Фрикционная передача: применение, достоинства и недостатки

Общие понятия и определения

Фрикционные передачи являются передачами продлевающими движение за счет сил трения, появляющихся в точках соприкосновения двух катков. Последние представляют собой пару плотно прижатых друг к другу колес, ведущего и ведомого.

Они преобразуют энергию и транспортируют нагрузку на последующие углы в соответствии с таким условием:

Rf ≥ Ft, в котором участвуют силы:

Rf – трения в месте контакта, в свою очередь, равная ƒFr, где ƒ – коэффициент трения, Fr – усилие прижима;
Ft – окружная.

Для нормальной работы указанное соотношение обязано соблюдаться, в противном случае катки в процессе эксплуатации будут лишь скользить по поверхностям друг друга, но никак не поставлять мощность дальше, другим функциональным узлам оборудования.

Чтобы обеспечить Rf нужной величины, следует добиться того, чтобы Fr значительно превышала Ft. Для этого необходимо прижать колеса – за счет собственного веса приспособления, с помощью пружины, рычага или какого-то другого устройства.

Принцип работы муфты

Под многодисковыми фрикционными муфтами подразумеваются устройства, позволяющие осуществлять отбор мощности ведомым механизмом с ведущего. В ее конструкцию входит пакет дисков (используются фрикционные и стальные типы деталей). Действие механизма обеспечивается за счёт сжатия дисков. Часто в автомобилях такой вид муфт используется в качестве альтернативы блокирующемуся дифференциалу (данный механизм подробно описывается в другом обзоре). В этом случае она устанавливается в раздаточной коробке (о том, что это такое и зачем она нужна в трансмиссии, читайте здесь) и подключает ведомый вал второй оси, благодаря чему крутящий момент передается на неактивные колеса, и трансмиссия начинает их крутить. Но в более простом варианте такое устройство используется в корзине сцепления.

Основная задача данных механизмов заключается в том, чтобы соединять/разъединять два работающие агрегата. В процессе соединения ведущего и ведомого дисков сцепление происходит плавно с поступательным нарастанием мощности в приводном агрегате. Предохранительные муфты наоборот разъединяют устройства, когда крутящий момент превышает максимально допустимое значение. Такие механизмы могут самостоятельно подключать агрегаты после того, как пиковая нагрузка была устранена. Из-за низкой точности работы данного типа муфт их применяют в механизмах, в которых часто, но на протяжении небольшого промежутка времени образуются приличные перегрузки.

Чтобы понять принцип работы данного механизма, достаточно вспомнить, как функционирует фрикцион коробки передач (механика или робот), или корзина сцепления. Подробно об этом узле автомобиля рассказывается отдельно. Если коротко, то при помощи мощной пружины диск прижимается к поверхности маховика. Благодаря этому происходит отбор мощности с силового агрегата на первичный вал КПП. Этот механизм используется, чтобы временно отключить трансмиссию от ДВС, и водитель смог переключиться на нужную передачу.

1 — Выключена; 2 — Включена; 3 — Фрикционные диски; 4 — Стальные диски; 5 — Ступица; 6 — Возвратная пружина; 7 — Поршень.

Основное отличие многодисковой муфты от блокирующегося дифференциала в том, что рассматриваемый механизм обеспечивает плавное подключение ведущего и ведомого валов. Действие осуществляет сила трения, которая обеспечивает прочное сцепление между дисками и происходит отбор мощности на ведомый узел. В зависимости от устройства, которое сжимает диски, давление на них может обеспечивать мощная пружина, электрический сервопривод или гидравлический механизм.

Коэффициент крутящего момента прямо пропорционален силе сжатия дисков. Когда начинается передача мощности на ведомый вал (каждый диск постепенно прижимается друг к другу, и фрикцион начинает крутить ведомый вал), трение между исполнительными элементами обеспечивает плавное увеличение силы, действующей на вал второстепенного механизма. Ускорение происходит плавно.

Также сила крутящего момента зависит от количества дисков в муфте. Многодисковый вид обладает большей эффективностью передачи мощности на второстепенный узел, так как увеличивается контактная поверхность соприкасающихся элементов.

Чтобы устройство работало корректно, необходимо соблюдать зазор между поверхностями дисков. Этот параметр устанавливает производитель, так как инженеры рассчитывают усилия, которые необходимо приложить, чтобы механизм эффективно передавал крутящий момент. Если дисковый зазор будет меньше заданного параметра, ведущий диск будет проворачивать и ведомые элементы без необходимости в их работе.

Из-за этого покрытие дисков быстрее изнашивается (насколько быстро, зависит от величины зазора). Но и увеличенное расстояние между дисками неизбежно приведет к преждевременному износу устройства. Причина в том, что диски будут прижиматься не с такой силой, и при увеличении мощности вращения сцепление будет проскальзывать. Основа исправной работы муфты после ее ремонта заключается в том, чтобы выставить корректное расстояние между контактными поверхностями деталей.

Характер и причины отказов фрикционных передач

Главным параметром фрикционных устройств, определяющим их износоустойчивость, считается контактная прочность, оцениваемая по напряжениям смятия плоскости в месте соприкосновения катков. Выделяет следующие виды разрушения механизмов для преобразования движений:

Усталостное разрушение. Оно появляется в механизмах, обработанных смазочными материалами.
Износ звеньев кинематической пары. Свойственен для передач высушенной поверхностью. Возникает при буксовании рабочих поверхностей, что обусловлено несоблюдением главного условия работоспособности.
Абразивный износ: происходит при загрязнении смазочных материалов твердыми частицами.
Коррозийный износ: возникает при химическом воздействии или окислении материалов рабочих поверхностей катков. Окисление происходит в условиях высоких температур, при недостаточной смазке. Интенсивное окисление может произойти при низких температурах и пластических деформациях рабочих тел вращения.
Задир плоскости, обусловленный разрывом смазочной пленки. Появляется в быстроходных системах при высоких нагрузках.

Выделяют следующие факторы отказов фрикционных передач:

Выкрашивание: свойственно для закрытых видов передачи, работающих с высушенной поверхностью. Прижимная сила повышает напряжение на контактных поверхностях фрикционных звеньев. В итоге сего влияния образуются трещинки маленьких объемов. Они заполняются смазочными материалами, что приводит к частичному или полному выкрашиванию части и появлению раковин на поверхностях катков.
Заедание: свойственно для передач с быстрым ходом. Из-за сильных нагрузок происходит разрыв смазочной пленки. В месте соприкосновения мгновенно повышается температурный режим, что приводит к молекулярному сцеплению частиц металла в месте соприкосновения поверхностей катков. После длительного воздействия высоких температур происходит сварка железных механизмов и нарушение конструкции валов. Приварившиеся части задирают плоскости катков в направленности скольжения. На рабочей поверхности образуются крупные борозды.
Диспергирование: возникает на отдельных участках поверхности трения, характерно для катков, работающих на граничной смазке при умеренных температурах. Разрушение поверхностного слоя происходит без разрыва масляной пленки.
Смятие (пластические деформирование): проявляется в виде блестящих полос на конических дисках. Обусловлено большими силами прижатия и недостаточной прочности рабочих поверхностей передачи.
Изнашивание: обусловлено воздействием упругого скольжения, возникшего в зоне соприкосновения рабочих тел. Из-за повышенного трения детали постепенно изнашиваются, понижается показатель КПД и появляется непостоянство передаточного числа.

Для предотвращения отказа фрикционных устройств нужно рассчитать контактную прочность прибора. Катки обязаны быть изготовленными из жестких материалов, выдерживающих высочайшее контактное усилие. Предотвратить заедание плоскостей возможно с поддержкой противозадирных масел. Они увеличивают коэффициент трения в 1,5 раза.

Применение – фрикционная передача

Применение фрикционных передач в настоящее время ограничивается средними и малыми мощностями, так как при больших моментах соответственно возрастают усилия прижатия и передачи получают значительные габариты.

Применение фрикционных передач для больших мощностей приводит к соответствующему возрастанию усилий на валы и опоры и увеличению габаритов передачи. Фрикционные передачи не могут применяться в тех механизмах, где недопустимо накопление ошибок в углах поворота звеньев, что связано с наличием скольжения в этих передачах.

Применение фрикционных передач для больших мощностей приводит к соответствующему возрастанию нагрузок на валы и опоры и увеличению габаритов передачи.

Правомерно применение сооеных фрикционных передач г полностью уравновешенным. При необходимости большой редукции можно применять фрикционные волновые передачи, но они работают с существенной потерей скорости.

В обычных случаях применения планетарных фрикционных передач, когда требуются значительное расширение диапазона регулирования фрикционной передачи и редуцирование чисел оборотов, применяются схемы, в которых передаточное отношение выражается разностью двух членов ( табл. 138), а не суммой. При этом целесообразно выбирать схемы, в которых ведомый вал соединяется с наиболее тихоходным элементом планетарной передачи – с водилом.

В обычных случаях применения планетарных фрикционных передач, когда требуются значительное расширение диапазона регулирования фрикционной передачи и редуцирование чисел оборотов, применяют схемы, в которых передаточное отношение выражается разностью двух членов ( табл. 7), а не суммой. При этом целесообразно выбирать схемы, в которых ведомый вал соединяется с наиболее тихоходным элементом планетарной передачи – с водилом.

Схемы фрикционных передач для постоянного передаточного отношения.

Последнее является решающим для применения фрикционных передач, так как передачи зацеплением не допускают бесступенчатого регулирования.

Вторым методом регулирования числа оборотов шнека является применение механической фрикционной передачи от электродвигателя с постоянным числом обо – ротов. Регулирование числа оборотов шнека шприцпрессов большего размера осуществляют при помощи вариатора скорости с клиновидными ремнями и шестеренчатой передачи. Такие вариаторы пригодны для передачи мощности до 110 кет, но при применении этих передач возникают затруднения при работе на низких скоростях из-за большой величины передаваемого вращающего момента. Обычно для предохранения узлов пресса от перегрузки применяют предохранительный срезной штифт или фрикционную муфту.

Простейшим способом передачи работы между вращающимися валами является применение фрикционной передачи. Фрикционная передача осуществляется обычно при помощи двух гладких колес, прижимаемых одно к другому с определенной силой. Благодаря наличию этой силы при вращении ведущего колеса в месте соприкосновения колес возникает сила трения, через которую передается вращение ведомому колесу. Такую передачу называют фрикционной, а колеса – колесами трения.

Большая величина силы Q является основным фактором, ограничивающим применение фрикционной передачи с цилиндрическими катками. Это наглядно видно из приведенного ниже примера.

Большие нагрузки на валы и опоры и неизбежность проскальзывания между телами качения ограничивают применение фрикционных передач, несмотря на их существенные достоинства – простоту, бесшумность и возможность использования для бесступенчатого регулирования скорости.

Схема цилиндрической фрикционной передачи.| Схемы фрикционных передач с постоянным передаточным числом. а – с цилиндрическими катками. Я – передача катками с клинчатым ободом. а – с коническими катками.

Классификация передач

Фрикционные передачи бывают:

с параллельными валами
с пересекающимися валами
с внешним контактом
с внутренним контактом

по возможности варьирования передаточного отношения

нерегулируемые (i=const)
регулируемые (фрикционный вариатор)

по возможности изменения передаточного отношения при наличии промежуточных тел в передаче по форме контактирующих тел

цилиндрические
конические
сферические
плоские

Вариаторы

Вариаторы — передачи, посредством которых можно плавно, бесступенчато изменять передаточное число. По форме тел вращения вариаторы бывают лобовые, конусные, торовые и др.

Лобовые вариаторы (рис. 169) применяются в винтовых прессах и приборах. В наиболее простом из них (рис. 169, I) ведущий ролик катится по торцовой поверхности большого диска и передает ему вращение. Движение можно передавать и в обратном направлении — от диска к ролику. Для регулирования скорости вращения ролик передвигают вдоль диска. Передаточное отношение в таких вариаторах равно i = R1/R2,

где: R1 и R2 — радиусы колес.

В более сложном плоском вариаторе (рис. 169, II) между двумя большими дисками вращается передвижной ролик. Один диск ведущий, другой — ведомый. Ролик служит промежуточным звеном, передающим вращение. При регулировании скорости ролик перемещают вдоль обоих дисков, причем, приближаясь к центру одного из них, он в то же самое время удаляется от центра другого. Поэтому изменение передаточного отношения и плавное регулирование скоростей вращения производится быстрее и в более широких пределах, чем в вариаторе с одним диском.

Рис. 169

Вариаторы с раздвижными конусами (рис. 170) имеют ограниченное применение в машиностроении. Конические диски насажены на два параллельных вала I и II. Между дисками зажато стальное кольцо, которое передает движение от ведущего вала к ведомому. Изменение передаточного числа осуществляется сближением одной пары конусов и раздвижением другой.

Рис. 170

Рис. 171

На рис. 171 представлены торов ые вариаторы. На валах I и II насажены два диска, имеющие сферические рабочие поверхности. Вращение от ведущего диска I к ведомому II передаются посредством двух промежуточных роликов 1, свободно сидящих на осях 2. Изменение передаточного числа осуществляется одновременным поворотом этих осей вокруг шарниров 3. Торовые вариаторы требуют довольно высокой точности изготовления.

Это интересно: Шпиндель станка — типы, принцип работы, устройство

Силы в зацеплении цилиндрической косозубой передачи

— окружная сила;

— вспомогательная окружная сила;

— осевая сила;

— радиальная сила;

— сила нормального

давления.

Наличие в передаче осевой силы

приводит к дополнительному нагружению вала изгибающим моментом, а подшипников — осевой силой, что ведет к необходимости применения в опорах радиально-упорных подшипников, воспринимающих радиальную и осевую нагрузку.

Проектные и проверочные расчеты косозубых передач по контактным напряжениям и напряжениям изгиба производят по тем же зависимостям, что и для прямозубых передач. При этом учитывают увеличение прочности зубьев вследствие угла наклона зубьев

Скольжение во фрикционной механической передаче

Оно неизбежно возникает в процессе эксплуатации из-за разницы в скоростях катков. У того же ведущего поверхностные элементы подходят к месту соприкосновения сжатыми, а покидают ее уже растянутыми; и наоборот в случае с ведомым. В результате у первого обод удлиняется, а у второго – укорачивается, что и приводит к потерям трения.

При сравнении окружных скоростей оказывается, что V2 значительно, в разы, меньше V1, а в таких условиях крайне проблематично добиться хорошего прижима.

Особняком стоят случаи, когда механизмы фрикционных передач залиты СОЖ, то есть функционируют в так называемых ваннах: масляная пленка способствует еще большему скольжению.

Свою роль, причем серьезную, также играет нагрузка: если она будет чрезмерной, это обернется буксованием, а значит и отсутствием должного трения, что приведет к остановке ведомого колеса и/или к быстрому износу взаимодействующих поверхностей.

Скольжение во фрикционной механической передаче

Где используется фрикционная передача: область применения

Они не очень подходят для обеспечения больших мощностей, так как при высоких нагрузках наблюдается скольжение, сопровождающееся быстрым износом валов с последующей частичной или даже полной поломкой. Также их нельзя устанавливать там, где особо критичны ошибки в углах поворота звеньев, так как могут возникать в зоне контакта.

Ниша, в которой они востребованы, – это производство прессов, кузнечно-штамповочных комплексов, транспортеров, тяговых приводов, металлообрабатывающих станков. Наиболее актуальны из них те, что подключены к электромотору или ДВС (двигателю внутреннего сгорания). С их помощью появляется возможность бесступенчатой регулировки скорости, что особенно удобно, например, для АКПП в машинах.

Те, чье передаточное число неизменно, становятся важной частью магнитофонов, спидометров и других устройств, эксплуатируемых при незначительных нагрузках. Вариаторы используют в текстильной промышленности: в силовых агрегатах, чтобы натягивать нити и волокна, в центрифугах, дабы обеспечивать равномерный разгон, при деревообработке, чтобы соотносить скорость с плотностью породы и так далее

Зубчатые передачи

Зубчатой передачей называется трехзвенный механизм, в котором два подвижных звена являются зубчатыми колесами, или колесо и рейка с зубьями, образующими с неподвижным звеном (корпусом) вращательную или поступательную пару. Зубчатая передача состоит из двух колес, посредством которых они сцепляются между собой. Зубчатое колесо с меньшим числом зубьев называют шестерней, с большим числом зубьев – колесом. Термин «зубчатое колесо» является общим. Параметрам шестерни приписывают индекс 1, а параметрам колеса – 2.

Основными преимуществами зубчатых передач являются: — постоянство передаточного числа (отсутствие проскальзывания); — компактность по сравнению с фрикционными и ременными передачами; — высокий КПД (до 0,97…0,98 в одной ступени); — большая долговечность и надежность в работе (например, для редукторов общего применения установлен ресурс ~ 30 000 ч); — возможность применения в широком диапазоне скоростей (до 150 м/с), мощностей (до десятков тысяч кВт).

Недостатки: — шум при высоких скоростях; — невозможность бесступенчатого изменения передаточного числа; — необходимость высокой точности изготовления и монтажа; — незащищенность от перегрузок; — наличие вибраций, которые возникают в результате неточного изготовления и неточной сборки передач.

Классификация зубчатых передач

По расположению осей валов различают передачи с параллельными (рис. 2.1, а – в, з), с пересекающимися (рис. 2.1, г, д) и перекрещивающимися (рис. 2.1, е, ж) геометрическими осями. По форме могут быть цилиндрические (рис. 2.1, а – в, з), конические (рис. 2.1, г, д, ж), эллиптические, фигурные зубчатые колеса и колеса с неполным числом зубьев (секторные). По форме профилей зубьев различают эвольвентные и круговые передачи, а по форме и расположению зубьев – прямые(рис. 2.1, а, г, е, з), косые (рис. 2.1, б), шевронные (рис. 2.1, в) и круговые (рис. 2.1, д, ж). В зависимости от относительного расположения зубчатых колес передачи могут быть с внешним (рис. 2.1, а) или внутренним (рис. 2.1, з) их зацеплением. Для преобразования вращательного движения в возвратно поступательное и наоборот служит реечная передача (рис. 2.1, е). Зубчатые передачи эвольвентного профиля широко распространены во всех отраслях машиностроения и приборостроения. Они применяются в исключительно широком диапазоне условий работы. Мощности, передаваемые зубчатыми передачами, изменяются от ничтожно малых (приборы, часовые механизмы) до многих тысяч кВт (редукторы авиационных двигателей). Наибольшее распространение имеют передачи с цилиндрическими колесами, как наиболее простые в изготовлении и эксплуатации, надежные и малогабаритные. Конические, винтовые и червячные передачи применяют лишь в тех случаях, когда это необходимо по условиям компоновки машины.

Рис. 2.1. Зубчатые передачи

Вопросы для контроля

Что называют механической передачей, их основные разновидности?
Что представляют собой зубчатые передачи: описание, назначение, классификация, достоинства и недостатки?
Каков принцип работы червячных зубчатых передач, их основные достоинства и недостатки?
Что представляют собой передачи с гибкими звеньями: описание, назначение, классификация?
Какие основные достоинства и недостатки ременных передач в сравнении с цепными?
Что представляют собой фрикционные передачи: описание, назначение, классификация?

Кулисные механизмы

Возвратно-поступательное движение в кривошипных механизмах можно передавать и без шатуна. В ползунке, которая в данном случае называется кулисой, делается прорез поперек движения кулисы. В этот прорез вставляется палец кривошипа. При вращении вала кривошип, двигаясь влево и вправо, водит за собой и кулису.

а — принудительная кулиса, б — эксцентрик с пружинным роликом, в — качательная кулиса

Вместо кулисы можно применить стержень, заключенный в направляющую втулку. Для прилегания к диску эксцентрика стержень снабжается нажимной пружиной. Если стержень работает вертикально, его прилегание иногда осуществляется собственным весом.

Для лучшего движения по диску на конце стержня устанавливается ролик.

Основные характеристики фрикционной передачи

Для расчета фрикционной передачи необходимо учитывать следующие критерии

Передаточное число – величина, равная отношению числа зубьев ведомого и ведущего валов. Оно оказывает воздействие на скорость передачи крутящегося момента от мотора к приводу узла. Эта характеристика равна отношению угловых скоростей катков. Также передаточное количество можно выразить при помощи отношения частот вращения или диаметров катков. В большинстве фрикционных механизмов его значение меньше или равно 7.
КПД: указывает количество утраченных мощностей. Зависит от числа потерь во время качения и скольжения. Величина этого параметра рассчитывается экспериментальным методом, при помощи сравнения мощностей ведущего и ведомого валов. Средний КПД фрикционных механизмов равняется 90%.
Контактная прочность: характеризует способность передачи выдерживать крупные нагрузки. Оценивается при помощи контактного напряжения, возникающего в месте соприкосновения катков. Чем ниже контактная прочность конструкции, тем сильнее изменяется форма основных деталей во время соприкосновения. Рассчитать эту характеристику можно при помощи формулы Герца, где учитываются коэффициент нагрузки, приведенный радиус кривизны, модуль упругости и сила сжатия катков.
Тип движения катков: характеризует траекторию движения рабочих тел вращения. Оно может быть реверсивным и нереверсивным. При реверсивном движении рабочие тела вращения перемещаются в противоположных направлениях, что позволяет осуществлять передачу 2 путями. При нереверсивном движении катки движутся в 1 направлении. Передача производится только 1 единственным способом.
Материал тел качения – характеристика, влияющая на износостойкость устройство, контактную прочность, коэффициент трения и модуль упругости. Чаще всего при изготовлении деталей кинематической пары используется металлокерамика или сочетание стандартной и закаленной стали (закалка до 60 HRC). Эти материалы уменьшают габариты механизма и увеличивают величину КПД. При использовании чугуна катки смогут работать без использования смазки. Наиболее дешевым материалом являются фрикционные пластмассы и текстолит. Но они обладают низким КПД: 50%. Высокими показателями трения обладают валы с кожаным или деревянным покрытием. Минусом этих материалов является низкая контактная прочность.

В следующей таблице указана величина коэффициента трения для фрикционных передач из разных материалов:

Покрытая смазкой сталь	0,04 – 0,05
Сталь с сухой поверхностью	0,14 – 0,19
Фрикционная пластмасса с высушенной поверхностью	0,36 – 0,46
Текстолит с высушенной поверхностью	0,31 – 0,36
Металлокерамика с сухой поверхностью	0,29 – 0,34

Эти факторы и характеристики учитываются при изображении фрикционной передачи на кинематических схемах.

Зубчатые передачи: виды, достоинства и недостатки зубчатых передач

Подавляющее большинство механических передач имеет в своей основе зубчатые зацепления. Другими словами, в зубчатой передаче усилие передается благодаря зацеплению пары зубчатых колес (зубчатой пары). Зубчатые передачи активно используются, позволяя изменять скорость вращения, направление, моменты.

Основной задачей является преобразования вращательного движения, а также изменение расположения элементов трансмиссии и ряд других функций, которые необходимы для работы узлов, агрегатов и механизмов. Далее мы рассмотрим типы зубчатых передач, их особенности, а также достоинства зубчатых передач и их недостатки.

Фрикционная передача

Общие понятия и определения

Принцип работы муфты

Характер и причины отказов фрикционных передач

Применение – фрикционная передача