ГЛАВА 5 (Расчет фрикционных дисковых элементов управления) (Методические указания по решению домашних работ)

3. Фрикционные элементы управления

3.1. Фрикционные материалы, используемые в элементах управления

В планетарных, а также в некоторых коробках передач с неподвижными осями, для переключения передач используются фрикционные узлы (блокировочные муфты, тормоза и обгонные муфты), с помощью которых осуществляется полная блокировка и остановка звеньев.

Несмотря на существенные отличия в конструкции и способах использования фрикционные узлы имеют много общего, поскольку работа любого из них основана на использовании сил трения. В то же время каждый тип фрик­ционных узлов имеет определенную специфику работы, которая должна учитываться при их конструировании и расчете.

Опыт проектирования и эксплуатации фрикционных узлов позволяет сформулиро­вать ряд требований, которым они должны удовлетворять для обес­печения требуемой работоспособности и долговечности:

1. Блокировочные муфты и тормоза должны надежно обеспе­чивать передачу расчетного момента. В противном случае возникает скольжение, которое приводит к их перегреву и быстрому выходу из строя. Для этого максимальная величина момента трения, возникающего во фрикционном элементе, должна быть выше расчетной на некоторую величину, называемую коэффициентом запаса.

2. Фрикционные узлы должны обладать чистотой выключения. Это требование обеспечивается:

• достаточным ходом нажимного диска или концов тормозной ленты, что создает необходимый зазор между трущимися поверхностями в выключенном состоянии элемента управления;

• со­блюдением допускаемых напряжений смятия в шлицевых соеди­нениях фрикционных дисков с ведущими и ведомыми барабанами; в противном случае на шлицах появятся вмятины, которые будут препятствовать сво­бодному перемещению дисков в осевом направлении;

3. Должен быть организован хороший теплоотвод от элементов трения, так как их работа сопровождается выделением большого количества тепла. Перегрев трущихся деталей приводит к их короблению, усадке и загрязнению масла;

4. Силы нормального давления между трущимися поверх­ностями должны уравновешиваться внутри фрикционного узла и не должны передаваться на подшипники валов.

С точки зрения срока службы фрикционного элемента и простоты его эксплуатации важнейшим требованием является высокая из­носостойкость фрикционного материала, что допускает повышенные удельные дав­ления, и, следовательно, уменьшает габариты тормоза или муфты.

Вторым важным требованием является высокое значение коэффициента трения, величина которого не должна существенно зависеть от скорости скольжения, температуры, удельного давления и сте­пени изношенности поверхностей трения. Чем выше коэффициент трения, тем меньше при прочих равных условиях габариты фрикционного узла. Все применяемые во фрикционных муфтах и тормозах мате­риалы можно разбить на три группы:

• металлические;

• неметал­лические;

• металлокерамические.

Из металлических материалов во фрикционных узлах широко применяются различные стали и чугуны. Они могут работать как в одноимен­ной паре трения (сталь-сталь), так и с другими металлическими и неметаллическими материалами (сталь-чугун, сталь-пласт­масса, сталь-металлокерамика, сталь-материал на целлюлозной основе и т. д.).

Пара трения сталь-сталь отличается простотой изготовления, сравнительно высокой износостойкостью и хорошей теплопровод­ностью. Для изготовления фрикционных дисков применяются стали 40, 45, 65Г, ЗОХГСА, У-7, У-8 и др. Иногда для повышения износостойкости поверхностей стальные диски подвергаются хи­мико-термической обработке, например азотированию или сульфоцианированию.

При работе всухую пара сталь-сталь имеют коэффициент тре­ния 0,25-0,5. Существенным недостатком таких пар трения следует признать их склонность к схватыванию, а также плохую прирабатываемость, в результате чего контакт по поверхности трения происходит в отдельных зонах, в которых возникает резкое повышение температуры и температурных на­пряжений, вызывающих коробление и усадку дисков. В связи с этим для обеспечения требуемой работоспособности пары сталь-сталь необходимо на поверхностях трения задавать сравнительно низкие значения удель­ного давления 0,15 - 0,25 мПа при трении всухую и 0,3 - 0,5 мПа при трении в масле.

Из неметаллических фрикционных материалов используются различные материалы на ос­нове асбеста, которые обладают сравнительно вы­сокой теплостойкостью (до 400 - 450°С) и имеют в паре со сталью или чугуном при работе всухую коэффициент трения порядка 0,3 - 0,5, а при работе в масле 0,06 - 0,08. Износостойкость таких материалов соизмерима с износостойкостью чугуна. С целью уве­личения теплопроводности фрикционных накладок из асбеста их армируют латунной, медной или алюминиевой проволокой. В качестве связующих веществ при изготовлении асбестовых фрик­ционных материалов применяют различные смолы, а также синтетический каучук (асбокаучук). Иногда в состав таких материалов вводят различные наполнители, улучшающие их свойства. Так, окись цинка улучшает износостойкость; желез­ный сурик повышает коэффициент трения; графит придает термо­стойкость; барит стабилизирует коэффициент трения.

Металлокерамические материалы, нашедшие в по­следнее время широкое применение во фрикционных элементах управления трансмиссий тяжелых машин, не вызывают задиров на поверхности сопряженного диска, не схватываются с ним, обладают хорошей тепло­проводностью и высокими фрикционными свойствами. Основными компонентами металлокерамики являются: медь, железо, олово, свинец, цинк и графит. В зависимости от того, какой из элементов преобладает в композиции, различают металлокерамики на медной и железной основе. Изготовляются металлокерамические изделия методом прессования порошков указанных материалов под давлением 100 - 600 мПа с последующим спеканием при тем­пературе 700 - 800°С. Во время спекания металлокерамическая накладка прочно соединяется со стальной основой.

Хорошая прирабатываемость металлокерамики способствует тому, что в процессе трения поверхности дисков касаются друг друга почти по всей номинальной площади, в результате чего тепловые потоки равномерно распределяются по поверхностям и в дисках не возникает значительных температурных напряжений. Это обстоятельство положительно сказывается на работоспособ­ности фрикционного узла и позволяет допустить высокие значения удельного давления на поверхности трения: до 2,0 мПа при трении всухую и до 4 мПа при трении в масле. Таким образом, металлокерамика позволяет создать наиболее ком­пактные фрикционные узлы, что часто является решающим факто­ром при выборе фрикционного материала.

В таблице 9.1 представлены ориентировочные значения максималь­ного (μ_max) и минимального (μ_min) коэффициента трения, а также предельные допускаемые удельные давления [q] для различных фрикционных материалов.

Таблица 9.1.

Исходным условием для расчета блокировочных муфт и тормозов коробок передач является величина номинального момента М_н, который должен передавать фрикционный элемент. Расчетный момент определяется на основании анализа кинематической схемы трансмиссии при условии, что двигатель развивает максимальный момент. Для надежной работы фрикцион должен быть рассчитан на момент, превышающий расчетный:

М_ф = βМ_н,

где β - коэффициент запаса фрикциона; ориентировочно при тре­нии всухую β=1,4 -2,7, при трении в масле β=1,2 - 1,5.

9.2. Расчет дисковых фрикционных элементов управления

Рассмотрим расчетную схему фрикционного узла (рис. 9.1). Диски трения сжимаются силой Р, которая создается порш­нем. Момент с ведущих деталей на ведомые передается за счет сил трения между сжатыми дисками.

Удельное давление на диски будем считать рав­номерно распределенным по всей фактической площади контакта дисков

где R_СР – средний радиус поверхности трения диска;

b – ширина поверхности трения диска;

λ – коэффициент, учитывающий уменьшение площади поверхности трения диска из-за наличия канавок.

Тогда давление на поверхности трения

Элементарный момент тре­ния определяется выраже­нием

где z - число пар трения;

μ - коэффициент трения;

r - текущий радиус.