Фрикционные передачи и вариаторы

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Фрикционная передача состоит из двух соприкасающихся между собой колес (катков, роликов, дисков); вращение одного из колес преобразуется во вращение другого колеса за счет сил трения, развиваемых между ними.
Работа фрикционной передачи основана на использовании сил трения, которые возникают в месте контакта двух тел вращения под действием сжимающих сил Fn. При этом должно быть
где Ft – окружная сила ; Fтр – сила трения между катками
,
f – коэффициент трения.
Нарушение условия приводит к буксованию и усиленному износу катков.

ДОСТОИНСТВА И НЕДОСТАТКИ, ПРИМЕНЕНИЕ
Достоинства:
простота конструкции;
бесшумность работы;
равномерность вращения, что удобно для приборов;
возможность бесступенчатого регулирования угловой скорости ведомого вала;
предохранение частей от поломок;
отсутствие мёртвого хода при реверсе передачи;
небольшая стоимость .
Недостатки:
потребность в прижимных устройствах;
значительные давления на валы и опоры;
повреждение катков при пробуксовке;
непостоянство передаточного числа из-за пробуксовки.
Фрикционные передачи могут работать со скоростями 25 м/с и при передаточных числах до 10. Значения передаваемых мощностей колеблются в пределах от ничтожно малых в приборах до 300квт в силовых передачах.

КЛАССИФИКАЦИЯ
Фрикционные передачи
Нерегулируемые
(с постоянным передаточным отношением)
Регулируемые, или вариаторы
(передаточное переменное)

КЛАССИФИКАЦИЯ
Фрикционные передачи с постоянным передаточным отношением
между параллельными осями валов
между пересекающимися осями валов
с гладким ободом
с клинчатым ободом
с гладким ободом
с клинчатым ободом
внешнее колесо
внутреннее колесо

КЛАССИФИКАЦИЯ

СПОСОБЫ ПРИЖАТИЯ КАТКОВ
Способы прижатия катков :
с постоянной силой ( вследствие предварительной деформации податливых катков : установкой специальных пружин )
с переменной силой ( применением специальных нажимных устройств, например, шариковое самозатягивающее устройство, винтовое нажимное устройство ).
Способ прижатия катков оказывает большое влияние на качественные характеристики передачи :к.п.д., постоянство передаточного отношения, контактную прочность и износ катков. Лучшие показатели получают при регулируемом прижатии.

ОСНОВНЫЕ ФАКТОРЫ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ КАЧЕСТВОФРИКЦИОННОЙ ПЕРЕДАЧИ
Скольжение является причиной износа, уменьшения к.п.д. и непостоянство передаточного отношения во фрикционных передачах.
Различают три вида скольжения :
буксование;
упругое скольжение;
геометрическое скольжение.
Буксование наступает при перегрузках, когда не соблюдается условие Ft
Упругое скольжение связано с упругими деформациями в зоне контакта. Если бы катки были абсолютно жесткими, то первоначальный контакт по линии оставался бы таким и под нагрузкой. При этом окружные скорости будут равны и скольжения не будет. При упругих телах первоначальный контакт по линии переходит под нагрузкой в контакт по некоторой площадке.
Удлинение поверхности ведущего колеса, соприкасающейся с укорачивающейся поверхностью ведомого колеса, приводит к скольжению, которое начинается в точке 2, возрастает на участке 2-3 и в т.3 достигает максимального значения.
Геометрическое скольжение возникает на площадке контакта вдоль образующих колес, зависит от формы последних и связано с неравенством скоростей на площадке контакта у ведущего и ведомого катков. Оно является решающим для фрикционных передач.

ОСНОВНЫЕ КИНЕМАТИЧЕСКИЕ, СИЛОВЫЕ
И ГЕОМЕТРИЧЕСКИЕ СООТНОШЕНИЯ.
В связи с проскальзыванием ведомого колеса относительно ведущего окружная скорость его v2 несколько меньше окружной скорости последнего v1. Зависимость между этими скоростями v2 = v1ζ ,
где ζ - [ дзета ] - коэффициент, учитывающий упругое скольжение (от 0,995 для передач, работающих всухую, до 0,95 – для вариаторов).
Можно записать оттуда
.
Для конической фрикционной передачи D1 и D2 – средние диаметры колес.
Таким образом, передаточное число фрикционной передачи с условно постоянным передаточным отношением
,
где η - коэффициент полезного действия передачи.
Для конической фрикционной передачи с углом взаимного расположения валов, равным 90°,
.
Для передач с постоянным передаточным отношением, работающих всухую, можно не учитывать коэффициент ζ. Тогда
и
.

При расчетах вариаторов вместо отношения диаметров колес D2/D1 принимают отношение их радиусов R2/R1.
Передаточное число вариатора изменяется от минимального Umin до максимального Umax значения.
Отношение максимальной угловой скорости ведомого колеса вариатора ω2max к минимальной его угловой скорости ω2min называется диапазоном регулирования
.
Для простых вариаторов, у которых радиус ведущего колеса остается постоянным, а радиус ведомого колеса изменяется в пределах от R2min до R2max
.
Диапазон регулирования в простых регуляторах D<4.
Для сдвоенных вариаторов при одновременном и симметричном изменении радиусов ведущего R1 и ведомого R2 колес
Диапазон регулирования в сдвоенных вариаторах D≤16.

Для передачи фрикционной передачей окружной силы Ft ее колеса должны прижиматься друг к другу с силой Fn, определяемой по формуле
,
где k – коэффициент запаса сцепления колес.
В силовых передачах машин k=1.25÷1.5, в передачах приборов k=2.5÷3.
Коэффициент трения между колесами :
для стали по стали в масле f=0.04÷0.05 ;
или чугуну в сухую f=0.15÷0.2.
Силы Fn1 и Fn2, действующие на валы конической фрикционной передачи с углом взаимного расположения валов, равным 90°
К.п.д. фрикционной передачи в зависимости от вида передачи может быть равен 0.7÷0.96. В основном, к.п.д. фрикционной передачи колеблется в пределах от 0.95÷0.96.
С целью уменьшения потерь и повышения η целесообразно увеличивать диаметры и сохранять постоянными во время работы передачи коэффициент тяги.
Последнее достигается применением механизмов, автоматически регулирующих усилие нажатия в зависимости от передаваемой окружной силы.

ВИДЫ РАЗРУШЕНИЙ РАБОЧИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ КАТКОВ
Усилие нажатия во фрикционных передачах вызывает на опорной поверхности колес значительные контактные напряжения, которые имеют циклический характер.
При таком характере нагружения металлических колес, основными видами поломок фрикционных передач являются:
усталостное выкрашивание (в передачах с жидкостным трением смазки, когда износ сводится к минимуму);
износ (в передачах без смазки);
задир поверхности при пробуксовке.

РАСЧЕТ НА ПРОЧНОСТЬ
Контактные напряжения сжатия для фрикционных колес из стали и других материалов с коэф-том Пуассона μ=0.3 определяют по формуле Герца
,
где q – удельная нагрузка, т.е. нагрузка, приходящаяся на единицу длины контактной площади колес; E – приведенный модуль упругости материалов колес ; ρ - приведенный радиус кривизны колес.
Расчет удельной нагрузки
k=1÷1.3- коэф-т, учитывающий неравномерность распределения нагрузки по длине контактной площади ; b – длина контактной площади.
,
где E1и E2 –соответственно модуль упругости материала ведущего и ведомого колеса. Если материалы колес одинаковы, то E=E1=E2.
Приведенный радиус кривизны для цилиндрической фрикционной передачи
Для цилиндрической фрикционной передачи
Для конической фрикционной передачи
.
При проектном расчете обычно преобразуют так, чтобы можно было определить требуемый диаметр меньшего колеса D1.