Транскрипт

1 Раздел 9. Фрикционные передачи. Фрикционная передача механическая передача, служащая для передачи вращательного движения (или для преобразования вращательного движения 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.1): ведущего 1 и ведомого 2, которые прижимаются один к другому силой F r (на рисунке пружиной), так что сила трения в месте контакта катков достаточна для передаваемой окружной силы F t.

3 передача с катками клинчатой формы Рис.3. Коническая фрикционная передача 2. По взаимному расположению осей валов: — цилиндрические или конусные с параллельными осями (рис.1, 2); — конические с пересекающимися осями (рис.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: — нереверсивные (рис.1-3, 11 и 12); — реверсивные (рис.10). 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;

4 — большие кинематические возможности (преобразование вращательного движения в поступательное, бесступенчатое изменение скорости, возможность реверсирования на ходу, включение и выключение передачи на ходу без остановки); — за счет возможностей пробуксовки передача обладает предохранительными свойствами. Однако после пробуксовки передача, как правило, резко ухудшает свои качества — появляются лыски на катках, неравномерно срабатываются фрикционные поверхности и т.д. Поэтому использовать пробуксовку как предохранительное средство не рекомендуется; — отсутствие мёртвого хода при реверсе передачи; — равномерность вращения, что удобно для приборов; — возможность бесступенчатого регулирования передаточного числа, причем на ходу, без остановки передачи. Недостатки: — непостоянство передаточного числа из-за проскальзывания; — незначительная передаваемая мощность (открытые передачи — до квт; закрытые — до квт); — 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); — для силовых открытых передач незначительная окружная скорость ( 7-10 м/с); — 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. Применение. Фрикционные передачи с нерегулируемым передаточным числом в машиностроении применяются сравнительно редко, например, во фрикционных прессах, молотах, лебедках, буровой технике и т.п.). В качестве силовых передач они громоздки и малонадежны. Эти передачи применяются преимущественно в приборах, где требуется плавность и бесшумность работы (магнитофоны, проигрыватели, спидометры и т. п.). Они уступают зубчатым передачам в несущей способности. Зато фрикционные передачи с

6 г) а) б) в) Рис.4. Материалы трущихся поверхностей катков: а, б резина; в фибра; г кожа 4. Для передачи незначительных вращательных моментов кожа, резина, прорезиненная ткань, ферродо, пластмасса по стали или чугуну. Один из катков изготовляют из стали или чугуна (чаще ведомый), а второй покрывают одним из перечисленных неметаллических материалов (рис.4, а, б, г). Разработаны специальные фрикционные пластмассы с асбестовым и целлюлозным наполнителем, коэффициент трения которых достигает 0,5. Более надёжны передачи, у которых ведущий каток твёрже, чем ведомый, т.к. тогда при пробуксовке не образуются лыски. Применяются обрезиненные катки, однако их коэффициент трения падает с ростом влажности воздуха. кожу. Для крупных передач применяют прессованный асбест, прорезиненную ткань и Геометрические параметры, кинематические и силовые соотношения во фрикционных передачах Основные геометрические параметры фрикционной передачи: D 1 и D 2 диаметры ведущего и ведомого катков; а межосевое расстояние; b ширина катка; d 1 и d 2 диаметры валов ведущего и ведомого катков (рис.5). Методика определения диаметров катков D 1, D 2 и их ширины, как относящихся к параметрам фрикционной передачи, рассмотрена в настоящей главе. Диаметры валов d 1 и d 2 рассчитывают по известным формулам курса «Сопротивление материалов».

8 КПД фрикционной передачи определяют по формуле (3) где сумма относительных потерь. Для закрытых фрикционных передач = 0,88 0,93, для открытых = 0,68 0,86. Основные виды повреждений рабочих поверхностей катков и критерии расчета. Усталостное выкрашивание (питтинг). Встречается в закрытых передачах, работающих при обильной смазке и защищенных от попадания абразивных частиц. Сила прижатия катков необходимая для обеспечения работоспособного состояния фрикционной передачи, на опорной поверхности катков вызывает значительные контактные напряжения. Эти напряжения (рис. 2.7, а) носят циклический характер, так как при обкатывании точки обода катка проходят неподвижную точку контакта. Циклическое действие контактных напряжений способствует развитию усталостных микротрещин на рабочих поверхностях катков. На рабочей поверхности катка появляются мелкие раковины. В закрытых передачах, работающих при обилии смазочного материала, микротрещины расклиниваются смазочным материалом, и от рабочей поверхности катка выкрашиваются частицы металла (рис.6, 6). Такой вид разрушения катка называют усталостным выкрашиванием. Поэтому проектный расчет фрикционных передач выполняют на контактную прочность. При этом повышение твердости поверхностного слоя катков обеспечивает более высокие допускаемые контактные напряжения. Условие для предотвращения усталостного выкрашивания (или условие прочности):, (4) где допустимое контактное напряжение для материала катков. На основании опытов допускаемые напряжения рекомендуют принимать в этом случае при 10 7 циклов и постоянной работе = МПа. Рис. 6. Усилия и напряжения в контакте цилиндрических колес: 1 ведущее колесо; 2 ведомое колесо; 3 смазочное масло

10 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. Геометрическое скольжение. Помимо упругого скольжения катков, которое возникает так же, как и в ременных передачах, во фрикционных передачах может иметь место еще геометрическое скольжение вследствие разности скоростей ведущего и ведомого катков по длине контакта b. Геометрическое скольжение не позволяет катки делать широкими, вследствие чего в передаче возникают большие контактные напряжения, ограничивающие передаваемую мощность. Геометрическое скольжение является основной причиной износа рабочих поверхностей фрикционных передач. 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. Цилиндрическая фрикционная передача. Устройство, основные геометрические и силовые соотношения 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.5. Один вал диаметром d x устанавливают на неподвижных подшипниках, подшипники другого вала диаметром d 2 плавающие. Катки 1 и 2 закрепляют на валах с помощью шпонок и прижимают один к другому специальным устройством с силой F r. Цилиндрические фрикционные передачи с гладкими катками применяют для передачи небольшой мощности (в машиностроении до 10 квт); эти передачи находят широкое применение в приборостроении. Для одноступенчатых силовых цилиндрических фрикционных передач рекомендуется и 6. В некоторых случаях применяется цилиндрическая фрикционная передача с катками клинчатой формы (см. рис.2).

12 . (7) Диаметр ведомого катка Рабочая ширина обода катка. (8), (9) где = 0,2 0,4 коэффициент ширины обода катка по межосевому расстоянию. Для компенсации неточности монтажа на практике ширину малого катка (см. рис.9) принимают, мм:. (10) Силы в передаче. Для обеспечения работоспособности фрикционных передач необходимо прижать катки (см. рис.5) силой нажатия таким образом, чтобы соблюдалось условие (1), т. е. (11) где максимальная сила трения; передаваемая окружная сила; коэффициент трения (выбирается по табл.1). Отсюда сила нажатия или, (12) где коэффициент запаса сцепления; вводится для предупреждения пробуксовки от перегрузок в период пуска передачи (для силовых передач = 1,25 1,5; для передач приборов = 3 5). По схеме, показанной на рис.5,. (13) Подставив формулу (13) в формулу (12), определим силу нажатия

14 Основным критерием работоспособности фрикционных передач с указанными катками является усталостная прочность. Подставив в формулу (4) формулу Герца (5) для определения наибольших контактных напряжений и выполнив некоторые преобразования, получим формулу проверочного расчета где а межосевое расстояние, мм; Е пр приведенный модуль упругости, МПа; f коэффициент трения (см. табл. 1); Т 1 момент на ведущем валу, Нмм; К с коэффициент запаса сцепления; и 1 передаточное число; b рабочая ширина обода катка, мм; (15) 2). допускаемое контактное напряжение для менее прочного материала, МПа (табл. Таблица 1. Значения коэффициента трения скольжения для различных материалов Материал контактирующей пары Сталь по стали или по чугуну (со смазочным материалом) Чугун (всухую) по: f 0,04-0,05 стали или чугуну 0,1-0,18 текстолиту 0,15-0,25 фибре 0,15-0,30 коже 0,20-0,50 прессованной бумаге 0,40-0,50 резине 0,35-0,70 ферродо 0,30-0,35 Таблица 2. Допускаемые контактные напряжения, модуль упругости для катков из различных материалов Е Материал МПа Закаленная сталь (при хорошем смазывании) , Серый чугун марок от СЧ 10 до СЧЗО , Текстолит

16 1. В зависимости от условий работы выбирают материал катков и по табл.2 принимают, Е или для менее прочного материала. 2. По табл.1 задаются коэффициентом трения f, после чего принимают коэффициент = 0,2 0,4; К с. 3. По формуле (16) или (18) рассчитывают межосевое расстояние. 4. Определяют геометрические размеры катков: D 1 диаметр ведущего катка [формула (7)], D 2 ведомого (8); b ширина обода катков (9). По формуле (6) уточняют фактическое межосевое расстояние а. 5. По формуле (14) определяют силу нажатия. 6. Передачу проверяют по окружной скорости v < v max = (7 10) м/с. 7. Проверочный расчет передачи на прочность проводят по формулам: (15) или (17). При этом следует иметь в виду, что допускаемая недогрузка передачи не более 10 %, перегрузка не более 5 %. Коническая фрикционная передача. Устройство и основные геометрические соотношения Фрикционную передачу с пересекающимися валами и катками, рабочие поверхности которых конические, называют фрикционной конической передачей. На рис. 9 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) может быть различным. Как правило, межосевой угол передачи, (19)

18 где = 0,25 0,3 коэффициент длины линии контакта. 5. Ширина обода катка ;. (24) 6. Средний диаметр ведущего катка 7. Средний диаметр ведомого катка (25), (26) отсюда. Подставив в формулу (20) значение, получим Силы в передаче. В конической фрикционной передаче действующие силы определяют по размерам средних сечений катков (см. рис.9). Условие работоспособности для конической фрикционной передачи аналогичное ранее рассмотренному. Силу нажатия катков определяют по формуле (27) где. Силу F n можно разложить на осевую F a2 и радиальную F r2 составляющие (см. рис. 9). Осевая сила ведущего катка

20 и где D 1, d 1 и D 2, d 2 наибольший и наименьший диаметры ведущего и ведомого колеса; ε 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: (31) В сложных вариаторах передаточное отношение: Диапазон регулирования: В сложных вариаторах передаточное отношение может принимать значения, равные: i > 1; i <1; i = 1. Диапазон регулирования равен квадрату максимального передаточного отношения. Это значительно расширяет область применения сложных вариаторов. Существуют вариаторы лобовые, конусные, торовые, дисковые и др. Рассмотрим некоторые из них. Лобовые вариаторы (см. рис.10). Наиболее просты, но из-за значительной величины геометрического скольжения уступают вариаторам других конструкций по КПД и износостойкости. Диапазон регулирования Д=D 2 /d 2 <3. Это объясняется тем, что при, малых d 2 значительно возрастают скольжение, износ и падает КПД. Лобовые вариаторы нашли применение в маломощных передачах приборов. (32)

22 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.11. Торовый вариатор: 1 ведущая торовая чашка; 2 ведомая торовая чашка; 3 диск; 4 оси дисков; 5 шарниры осей Пример 2. Определить максимальную и минимальную частоты вращения вала ведомого катка, а также силу прижатия катков к роликам торового вариатора, работающего в масляной ванне. Диапазон регулирования Д = 4. Минимальный радиус катка R 1 min = 45 мм, число роликов z = 2. Ведущий вал вариатора передает мощность Р 1 = 0,8 квт при частоте вращения n 1 = 927 мин −1. Материал катков сталь, закаливания до твердости Н=61HRC э Решение. 1. Из формулы (32) следует Максимальная и минимальная частота вращения ведомого вала катка: n 2max =n 1 u max =927 2=1854 мин −1 ; n 2min =n 1 u min = 927 0,5=463 мин Вращающий момент на ведущем катке T 1 = 9550P 1 /n 1 =9550 0,8/927 = 8,24 Н м. 3. Окружная сила на ведущем катке

24 2. Ширину обода b 1 малого катка выполняют на 5 10 мм больше расчетной величины b 2 с целью компенсации возможного осевого смещения катков из-за неточности сборки. Предельный размер b 2 D min, так как трудно обеспечить равномерное прилегание катков на большой ширине обода. 3. Прижимное устройство катков может создавать постоянную силу с помощью пружины, силы тяжести конструкции и др. 4. Для уменьшения буксования при пуске в цилиндрических фрикционных передачах нажимным выполняют ведомый каток. В многоступенчатых приводах фрикционную передачу целесообразно применять на быстроходных ступенях.