Фрикционные передачи

 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 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. 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 107 циклов и постоянной работе  = 1000...1200 МПа. 

 

 1—  ведущее колесо; 2 — ведомое колесо; 3 — смазочное масло

 Рисунок 6. Усилия и напряжения в контакте цилиндрических колес 

 Наибольшие  контактные напряжения определяют по формуле Герца:

       (5)

 где q — нормальная нагрузка на единицу  длины контактных линий (для цилиндрических катков );  — приведенный модуль упругости; Е1 и Е2 — модули упругости материалов ведущего и ведомого катков; — приведенный радиус кривизны цилиндрических катков; R1 и R2 — радиусы катков (равны и ). 

 При перекатывании катка, имеющего радиус R, внутри катка (кольца) радиуса R2 приведенный радиус кривизны (внутреннее зацепление).

 Формула (5) применима для фрикционных  передач из материалов, деформации которых отвечают закону Гука.

 Изнашивание. Этот вид повреждения рабочих поверхностей катков чаще наблюдается в открытых передачах, так как именно в эти передачи в процессе работы больше всего попадает абразивных материалов, что, в свою очередь, увеличивает их изнашивание. Наблюдается также изнашивание катков при буксовании и вследствие упругого скольжения, как в открытых, так и в закрытых передачах. Для обеспечения износостойкости фрикционные передачи рассчитывают на контактную прочность (для стальных или чугунных катков) или по условию ограничения нагрузки q на единицу длины контактной линии (для катков из фибры, резины и других материалов).

 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. 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.

 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 (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. 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. 
 
 
 
 

 Вариаторы 

 Большинство современных рабочих машин требует  регулирования скорости рабочих  органов в зависимости от условий  осуществления технологического процесса. Для этого машины снабжают ступенчатыми коробками передач с большим числом зубчатых пар, например, в коробке передач автомобилей их 4 - 6 пар, станков 5 - 16 лишь в механизме главного движения. Применение в машинах вариаторов (бесступенчатых передач) значительно упрощает конструкцию, позволяет установить оптимальный скоростной режим и регулировать скорость на ходу. Все это существенно повышает производительность машины, качество продукции и, кроме того, вызывает уменьшение шума и вибрации. Эти достоинства вариаторов обусловили их широкое распространение в различных областях машиностроения (в станках, в машинах пищевой и легкой промышленности, в сельскохозяйственном и дорожном машиностроении и т.д.).

 Фрикционный механизм, предназначенный для бесступенчатого регулирования передаточного числа, называют фрикционным вариатором или просто вариатором.

 Вариаторы можно разделить на следующие  группы: клиноременные, цепные и фрикционные.

 В данном разделе рассмотрим только фрикционные  вариаторы.

 Фрикционные вариаторы нашли применение в  приводах с малыми габаритами —  в станках и транспортных машинах. При рациональном конструировании  и тщательном изготовлении они имеют  наиболее высокий КПД — до 0,95. Однако надлежащее качество исполнения их возможно только на специализированных заводах.

 Вариаторы разделяются на два основных типа:

 а) простые, в которых изменяется только один радиус контакта, а другой остается постоянным (лобовой, конусный, дисковый);

 б) сложные, в которых изменяются оба радиуса  (торовый, шаровой). 

 Вариаторы выполняют в виде отдельных одноступенчатых  механизмов с непосредственным касанием катков без промежуточного диска или с промежуточным диском.

 Предельные  передаточные отношения вариатора, будут

 и 

 где D1, d1 и D2, d2 — 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:

    (6)

 Скольжение  снижает угловую скорость ведомого вала, но на диапазон регулирования  не влияет.

 В простых  вариаторах передаточное отношение:  

 В сложных  вариаторах передаточное отношение:

 Диапазон  регулирования:     (7)

 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 (рисунок 6). Наиболее просты, но из-за значительной величины геометрического скольжения уступают вариаторам других конструкций по КПД и износостойкости. Диапазон регулирования Д=D2/d2<3. Это объясняется тем, что при, малых d2 значительно возрастают скольжение, износ и падает КПД. Лобовые вариаторы нашли применение в маломощных передачах приборов.

 Ведущий каток лобового вариатора 1 радиуса R1, устанавливается на валу на скользящей шпонке и может перемещаться вдоль оси. Ведомый каток 2 радиуса R2 закреплен на валу неподвижно. За счет нажимного устройства создается сила трения,   необходимая для  работы вариатора. Бесступенчатое изменение угловой скорости в этом вариаторе достигается перемещением вдоль вала ведущего катка 1; при этом ; . Отсюда передаточное число        (8)

 здесь не учитывается проскальзывание  катков, поэтому равенство приближенное.

 

 

 1 —  ведущий каток; 2 — ведомый каток

 Рисунок 6. Лобовой вариатор   

 Лобовой вариатор позволяет изменять направление  и частоту вращения ведомого вата, останавливать его на ходу без  выключения привода. 
 

 Торовые вариаторы (рисунок 7). На концы валов насажены две торовые чашки 1 и 2, выполненные по форме круглого тора. Вращение от ведущей чашки к ведомой передается промежуточными дисками 3, свободно вращающимися на осях 4. Угловая скорость ведомой чашки изменяется при одновременном повороте осей 4 вокруг шарнира 5.

 При этом изменяются радиусы R1  и R2 чашек 1 и 2, т. е. ; . Отсюда

 Для торовых вариаторов диапазон регулирования        (9)

 Такая схема вариатора характеризуется  малым геометрическим скольжением, что является основным преимуществом  торового вариатора, позволяющим повысить КПД до 0,95. Для прижатия тел качения применяют обычно шариковое нажимное устройство, при котором чашка 1 связана с валом при помощи двух или трех шариков, помещенных в 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.

 

 1 —  ведущая торовая чашка; 2 — ведомая торовая чашка; 3 — диск; 4 — оси дисков; 5 — шарниры осей

 Рисунок 7. Торовый вариатор    

 Вариатор  с коническими катками (рисунок 8). На ведущем и ведомом валу установлены катки 1 и 2 с рабочими поверхностями конической формы. Вращение от ведущего катка 7 к ведомому 2 передается промежуточным диском 3 цилиндрической формы, свободно вращающимся на оси 4. Пружина 5 обеспечивает необходимую силу нажатия для нормальной работы вариатора. При перемещении промежуточного диска 3 вдоль оси 4 радиусы R1 и R2 ведущего 7 и ведомого 2 катков изменяются. В данной конструкции вариатора ; .    Отсюда  

 Диапазон  регулирования для вариаторов с коническими катками

 

 .

 

 1 —  ведущий каток; 2 — ведомый каток; 3 — промежуточный диск; 4 — ось диска; 5 — пружина