3.7.2. Фрикционные передачи

Общие сведения

Фрикционными называют передачи, в которых движение между звеньями (телами) передается с помощью контактного трения. Простейшая передача (рис. 3.24) состоит из ведущего и ведомого катков (дисков, цилиндров или конусов), укрепленных на валах. Необходимая сила R_тр трения между катками для передачи вращающего момента достигается прижатием одного из них к другому нормальной силой F_r. Постоянное прижатие может обеспечиваться за счет предварительной деформации при сборке упругих элементов системы4 использование силы тяжести; предварительно затянутыми пружинами; гидроцилиндрами; за счет смещения опор валов и т.д.

Рис. 3.24

Условие работоспособности передачи: R_тр ≥ F_t,

где F_t = 2Т₁/d – передаваемая окружная сила. Нарушение условия приводит к буксованию и большому износу катков.

К материалам фрикционных катков предъявляются следующие требования: высокий модуль упругости, коэффициент трения и коэффициент теплопроводности; поверхностная прочность и износостойкость. Катки изготовляют из однородных или разнородных материалов. Ведомый каток целесообразно выполнять из более износостойкого материала. Исходя из этого, применяют следующие сочетания материалов: закаленные сталь по стали (стали ШХ15, 40ХН, 18ХГТ и др.) – для быстроходных закрытых силовых передач; чугун по чугуну или чугун по стали – для открытых тихоходных силовых передач; текстолит, фибра, резина, феррадо, кожа и др. по стали или чугуну – для малонагруженных передач. Передачи с металлическими рабочими поверхностями катков могут работать как со смазкой. Так и без смазки, а с неметаллическими – только без смазки.

По конструкции и назначению фрикционные передачи могут быть: цилиндрические (рис. 3.24), конические (рис. 3.25), сферические (шаровые). По кинематическому признаку фрикционные передачи вращательного движения делят на две основные группы: с условно постоянным передаточным отношением, т.е. нерегулируемые; с переменным передаточным отношением, т.е. регулируемые, которые называют вариаторами. Фрикционные вариаторы по конструкции весьма разнообразны: лобовые (рис. 3.26), конусные (рис. 3.27), дисковые, торовые и клиноременные.

Рис. 3.25

Рис. 3.26

Рис. 3.27

Достоинства: простота конструкции и обслуживания; плавность и бесшумность работы; возможность бесступенчатого регулирования передаточного отношения (изменения скорости).

Недостатки: непостоянство передаточного отношения из-за проскальзывания катков; большие давления на валы и опоры от силы прижатия катков; сравнительно низкий КПД (η = 0,7…0,95); повышенный и зачастую неравномерный износ катков; ограниченность передаваемых мощностей (открытые – для 20 кВт; закрытые – до 300 кВт). Фрикционные передачи с постоянным передаточным отношением в силовых передачах применяют редко (прессы, молоты, лебедки и т.п.). В основном они применяются в кинематических цепях приборов и аппаратов, где требуется плавность и бесшумность работы (спидометры, магнитофоны, лентопротяжные устройства и др.). Вариаторы применяют как в кинематических, так и силовых передачах когда требуется бесступенчатое регулирование скорости (станки, приборы, линейные машины, счетно-решающие машины и др.).

Кинематика и усилия

при работе фрикционной передачи окружная скорость υ₂ ведомого катка несколько меньше скорости υ₁ ведущего катка из-за их взаимного проскальзывания, т.е. υ₂ < υ₁.

Влияние проскальзывания учитывают коэффициентом скольжения

ε = (υ₁ – υ₂)/ υ₁. (3.70)

Его величину определяют экспериментально, обычно ε = 0,01…0,05. Так как υ₁ = ω₁d₁/2; υ₂ = ω₂d₂/2, то передаточное отношение цилиндрической фрикционной передачи

ί = ω₁/ω₂ = n₁/n₂ = d₂/[d₁(1- ε)]. (3.71)

Приближенно (без учета скольжения) ί = d₂/d₁.

Для силовых передач ί ≤ 10. Для конических передач

d₂ = 2 R_esinδ₂, d₁ = 2R_esinδ₁,

и тогда

ί = sin δ₂/ [(1 – ε)sinδ₁], (3.72)

где δ₁ и δ₂ – углы наклона образующих конусов к оси.

Передаточное отношение лобового вариатора (рис.5.4) изменяется от ί_min до ί_max:

ί_min = ω₁/ω_{2 max} = n₁/n_{2 max} = R_{2 max}/R₁;

ί_max = ω₁/ω_{2 min} = n₁/n_{2 min} = R_{2 min}/R₁.

Основной кинематической характеристикой любого вариатора является диапазон регулирования передаточного отношения:

D = ω_max/ω_min = n_max/n_min = ί_max/ί_min. (3.73)

Практически D ≤ 3. С увеличением D значительно уменьшается КПД и предельная передаваемая мощность.

Усилия в передачах. Для преодоления момента сопротивления (внешней нагрузки) на ведомом катке диаметром d₂ требуется полезная окружная сила F_t = 2T₂/d₂ ≤ R_тр, где R_тр = f F_r - сила трения на площадке контакта катков. Здесь f – коэффициент трения качения.

Необходимое усилие прижатия катков

F_r ≥ KF_t/ f = 2KT₂/ (fd₂), (3.74)

где К – коэффициент запаса сцепления (в силовых передачах К = 1,25…1,5, в приборах – К = 3…5).

Усилия прижатия катков конической передачи

F_r ≥ KF_t sinδ₁/ f. (3.75)

Работоспособность передач

Основным фактором, определяющим качество фрикционной передачи, является скольжение, которое является причиной износа, уменьшения КПД и непостоянства передаточного отношения.

При работе наблюдаются следующие виды разрушения рабочих поверхностей катков: усталостное выкрашивание под действием переменных контактных напряжений σ_Н (для металлических катков, работающих в масле); износ катков, пропорциональный σ_Н и коэффициенту трения f (для передач без смазки). Поэтому основными критериями работоспособности фрикционных передач являются контактная прочность и износостойкость.

Условие контактной прочности

σ_Н ≤ [σ_Н ]. (3.76)

Формула проверочного расчета по контактным напряжениям записывается в виде

σ_Н = 0,418 [σ_Н], (3.77)

где Е_пр = 2Е₁Е₂/(Е₁+Е₂) – приведенный модуль упругости.

При проектировочном расчете определяется межосевое расстояние

а = (i +1) , (3.78)

где ψ_ва = в/а = 0,2…0,4 – коэффициент ширины катков по межосевому расстоянию.

Диаметры катков находятся по формулам:

d₁ = 2a/(i+1), d₂ = d₁i (1 – ε).

Значение [σ_Н] принимают: для металлической пары при работе в масле [σ_Н] = (2,5…3) НВ, при работе всухую [σ_Н] = (1,2…1,5) НВ.

Условие износостойкости передач, у которых поверхность хотя бы одного катка неметаллическая, записывается в виде

q ≤ [q], (3.79)

где [q] – допускаемая удельная нагрузка, выбираемая по таблице.