Фрикционные передачи

10. Фрикционные передачи

10.1. Общие сведения

В фрикционной передаче движение от ведущего гладкого катка к ведомому передается силами трения, которые возникают в месте контакта двух прижатых друг к другу катков (рисунок 10.1) под действием силы F_n. Условие работоспособности

F_t<F,                                               (10.1)

где F_t – окружная сила; F – сила трения между катками. В передаче с цилиндрическими катками (рисунок 10.1)

F = F_nf,                                            (10.2)

Рекомендуемые материалы

где – коэффициент трения в зоне контакта катков.

Нарушение условия (10.1) приводит к буксованию и быстрому износу катков.

Классификация фрикционных передач

В зависимости от назначения различают фрикционные передачи: 1) с нерегулируемым передаточным числом (рисунок 10.1) и 2) с бесступенчатым (плавным) регулированием передаточного числа (рисунок 10.2). Последние передачи называют вариаторами.

Рисунок 10.1 – Цилиндрическая фрикционная передача

Рисунок 10.2 – Фрикционная передача с плавным регулированием передаточного числа

В зависимости от расположения осей валов фрикционные передачи бывают: 1) цилиндрические с параллельными осями (рисунок 10.1); 2) конические с пересекающимися осями (рисунок 10.3).

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

В зависимости от условий работы фрикционные передачи подразделяют на 1) открытые – работающие всухую и 2) закрытые – работающие 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.

Рисунок 10.3 – Коническая фрикционная передача

Достоинства:

1. Простота конструкции и обслуживания.

2. Равномерность и бесшумность работы.

3. Возможность бесступенчатого регулирования передаточного числа, причем на ходу, без остановки передачи.

Недостатки:

1. Большой и неравномерный износ рабочих поверхностей катков при буксовании.

2. Большие нагрузки на валы и подшипники от прижимного усилия F_n, что увеличивает их размеры и делает передачу громоздкой. Этот недостаток ограничивает величину передаваемой мощности.

3. Непостоянство передаточного числа i из-за проскальзывания катков.

Применение. Фрикционные передачи с нерегулируемым передаточным числом в машиностроении применяются сравнительно редко, например, во фрикционных прессах, молотах. В качестве силовых передач они громоздки и малонадежны. Эти передачи применяются преимущественно в приборах, где требуется плавность и бесшумность работы. Фрикционные передачи с бесступенчатым регулированием – вариаторы – широко применяются в различных машинах, например, в металлорежущих станках, в текстильных и транспортирующих машинах и т. д. Фрикционные передачи предназначены для мощностей, не превышающих 20 кВт, окружная скорость катков допускается до 25 м/с.

КПД фрикционных передач

Величина КПД фрикционных передач зависит от потерь на скольжение катков и потерь в подшипниках. Скольжение в зоне контакта обусловлено деформациями поверхностей катков.

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

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

Виды повреждений фрикционных передач

Контактное выкрашивание. Встречается в закрытых передачах, работающих при обильной смазке и защищенных от попадания абразивных частиц. Силы прижатия F вызывают в месте соприкосновения катков высокие контактные напряжения (рисунок 10.4), которые при работе меняются по отнулевому циклу, вследствие перемещения места контакта по периметру. Циклическое действие контактных напряжений способствует развитию усталостных микротрещин на рабочих поверхностях. При движении с трением в поверхностном слое катка образуются наклонные микротрещины, в результате пластического течения металла (рис. 10.5, а), в которые попадает масло и расклинивает их. Это со временем приводит к выкрашиванию частиц металла (рис. 10.5, б). На рабочей поверхности катка появляются мелкие раковины. Поэтому проектный расчет фрикционных передач выполняют на контактную прочность. При этом повышение твердости поверхностного слоя катков обеспечивает более высокие допускаемые контактные напряжения.

Задир возникает в быстроходных сильно нагруженных передачах при разрыве масляной пленки на рабочей поверхности катков. В месте касания катков повышается температура, масляный слой разрывается, и катки непосредственно соприкасаются друг с другом.

Рисунок 10.4 – Эпюра контактных напряжений (1 – масляный клин)

Рисунок 10.5 – Усталостное контактное выкрашивание рабочих поверхностей (1 – масляный клин)

В результате происходит приваривание частиц металла с последующим отрывом от одной из поверхностей катков. Приварившиеся частицы задирают рабочие поверхности в направлении скольжения. Для предупреждения задира применяют противозадирные масла.

Износ. Повышенный износ наблюдается в открытых передачах, вследствие упругого скольжения и пробуксовывания. Все виды повреждения рабочих поверхностей катков зависят от величины контактных напряжений σ_Н.

Материалы катков

Материалы фрикционных катков должны иметь высокие коэффициент трения и модули упругости Е, быть износостойкими и во время работы не засаливаться.

Для фрикционных катков применяют сочетания материалов:

1.Закаленная сталь по закаленной стали. Рекомендуемые стали: 40ХН, 18ХГТ, ШХ15 и др. Применяют в быстроходных закрытых силовых передачах.

2.Чугун по стали или чугуну. Применяют в открытых тихоходных силовых передачах.

3.Текстолит, гетинакс или фибра по стали. Применяют в малонагруженных открытых 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 (10.1). 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. Это можно объяснить на примере цилиндрической передачи (10.1). 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 связано с неравенством скоростей на площадке контакта у ведущего и ведомого катков. Оно является решающим для фрикционных передач. Рассмотрим геометрическое скольжение на примере лобового вариатора (рисунок 10.6). Окружная скорость на рабочей поверхности ведущего ролика постоянна по всей ширине и равна v₁. Скорость различных точек ведомого ролика (катка) v₂ изменяется пропорционально расстоянию этих точек от центра. При отсутствии скольжения скорости v₁ и v₂ на линии контакта должны быть равны между собой. Однако равенство скоростей можно получить только для какой-то одной точки линии контакта. Эту точку П называют полюсом качения. Через полюс качения проходит расчетная окружность ведомого ролика с диаметром , так что . Во всех других точках линии контакта наблюдается скольжение со скоростью . На рисунке 10.6 эпюра распределения скоростей скольжения по линии контакта изображена жирными линиями. Полюс качения располагается в середине линии контакта только при холостом ходе. При работе под нагрузкой он смещается от середины на некоторое значение .

Рисунок 10.6 – Геометрическое скольжение на примере лобового вариатора

10.2. Цилиндрическая фрикционная передача

Кинематика. На рисунке 10.1 показана схема простейшей цилиндрической фрикционной передачи с нерегулируемым передаточным числом. Подшипники ведомого вала выполнены плавающими и находятся под действием нагрузки, обеспечивающей прижимное усилие F_n.

В передаче с цилиндрическими катками

,                                        (10.3)

где – коэффициент скольжения;  = 0,005 – 0,03. В силовых передачах рекомендуется i ≤ 6.

Геометрический расчет передачи

1. Межосевое расстояние (см. рис. 10.1)

.                                  (10.4)

2. Диаметр ведущего катка

.                                           (10.5)

3. Диаметр ведомого катка

.                                   (10.6)

Усилия в передаче

При работе фрикционных передач (рисунок 10.1) должно соблюдаться условие F_t < F, где сила трения F = fF_n. Окружное усилие

.                                       (10.7)

Следовательно, , откуда прижимное усилие

,                                 (10.8)

где К – коэффициент запаса сцепления, вводится для предупреждения пробуксовывания катков от перегрузок, в частности, в период пуска. Для силовых передач К = 1,25 – 1,5, для передач приборов К = 3 – 5.

10.3. Расчет на прочность цилиндрических фрикционных передач с гладкими катками

Расчет по контактным напряжениям. Усталостная прочность, которая оценивается величиной контактных напряжений для фрикционных передач с металлическими катками, основной критерий работоспособности.

Наибольшие контактные напряжения определяют по формуле Герца

,                                        (10.9)

где q – нормальная удельная нагрузка на единицу длины контактной линии (погонная нагрузка).

Для фрикционной цилиндрической передачи

,                                       (10.10)

где b₂ – расчетная ширина катков (рисунок 10.1); Е_пp – приведенный модуль упругости

,                                     (10.11)

где Е₁ и Е₂ – модули упругости материалов ведущего и ведомого катков; ρ_пр – приведенный радиус кривизны цилиндрических катков;

.                      (10.12)

Подставив значения q, E_np и ρ_пр в формулу (10.9), получим формулу проверочного расчета

.                     (10.13)

Вводим  – коэффициент относительной ширины катков, выражаем значение b₂ через а, т. е. b₂ = ψ_аа, получим формулу проектного расчета, решив условие (10.13) относительно а –

,                                 (10.14)

где  – допускаемое контактное напряжение для менее прочного из материалов пары катков. . Величина  влияет на габариты передачи, ее КПД, точность изготовления и монтажа, на величину прижимного усилия. Чем больше , тем меньше масса и габариты передачи за счет уменьшения а, но больше ширина обода катков, что усложняет получение контакта по всей длине. С увеличением повышается требуемая точность изготовления и монтажа.

Обычно принимают  = 0,2 – 0,4. Для компенсации неточностей монтажа ширину малого катка принимают b₁ = b₂ + (5 – 10) мм.

Формулы (10.13) и (10.14) справедливы для материалов катков, подчиняющихся закону Гука.

10.4. Расчет по нагрузке на единицу длины контактной линии

Для фрикционных передач из материалов, деформации которых не подчиняются закону Гука (фибра, резина и др.), основным критерием работоспособности является износостойкость. В этих случаях передачи рассчитывают из условия ограничения нагрузки q на единицу длины контактной линии.

Учитывая формулу (10.10), получим формулу для проверочного расчета:

.                              (10.15)

Выразив значение b₂ через а, то есть b₂ = , получим формулу для проектного расчета:

,                                  (10.16)

где [q] – допускаемая нагрузка на единицу длины контактной линии для менее прочного из материалов пары катков.

10.5.Последовательность проектного расчета фрикционных передач

Исходные данные:

1. Передаваемая мощность Р или крутящий момент Т на ведущем или ведомом катке.

2. Угловые скорости катков  и или одна из них и передаточное число i.

3. Условия работы.

Последовательность расчета:

1. Выбирают материалы катков в зависимости от условий работы и для менее прочного материала принимают допускаемое напряжение []_н или допускаемую нагрузку на единицу длины контактной линии [q].

2. Задаются расчетными коэффициентами К и _a.

3. Определяют требуемое межосевое расстояние передачи а из условия контактной прочности или из условия ограничения погонной нагрузки.

4. Определяют геометрические размеры катков, уточняя фактическое межосевое расстояние а.

5. Полученные размеры передачи проверяют по контактным напряжениям или по нагрузке на единицу длины контактной линии, сравнивая их с допускаемой величиной []_н или [q]. Проверка нужна не только при уменьшении размеров, полученных при проектном расчете, но и для выявления вычислительных ошибок.

В практических расчетах допускается недогрузка передачи  до 10% и перегрузка до 5%.

Обратите внимание на лекцию "Карл Роджерс, феноменологическая теория личности".

10.6. Рекомендации по конструированию фрикционных передач

1. Ведущий каток изготавливают из менее твердого материала, чем ведомый, чтобы при буксовании на рабочей поверхности ведомого катка не образовались задиры.

2. Ширину обода b₁ малого катка выполняют на 5 – 10 мм больше расчетной величины b₂ с целью компенсации возможного осевого смещения катков из-за неточности сборки. Предельный размер b₂ ≤ 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.