Фрикционные передачи

Фрикционной передачей называется механизм, служащий для передачи вращательного движения от одного вала к другому с помо­щью сил трения, возникающих между насаженными на валы и прижаты­ми друг к другу дисками, цилиндрами или конусами.

Рис.1

Фрикционные передачи можно классифицировать по нескольким признакам:

по расположению осей валов (с параллельными осями, с пересекаю­щимися осями и соосные); по форме тел качения (с гладкими цилиндри­ческими катками, рис 1, а; катками с клинчатым ободом, рис. 1б; с коническими катками,; торовые, рис5.8; сферические и др.); по условиям работы (открытые — работающие всухую и закрытые — рабо­тающие в масляной ванне);

по возможности регулирования передаточного числа (с условно по­стоянным передаточным числом, с бесступенчатым регулированием пе­редаточного числа — фрикционные вариаторы).

Достоинства фрикционных передач: простота конструкции, плавность и бесшумность работы, возможность безаварийной ситуации при случайной перегрузке, возможность плавного изменения передаточ­ного числа на ходу машины. Главный недостаток фрикционных пе­редач — значительная радиальная нагрузка на опоры валов, которая мо­жет до 35 раз превышать передаваемое окружное усилие. Кроме того, фрик­ционные передачи не обеспечивают строгого постоянства передаточного числа при изменении нагрузки и имеют сравнительно невысокий КПД.

Фрикционные передачи находят применение в кузнечно-прессовом оборудовании (фрикционные прессы, фрикционные молоты), металлоре­жущих станках, транспортирующих машинах (например, лебедки с фрик­ционным приводом); в приборах, счетно-решающих машинах и т. д. Наи­большее применение в машиностроении имеют фрикционные вариаторы. Принцип фрикционной передачи является основой технологического процесса в прокатных станах, основой работы рельсового и безрельсово­го колесного транспорта, однако эти вопросы являются предметом изуче­ния в специальных дисциплинах.

Виды скольжения. При переда­че вращающего момента за счет силы трения, возникающей на площадке контакта прижатых друг к другу катков, неизбежно возникает относи­тельное проскальзывание их рабочих поверхностей, причем рабочая поверхность ведущего катка является опережающей, а рабочая по­верхность ведомого катка — от­стающей. Степень этого проскаль­зывания зависит от передаваемого окружного усилия, упругих свойств материала катков и поэтому называ­ется упругим скольжением, сопутствующим работе фрикционной передачи с катками любой формы.

При перегрузках, когда сила трения на площадке контакта катков оказывается меньше окружного усилия, ведомый каток останавливается, ведущий каток скользит по нему и наступает буксование, приводя­щее к интенсивному местному износу ведомого катка. Скольжение явля­ется причиной износа, снижения КПД и непостоянства передаточного числа фрикционных передач.

Материалы тел качения фрикционных передач должны обладать высокой износостойкостью и прочностью рабочих поверхностей, воз­можно большим коэффициентом трения скольжения, высоким модулем упругости (для уменьшения упругого скольжения). При разных материалах тел качения ведущий каток делают из менее прочного материала во избежание образования задиров и лысок в случае буксования передачи.

Цилиндрическая фрикционная передача

Кинематика передачи. Схемы цилиндрической фрикционной пере­дачи с гладкими катками представлены на рис. 1. В результате неизбежного при работе фрикционных передач упругого скольжения ве­домый каток «отстает» от ведущего и точное значение передаточного числа будет определяться по формуле

и= ω₁/ω₂ = D₂ / [D₁(1-ε)]

где ε — коэффициент скольжения (для металлических катков ε = 0,01...0,03, большие значения относятся к передачам, работающим всухую; для тек­столитового катка е = 0,1).

Наличие упругого скольжения и некоторая его зависимость от коле­баний нагрузки и условий работы передачи вынуждают называть переда­точное число фрикционной передачи условно постоянным. Для практических расчетов силовых фрикционных передач пользуются при­ближенным значением передаточного числа и = D₂/D_l.

Для одной пары катков силовых передач и < 7, для передач прибо­ров и < 25.

Рис.2

Силовые соотношения в передаче (рис.2). Для передачи от од­ного вала к другому вращающего момента необходимо за счет силы тре­ния приложить к ведомому катку окружную силу

F_t=2T₁/D₁

которая должна быть меньше наибольшей си­лы трения покоя, возникающей между катка­ми, прижатыми друг к другу силой Q. Таким образом, условие работы фрикционной пере­дачи записывается так:

kF_t = F_тр= fQ,

где k — коэффициент запаса сцепления (k = = 1,3...1,4); f — коэффициент трения (для сталь­ных или чугунных катков, работающих в масля­ной ванне f =0,04...0,05; работающих всухую f =0,15...0,20; для передач с одним неметаллическим катком f = 0,2...0,3).

Из вышеприведенной формулы определим силу прижатия катков:

Q= kF_t/f = 2kT₁/ (fD₁)

Из этой формулы видно, что сила прижатия катков больше окружной силы в k/f раз, что при k = 1,4, f = 0,04 дает k/f= 1,4/0,04 = 35 раз. Большие силы прижатия катков создают значительные радиальные нагрузки на опоры валов и вызывают появление больших контактных напряжений на рабочих поверхностях катков, что делает силовые фрикционные передачи громоздкими, а их нагрузочную способность сравнительно невысокой.

Для уменьшения в несколько раз силы прижатия применяют катки с клинчатым ободом (рис. 1,б), трение в которых аналогично трению в клинчатом ползуне, рассмотренному в теоретической механике. Однако в таких катках возникает значительное геометрическое скольжение, суще­ственно уменьшающее срок их службы.

Коэффициент полезного действия фрикционных передач в основном определяется потерями в результате относительного скольжения катков и потерями в опорах валов. Экспериментально установлено, что для закрытых передач КПД η = 0,92...0,98, для открытых η=0,8...0,92.

Окружная скорость катков открытых силовых передач не должна быть больше 10 м/с, а для закрытых передач — 20 м/с.

Расчет передачи. Критерием работоспособности фрикционных пе­редач является износостойкость рабочих поверхностей тел качения. В процессе работы на поверхности тел качения возникают циклически из­меняющиеся контактные напряжения (рис. 3), которые вызывают ус­талостное изнашивание рабочих поверхностей катков.

Рис.3

Для катков, изготовленных из материалов, подчиняющихся закону Гука (металлы и текстолит), наибольшие контактные напряжения σ_нвы­числяются по формуле Герца, известной из сопротивления материалов:

где q = Q/b — номинальная нагрузка на единицу длины контактной линии, b — ширина катков; Е_пр = 2Е₁Е₂/(Е₁ + Е₂) — приведенный модуль упругости материалов катков; p_пр = 0,5D_lD₂/(D₁ + D₂) — приведенный радиус кривизны катков; v — коэффициент Пуассона материала катков.

При v = 0,3

Основным расчетным параметром цилиндрической фрикционной передачи будем считать расстояние а, а условие износостойкости запишется в виде неравенства

σ_н < [σ_н]

где [σ_н] — допускаемое контактное напряжение для катка из менее проч­ного материала.

Вышеприведенное условие износостойкости катков используется для проверочного расчета имеющейся передачи. Формулу для проектного расчета передач с металлическими и текстолитовы­ми катками получим из формулы Герца, приняв коэффициент Пуассона v = 0,3, выразив диаметры катков через межосевое расстояние а и пере­даточное число и; силу прижатия Q выразим через вращающий момент Т ₁, а ширину катка примем b =ψ_а а, где ψ_а= 0,2...0,4 — коэффициент ширины катка по межосевому расстоянию, тогда

где k — коэффициент запаса сцепления; f — коэффициент трения.

Вычислив межосевое расстояние, определяем размеры катков по формулам: ; ; ; ,

причем должно соблюдаться условие b < D, а ширину обода малого кат­ка принимают на 2...5 мм больше расчетной, так как возможно осевое смещение катков из-за неточностей изготовления и сборки.

Допускаемые контактные напряжения устанавливают в зависимости от материалов катков, твердости НВ рабочих поверхностей или предела прочности при изгибе σ_ви и условий работы передачи. Ориентировочно для стальных катков, работающих всухую, [σ_н] = 1,2...1,5 НВ, МПа; для стальных катков, работающих в масляной ванне, [σ_н] = 2,4...2,8 НВ, МПа; для чугунных катков [σ _н] =1,5 σ _bи; для текстолитовых катков [σ_н]= 80...100 МПа.

Расчет неметаллических катков, материал которых не подчиняется закону Гука, ведут по нагрузке q на единицу длины контактной линии по условию q=Q/b <[ q ],

где Q — сила прижатия катков; b — ширина катков; [q] — допускаемая Удельная нагрузка; для пластмасс ориентировочно [q] = 40...80 Н/мм, для Дерева [q] = 2,5...5 Н/мм, для резины [q] = 10...30 Н/мм, для кожи [q] = 15...25 Н/мм.

Так как Q =2kT₁/(fD₁), a D₁=2a/(u+1), то приняв q=[q] получим формулу для проектного расчета передач с неметаллическими катками