеющие сферические рабочие поверхности. Вращение от ведущего диска I к ведомому II передаются посредством двух промежуточных роликов 1, свободно сидящих на осях 2. Изменение передаточного числа осуществляется одновременным поворотом этих осей вокруг шарниров 3. Торовые вариаторы требуют довольно высокой точности изготовления.

Расчет фрикционной передачи

Износостойкость рабочих поверхностей контактирующих колёс является основным критерием работоспособности фрикционных передач. Обычно для быстроходных фрикционных передач, работающих в масляной ванне, износ стальных колёс имеет вид поверхностного выкрашивания (питтинга), а расчет ведётся (аналогично зубчатым передачам) на контактную выносливость активных поверхностей колёс. Однако в быстроходных закрытых передачах, даже при наличии интенсивной смазки, иногда обнаруживается абразивный износ, обусловленный недостаточной чистотой рабочих поверхностей и частой работой передачи на пусковых и тормозных режимах, когда затруднено образование устойчивой масляной плёнки в зоне контакта.

Для тихоходных фрикционных передач, у которых не обеспечено устойчивой масляной плёнки между контактными поверхностями, или передача вообще работает без смазки, характерен абразивный износ (истирание) рабочих поверхностей колес. Особенно интенсивный износ наблюдается при наличии систематического проскальзывания (пробуксовывания) колёс, переменной нагрузки, попадания на рабочие поверхности абразивов (металлических частиц, песчинок, пыли и т.п.).

Интенсивное истирание рабочих поверхностей колёс ведёт к нарушению их размеров и правильности формы, а также к появлению дополнительных динамических нагрузок.

Как контактная выносливость, так и абразивный износ активных поверхностей колес, в первую очередь, зависят от величины максимальных контактных напряжений и механических характеристик материалов, из которых изготовлены колёса. Кроме того, на работоспособность передачи большое влияние оказывают технологические факторы (качество и точность изготовления рабочих элементов фрикционной передачи) и эксплуатационные особенности (условия нагружения, проскальзывание, температурный режим, свойства смазки и др.).

Расчёт фрикционных передач на износостойкость предполагает определение величин интенсивности изнашивания и толщин износа за требуемый промежуток времени контактирующих поверхностей фрикционных колес при работе без смазки (как правило, открытых передач) и со смазкой, а также определение ресурса работы передачи.

При передаче вращающего момента Т₁ на ведущем валу фрикционной передачи необходимую силу нажатия можно вычислить по формуле

,

где k_сц =1,2-1,5 - коэффициент сцепления (коэффициент режима работы); f - коэффициент трения скольжения.

Расчёт на износ и долговечность фрикционных передач с постоянным передаточным отношением и вариаторов проводят, определяя на рабочих поверхностях колёс величины интенсивности линейного износа I_h по формуле (4.1). В данном случае принимается, что номинальное и контурное давления равны (р=рс ).

Толщину изношенного слоя ведущего 1 и ведомого 2 колёс можно определить по формуле

где I_h(1,2) - интенсивность изнашивания рабочих поверхностей ведущего 1 и ведомого 2 колёс (формула 4.1);

b_H - полуширина полоски контакта при действии силы нажатия F_п , мм;

и - окружные скорости (качения) точек рабочих поверхностей ведущего I и ведомого 2 колёс, м/с;

n_(1,2) - частота вращения ведущего 1 и ведомого 2 колёс, об/мин;

t - время работы рассчитываемой фрикционной передачи, мин.

Максимальную величину толщины изношенного слоя h_max необходимо сравнить с нормативной (допустимой) величиной износа [h] и определить ресурс работы фрикционной передачи

[5]