2.3. Фрикційні передачі

Фрикційна передача - це один із різновидів механічної передачі, що служить для передачі обертового моменту між близько розташованими валами при відсутності жорстких вимог до стабільності передавального відношення.

Фрикційні передачі відносяться до передач з безпосереднім контактом. Їх робота заснована на принципі використання сили тертя. До них відносяться варіатори, що відрізняються простотою конструкції, що дозволяють легко забезпечити безступінчасте регулювання частоти обертання веденого валу. Передача обертального моменту в варіаторах здійснюється або за рахунок сили тертя (фрикційні варіатори), або за рахунок зачеплення робочих елементів (ланцюгові варіатори).

Фрикційні передачі знаходять застосування в кузнечно-пресовому обладнанні (фрикційні преси, фрикційні молоти), металорізальних верстатах, транспортуючих машинах ( наприклад лебідки з фрикційним приводом ); в приладах, обчислювальних машинах і т.д. Найбільше застосування в машинобудуванні мають фрикційні варіатори. Принцип фрикційної передачі є основою технологічного процесу у прокатних верстатах, основою роботи рейкового і безрейкового колісного транспорту, однак ці питання є предметом вивчення в спеціальних дисциплінах. Фрикційні передачі з постійним передавальним відношенням широко застосовуються в приладобудуванні; конічні і циліндричні реверсивні передачі знаходять застосування в гвинтових пресах. Варіатори застосовують у приводах хімічного і текстильного устаткування для забезпечення: плавної зміни швидкісного режиму "витягування" волокна і намотування пряжі на бабіну; у приводах центрифуг для плавного розгону до досягнення потрібної частоти обертання; у приводах деревообробного устаткування для зміни режиму обробки залежно від породи і структури матеріалу.

Фрикційні передачі можна класифікувати за кількома ознаками:

1) за розташуванням осей валів, за формою тіл кочення, за умовами праці;

2) по можливості регулювання передавального числа.

Переваги фрикційних передач

- плавність передачі руху і регулювання швидкості і безшумність роботи;

- великі кінематичні можливості (перетворення обертального руху в поступальний, безступінчаста зміна швидкості, можливість реверсування на ходу, включення і вимикання передачі на ходу без зупинки);

- за рахунок можливостей пробуксовки передача володіє запобіжними властивостями. Однак після пробуксовки передача, як правило, різко погіршує свої якості - з'являються лиски на поверхнях дотику, нерівномірно спрацьовуються фрикційні поверхні і т.д. Тому використовувати пробуксовку як запобіжний засіб не рекомендується;

- відсутність мертвого ходу при реверсі передачі;

- рівномірність обертання, що зручно для приладів;

- можливість безступінчастого регулювання передаточного числа, причому на ходу, без зупинки передачі.

Недоліки фрикційних передач

- мінливість передаточного числа із-за ковзання;

- незначна передана потужність (відкриті передачі - до 10-20 кВт; закриті - до 200-300 кВт);

- для відкритих передач порівняно низький ККД;

- велике і нерівномірне зношування поверхонь під час пробуксовки;

- необхідність застосування опор валів спеціальної конструкції з притискними пристроями (це робить передачу громіздкою);

- для силових відкритих передач незначна колова швидкість ( 7 - 10 м/с);

- великі навантаження на вали й підшипники від притискної сили, що збільшує їх розміри і робить передачу громіздкою. Цей недолік обмежує величину переданої потужності;

- великі втрати на тертя.

Види ковзання. При передачі обертального моменту за рахунок тертя, що виникає на поверхні контакту притиснутих один до одного елементів, неминуче виникає відносне проковзування їх робочих поверхонь, причому робоча поверхня провідного елементу випереджає попереднім, а робоча поверхня веденої ланки– відстає. Ступінь цього проковзування залежить від попереднього колового зусилля, пружних властивостей матеріалу котків і тому називається пружним ковзанням, супроводжує роботу фрикційної передачі з поверхнями будь-якої форми.

Мал.2.26 Схема фрикційної передачі

При перевантаженнях, коли сила тертя на ділянках контакту поверхонь виявляється менше колової умови, ведений каток зупиняється, провідний каток ковзає по ньому і настає буксування, що призводить до інтенсивного місцевого зносу веденої поверхні. Ковзання є причиною зносу, зниження ККД і зміни передаточного числа фрикційних передач.

Матеріали тіл кочення фрикційних передач

Основні вимоги до матеріалів:

- зносостійкість і контактна міцність;

- високий коефіцієнт тертя;

- високий модуль пружності, щоб не виникала значна деформація поверхні контакту, і не збільшувалися втрати на тертя.

Поверхневого загартована сталь - загартована сталь забезпечує невеликі габаритні розміри передачі і високий ККД; використовують сталі твердістю до

60 HRC.

Поєднання чавун-чавун або чавун - сталь дозволяє працювати з мастилом і без нього.

Поєднання сталь - текстоліт дозволяє працювати без змащення, коефіцієнт тертя спеціальних пластмас досягає 0,5.

Застосовують тіла кочення вкриті шкірою або гумою. Ці матеріали забезпечують високий коефіцієнт тертя, але він залежить від вологості повітря. Такі колеса мають малу контактну міцність. Іноді використовують покриття з дерева.

Катки з неметалічних матеріалів працюють насухо.

Надійні передачі, у яких привідний блок виконаний з менш твердого матеріалу. При різних матеріалах тіл кочення ведений каток роблять з менш міцного матеріалу щоб уникнути утворення задирин і лисок у разі буксування передачі. Принцип рівної працездатності тіл кочення поверхні привідної частини є визначальним і володіє більшою навантажувальною здатністю, ніж робоча поверхня веденої поверхні.

Кінематика фрикційної передачі

В результаті неминучого при роботі фрикційних передач пружного ковзання ведений каток відстає від ведучого і точне значення передаточного числа буде визначатися за формулою:

Де ε - коефіцієнт ковзання (для металевих поверхонь

ε = 0,01...0,03, більші значення відносяться до передач, що працюють в суху, для текстолітової поверхні ε = 0,1).

Наявність пружного ковзання і деяка його залежність від коливань навантаження і умов роботи передачі змушують вважати передаточне число фрикційної передачі умовно постійним. Для практичних розрахунків силових фрикційних передач користуються наближеним значенням передаточного числа u≈D1/D2.

Для однієї пари зачеплень силових передач u ≤ 7, для передач приладів u ≤ 25.

Силові відношення в передачі

Для передач від одного валу до іншого обертаючого моменту необхідно за рахунок сили тертя прикласти до веденої поверхні колову силу:

яка повинна бути менше сили спокою, що виникла між колесами, притиснуті один до одного силою Q. Таким чином, умова роботи фрикційної передачі записується так:

де k - коефіцієнт запасу зчеплення (k = 1,3...1,4);

f - коефіцієнт тертя (для сталевих і чавунних зачеплень, що працюють в масляній ванні f = 0,04...0,15; працюючих в суху f = 0,15...0,20; для передач з одним неметалічних катком f = 0,2...0,3).

З вищенаведеної формули визначимо силу притиснування поверхонь:

Q = kF1/f = 2kT1/(fD1)

З цієї формули видно, що сила притискування більше колової сили в k/f раз, що при k = 1,4, f = 0,04 дає k/f = 1,4/0,04 = 35 разів. Великі сили притискування поверхонь створюють значні радіальні навантаження на опори валів і викликають появу великих контактних напруг на робочих поверхнях зачеплення, що робить силові фрикційні передачі громіздкими, а їх навантажувальну здатність порівняно невисокою. Для зменшення у кілька разів сили притискування застосовують катки з клиноподібним ободом, тертя в яких аналогічно тертю в клиновидних повзунах. Проте в таких поверхнях виникає значне геометричне ковзання, яке істотно зменшує термін їх служби. Коефіцієнт корисної дії фрикційних передач в основному визначається втратами в опорах валів. Експериментально встановлено, що для закритих передач η=0,92…0,98, для відкритих передач - η=0,8…0,92.

Критерії працездатності фрикційної передачі

Для фрикційних передач з металевими поверхнями основним критерієм працездатності є контактна міцність. Міцність і довговічність фрикційних передач оцінюються за контактними напругами - напругами зминання поверхні на майданчику контакту. Розрахунок на міцність фрикційної передачі :схема для розрахунку циліндричної фрикційної передачі представлена на малюнку:

Мал. 2.27

Схема для розрахунку циліндричної фрикційної передачі

Контактні напруги передач з контактом по лінії визначають за формулою Герца

де Q - сила притискуповерхонь;

К - коефіцієнт запасу зчеплення (коефіцієнт навантаження), К= 1,25...2;

l- довжина контактної лінії;

- наведений радіус кривизни:

- наведений модуль пружності,

- коефіцієнт Пуассона.

Види фрикційних передач

Конічна фрикційна передача

Конічні фрикційні передачі перетворюють обертальний рух між валами, осі яких перетинаються, причому зазвичай кут між віссю Σ=δ+δ=90ͦ де δ і δ - половини кутів при вершині конусів ведучого і веденого ковзанок.

Для конічних фрикційних передач рекомендується u ≤ 4 . Коефіцієнт корисної дії конічних передач фрикційнихη=0,85…0,9.

Критерій працездатності та принципи розрахунку конічних фрикційних передач аналогічні розглянутим раніше для циліндричних передач, але основним розрахунковим параметром слід вважати середній діаметр Dm більшого (зазвичай веденого) елементу, оскільки здебільшого саме цей розмір визначає габарити передачі.

Фрикційні варіатори

Варіатор (безступінчаста механічна передача) — механічна передача, що здатна плавно змінювати передавальне відношення. Зміна передавального відношення може відбуватись вручну або автоматично.

В машинобудуванні фрикційні варіатори використовують в силових приводах, потужність яких коливається від невеликих величин до десятків і навіть сотень кіловат. Варіатори бувають одно - і двоступінчасті.

Основною кінематичною характеристикою будь-якого варіатора є діапазон регулювання Д, рівний максимальному передавальному відношенню, поділеним на мінімальне

Для одноступінчатих варіаторів переважні значення Д = 3...6. Зі збільшенням діапазону регулювання знижується ККД варіатора.

Різновиди варіаторів

1) Лобові варіатори застосовують у гвинтових пресах і приладах, (Мал.2.28). У такому варіаторі взаємноперпендикулярні осі, а зміна швидкості веденого валу відбувається за рахунок осьового переміщення ролика. Лобовий варіатор допускає реверсивні обертання веденого вала при односторонньому обертанні ведучого. Провідною ланкою в лобовій передачі може бути або ролик, або торець диску. Передаточне число лобового варіатора:

а діапазон регулювання:

Мал. 2.28 Лобовий варіатор

2) Варіатори з розсувними конусами застосовують у машинобудуванні, (Мал.2.29). Проміжною ланкою є клиновий ремінь або ланцюг. Плавна зміна швидкостей веденого валу досягається розсуванням або зближенням конусних поверхонь.

Клинопасові варіатори прості і надійні. Д= 2-3. Передана потужність 50кВт.

Ланцюгові варіатори складніші і дорожчі, але компактніші, довговічніші і надійніші. Д не більше 6. Передана потужність 30кВт.

Мал. 2.29 Варіатори з розсувними конусами

3) Багатодискові варіатори (Мал. 2.30) складаються з пакетів провідних і ведених розсувних конічних тонких дисків. Зміна швидкості веденого валу здійснюється радіальним зсувом ведучого валу щодо веденого. Д не більше 5.

Мал. 2.30 Багатодисковий варіатор

4) Торові варіатори (Мал. 2.31) складаються з двох котків з тороїдною робочою поверхнею і двох проміжних роликів. Регулювання швидкостей здійснюється поворотом роликів з допомогою важільного механізму. Д 3-6,25.Із всіх варіаторів вони найбільш компактні і досконалі, але мають складну форму і вимагають високої точності виготовлення. К.К.Д. 0,95- найвищий. Торові варіатори нормалізовані для потужностей від 1,5 до 20 кВт.

Крім того є інші види фрикційних варіаторів: кульові, багатодискові, з розсувними конусами та ін.

Мал. 2.31 Торовий варіатор