2.4. Фрикционные передачи

ВИДЫ ФРИКЦИОННЫХ ПЕРЕДАЧ И ВАРИАТОРОВ. Фрикционная пере­дала относится к передачам трением с непосредственным касанием катков. Наиболее важным вопросом этой темы является понятие о контактных напряжениях сжатия σ_Η и их расчёте, поскольку эти напряжения используются и при расчёте других видов передач.

Простейшая фрикционная передача (рис. 29) состоит из двух соприка­сающихся между собой катков, прижатых друг к другу силой F_n. Область при­менения фрикционных передач: колесо - рельс, колесо - полотно дороги (рель­совый и безрельсовый транспорт), кинематические схемы приборов и др. Часто фрикционные передачи применяют в вариаторах.

Преимущества фрикционной пе­редачи: простота конструкции, бес­шумность при работе, возможность бесступенчатого регулирования пере­даточного отношения (вариаторы).

Недостатки: неизбежное упругое (а иногда и геометрическое) проскаль­зывание катков, большая нагрузка на валы и опоры, необходимость нажимного устройства.

Рис.29. Схемы фрикционных передач:

а - цилиндрической, б - конической

Вариатор - передача с плавно изменяемым (регулируемым) передаточ­ным отношением. Вариаторы используют в станкостроении, химической про­мышленности, в том числе - при производстве бумаги. Некоторые схемы фрикционных вариаторов представлены на рис. 30. Критерии выбора вариаторa: надёжность, мощность (до 30 кВт), частота вращения ведомого вала, габа­риты, масса, КПД и диапазон регулирования Д = п_2max ! n_2min = ω_2max / ω_2min. Обычно Д = 3...4.

Рис. 30. Схемы фрикционных вариаторов: а - дискового, б - лобового, в - конусного, г - торового

Кинематика и геометрические параметры фрикционной передачи.

d₂ Кинематика передачи: , где ε = 0,005...0,050 - коэффициент скольжения катков. При работе передачи различают скольже­ние: упругое (происходит всегда) и геометрическое (зависит от формы катков). Геометрические параметры передачи: диаметры катков d₁ и d₂, межосевое расстояние а, ширина катков b, углы α₁ и α₂ пересечения осей в конической передаче.

ОСНОВЫ РАСЧЁТА НА ПРОЧНОСТЬ ФРИКЦИОННЫХ ПЕРЕДАЧ. При ра­боте передачи происходит разрушение поверхностей катков в виде усталостно­го выкрашивания от контактных напряжений σ_Н, изменение размеров катков в результате изнашивания от сил трения. Первоначальный контакт (без приложе­ния силы F_n) двух цилиндров с параллельными осями происходит по линии, т.е. по образующей цилиндров, а при сжатии цилиндров (рис. 31) нормальной си­лой F_n в результате упругих деформаций переходит в контакт по поверхности, т.е. по площадке шириной 2b и длиной l.

Для случая сжатия двух цилиндров можно воспользоваться формулой Г. Герца (H.Hertz. 1857...1894 гг.), которую талантливый немецкий физик- экспе­риментатор в 1881 г. предложил для определения максимального значения контактных напряжений.

Условие предотвращения усталостного выкрашивания стальных катков

.

В этой формуле: F_n/l - расчётная удельная нагрузка на единицу дли­ны площадки контакта, Н/мм; - приведённый модуль упругости материалов катков, имеющих модули упругости E₁ и Е₂, для стальных катков Е_пр = 2-10⁵ МПа;

- приведённый радиус кривизны контактирующих катков.

Требования к материалам фрикционных катков: высокая по­верхностная прочность и износостойкость большой коэффициент трения и модуль упругости.

Рис.31. К определению контактных напряжений сжатия

Для изготовления катков фрикционных передач широко применяют легированные стали, чугуны и неметаллические материалы, напри­мер, текстолиты. Допускаемые напряжения [σ_Н] зависят от марки и твёрдости материала катков. Так, для катков из стали 18ХГТ, закалённой до твёрдости Н = 59...63 HRC_э, [σ_Н] = 800...1200 МПа, для катков из текстолита [σ_Н] = 80...100 МПа.

Сила F_n прижатия катков в зависимости от передаваемой нагрузки F_t составляет

, где К = 1,3...1,5 - коэффициент запаса; f— коэффициент трения между катками; f = 0,04...0,05 — стальные катки при работе со смазкой; f = 0,15...0,20 - сталь по стали или чугуну при работе без смазки; f = 0,20...0,30 - сталь по текстолиту при работе без смазки.

Записанное выше условие σ_Н ≤ [σ_Н] для предотвращения усталостно­го выкрашивания рабочих поверхностей фрикционных катков удобно исполь­зовать для проверочного расчёта передачи. Для выполнения проектировочного расчёта формулу Герца преобразуют, принимая за искомый параметр диаметр катка d или межосевое расстояние а.

Например, для лобового вариатора (см. рис. 30, б) со стальными катками в формулу Г. Герца подставляют: нормальную силу прижатия

длину площадки контакта l = b = ψ_bd∙d₁ (поскольку ψ_bd = b/d₁) и величину приведённого радиуса кривизны 1/ρ_пр, в нашем случае

Затем приравнивают действующие напряжения к допускаемым напряже­ниям и возводят обе части равенства в квадрат. Из полученного равенства

, путём математических преобразований, находят выражение для расчёта диа­метра ведущего катка вариатора d₁, мм, . Здесь N, - в кВт; Е_пр = 2∙10⁵ МПа; n₁ - в об/мин; ψ_bd = 0,2...0,6.