4_friktsionnye_peredachi

1. ФРИКЦИОННЫЕ ПЕРЕДАЧИ

- Общие сведения о фрикционных передачах.
- Принцип работы и устройство фрикционных передач с
нерегулируемым (постоянным) передаточным числом, их
достоинства, недостатки, применение.
- Цилиндрическая передача гладкими катками,
определение требуемой силы их прижатия.
- Способы прижатия и материал катков.
- Виды разрушения рабочих поверхностей катков.
- Критерий работоспособности и расчёт на прочность.
- Передачи с плавным бесступенчатым регулированием
передаточного числа – вариаторы.
- Кинематические схемы вариаторов и их применение.
- Определение диапазона регулирования.

2. Общие сведения

В фрикционной передаче вращательное движение от ведущего катка к
ведомому передается силами трения, которые возникают в месте
контакта двух прижатых друг к другу катков (рис. 7.1).
Условие работоспособности передачи
Rf ≥F t,
(7.1)
где Ft — передаваемая окружная сила;
Rf — сила трения в месте контакта катков.
Нарушение условия (7.1) приводит к буксованию. При буксовании
ведомый каток останавливается, а ведущий скользит по нему; при этом
рабочие поверхности катков изнашиваются. Для создания требуемой
силы трения Rf катки прижимают друг к другу силой Fr, которая во
много раз превышает силу Ft.
Рис. 7.1 Схема цилиндрической
фрикционной передачи с
гладким ободом

3.

• Классификация передач. В зависимости от назначения
различают фрикционные передачи: с нерегулируемым
передаточным числом (рис. 7.1)и с бесступенчатым (плавным)
регулированием передаточного числа (рис. 7.2). Такие передачи
называют вариаторами.
• В зависимости от взаимного расположения осей валов
фрикционные передачи бывают: цилиндрические — при
параллельных осях (см. рис. 7.1); конические — при
пересекающихся осях; лобовые — при скрещивающихся осях
(см. рис. 7.2).
• В зависимости от условий работы фрикционные передачи
подразделяют на: открытые — работают всухую и закрытые —
работают в масляной ванне.
• В закрытых фрикционных передачах масляная ванна
обеспечивает хороший отвод теплоты, делает скольжение
менее опасным, увеличивает долговечность передачи.
• Рис. 7.2 Схема лобового вариатора

4.

Достоинства.
Простота конструкции и обслуживания.
Равномерность и бесшумность вращения.
Возможность бесступенчатого регулирования передаточного
числа, причем на ходу, без остановки передачи.
• Невозможность аварий при перегрузках.
• Недостатки.
• Большое и неравномерное изнашивание рабочих поверхностей
катков при буксовании.
• Большие нагрузки на валы и подшипники от прижимной силы Fr,
что требует увеличения размеров валов и подшипников и,
следовательно, делает передачу громоздкой. Этот недостаток
ограничивает передаваемую мощность.
• Непостоянное передаточное число из-за проскальзывания
катков.

5.

• Применение.
• Фрикционные передачи с нерегулируемым передаточным
числом в машиностроении применяют сравнительно редко. В
качестве силовых передач они громоздки и малонадежны. Эти
передачи используют преимущественно в приборах
(спидометры, магнитофоны и др.), где требуется плавность и
бесшумность работы. Фрикционные передачи с бесступенчатым
регулированием — вариаторы — широко применяют в
различных машинах, например в металлорежущих станках, в
текстильных и транспортирующих машинах и т. д. Фрикционные
передачи предназначены для мощностей, не превышающих 200
кВт, окружная скорость катков допускается до 25 м/с.
• 2. Материалы катков
• Материалы фрикционных катков должны иметь высокие
коэффициент трения f (для уменьшения требуемой силы
прижатия Fr) и модули упругости Е (для уменьшения упругого
скольжения и потерь на перекатывание), должны быть
износостойкими и влагонепоглощающими.

6. 2. Материалы катков

• Материалы фрикционных катков должны иметь высокие
коэффициент трения f (для уменьшения требуемой силы прижатия
Fr) и модули упругости Е (для уменьшения упругого скольжения и
потерь на перекатывание), должны быть износостойкими и
влагонепоглощающими.
• Для фрикционных катков применяют следующие сочетания
материалов:
• Закаленная сталь по закаленной стали. Рекомендуются стали
40ХН, 18ХГТ, ШХ15 и др. Применяют в быстроходных закрытых
силовых передачах. Такие передачи отличаются высокими
износостойкостью и к.п.д., малыми габаритами, но требуют точного
изготовления.
• Текстолит, гетинакс или фибра по стали. Применяют в
слабонагруженных открытых передачах. Катки из этих материалов
имеют пониженную износостойкость.
• Значение коэффициента трения f следующие:
• Сталь по стали (в масле) 0,04...0,05
• Сталь по стали или чугуну (всухую) 0,15...0,18
• Текстолит или фибра по чугуну или стали (всухую) 0,20...0,25
• Сталь по бронзе (периодическое смазывание) .... 0,08...0,10
• В открытых фрикционных передачах коэффициент трения f выше,
прижимная сила Fr катков меньше.

7. 3. Виды разрушения рабочих поверхностей фрикционных катков

Усталостное выкрашивание.
Встречается в закрытых передачах, работающих при обильной смазке и
защищенных от попадания абразивных частиц. Прижимная сила Fr вызывает
в месте соприкасания катков высокие контактные напряжения (см. рис. 7.1),
которые при работе меняются циклически вследствие перемещения места
контакта по ободу. Циклическое действие контактных напряжений
способствует развитию усталостных микротрещин на рабочих
поверхностях и образованию мелких раковин.
Для предотвращения усталостного выкрашивания производят расчет на
контактную прочность. Повышение твердости поверхностей катков
обеспечивает более высокие допустимые контактные напряжения.
Заедание.
Возникает в быстроходных сильно нагруженных передачах при разрыве
масляной пленки на рабочей поверхности катков. В месте касания катков
развивается высокая температура, масляный слой разрывается и катки
непосредственно соприкасаются друг с другом. В результате происходит
привар частиц металла с последующим отрывом от одной из поверхностей
катков. Приварившиеся частицы задирают рабочие поверхности в
направлении скольжения.
Для предупреждения заедания применяют специальные масла.
Изнашивание.
Повышенное изнашивание имеют открытые передачи.
Все виды разрушения рабочих поверхностей катков зависят от контактных
напряжений σн.

8. 4. Цилиндрическая фрикционная передача

• Передаточное число. На рис. 7.1 показана схема
простейшей цилиндрической фрикционной передачи
с нерегулируемым передаточным числом.
Подшипники ведомого вала выполнены плавающими
и находятся под действием пружины сжатия,
вследствие чего обеспечивается прижимная сила Fr.
В передаче с цилиндрическими катками
• u=ω1/ ω2=D2/[D1(1—ε)] ≈ D2/D1,
• где ε — коэффициент скольжения; ε = 0,005...0,03.
• В силовых передачах рекомендуется и ≤ 6.
• Геометрический расчет передачи.
• Межосевое расстояние (см. рис. 7.1)
• a=(D1+D2)/2=D1(u+1)/2
• Диаметр ведущего катка D1=2a/(u+1)
• Диаметр ведомого катка D2=D1u

9.

Силы в передаче. При работе фрикционных
рис. 7.1) должно соблюдаться условие R≥Ft, где сила
трения Rf=fFr
Окружная сила
Прижимная сила
передач (см.
(7.2)
(7.3)
где К — коэффициент нагрузки (запас сцепления) вводится для
предупреждения пробуксовывания катков от перегрузок, в частности, в
период пуска. Для силовых передач К= 1,25...2, для передач приборов
К = 3...5.
Прижимные устройства. Постоянная по значению прижимная сила
катков допустима при передаче постоянной нагрузки. При переменной
нагрузке прижатие катков должно изменяться автоматически,
соответственно ее значению, что повышает к.п.д. и долговечность
передачи.
Постоянное прижатие катков осуществляют пружинами которые
периодически регулируют (см. рис. 7.1). Автоматическое прижатие
катков осуществляется самозатягиванием элементов передачи (см.
рис. 17.11), а также нажимными устройствами, например, винтового
типа.

10. Пример

• Определить необходимую силу прижатия катков
закрытой фрикционной цилиндрической передачи.
Вращающий момент на ведомом катке Т2= 135 Н-м.
Материал обоих катков — сталь. Диаметр ведомого
катка D2= 270 мм.
• Решение. Окружная сила [формула (7.2)]
• Ft = 2T2/D2 = 2- 135/0,270 H = 1 кН.
• Для закрытой передачи (при работе в масляной
ванне) f = 0,05. По формуле (7.3) прижимная сила
при коэффициенте нагрузки К = 1,4
• Fr=KFt/f =1,43·10³/0,05H= 28 кН.
• В данном примере прижимная сила F, больше
окружной силы F в 28 раз, что является большим
недостатком фрикционных передач.

11. 5. Вариаторы

Назначение и характеристики. Вариаторы служат для плавного
(бесступенчатого) изменения на ходу угловой скорости ведомого вала при
постоянной угловой скорости ведущего.
В качестве механизма главного движения применяют передачи различного типа —
фрикционные, ременные, цепные. Выполняются в виде отдельных механизмов с
непосредственным контактом ведущего и ведомого катков (см. рис. 7.2) или с
промежуточным элементом (рис. 7.3) *.Применяются в станках, прессах, конвейерах
и т. п.
Бесступенчатое регулирование скорости способствует повышению
производительности работы машины вследствие возможности выбора
оптимального процесса, оно благоприятно для автоматизации и управления на ходу.
В некоторых машинах — волочильные станы, текстильные, бумагоделательные и
подобные им машины — плавное регулирование скорости является технологически
обязательным.
Главной характеристикой вариатора является диапазон регулирования, равный
отношению максимальной угловой скорости ведомого катка ω2max к его минимальной
угловой скорости ω2min
Д = ω2max/ / ω2min = и2max/ и2min = R2max/ R 2min = и2max
Рис.7.3. Схема вариатора с раздвижными конусами
Практически для одноступенчатых вариаторов Д = 3...8.
Вариаторы подбирают по каталогам или справочникам в
зависимости от передаваемого момента, диапазона
регулирования и угловой скорости ведущего вала.

12.

Разновидности вариаторов. В зависимости от формы тела качения
вариаторы бывают лобовые, конусные, торовые и др.
Лобовые вариаторы (см. рис. 7.2) применяют в винтовых прессах и
приборах. Бесступенчатое изменение угловой скорости ведомого вала
достигается передвижением малого катка вдоль вала, т. е. изменением
радиуса R2. Допускают реверсирование вращения. Имеют интенсивный
износ рабочих поверхностей катков и пониженный к.п.д. вследствие
разности скоростей на площадке контакта. Так как R1= const, диапазон
регулирования лобового вариатора
Д=R2max/R2min
(7.5)
Вариаторы с раздвижными конусами (см. рис. 7.3) имеют наибольшее
применение в машиностроении. Промежуточным элементом является
клиновой ремень или специальная цепь. Плавное изменение угловых
скоростей ведомого вала достигается раздвижением или сближением
конусных катков, т. е. изменением расчетных радиусов катков R1 и R2.
Максимальное и минимальное значения передаточного числа:
umax= ω1/ω2min ≈ R2max/R1min, umin = ω1/ω2max ≈ R2min/R1max
Клиноременные вариаторы (см. рис. 7.3) просты и надежны в эксплуатации,
стандартизованы. Диапазон регулирования Д = 2...3. При использовании
широких ремней передаваемая мощность достигает Р = 50 кВт при к.п.д. ή
=0,8. ..0, 9.

13.

Цепные вариаторы сложнее и дороже клиноременных, но компактнее,
долговечнее и более надежны; обеспечивают постоянство передаточного
числа; применяются для мощностей до 30 кВт; Д < 6; ή, =0,8.. .0,9.
Торовые вариатор ы состоят из двух соосных катков с тороидной рабочей
поверхностью и двух промежуточных роликов. На рис. 7.4 показана схема
вариатора системы ЦНИИТмаш.
Регулирование угловых скоростей производится поворотом роликов с
помощью рычажного механизма, в результате чего изменяются радиусы
контакта R1 и R2. Текущее значение передаточного числа
и = ώ1/ώ2 ≈R2/R1
(7.6)
Из всех вариаторов торовые наиболее компактны и совершенны, но имеют
сложную конструкцию и требуют высокой точности изготовления.
Отличаются высоким к. п. д. ή, — до 0,95.
Многодисковые вариаторы состоят из пакетов ведущих и ведомых
раздвижных конических тонких дисков, прижимаемых пружинами (рис. 7.5) .
Изменение угловой скорости ώ2 ведомого вала осуществляется радиальным
смещением ведущего вала относительно ведомого. При этом изменяется
расчетный радиус R1 ведущих дисков. Долговечность повышается при
работе дисков в масляной ванне.
Передаточное число вариатора
и = ώ1/ώ2 ≈ R2/R1
Диапазон регулирования Д ≤5
Рис. 7.4. Схема торового вариатора

14. Пример

Определить максимальную и минимальную угловые скорости вала ведомого
катка и силу прижатия катков к роликам торового вариатора, работающего в
масляной ванне (см. рис. 7.4). Диапазон регулирования Д = 4. Минимальный
радиус катка Rmiп = 45 мм, число роликов z = 2. Ведущий вал вариатора
передает мощность P1 = 0,8 кВт при угловой скорости ώ1=97 рад/с. Материал
катков — сталь, закаленная до твердости 61 HRC,.
Рис. 7.5. Схема
многодискового вариатора

15.

Решение.
1. Из формулы (7.4) следует
umax=√Д; umin=1/ √Д
Максимальная и минимальная угловые скорости
вала ведомого катка:
ώ2max= ώ1umax= ώ1 √Д =97 √4 рад/с=194 рад/с;
ώ2min= ώ1umin= ώ1/ √Д =97/ √4 рад/с = 48,5 рад/с.
2.Момент вращения на ведущем катке
Т1=Р1/ ώ1=0,8·10³/97 Нм = 8,25 Нм.
3.Максимальная окружная сила на ведущем катке
• Ftmax=
8,25 103
T1
H 92 H
zR1 min
2 45
• 4.Принимаем: K=l,5;
для закрытой передачи f = 0,05.
• 5.Сила прижатия катков к роликам [формула (7.3)]
• Fr=KFtmax/f=l,5. 92/0,05 Н = 2740 Н.

16. Контрольные вопросы

• Перечислите основные виды фрикционных передач.
• Какими достоинствами и недостатками обладают
фрикционные передачи?
• Какие материалы применяются для изготовления
рабочих поверхностей фрикционных катков? Какими
свойствами должны обладать материалы?
• Как обеспечивается непрерывное нажатие катков
фрикционных передач?
• Объясните процесс усталостного выкрашивания рабочих
поверхностей катков закрытой передачи.
• Что такое заедание рабочих поверхностей катков?
Какими средствами можно предупредить его?
• Какие устройства называют вариаторами?
• Что такое диапазон регулирования вариаторов и как он
определяется?