Скольжение в фрикционной передаче

При работе фрикционной передачи неизбежно упругое скольжение, которое вызывается разностью скоростей поверхностных слоев ведущего и ведомого катков. Элементы поверхности ведущего катка подходят к зоне контакта сжатыми, а уходят от нее растянутыми.  У ведомого катка, наоборот – к зоне контакта элементы поверхности подходят растянутыми, а уходят от нее сжатыми.

Следовательно, в зоне контакта удлинение рабочей поверхности обода ведущего катка, соприкасающейся с укорачивающейся поверхностью обода ведомого катка приводит к упругому скольжению, которое всегда имеет место при работе фрикционной передачи.  В результате окружная скорость v₂ точек обода ведомого катка несколько меньше окружной скорости точек обода v₁ ведущего катка.

Для передач, работающих в масле скольжение связано, также, с наличием масляной пленки.

Скольжение в фрикционной передаче зависит от нагрузки. При перегрузке может наступить буксование, при этом ведущий каток скользит по ведомому, ведомый каток останавливается. Буксование приводит к интенсивному износу рабочих поверхностей.

Вопрос №9

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.1.

Рис.1. Геометрические параметры фрикционных передач

 Один вал диаметром d_x 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 F_r. 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 и ≤ 6.

 В некоторых случаях применяется цилиндрическая фрикционная передача с катками клинчатой формы (рис.1)

Рис.1. Цилиндрическая фрикци­онная

передача с катками клинча­той формы

В передачах с клинчатыми катками при данной силе F_r 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 F_r в 2—3 раза.

Число клиновых выступов для катков принимают равным z = 3 ÷ 5 (рис.2). 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.3, а, б, в). Имеются и другие конструктивные разновидности фрикционных цилинд­рических передач.

 

Рис.2. Катки клинчатой передачи

 

а) б) в)

Рис.3. Типы катков: a — гладкие катки:

 б — выпуклые катки: в — выпукло-вогнутые катки

 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).

Вопрос №10

Вариатор - это бесступенчатая трансмиссия с внешним управлением, которая позволяет автоматически плавно изменять передаточное число, выбирая наиболее оптимальное согласно внешней нагрузке и оборотам двигателя, тем самым давая возможность максимально эффективно использовать его мощность. В технике существует множество различных конструкций такого типа, но на автомобиле получили распространение два вида вариаторов:

клиноременной

тороидный. Клиноременный вариатор как тип трансмиссии известен давно. Его главные детали - два раздвижных шкива и соединяющий их ремень, в сечении имеющий трапецеидальную форму. Если половинки ведущего шкива сдвинуть, они вытолкнут ремень, словно попавший между ними клин (отсюда и название "клиноременный"), наружу - радиус шкива, по которому работает ремень увеличится, следовательно, увеличится и передаточное отношение. А если половинки ведомого шкива, наоборот, раздвинуть, то ремень провалится внутрь и будет работать по меньшему радиусу - передаточное отношение уменьшится. Если оба шкива будут в промежуточном положении, то передача станет прямой.

Устройство и принцип работы вариатора

Клиноременной вариатор состоит из нескольких (как правило, одной- двух) ременных передач, где шкивы образованы коническими дисками, за счет сдвигания и раздвигания которых изменяются диаметр шкивов и, соответственно, передаточное число. Разные фирмы разработали каждая свою конструкцию клиноременного вариатора, так на Audi в трансмиссии Multitronic вместо ремня применяют цепь, а Honda ставит набранный из металлических пластин ремень, но принцип от этого не меняется. Для трогания автомобиля с места используются обычное сцепление или небольшой гидротрансформатор, который вскоре после начала движения блокируется. Управление дисками шкивов осуществляет электронная система из сервоприводов, блока управления и датчиков. Начнем с самого простого. Почему клиновидный ремень? Ремень в разрезе имеет трапециевидную форму и "вклинивается" в шкив только своими боковыми поверхностями. При износе этих поверхностей, благодаря своей форме, он врезается глубже в шкив и все равно остается в хорошей сцепке с ним. Как изменяется передаточное число? Устройство ведущего шкива (ведущий шкив вращается коленвалом) таково, что его щеки при воздействии центробежных сил плавно сжимаются и выталкивают клиновидный ремень все дальше и дальше от центра шкива. Ведомый же шкив при этом наоборот, разжимается, и ремень на нем плавно утопает все ближе и ближе к центру шкива. Чем больше обороты двигателя - тем больше сжимается ведущий шкив и разжимается ведомый, тем самым меняя передаточное число от коленвала к заднему колесу. Этот процесс хорошо виден на этих рисунках: 

Двигатель не запущен.

Малые обороты двигателя.

Средние обороты двигателя.

Максимальные обороты двигателя.

На рисунках вверху показаны также положения клиновидного ремня в разрезе на ведущем шкиве (слева) и ведомом (справа) при разных режимах работы двигателя. Иначе устроен тороидный вариатор, который состоит из соосных дисков и роликов, передающих момент от одного диска к другому. Для изменения передаточного числа меняются положение роликов и их радиусы, по которым ролики обкатывают диски. И поскольку все усилие сосредоточено в пятне контакта, то для поворота роликов должны использоваться особые устройства, способные преодолевать силу прижатия ролика к диску. Так в ниссановском вариаторе Extroid применена специальная система, где управляемый электроникой прецизионный гидравлический механизм перемещает обоймы с роликами вверх или вниз на микроскопическую величину, а далее, из-за возникшего сдвига относительно оси дисков, ролик поворачивается сам. Между прочим, принцип устройства под названием “вариатор” не нов - мысли о бесступенчатой трансмиссии стали посещать конструкторов практически сразу с началом применения поршневых ДВС на транспорте. Современное же развитие электроники и технологии материалов дало возможности усовершенствовать (остающиеся, однако, в принципе своем неизменными) конструкции вариаторов, и сейчас наблюдается, по-видимому, начало самого широкого распространения таких трансмиссий на автотранспорте. Т ем не менее вариаторы пока что не избавились от некоторых своих весьма существенных проблем. Так, очевидно, что самыми конструктивно слабыми местами существующих сегодня автомобильных вариаторов являются: для клиноременного эти самые ремни, а для тороидного - пятно контакта диска и ролика, где сила давления достигает 10 тонн. Поэтому здесь применяются специальные высокотехнологичные материалы, что делает надежность вариаторов достаточно высокой, близкой к надежности гидромеханических “автоматов”, но все же из-за нагрузок на ремень или пятно контакта вариаторы пока не могут “тянуть грузы”, а также работать с двигателями большой мощности. На сегодняшний день рекордом для клиноременного вариатора оказывается 220 л.с. и 300 Нм, которые развивает V-образный 6-цилиндровый мотор Audi A6, “воспринятый” трансмиссией Multitronic, а для тороидного - “переваренный” Extroid (3-литровый двигатель Nissan Gloria и Cedric), развивающий 240 л.с. и 310 Нм.  Однако если для грузовиков вариаторы до сих пор непригодны, то для легковых автомобилей весьма приемлемы, и здесь у бесступенчатых трансмиссий, очевидно, большое будущее, тем более что и технологии материалов не стоят на месте.  Если сравнить динамические характеристики многих автомобилей, оснащаемых вариатором, может возникнуть недоумение - почему на одной и той же модели автомобиля разгон с вариатором происходит медленнее, чем с механической коробкой, ибо должно быть наоборот, раз вариатор лучше использует мощность двигателя? Все дело в привычке - многие клиенты были очень недовольны, что машина с вариатором “все время ноет на одной ноте”. Большинство же водителей привыкли к знакомому нарастающему шуму мотора, и многие фирмы идут клиентам навстречу, специально настраивая электронный блок управления трансмиссией. На самом же деле при нормальной настройке блока разгон, конечно, происходит быстрее.

Вопрос №11

Ременная передача относится к передачам трением с гибкой связью и может применяться для передачи движения между валами, находящимися на значительном расстоянии один от другого. Она состоит (рис.1) из двух шкивов (ведущего, ведомого) и охватывающего их ремня. Ведущий шкив силами трения, возникающими на поверхности контакта шкива с ремнем вследствие его натяжения, приводит ремень в движение. Ремень в свою очередь заставляет вращаться ведомый шкив. Таким образом, мощность передается с ведущего шкива на ведомый.

 

Рис.1. Виды ременных передач: а — открытая передача; б — перекрестная передача; в — по­луперекрестная передача (со скрещивающимися валами); г — угловая передача (с направляю­щим роликом); д — передача с нажимным роликом;

е — передача со ступенчатым шкивом

           Для нормальной работы передачи необходимо предварительное натя­жение ремня, обеспечивающее возникновение сил трения на участках кон­такта (ремень—шкив). Оно осуществляется: 1) вследствие упругости ремня — укорочением его при сшивке, передвижением одного вала или с помощью нажимного ролика; 2) под действием силы тяжести качающейся системы мы или силы пружины; 3) автоматически, в результате реактивного момента, возникающего на статоре двигателя; 4) с применением специальных натяжных устройств  (рис.1, д и рис.2). Так как на практике большинство передач работает с переменным режимом нагрузки, то ремни с постоянным предварительным натяжением в период недогрузок оказываются излишне натянутыми, что ведет к резкому снижению долговечности. С этих позиций целесообразнее применять третий способ, при котором натяжение меняется в зависимости от нагрузки и срок службы ремня наибольший. Однако автоматическое натяжение в реверсивных передачах с непараллельными осями валов применить нельзя.

 

Рис.2. Регулировка натяжения ремня перемещением двигателя: 1 — ремень; 2 — шкив; 3 — натяжное устройство

Классификация. Ременные передачи классифицируют по следую­щим признакам.

1. По форме сечения ремня:

             - плоскоременные (рис.3, а);

             - клиноременные (рис.3, б);

- круглоременные (рис.3, в);

- с зубчатыми ремнями (рис.3, д);

- с поликлиновыми ремнями (рис.3, г).

Рис.3. Типы ремней ременных передач: а — плоский ремень; б — клиновый ремень;

в — круглый ремень; г — поликлиновый ремень; д — зубчатый ремень

 

            2.  По взаимному расположению осей валов:

               - с параллельными осями (см. рис.1, а, б);

               - с пересекающимися осями — угловые (см. рис.1, г);

               - со скрещивающимися осями (см. рис.1, в).

3.  По направлению вращения шкива:

- с одинаковым  направлением  (открытые  и  полуоткрытые)   (см. рис.1, а);

- с противоположными направлениями (перекрестные)  (см. рис.1, б).

4.  По способу создания натяжения ремня:

    - простые (см. рис.1, а);

    - с натяжным роликом (см. рис.1, д);

    - с натяжным устройством (см. рис.2).

5.  По конструкции шкивов:

    - с однорядными шкивами (см. рис.1, а—д);

    - со ступенчатыми шкивами (см. рис.1, е).

 

Область применения. Ремни должны обладать достаточно высокой прочностью при действии переменных нагрузок, иметь высокий коэффициент трения при движении по шкиву и высокую износостойкость. Ременные передачи применяются для привода агрегатов от электродвигателей малой и средней мощности; для привода от маломощных двигателей внутреннего сгорания. Наибольшее распространение в машинострое­нии находят клиноременные передачи (в станках, автотранспортных двига­телях и т. п.). Эти передачи широко используют при малых межосевых расстояниях и вертикальных осях шкивов, а также при передаче вращения не­сколькими шкивами. При необходимости обеспечения ременной передачи постоянного передаточного числа и хорошей тяговой способности реко­мендуется устанавливать зубчатые ремни. При этом не требуется большего начального натяжения ремней; опоры могут быть неподвижными. Плоскоременные передачи применяются как простейшие, с минимальными напряжениями изгиба. Плоские ремни имеют прямоугольное сечение, применяются в машинах, которые должны быть устойчивы к вибрациям (например, высокоточные станки). Плоско­ременные передачи в настоящее время применяют сравнительно редко (они вытесняются клиноременными). Теоретически тяговая способность клинового ремня при том же усилии натяжения в 3 раза больше, чем у плоского. Однако относительная прочность клинового ремня по сравнению с плоским несколько меньше (в нем меньше слоев армирующей ткани), поэтому практически тяговая способность клинового ремня приблизительно в два раза выше, чем у плоского. Это свидетельство в пользу клиновых ремней послужило основанием для их широкого распространения, в особенности в последнее время. Клиновые ремни могут передавать вращение на несколько валов одновременно, допускают u_max = 8 – 10 без натяжного ролика.

Круглоременные передачи (как си­ловые) в машиностроении не применяются. Их используют в основном для маломощных устройств в приборостроении и бытовых механизмах (магни­тофоны, радиолы, швейные машины и т. д.).

Передаваемая мощность силовых ременных передач практически дос­тигает 50 кВт, хотя известны плоскоременные передачи мощностью и 1500 кВт. Скорость ремня v = 5 - 30 м/с (в сверхскоростных передачах v = 100 м/с). В механических приводах ременная передача используется чаще всего как понижающая передача. Максимальное передаточное отношение U_max = 5 – 6 для передач без натяжного ролика и U_max = 6 – 10 для передач с натяжным роликом, допускают кратковременную перегрузку до 200%.

  Достоинства:

- возможность расположения ведущего и ведомого шкивов на больших расстояниях (более 15 метров) (что важно, например, для сельскохозяйственного ма­шиностроения);

- плавность хода, бесшумность работы передачи, обусловленные эластичностью ремня;

        - малая чувствительность к толчкам и ударам, а также к перегрузкам, способность пробуксовывать;

- возможность работы с большими угловыми скоростями;

- предохранение механизмов от резких колебаний нагрузки вследствие упругости ремня;

- возможность работы при высоких оборотах;

- простота конструкции и дешевизна.

Недостатки:

- непостоянство   передаточного   числа   вследствие   проскальзывания ремней;

- постепенное вытягивание ремней, их недолговечность;

- необходимость постоянного ухода (установка и натяжение ремней, их перешивка и замена при обрыве и т. п.);

- сравнительно большие габаритные размеры передачи;

- высокие нагрузки на валы и опоры из-за натяжения ремня;

- опасность попадания масла на ремень;

- малая долговечность при больших скоростях (в пределах от 1000 до 5000 ч);

- необходимость натяжного устройства.

 

Вопрос №12

Зубчатые колеса, шестерни - диски с зубьями, нарезанными на поверхности. Процесс изготовления зубчатых колес и других изделий такой формы  - зубообработка металла. Зубчатые колеса бывают цилиндрической и конической формы и являются деталями зубчатой передачи. Зубчатая передача состоит из зубчатых колес, реек, секторов. Зубчатые передачи бывают простыми, т.е. состоящими из минимального количества элементов, исложными, когда количество зубчатых колес в передаче больше двух.

УСТРОЙСТВО ЗУБЧАТЫХ КОЛЕС

Зубчатые колеса используются парами: малое зубчатое колесо с меньшим числом зубьев часто называют шестерней, а большое зубчатое колесо, имеющее большее число зубьев - колесом. Зубчатое колесо, получающее и передающее вращение от вала - ведущее, другие являются ведомыми зубчатыми колесами.

В зависимости от применения зубчатых колес, ихизготавливают большого диаметра - дисковые зубчатые колеса со спицами, среднего диаметра(наиболее часто применяющиеся в машиностроении зубчатые колеса) - дисковые колеса, маленького диаметра - зубчатые колеса без диска и спиц. Устройство зубчатого колесо предполагает наличие в центральной части отверстия для крепления колеса к валу шпоночным или шлицевым соединением. Каждое из зубьев колеса имеет головку зуба и ножку зуба.

Параметры, которые необходимо учитывать при выборе зубчатого колеса: начальная окружность колеса, окружность выпадов и впадин зубчатого колеса, окружность обода, размер впадины для вала, шлицевое отверстие и др.

Важным геометрическим параметром зубчатых колес является модуль зубчатого колеса - зависит от диаметра окружности колеса, количества зубьев, шага зубьев. Значения модулей шестерен регламентируются ГОСТом 9563-60.

ВИДЫ ЗУБЧАТЫХ КОЛЕС

1. Цилиндрические зубчатые колеса в зависимости от вида зубьев классифицируются на прямозубые, косозубые и шевронные колеса. Прямозубые цилиндрические колеса самые распространенные в применении по причине низкой стоимости. Зубья прямозубых колес располагаются ровно, а сами колеса должны находиться строго на одной оси. Зубья косозубых цилиндрических колес находятся под углом по отношению к оси. Косозубые колеса менее шумные и используются в механизмах для передачи большего крутящего момента. Шевронные зубчатые колеса имеют зубья в виде буквы V, или так называют два состыкованных косозубых колеса. Другие виды цилиндрических зубчатых колес: колеса с внутренним закреплением применяются в механизмах, где ограничено пространство, зубчатые колеса с круглыми зубьями и другие.

2. Конические зубчатые колеса применяются для зубчатых передач с осями, которые пересекаются. Конические зубчатые колеса классифицируются по форме зубьев на прямые конические колеса, колеса с круговыми зубьями и др.

3. Коронные зубчатые колеса отличаются тем, что на одной шестерне зубья располагаются на боковой поверхности.

Еще одним видом зубчатой передачи является реечная передача, когда механизм работает при воздействии прямозубой шестерни на зубчатую рейку: такая передача осуществляется для изменения движения с вращательного на поступательное.

ИЗГОТОВЛЕНИЕ ЗУБЧАТЫХ КОЛЕС

Изготовление зубчатых колес происходит на фрезеровочном станке методом обката металла (или огибания) или методом копирования. Также существует большое количество зубообрабатывающих станков, на которых выпоняется обработка зубчатых колес различными способами. Производят шестерни из стали марок 20Х, 12ХНЗА, 12Х2Н4А, 20Х2Н4А, 25ХГМ, 20ХН2М, 18ХГТ, 25ХГТ, ЗОХГТ, 20ХГР, 18Х2Н4ВА и др. Штампованные стальные заготовки перед обработкой на фрезеровочном станке для резки зубьев подвергают дополнительному термическому воздействию для повышения механических свойств. Также перед закаливанием металла заготовки зубчатых колес могут обрабатываться шевингованием.

Вопрос №13

Натяжение ремня можно осуществлять:

1) с использованием упругости ремня назначением соответственно меньшей его длины или укорочением при сшивке;   2) то же — перемещением одного вала (табл. 2, схемы а и б — перемещением электродвигателя по салазкам или поворотом плиты), оттяжным (схема в) или натяжным (схема г) роликом;   3) автоматически силой тяжести качающейся системы (табл. 2, схема з), или пружиной, действующей на качающуюся систему (табл. 2, схема и), или гидроцилиндром;   4) автоматически реактивным моментом, действующим на двигатель (табл. 2, схема ж) или редуктор  (табл. 2, схема е).   При первом способе натяжение устанавливается по наибольшей нагрузке с запасом на вытяжку ремня, что сокращает ресурс ремня; при втором способе запас на вытяжку меньше; при третьем — он не требуется; при четвертом — натяжение изменяется в зависимости от нагрузки и ресурс ремня наибольший.   Передачи по схемам 2, 8 и 9 табл. 1 и все передачи с автоматическим натяжением нереверсивны.

1. Схемы ременных передач

Передачи с одним ведомым валом
с параллельными осями валов		с непараллельными осями валов
с одинаковым направлением вращения	с обратным направлением вращения
Передачи с несколькими ведомыми валами
Примечания: 1. Схемы 1, 3, 5 — передачи с двумя шкивами; схемы 2, 4, 6, 7, 8, 9 — передачи                              с натяжными или направляющими роликами.                          2. Обозначения: вщ — ведущий шкив; вм — ведомый шкив: HP — натяжной                              или направляющий ролик