Глава 3.6 Фрикционные передачи

Цель – изучение конструкции, области применения, достоинств и недостатков фрикционных передач, уяснение конструктивных схем фрикционных вариаторов, умение выполнять кинематические, геометрические, силовые и прочностные расчеты этих передач.

Фрикционными называют передачи, у которых крутящий момент передается за счет сил трения, возникающих в зоне контакта двух вращающихся жестких тел, прижатых друг к другу с заданным усилием . Усилие прижатия создается за счет использования упругих элементов различного вида пружин или подвешенного на рычаге груза. Фрикционные передачи с постоянным передаточным отношением называют нерегулируемыми, а с переменным – вариаторами. К преимуществам фрикционной передачи относится простота конструкции, бесшумность в работе, предохранительные свойства, удобство в изменении передаточного числа. К недостаткам следует отнести непостоянство передаточного числа за счет износа и взаимного проскальзывания катков, наличие прижимных устройств и значительные нагрузки на опоры.

В машиностроении находят применение фрикционные цилиндрические и конические передачи (рис. 3.36). Широко используют также фрикционные вариаторы, позволяющие плавно изменять передаточное число в некотором интервале. Конструкция лобовых, конических, сферических и ременных вариаторов приведена на рис. 3.37.

Лобовые вариаторы широко используются благодаря простоте конструкции, возможности обеспечения реверсивного вращения колес за счет перемещения ведущего колеса вправо или влево относительно центра ведомого колеса. К недостаткам лобового вариатора относятся большой износ ведущего колеса из-за разности линейных скоростей ведущего и ведомого колес в контактирующих точках А и Б зоны касания и невысокий КПД.

Фрикционные вариаторы применяются в станкостроении, приборостроении, машиностроении, когда требуется обеспечить плавность движения и безударное переключение на ходу.

Максимальная передаваемая мощность во фрикционных передачах не превышает нескольких киловатт.

Рис. 3.36 Фрикционные передачи:  цилиндрическая

внешнего зацепления,  коническая

К материалам фрикционных колес предъявляются требования высокой износостойкости, прочности и повышенное значение коэффициента трения на соприкасающихся поверхностях с целью уменьшения силы взаимного прижатия.

Рис. 3.37 Схемы фрикционных вариаторов:  лобового, конического, сферического, ременного

Колеса, выполненные из закаленной стали, имеют наименьшие габариты и высокий КПД передачи, однако требуют высокой точности изготовления и сборки. Находят применение колеса из стали типа ШХ15, 18ХГТ, работающие, как правило, в масле. Применяют колеса, изготовленные из материалов сталь-пластмасса (текстолит), работающие без смазки и обеспечивающие большой коэффициент трения на контактирующих поверхностях. Используются обрезиненные колеса, обеспечивающие высокий коэффициент трения и, следовательно, требующие незначительного усилия взаимного прижатия.

Расчеты фрикционных передач

Передаточное отношение для простой фрикционной передачи с учетом взаимного проскальзывания колес найдется из соотношения:

где ,– диаметры колес;

–коэффициент скольжения.

Передаточное число вариатора находится по аналогичному соотношению и изменяется от минимального значения до максимального. Диапазоном регулирования вариатора называют величину, значение которой для лобовых вариаторов не превышает. С увеличением значенийрастет проскальзывание, износ и снижается КПД.

Условие эффективной работы фрикционной передачи заключается в том, чтобы окружная сила была меньше силы трениямежду колесами (рис. 3.36).

С учетом коэффициента запаса по сцеплению колес силовое соотношение запишется в виде:

где – сила взаимного прижатия колес,

f – коэффициент трения:

(сталь по стали в масле f = 0,04…0,05;

сталь по стали без смазки f = 0,15…0,2;

сталь по текстолиту f = 0,2…0,3).

Коэффициент полезного действия фрикционных вариаторов зависит от потерь на взаимное проскальзывание и потерь в опорах катков и изменяется в интервале  = 0,7…0,9.

Расчет на прочность фрикционных передач заключается в определении контактных напряжений в зоне соприкосновения рабочих поверхностей. При работе колес в масле происходит усталостное выкрашивание поверхностей, а в передачах без смазки происходит износ рабочих поверхностей. В случае буксования колес возможен задир поверхностей. При соприкосновении колес по линии контакта расчетные контактные напряжения определяются по формуле Герца ,

где – сила прижатия колес, b – длина линии контакта,

–приведенный модуль упругости, – модули упругости материала колес,

–приведенный радиус кривизны колес,

–

для цилиндрических колес,

–для конических колес,

–половина угла при вершине конусов конических колес.

Подставляя указанные параметры в формулу для контактных напряжений, можно определить также значения диаметра меньшего колеса , или межосевое расстояниепри заданных значениях допускаемых контактных напряжений:

= 1000 – 1200 МПа – для стальных закаленных колес с HRC60,

= 80 – 100 МПа - для текстолитовых колес без смазки.

Задаваясь отношением можно определить диаметр d₁ меньшего колеса фрикционной передачи. Для цилиндрической передачи диаметр d₁ меньшего колеса равен

Для конической фрикционной передачи значение диаметра на среднем радиусе d_1ср равно

Коэффициент ширины фрикционных колес можно принять:

 = 0,8 – 1,2 -для закрытых передач,

 = 0,2 – 0,6 - для открытых.

Проверочный расчет по контактным напряжениям сжатия фрикционных колес проводится по формуле