Допускаемые контактные напряжения [h] в мПа при начальном касании по линии

Сталь (при твердости  НВ 400) 2,8∙НВ

Сталь закаленная (при твердости HRC52) 18∙HRC

Чугун марок СЧ 15-32 – СЧ 24-44 1,5∙НВ

Высокопрочный чугун марок ВЧ 50-1,5; ВЧ 60-2 1,8∙НВ

Текстолит 80 – 100

Допускаемая удельная нагрузка [q], н/мм

Кожа 35 – 40

Дерево 15

Текстолит 50 – 60

Учет срока службы и переменности работы производится по аналогии с зубчатыми передачами.

Расчет фрикционных вариаторов

Лобовые и конусные вариаторы. Лобовые вариаторы изготавливаются как с непосредственным контактом ведущего колеса с ведомым, так и с промежуточным роликом (рис. 1, а, з). Конструктивно эти вариаторы наиболее просты и в свое время применялись больше, чем вариаторы других типов.

Максимальное и минимальное значение передаточного отношения

i_max = n₁ / n_{2 min}  d_{2 max} / d₁,

i_min = n₁ / n_{2 max}  d_{2 min} / d₁,

Диапазон регулирования

Д = n_{2 max} / n_{2 min} = i_max / i_min = d_{2 max} / d_{2 min}.

Практически диапазон регулирования ограничивают значениями Д  3. Это объясняется тем, что при малых d₂ возрастает скольжение и износ, а КПД понижается. Для повышения диапазона регулирования применяют двухдисковые лобовые вариаторы с промежуточным роликом (рис. 2.1, з). В этих вариаторах получают Д = 8…10.

Конусные вариаторы отличаются большим разнообразием схем и конструкций.

Торовые вариаторы. Торовые вариаторы могут выполняться с диаметрально (рис. 2.1, с, т) и хордально (рис. 2.1, у) расположенными роликами, причем и первые и вторые могут быть с симметричным (рис. 2.1, с, у), так и со смещенным в сторону редуцирования диапазоном регулирования (рис. 2.1, т). Рабочие поверхности ведущего и ведомого шкивов являются частью поверхностью тора.

Вследствие значительного геометрического скольжения вариаторы с диаметральным расположением роликов могут работать только в масле. Они изготавливаются на мощность до 15 кВт с Д = 6 (в специальном исполнении до Д = 10).

Более рациональны вариаторы с хордальным (рис. 2.5) расположением роликов. При надлежащем соотношении размеров геометрическое скольжение в них значительно меньше, чем в любой другой бесступенчатой передаче, и поэтому они допускают работу без смазки.

В этом виде вариаторе на ведущем и ведомом валах закреплены чашки 1 и 2, выполненные по форме кругового тора. Между чашками зажаты ролики 3. Изменение передаточного отношения достигают поворотом роликов вокруг оси О. Оси роликов закреплены в специальной раме так, что они всегда располагаются симметрично относительно оси чашек. Ошибки в расположении осей вызывают неравномерную нагрузку роликов, дополнительное скольжение и износ, снижают КПД. Условием минимума скольжения является, кроме того, минимальное отклонение вершин начальных конусов роликов от оси чашек.

Рис. 2.5 Схема торового вариатора с хордальным расположением роликов

Работу чашек с роликами можно рассматривать условно как обкатывание трех начальных конусов. При этом вершины конусов чашек (точки б и в) располагаются по оси валов, а вершина конуса ролика (точка а) занимает некоторое положение на дуге сс в зависимости от текущего значения передаточного отношения i. Работа без скольжения возможна только в случае, если вершины всех конусов сходятся в одной точке. Чем больше расхождение вершин, тем больше скольжение.

У торовых вариаторов скольжение удается свести к минимуму при соответствующих соотношениях геометрических параметров, например [2]:

r₀ = 1,4r; r₀ / r_max = 1,27…1,5;

r / r_max = 0,93…1,07; b / r_max = 0,14…0,23.

В этом заключается основное преимущество торового вариатора.

Недостатками его являются сложность конструкции, высокие требования к точности изготовления и монтажа.

Текущее значение передаточное отношении (без учета скольжения)

i = n₁ / n₂ = r₂ / r₁ = [r₀ – rcos( + )] / [r₀ – rcos(  )].

Предельные значения i определяют по предельным значениям угла отклонения роликов . При этом углы отклонения влево считают отрицательными. Вариатор имеет симметричную зону регулирования.

Для прижатия тел качения применяют обычно шариковое нажимное устройство 4, изменяющее силу F_n в соответствии с изменением нагрузки. Необходимую осевую силу F_n определяют из условия равновесия чашки:

(1)

Здесь учтено, что

F_n1 = KF_t / fm = KT₁ / fr₁m;

r₁ = r₀  rcos(  ),

где m – число роликов (обычно m = 2).

Максимальное значение F_n соответствует значению  = + _max, т.е. максимальному отклонению роликов вправо, или i_max. По F_{n max} определяют необходимый угол  в нажимном устройстве:

tg  = F_t1 / F_{n max} = T₁ / (r₃F_{n max}). (2)

Расчет по контактной прочности чашек и роликов выполняют по F_{n1 max}. Учитывая формулы (1) и (2), получаем

F_{n1 max} = T₁ / [mr₃tg sin(  _max)]

Значение F_{n1 max} соответствует также i_max.

Испытания показали достаточно высокие качества торовых вариаторов (малое скольжение, КПД до 0,95). Они нормализованы для мощностей 1,5…2,0 кВт при диапазоне регулирования 6,25…3. Материал тел качения – закаленная сталь по закаленной стали при смазке или сталь по текстолиту без смазки.

Текстолитовыми выполняют ободы роликов. Применение текстолитовых роликов, как более податливых, позволяет снизить высокие требования к точности изготовления вариаторов.

Многодисковые вариаторы. В многодисковых вариаторах на ведомом валу (рис. 2.6) располагается пакет отбуртованных дисков с конической рабочей поверхностью шириной b и постоянным средним диаметром d₂. В промежутки между отбуртованными дисками входят конические диски ведущих пакетов с переменным диаметром d₁.

Рис. 2.6 Схема многодискового вариатора

Передача выполняется многопоточной: с одним центральным пакетом контактирует одновременно от трех до шести периферийных пакетов.

Пренебрегая влиянием конусности дисков, сила прижатия F_n

F_n = KF_t / (fmc) = 2KT₁ / (fr₁md₁),

где m – число мест контакта, равное удвоенному числу ведущих дисков (выполняют m = 18…42 и более); c – число ведущих валов 1 (рис. 2.6)

Перпендикулярное расположение начальной контактной линии к направлению окружной скорости дисков в сочетании с малой кривизной рабочих поверхностей способствует надежному образованию тонких разделительных пленок смазки на площадках контакта, что существенно уменьшает износ и нагревание фрикционных пар.

Установлено [2], что взаимодействие фрикционных тел в многодисковом вариаторе происходит в условиях жидкостного трения при наличии между ними масляной прослойки толщиной в несколько микрометров. И только при работе на малых радиусах конусных дисков, чему соответствует передача максимальных крутящих моментов, наибольшие контактные напряжения и приведенная кривизна рабочих поверхностей, указанное трение при возможных перегрузках становится граничным.

Относительно небольшие нагрузки в контакте и наличие разделительной масляной пленки делают значительное геометрическое скольжение неопасным.

Подвергнутые термообработке до твердости HRC 56…60 фрикционные диски оказываются весьма износостойкими и долговечными.

Выполняют вариатор мощностью до 40 кВт с диапазоном регулирования до 4,5 при КПД 0,8…0,9.