Детали машин





Фрикционные передачи



Общие понятия и определения

Фрикционными называют передачи, в которых движение передается силами трения, возникающими в зоне контакта между двумя катками (колесами), прижимаемыми друг к другу с некоторой силой и при вращении одного из них.
При этом сила трения, возникающая между катками фрикционной передачи, должна быть равна по величине или превышать передаваемое передачей окружное усилие.

классификация фрикционных передач

Возможность передавать заданную нагрузку для фрикционных передач описывается условием:

Rf ≥ Ft,

где:
Ft – передаваемая окружная сила;
Rf = fFr – сила трения в зоне контакта катков фрикционной передачи; Fr – прижимная сила; f – коэффициент трения.

Если указанное выше условие не соблюдается, катки фрикционной передачи будут проскальзывать друг относительно друга, не передавая мощность.

Как правило, для создания требуемой силы трения Rf катки прижимают друг к другу силой Fr, которая во много раз превышает окружную силу Ft.
При коэффициенте f трения 0,05...0,3 сила прижатия катков превосходит передаваемую (окружную) силу не менее, чем в 3...25 раз (с учетом необходимого запаса сцепления).
Прижатие катков фрикционной передачи может осуществляться различными способами – собственным весом конструкции, рычагами, пружинами или специальными устройствами.

Фрикционные передачи работают с небольшим упругим скольжением, которое обусловлено упругими деформациями поверхностных слоев катков.

***

Классификация фрикционных передач

В зависимости от назначения различают фрикционные передачи с нерегулируемым передаточным числом и с бесступенчатым (плавным) регулированием передаточного числа – вариаторы.

В зависимости от взаимного расположения валов и осей фрикционные передачи бывают цилиндрические (при параллельных осях), конические (при пересекающихся осях), лобовые (при перекрещивающихся осях).

В зависимости от условий работы фрикционные передачи подразделяют на открытые (работающие всухую) и закрытые (работающие в масляной ванне).
Открытые передачи обладают большей нагрузочной способностью (большим коэффициентом трения f), требуют меньшую прижимную силу, но обладают такими недостатками, как повышенный нагрев и износ катков при перегрузках.
В закрытых передачах масляная ванна обеспечивает отвод тепла, уменьшает износ катков, тем самым увеличивая надежность и долговечность передачи, но снижает коэффициент трения, что приводит к необходимости увеличивать прижимное усилие между катками.

***

Достоинства фрикционных передач

К достоинствам фрикционных передач можно отнести следующие их качества:

  • Простота конструкции, простая форма рабочих тел (катков) и относительно низкая стоимость.
  • Плавность и бесшумность работы, в том числе и при высоких скоростях.
  • Возможность бесступенчатого регулирования передаточного числа, причем на ходу, без остановки передачи.
  • Возможность пробуксовки при перегрузке, т. е. фрикционная передача способна выполнять функцию своеобразного механического предохранителя, избавляющего дорогостоящие узлы и детали машины от поломки при неожиданных перегрузках.

***

Недостатки фрикционных передач

Недостатки фрикционных передач обусловлены особенностями их конструкции:

  • Необходимость применения специальных прижимных устройств, усложняющих конструкцию.
  • Большие нагрузки на валы и подшипники, обусловленные прижимной силой, что требует увеличения размеров валов и осей, а также применения усиленных опор и подшипников. Этот недостаток фрикционных передач зачастую ограничивает возможность передавать большую мощность.
  • Непостоянное передаточное отношение из-за проскальзывания катков. Скольжение в фрикционной передаче связано с упругими деформациями поверхностных слоев катков, износом поверхностей, возможным ослаблением прижимных устройств, возможным непостоянством коэффициента трения по рабочей поверности катков..
  • Изнашивание рабочих поверхностей катков вследствие проскальзывания, возможность их повреждения (образования лысок) при буксовании.

***

Скольжение в фрикционной передаче

При работе фрикционной передачи неизбежно упругое скольжение, которое вызывается разностью скоростей поверхностных слоев ведущего и ведомого катков. Элементы поверхности ведущего катка подходят к зоне контакта сжатыми, а уходят от нее растянутыми.
У ведомого катка, наоборот – к зоне контакта элементы поверхности подходят растянутыми, а уходят от нее сжатыми.

Следовательно, в зоне контакта удлинение рабочей поверхности обода ведущего катка, соприкасающейся с укорачивающейся поверхностью обода ведомого катка приводит к упругому скольжению, которое всегда имеет место при работе фрикционной передачи.
В результате окружная скорость v2 точек обода ведомого катка несколько меньше окружной скорости точек обода v1 ведущего катка.

Для передач, работающих в масле скольжение связано, также, с наличием масляной пленки.

Скольжение в фрикционной передаче зависит от нагрузки. При перегрузке может наступить буксование, при этом ведущий каток скользит по ведомому, ведомый каток останавливается. Буксование приводит к интенсивному износу рабочих поверхностей.

***

Материалы катков фрикционных передач

К материалам катков предъявляются следующие основные требования:

  • износостойкость и контактная прочность;
  • высокий коэффициент трения;
  • высокий модуль упругости, препятствующий появлению значительной деформации площадки контакта и увеличению потерь на трение.

Для фрикционных катков чаще всего применяют следующие сочетания материалов:

1. Закаленная сталь по закаленной стали. Для быстроходных закрытых силовых передач применяют стали марок 18Х2Н4МА, 18ХГТ, ШХ15 и другие. Такие передачи имеют высокую износостойкость и КПД, малые габариты, но они требуют точного изготовления.

область применения фрикционных передач

2. Фрикционные пластмассы (марок 16Л, 24А, КФ-3), текстолит, ретинакс по стали. Эти материалы применяют в малонагруженных открытых передачах. Катки из таких материалов имеют пониженную износостойкость, не требуют высокой точности изготовления.

3. Металлокерамика марки ФАБ-II по закаленной стали применяется в открытых силовых передачах.

4. Сочетание материалов чугун-чугун и чугун-сталь используется в передачах, работающих без смазки (всухую) или с недостаточной смазкой.

5. Применяются также катки, покрытые кожей или резиной. Эти материалы обеспечивают высокий коэффициент трения, но обладают малой контактной прочностью. Кроме того, коэффициент трения в таких материалах сильно зависит от влажности воздуха.

6. В малонагруженных и малоответственных фрикционных передачах иногда применяют катки с деревянным покрытием или изготовленные из дерева. Такой материал дешев и имеет достаточно высокий коэффициент трения.

Ниже представлена таблица значений коэффициента трения f для некоторых сочетаний материалов, используемых в фрикционных передачах.

 
Сталь по стали (в масле) .................................
........0,04...0,05
 
Сталь по стали (всухую) ..................................
........0,13...0,18
 
Фрикционная пластмасса по стали...............
........0,35...0,45
 
Текстолит, ретинакс по стали (всухую).......
........0,30...0,35
 
Металлокерамика по стали (всухую).............
........0,30...0,35
 
Сталь по бронзе (периодическое смазывание)
........0,08...0,10

При конструировании фрикционных передач рекомендуется ведущий каток выполнять из менее твердого материала, чем ведомый, чтобы при случайном буксовании на последнем не образовывались лыски.

***



Применение фрикционных передач

Фрикционные передачи с постоянным передаточным числом используют преимущественно при небольших нагрузках – в приборах (спидометры, магнитофоны и т. п.), где требуется плавность и бесшумность работы.

На практике широко применяют реверсивные фрикционные передачи винтовых прессов. Принцип работы такой передачи представлен на рис. 2. При перемещении ведущего катка из положения А в положение Б ведомый каток начинает вращаться в обратную сторону (реверс).
Передачи колесо-рельс (для железнодорожного транспорта) и колесо-дорожное полотно (для самоходного транспорта) тоже относятся к фрикционным.

Фрикционные передачи с бесступенчатым регулированием передаточного числа – вариаторы – применяют, например, в металлорежущих, текстильных и других станках, в транспортных машинах, автомобилях и т. п.

Большинство фрикционных передач, применяемых в машиностроении, позволяют передавать мощность до 30 кВт при окружной скорости катков до 25 м/сек.

***

Основные характеристики фрикционной передачи


Передаточное число

Передаточное число передачи без учета проскальзывания:

u = ω12 = n1/n2 = D2/D1

где:
ω1 и ω2 - угловая скорость вращения соответственно ведущего и ведомого катков, n1 и n2 - частота вращения катков, D1 и D2 – диаметр ведущего и ведомого катков.

основные характеристики фрикционных передач

С учетом скольжения передаточное число фрикционной передачи может быть подсчитано по формуле:

u = D2/D1(1 – ε),

где: ε – коэффициент скольжения.

ε = (v1 – v2)/v1,

где:
v1, v2 - линейные скорости в точке контакта. Обычно коэффициент скольжения ε равен 0,002...0,05.

Практически в силовых фрикционных передачах передаточное число u ≤ 7.

Сила трения в контакте

Сила трения в зоне контакта катков фрикционной передачи определяется по формуле:

Rt = f Fr,

где: f – коэффициент трения, Fr – сила прижатия катков.

КПД фрикционных передач

Коэффициент полезного действия (коэффициент потерь мощности) фрикционных передач зависит от потерь на качение и скольжение катков, а также потерь в подшипниках опор. Для каждого типа конструкций передач КПД определяют экспериментально, сравнивая мощность на ведущем и ведомом валах.

Обычно для закрытых фрикционных передач η = 0,88...0,95, для открытых – η = 0,70...0,85 (без учета потерь в подшипниках).

***

Расчет фрикционных передач на прочность

Для фрикционных передач с металлическими катками основным критерием работоспособности является контактная прочность. Прочность и долговечность фрикционной передачи оцениваются по контактным напряжениям – напряжениям смятия поверхности на площадке контакта.

Контактные напряжения передач с контактом по линии определяют по формуле Герца:

σн = √{(qEпр)/[2π(1 – μ2пр]},     (здесь и далее √ - знак квадратного корня)

где:
q – нормальная нагрузка по длине контактной линии, q = FrK/l, где Fr – сила прижатия катков,
K – коэффициент запаса сцепления (коэффициент нагрузки), K = 1,25...2; l – длина контактной линии;
ρпр - приведенный радиус кривизны:
ρпр = R1R2/(R1 + R2), где R1 и R2 – радиусы ведущего и ведомого катков;
Епр - приведенный модуль упругости, Епр = 2Е1Е2/(Е1 + Е2);
μ - коэффициент поперечной деформации.

При μ = 0,3 получим условие прочности по контактным напряжениям:

σн = 0,418√[(qEпр)/ρпр],

где: σн – допускаемое контактное напряжение для менее прочного материала катков.

***

Характер и причины отказов фрикционных передач

Усталостное выкрашивание.

Этот вид отказа характерен для закрытых передач, работающих в условиях качественного смазывания и защищенных от попадания абразивных частиц. Прижимная сила Fr вызывает в зоне контакта катков высокие контактные напряжения, которые циклически нагружают места контакта вследствие вращения катков.
В результате образуются усталостные микротрещины на рабочих поверхностях, развивающиеся из-за наполнения смазкой, и приводящих к выкрашиванию частиц и образованию раковин на поверхности катков.

Для предотвращения усталостного выкрашивания проводят расчет на контактную прочность, и применяют для катков материалы повышенной твердости, что обеспечивает более высокие допускаемые контактные напряжения.

Заедание.

Возникает в быстроходных тяжелонагруженных передачах при разрыве масляной пленки между рабочими поверхностями катков. Это приводит к повышению температуры в месте контакта и местному привару частиц металла (микросварка) с последующим отрывом от одной из поверхностей.
Приварившиеся частицы при последующем контакте задирают рабочие поверхности в направлении скольжения.

Для предотвращения заедания применяют специальные противозадирные масла ВТМ-1, ВТМ-2 и др., у которых коэффициент трения в 1,2...1,5 раза выше, чем у нефтяных масел.

Изнашивание.

Этот вид отказа наиболее часто встречается у открытых фрикционных передач. Изнашивание происходит вследствие упругого скольжения в зоне касания катков.

***

Вариаторы