ОПМ / ЛекцииДеталиМашин_1 / Лекция 6. Фрикц. пер

ФРИКЦИОННЫЕ ПЕРЕДАЧИ

Общие сведения.

Во фрикционной передаче вращательное движение от ведущего катка к ведомому передается силами трения, которые возникают в месте контакта двух прижатых друг к другу катков.

Условия передачи заданной нагрузки. R_f > F_t

где F_t - передаваемое окружное усилие; R_f = fF_r - сила трения в месте контакта катков; F_r - прижимная сила

Для создания требуемой силы трения R_f катки прижимают друг к другу силой F_r , которая во много раз превышает силу F_t (при коэффициентах трения от 0,3 до 0,05 сила прижатия превосходит силу не менее чем в 3 …20 раз

Фрикционные передачи работают с небольшим упругим скольжением, вызываемым упругими деформациями поверхностных слоев.

Классификация передач: В зависимости от назначения

• с нерегулируемым передаточным числом;

• - бесступенчатым (плавным) регулированием передаточного числа – вариаторы.

В зависимости от взаимного расположения осей валов

• цилиндрические – оси параллельны;

• конические – пересекающиеся оси?

• лобовые – скрещивающиеся оси.

В зависимости от условий работы

• открытые – работают всухую;

- закрытые – работают в масляной ванне (Обеспечивается хороший теплоотвод, скольжение менее опасно, увеличивается долговечность передачи.

Достоинства:

1. Простая форма рабочих тел.

2. Плавность и бесшумность работы.

3. Возможность бесступенчатого регулирования передаточного числа, причем на ходу, без остановки передачи.

4. Возможность пробуксовки при перегрузках.

Недостатки:

1. Необходимость специальных прижимных устройств.

2. Большие нагрузки на валы и подшипники от прижимной силы, что требует увеличения размеров валов и подшипников. Ограничивае передаваемую мощность.

3. Непостоянное передаточное число из за проскальзывания катков.

4. Изнашивание рабочих поверхностей, возможность их повреждения.

Применение.

Передачи с постоянным передаточным числом используют при небольших нагрузках (приборы); реверсивные фрикц. передачи – винтовые прессы, самоходный транспорт (передачи колесо – рельс, колесо – дорожное полотно); вариаторы в металлорежущих станках, транспортирующих машинах, автомобилях

У большинства передач передаваемая мощность до 20 кВт, окружная скорость катков до 25 м/с.

Материалы катков

Должны иметь высокие коэффициент трения (для уменьшения силы прижатия); модули упругости Е (для уменьшения упругого скольжения и потерь при перекатывании), быть износостойкими и влагонепоглощающими.

Применяют сочетания материалов:

1. Закаленная сталь по закаленной стали (18ХГТ, ШХ15, 65Г) – для быстроходных закрытых передач. Высокие износостойкость и КПД, малые габариты; но требуют точного изготовления.

2. Текстолит, ретинакс или фибра по стали. Для слабонагруженных открытых передач.

3. Металлокерамика ФАБ-П по закаленной стали. Применяют в открытых силовых передачах.

Значения коэффициентов трения:

Сталь по стали (в масле) 0,04 … 0,05

Сталь по стали или чугуну (всухую) 0,15 … 0,18

Текстолит, ретинакс по чугуну или стали (всухую) 0,30 … 0,35

Металлокерамика по стали (всухую) 0,30 …0,35

Сталь по бронзе (периодическое смазывание) 0,08 … 0,10

В открытых передачах коэффициент трения выше, прижимная сила катков меньше.

Цилиндрическая фрикционная передача.

Скольжение. Окружная скорость ведомого катка несколько меньше скорости ведущего катка. Первоначальный контакт по линии υ₁ = υ₂ переходит под нагрузкой в следствии упругих деформаций в контакт по площади υ₁ > υ₂ (возникает скольжение).

Влияние скольжения учитываю при помощи коэффициента скольжения: ε = (υ₁ – υ₂)/υ₂

Буксование. Ведомый каток останавливается, а ведущий скользит.

Для предупреждения предуcматривают достаточный запас сцепления К

Передаточное число. Опоры ведомого вала выполнены подвижными (плавающими) в направлении линии центров и находятся под действием пружины сжатия, в следствии чего обеспечивается прижимная сила.F_r

В передаче с цилиндрическими катками

u = n₁/n₂ = D₂/[D₁(1 – ε)] ≈ D₂/D₁

где ε – коэффициент скольжения.

В силовых передачах u ≤ 7.

Геометрический расчет передачи

1. Межосевое расстояние a = (D₁ + D₂)/2 = D₁(u + 1)/2

Диаметр ведущего катка D₁ = 1a/(u + 1)

Диаметр ведомого катка D₂ = D₁u

Силы в передаче.

Должно соблюдаться условие F_f > F_t

Окружная сила F_t = 2 10³T₁/D₁

где Т₁ – в Н. м; D₁ - в мм.

Прижимная сила F_r = K F_t/f

где К = 1,25 … 2 – запас сцепления для силовых передач

Пример. Определить необходимую силу прижатия катков закрытой фрикционной цилиндрической передачи. Вращающий момент на ведомом катке T₁ = 135 Н.м. Материал обеих катков сталь . Диаметр ведущего катка D₁ = 270мм.

Решение. 1. Окружная сила

F_t = 2 10³T₁/D₁ = 2 10³ 135/270 = 1000H

2. Прижимная сила. Для закрытой передачи (при работе в масляной ванне) = 0,05. При коэффициенте запаса сцепления К = 1,4

F_r = K F_t/f = 1?4 1000/0,05 = 28000H

В данном примере прижимная сила F_r больше окружной F_t в 28 раз.

Вариаторы

Назначение и характеристики.

Служат для плавного (безступенчатого) изменения на ходу частоты вращения ведомого вала при постоянной частоте вращения ведущего вала.

В качестве механизма главного движения применяют передачи различного типа – фрикционные, ременные, цепные. Их выполняют в виде отдельных механизмов с непосредственным контактом ведущего и ведомого катков или с промежуточным элементом (например, ремнем).

Одной из основных характеристик вариатора является диапазон регулирования: Д = n_{2 max}/n_{2 min} = u_max/u_min = R_max/R_min = u²_max

Практически все одноступенчатые вариаторы Д = 3 … 8

Вариаторы подбирают по каталогам и справочникам в зависимости от передаваемого вращающего момента, диапазона регулирования и частоты вращения ведущего вала.

Разновидности вариаторов. В зависимости от формы тел качения вариаторы бывают:

Лобовые – бесступенчатое изменение частоты вращения ведомого вала достигают перемещением малого катка вдоль вала, т.е. изменением радиуса R₂. Имеет интенсивный износ рабочих поверхностей и пониженный КПД вследствии разности скоростей на площадке контакта (геометрическое скольжение). Так как R₁ = const, то диапазон регулирования Д = R_{2 max}/R_{2 min}

Вариаторы с раздвижными конусами имеют наибольшее применение в машиностроении. Промежуточным элементом является широкий клиновой ремень или специальная цепь. Изменение частоты вращения ведомого вала достигается раздвижением ведущего и синхронным сближением ведомого конусных катков, т.е. изменением расчетных радиусов катков R₁ R₂

u_max = n₁/n_{2 min} ≈ R_{2 max}/R_{1 min} u_min = n₁/n_{2 max} ≈ R_{2 min}/R_{1 min}

Клиноременные вариаторы.

Стандартизированы. Диапазон регулирования Д ≤ 5. Передаваемая мощность до 50 кВт при КПД –0,8 … 0,9

Цепные вариаторы – компактнее и долговечнее. Обеспечивают постоянство передаточного числа. Применяют для мощностей до 30 кВт; Д ≤ 6; КПД 0,8 … 0,9

Торовые вариаторы состоят из двух соосных катков с тороидной рабочей поверхностью и двух промежуточных роликов. Регулирование частоты вращения производят поворотом роликов с помощью рычажного механизма, в результате чего изменяются радиусы контакта.

u = n₁/n₂ = R₂/R₁

Из всех вариаторов торовые наиболее компактны и совершенны, скольжение у них сведено к минимуму, КПД –до 0,95, диапазон регулирования Д до 6,3.

Многодисковые вариаторы состоят из пакетов ведущих и ведомых раздвижных конических тонких дисков, прижимаемых пружинами.

Диапазон регулирования Д до 4,5; КПД 0,8 … 0,9

Расчет на прочность и КПД фрикционной передачи

Основным критерием работоспособности является контактная прочность, определяемая по формуле Герца с учетом коэффициента Пуассона ν = 0,3 σ_H = 0,418

где - номинальная нагрузка на единицу длины контактной линии; Е_пр = 2Е₁Е₂/(Е₁ + Е₂) – приведенный модуль упругости;

ρ = R₁R₂/(R₁ + R₂) – приведенный радиус кривизны цилиндрических катков; [σ]_Н – допускаемое контактное напряжение менее прочного материала

Для всех случаев ,

где F_n - сила прижатия, нормальная к поверхности контакта;

m - коэффициент зависящий от формы тел качения

КПД оценивают экспериментально. Чаще η = 0,85 … 0,95

Пример.

Определить максимальную и минимальную частоты вращения вала ведомого катка, а так же силу прижатия катков к роликам торового вариатора, работающего в маслянной ванне. Диапазон регулирования

Д = 4; Минимальный радиус катка R_{1 min} = 45 мм; число роликов z = 2, Ведущий вал передает мощность Р₁ = 0,8 кВт при частоте вращения

n₁ = 927 мин^-1. Материал катков – сталь, закаленная до твердости

Н = 61 HRС

Решение: Определяем максимальные и минимальные передаточные числа, частоты вращения ведомого вала:

u_max = = 2 u_min = = 0,5

n_{2 max} = n₁u_max = 927 2 = 1854

n_{2 min} = n₁ u_min = 927 0,5 = 463

Вращающий момент на ведущем катке

T₁ = 9550P₁/n₁ = 9550 0,8/927 = 8,24 H.

Окружная сила на ведущем катке

F_t = 10³T₁/(zR_{1 min)} = 10³ 8,24/(2 45) = 92 H

Сила прижатия катков (принимаем К = 1,5; для закрытой передачи

f = 0,05) F_r = KF_t/f = 1,5 92/0,05 = 2760 H