Что называют фрикционной передачей

Что называют фрикционной передачей

Лекция 9. Фрикционные передачи.

Основные понятия. Классификация, достоинства и недостатки

Фрикционная передача — механическая передача, служащая для пере­ дачи вращательного движения (или для преобразования вращательного движе­ ния в поступательное ) между валами с помощью сил трения, возникающих между катками, цилиндрами или конусами, насаженными на валы и при­жимаемыми один к другому.

Фрикционные передачи состоят из двух катков (рис.9.1): ведущего 1 и ведомого 2, которые прижимаются один к другому силой (на рисунке — пружиной), так что сила трения в месте контакта катков достаточна для передаваемой окружной силы .

Рис.9.1. Цилиндрическая фрикционная передача:

1 — ведущий каток; 2 — ведомый каток

Условие работоспособности передачи:

(1)

Нарушение условия (1) приводит к буксованию и быстрому износу катков. Для того чтобы передать заданное окружное усилие , фрикционные катки надо прижать друг к другу усилием так, чтобы возникающая при этом сила трения была бы больше силы на величину коэффициента запаса сцепления , который принимают равным = 1,25. 2,0.

Значения коэффициента трения между катками в среднем:

— сталь или чугун по коже или ферродо насухо f = 0,3;

— то же в масле f = 0,1;

— сталь или чугун по стали или чугуну насухо f = 0,15;

— то же в масле f = 0,07.

Подставив эти значения в уравнение, можно убедиться в том, что усилие прижатия фрикционных катков во много раз превышает передаваемое окружное усилие.

Фрикционные передачи классифицируют по следующим признакам:

— с нерегулируемым передаточным числом (рис.9.1-9.3);

— с бесступенчатым (плавным) регулированием передаточного числа (вариа­торы).

Рис.9.2. Цилиндрическая фрикци­ онная

передача с катками клинча­ той формы

Рис.9.3. Коническая фрикционная передача

2. По взаимному расположению осей валов:

— цилиндрические или конусные с параллельными осями (рис.9.1, 9. 2);

— конические с пересекающимися осями (рис.9.3).

3. В зависимости от условий работы:

— открытые (работают всухую);

— закрытые (работают в масляной ванне).

В открытых фрикционных передачах коэффициент трения выше, прижимное усилие катков F_n меньше. В закрытых фрикционных передачах масляная ванна обеспечивает хороший отвод тепла, делает скольжение менее опасным, увеличивает долговечность передачи.

4. По принципу действия:

5. Различают также передачи с постоянным или автоматическим регулируемым прижатием катков, с промежуточным (паразитным) фрикционным элементом или без него.

Достоинства фрикционных передач:

— простота конструкции и обслуживания;

— плавность передачи движения и регулирования скорости и бесшумность работы;

— большие кинематические возможности (преобразование вращатель­ного движения в поступательное, бесступенчатое изменение скоро­сти, возможность реверсирования на ходу, включение и выключение передачи на ходу без остановки);

— отсутствие мёртвого хода при реверсе передачи;

— равномерность вращения, что удобно для приборов;

— возможность бесступенчатого регулирования передаточного числа, причем на ходу, без остановки передачи.

Недостатки фрикционных передач:

— непостоянство передаточного числа из-за проскальзывания;

— для открытых передач сравнительно низкий КПД;

— большое и неравномерное изнашивание катков при буксовании;

— необходимость применения опор валов специальной конструкции с прижимными устройствами (это делает передачу громоздкой);

— большие нагрузки на валы и подшипники от прижимной силы , что увеличивает их размеры и делает передачу громоздкой. Этот недостаток ограничивает величину передаваемой мощности;

— большие потери на трение.

Основные геометрические параметры фрикционной передачи:

D ₁ и D ₂ — диаметры ведущего и ведомого катков;

а — межосевое расстояние;

Рис.9.4. Геометрические параметры фрикционных передач

Если допустить, что во фрикционной передаче скольжение отсутствует, то окружные скорости катков бу­дут равны, т. е. . Для передачи, пока­занной на рис.1:

; .

Приравнивая правые части равенств, по­лучим или . Отсюда

,

где — передаточное число.

В действительности скольжение между катками есть, т. е. . Величина скольжения оценивается коэффициентом скольжения ; = 0,005 ÷ 0,03 (здесь — теоретическая угловая скорость).

Передаточное отношение фрикционной передачи с учетом скольжения

.

КПД фрикционных передач зависит от следующих потерь:

— связанных с использованием катков, имеющих формы, не позволяю­щие им перекатываться один по другому без проскальзывания; это отчетливо видно, например, в передаче с клиновыми катками и лобовом вариаторе;

— проскальзывания, обусловленного масляной пленкой на рабочих по­верхностях и т. д.;

— трения качения, вызванного деформацией поверхностей катков в зоне контакта;

— в подшипниках. Потери в подшипниках зависят от величины нагрузки на валы, которая определяется прижимным усилием F .

КПД фрикционной передачи определяют по формуле

где — сумма относительных потерь.

Для закрытых фрикционных передач = 0,88 – 0,93, для открытых = 0,68 – 0,86.

Фрикционную передачу с параллельными осями валов и с рабочими по­верхностями цилиндрической формы называют цилиндрической. Простейшая фрикционная передача с гладкими катками и постоянным передаточным числом показана на рис.9.1.

В некоторых случаях применяется цилиндрическая фрикционная передача с катками клинчатой формы (см. рис.9.2).

В передачах с клинчатыми катками при данной силе F_r прижатия одно­го катка к другому нормальные силы между рабочими поверхностями, a следовательно, и силы трения значительно больше, чем в передачах с гладкими катками (тем большие, чем меньше угол клина).

Это позволяет снизить в передачах с клинчатыми катками силу F_r в 2—3 раза.

Число клиновых выступов для катков принимают равным z = 3-5 (рис.9.5). При z > 5 условие равномерного прилегания всех рабочих по­верхностей таких катков ухудшается.

Рис.9.5. Катки клинчатой передачи

б — выпуклые катки: в — выпукло-вогнутые катки

Геометрические параметры передачи (см. рис. 9.4).

.

Диаметр ведущего катка

.

Диаметр ведомого катка

.

Рабочая ширина обода катка

,

Для компенсации неточности монтажа на практике ширину малого катка (см. рис.9.1) принимают, мм :

.

Для обеспечения работоспособности фрикционных передач необходи­мо прижать катки (см. рис.9.4) силой нажатия таким образом, чтобы со­блюдалось условие (1), т. е.

где — максимальная сила трения; — передаваемая окружная сила; — коэффициент трения (выбирается по табл.1). Отсюда сила нажатия или

, (2)

По схеме, показанной на рис.9.4,

. (3)

Подставив формулу (3) в формулу (2), определим силу нажатия

.

В первом случае сила прижатия, осуществляемая обычно с помощью пружин, в процессе pa боты изменена быть не может; во втором случае сила прижатия изменяется с изменением нагрузки, что положительно, сказывается на качественных характеристиках передачи. Однако применение специальных нажимных устройств (например, шариковое самозатягивающее устройство) усложняет конструкцию.

Один каток к другому может быть прижат:

— предварительно затянутыми пружинами (в передачах, предназначен­ных для работы при небольших нагрузках);

— гидроцилиндрами (при передаче больших нагрузок);

— собственной массой машины или узла;

— через систему рычагов с помощью перечисленных выше средств;

— центробежной силой (в случае сложного движения катков в плане­тарных системах).

Скольжение во фрикционных передачах

Скольжение является причиной износа, уменьшения КПД и непостоянства передаточного отношения во фрикционных передачах. Различают три вида скольжения: буксование, упругое скольжение, геометрическое скольжение.

Буксование наступает при перегрузках, когда не соблюдается условие (1). При буксовании ведомый каток останавливается, а ведущий скользит по нему, вызывая местный износ или задир поверхности.

Нарушение геометрической формы и качества поверхности катков выводит передачу из строя. Поэтому при проектировании следует принимать достаточный запас сцепления К и не допускать использования фрикционной передачи в качестве предохранительного устройства от перегрузки.

Упругое скольжение связано с упругими деформациями в зоне контакта. Величина этого скольжения невелика и обычно не превышает 0,2% для стальных катков и 1% для текстолита по стали. Это можно объяснить на примере цилиндрической передачи. Если бы катки были абсолютно жесткими, то первоначальный контакт по линии оставался бы таким и под нагрузкой. При этом окружные скорости по линии контакта равны и скольжения не происходит. При упругих телах первоначальный контакт по линии переходит под нагрузкой в контакт по некоторой площадке. Равенство окружных скоростей соблюдается только в точках, расположенных на одной из линий этой площадки. Во всех других точках происходит скольжение.

Примером геометрического скольжения могут служить фрикционные передачи с клинчатыми катками.

Явление, где на сопряжённых поверхностях векторы линейных скоростей в одних и тех же точках различны, что связано с геометрией формы, принято называть геометрическим скольжением. Его следует избегать, однако это не всегда удаётся.

Широкое применение нашли фрикционные вариаторы, работающие в масле. Хотя при этом коэффициент трения ниже и сила прижатия больше, однако скольжение в этом случае менее опасно: наличие масла уменьшает износ, способствует лучшему охлаждению катков, приближая условия работы катков к работе зубьев зубчатой закрытой передачи.

Фрикционную передачу с пересекающимися валами и катками, рабо­чие поверхности которых конические, называют фрикционной конической пе­редачей. На рис. 9.8 показана фрикционная коническая передача с нерегу­лируемым передаточным числом. Ее устройство аналогично цилиндриче­ской фрикционной передаче. Прижимной каток конической передачи обычно меньший, так как при этом необходима меньшая сила нажатия. Угол между осями валов (рис. 9.8) может быть различным. Как правило, межосевой угол передачи

,

где — угол при вершине конуса ведущего катка; — угол при вершине конуса ведомого катка. Для нормальной работы передачи необходимо, что­бы общая вершина конусов лежала в точке пересечения геометрических осей валов. Коническая фрикционная передача может быть нереверсивной (чаще) и реверсивной. Ее применяют для передачи небольшой мощности (до 25 кВт).

Геометрические параметры конической фрикционной передачи (см. рис. 9.8).

Передаточное отношение: .

Рис.9.8. Геометрические параметры конической фрикционной передачи

1. Внешнее конусное расстояние

(4)

Среднее конусное расстояние ; т — индекс среднего сечения.

2. Внешний диаметр ведущего катка

или

3. Диаметр ведомого катка

или

4. Длина линии контакта

,

5. Ширина обода катка

; .

6. Средний диаметр ведущего катка

7. Средний диаметр ведомого катка

,

отсюда .

Подставив в формулу (4) значение , получим

Фрикционный механизм, предназначенный для бесступенчатого регу­лирования передаточного числа, называют фрикционным вариатором или про­сто вариатором.

Вариаторы можно разделить на следующие группы: клиноременные, цепные и фрикционные.

В данном разделе рассмотрим только фрикционные вариаторы.

Фрикционные вариаторы нашли применение в приводах с малыми габаритами — в станках и транспортных машинах. При рациональном конструировании и тщательном изготовлении они имеют наиболее высокий КПД — до 0,95. Однако надлежащее качество исполнения их возможно только на специализированных заводах.

Вариаторы разделяются на два основных типа:

Вариаторы выполняют в виде отдельных одноступенчатых механизмов с непосредственным касанием катков без промежуточного диска (см. рис.9.9) или с промежуточным диском (см. рис.9.10 и 9.11).

Предельные передаточные отношения вариатора, будут

и

где D ₁, d ₁ и D ₂, d ₂ — наибольший и наименьший диаметры ведущего и ведомого колеса; — коэффициент скольжения, который зависит от типа и конструкции передачи.

Основной кинематической характеристикой вариатора является диапазон регулирования угло­вой скорости (передаточного числа) ведомого вала при постоянной угловой скорости ведущего вала:

Скольжение снижает угловую скорость ведомого вала, но на диапазон регулирования не влияет. В простых вариаторах передаточное отношение:

В сложных вариаторах передаточное отношение:

В сложных вариаторах передаточное отношение может принимать значения, равные:

Диапазон регулирования равен квадрату максимального передаточного отношения. Это значительно расширяет область применения сложных вариаторов.

Лобовые вариаторы (см. рис.9.9). Н аиболее просты, но из-за значительной величины геометрического скольжения уступают вариаторам других конструкций по КПД и износостойкости. Диапазон регулирования Д= D ₂/ d ₂ малых d ₂ значительно возрастают скольжение, износ и падает КПД. Лобовые вариаторы нашли применение в маломощных передачах приборов.

,

здесь не учитывается проскальзывание кат­ков, поэтому равенство приближенное.

Рис.9.9. Лобовой вариатор: 1 — ведущий каток; 2 — ведомый каток

Лобовой вариатор позволяет изменять направление и частоту вращения ведомого вата, останавливать его на ходу без выклю­ чения привода.

При этом изменяются радиусы R ₁ и R ₂ чашек 1 и 2, т. е. ; . Отсюда

.

Для торовых вариаторов диапазон регулирования

.

Такая схема вариатора характеризуется малым геометрическим скольжением, что является основным преимуществом торового вариатора, позволяющим повысить КПД до 0,95. Для прижатия тел качения применяют обычно шариковое нажимное устройство, при котором чашка 1 связана с валом при помощи двух или трех шариков, помещенных в гнездах клиновидной формы. Если вал привести во вращение, то он сместится по отношению к чашке на некоторый угол, выжмет шарики, создаст необходимую силу нажатия. Такое устройство обеспечивает величину силы нажатия в соответствии с изменением нагрузки. В СНГ торовые вариаторы нормализованы для мощностей от 1,5 до 20 кВт при Д от 6,25 до 3. Материал тел качения — закаленная сталь по закаленной стали в масле или сталь по текстолиту без смазки.

Рис.9.10. Торовый вариатор: 1 — ведущая торовая чашка;

2 — ведо­мая торовая чашка; 3 — диск; 4 — оси дисков; 5 — шарниры осей

Вариатор с коническими катками (см. рис.9.11). На ведущем и ве­ домом валу установлены катки 1 и 2 с рабочими поверхностями кониче­ ской формы. Вращение от ведущего катка 7 к ведомому 2 передается про­ межуточным диском 3 цилиндрической формы, свободно вращающимся на оси 4. Пружина 5 обеспечивает необходимую силу нажатия для нормаль­ ной работы вариатора. При перемещении промежуточного диска 3 вдоль оси 4 радиусы R ₁ и R ₂ ведущего 7 и ведомого 2 катков изменяются. В дан­ ной конструкции вариатора ; . Отсюда

.

Рис.9.11. Конусный вариатор: 1 — ведущий каток: 2 — ведомый каток:

3 — промежуточный диск: 4 — ось диска; 5 — пружина

Диапазон регулирования для вариаторов с коническими катками

.

Вопросы для самопроверки

— Кратко опишите работу катков фрикционной передачи при буксовании.

— Какие устройства называют вариаторами? Их назначение.

— Как классифицируют фрикционные передачи? Перечислите основные виды передач.

— Каковы достоинства и недостатки фрикционных передач?

— Какие материалы применяют для изготовления рабочих поверхностей фрикционных катков? Какими свойствами должны обладать эти материалы?

— Как обеспечивают прижатие катков фрикционных передач?

— Почему во фрикционных передачах непостоянное передаточное число?

— Как протекает процесс усталостного выкрашивания рабочих поверхностей катков закрытой передачи?

— Что такое заедание рабочих поверхностей катков? Как можно предупредить его?

— Что такое диапазон регулирования вариаторов и как его определяют?

— По перечисленным признакам классификации дайте характеристику пере­ даче, изображенной на рисунке.

— Укажите основные достоинства и недостатки фрикционной передачи, работающей в режиме пробуксовки катков.

— Можно ли рекомендовать фрикционную передачу для точных делитель­ных механизмов? Чем объяснить ухудшение качества звучания проигрывате­ля (звук «плывет») при нормальной работе всех его электронных блоков.

— Почему ведомый каток рекомендуют изготовлять из более износостойко­ го материала?

— Чем обусловлено скольжение в закрытой фрикционной передаче! Дайте определение передаточного числа . Запишите формулу передаточного числа при условии известных частот вращения ведущего и ведомого валов и .

— Чем объяснить, что КПД в закрытых передачах больше, чем в от­крытых?

— Объясните процесс усталостного выкрашивания рабочих поверхностей катков закрытых передач.

— Выведите формулу для определения диаметра ведомого катка.

— Опишите кратко устройство конической фрикционной передачи. Какой каток делается прижимным в конической фрикционной передаче?

— Зависит ли сила нажатия катков от коэффициента трения? Если да, то как? От каких геометрических параметров передачи зависит эта сила?

— Что является основной кинематической характеристикой вариатора? Дайте определение.

— Увеличится или уменьшится передаточ­ное отношение вариатора (см. рисунок), если малый каток перемещать к центру большого?

— В какое положение необходимо поставить промежуточный диск 3, чтобы передаточное число и было равно единице (см. рисунок)? Правильно ли пока­зано направление вращения ведомого катка у торового вариатора. Как клас­ сифицировать рассматриваемый вариатор по взаимному расположению осей валов.

— Дайте определение условию работоспособности фрикционной передачи.

— Как классифици­ ровать вариатор с коническими катками по взаимному расположению осей валов?

— Влияет ли размер диаметра промежуточного диска 3 на передаточное число (см. рисунок )?

— Передаточное число больше или меньше единицы при ус­тановке промежуточного диска 3, показанной на рисунке?

— Как классифицировать фрикционные передачи по принципу передачи движе­ния и способу соединения ведущего и ведомого звеньев?

2. Трением с непосредственным контактом

3. Передача с промежуточным звеном

4. Трением с гибкой связью

— Как называется деталь, обозначенная цифрой 2 на рисунке?

3. Промежуточный диск

— Можно ли применить фрикционную пе­редачу для изменения скорости привод­ных колес автомобиля, снегохода и т. д.

— Из какого материала изготовляют катки тяжелонагруженных быстроходных за­крытых фрикционных передач?

4. Из любого материала (сталь, чугун, бронза)

5. Текстолит, и другие неметаллические мате­риалы

— Как называется передача, показанная на рисунке?

1. Цилиндрическая фрикционная с гладкими катками

2. Клинчатая фрикционная

3. Коническая фрикционная

— Какой из указанных недостатков фрикционной передачи не дает возможность применения для точных делительных механизмов

1. Непостоянство передаточного отношения

2. Большие нагрузки на валы

4. Ограниченная величина окружной скорости

— Формула для определения диаметра ведомого катка цилиндрической фрикционной передачи

1)

2)

3)

4) .

1. Для увеличения КПД передачи

2. Для снижения пробуксовки катков при перегрузках

3. Для снижения коэффициента трения

— Как уменьшить межосевое расстояние а при проектировании фрикционной передачи (без увеличения размеров и нагруженности передачи)

1. Выбрать более прочный материал

2. Увеличить коэффициент К_с

3. Увеличить коэффициент f

4. Увеличить коэффициент

— Как называется передача, показанная на рисунке?

1. Цилиндрическая фрикционная передача

2. Лобовой вариатор

3. Торовый вариатор

4. Вариатор с коническими катками

— К каким передачам относятся вариаторы?

1. С нерегулируемым передаточным числом

2. С регулируемым передаточным числом

— В какое положение необходимо поместить ведущий каток 1 (см. рисунок), чтобы уве­личить угловую скорость ведомого катка 2?

1. Влево к оси вала катка 2

2. В правое крайнее положение

— Какое направление вращения будет иметь ведомый каток 2 (см. рисунок), если веду­щий каток 1 переместить влево (на рисун­ке показано штриховыми линиями)

1. По часовой стрелке

2. Против часовой стрелки

— Как назвать деталь, обозначенную цифрой 3 на рисунке?

3. Промежуточный диск

Адрес: Россия, 450071, г.Уфа, почтовый ящик 21

Источник