Фрикционные передачи: типы, конструкции и расчет

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное государственное автономное образовательное

Учреждение высшего профессионального образования

«Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»

Обнинский институт атомной энергетики

Физико-энергетический факультет

Кафедра Общей и специальной физики

Индивидуальное домашнее задание

Фрикционные передачи: типы, конструкции и расчет



Введение

Фрикционной передачей называется механизм, служащий для передачи вращательного движения от одного вала к другому с помощью сил трения, возникающих между насаженными на валы и прижатыми друг к другу дисками, цилиндрами или конусами. Они достаточно просты в изготовлении, разнообразны в конструкторских решениях, имеют различные модификации, поэтому, я считаю, они интересны как для конструктора, так и для потребителя и производственного применения. Фрикционные передачи, в отличие от других типов бесступенчатых передач, изменяют крутящий момент за счет использования только одного вида энергии - механического. Этот тип передач не обладает свойством автоматизма и для изменения передаточного отношения требует принудительного регулирования

Фрикционные передачи находят применение в кузнечно-прессовом оборудовании (фрикционные прессы, фрикционные молоты), металлорежущих станках, транспортирующих машинах (например лебедки с фрикционным приводом ); в приборах, счетно-решающих машинах и т.д. Наибольшее применение в машиностроении имеют фрикционные вариаторы. Принцип фрикционной передачи является основой технологического процесса в прокатных станках, основой работы рельсового и безрельсового колесного транспорта, однако эти вопросы являются предметом изучения в специальных дисциплинах. Фрикционные передачи с постоянным передаточным отношением широко применяются в приборостроении.

фрикционный передача цилиндрический конический



Строение (конструкция) фрикционных передач

.

Фрикционные передачи состоят из двух катков (рис.1): ведущего 1 и ведомого 2, которые прижимаются один к другому силой F_r (на рисунке -- пружиной), так что сила трения в месте контакта катков достаточна для передаваемой окружной силы F_t.

Рис.1. Цилиндрическая фрикционная передача: 1 -- ведущий каток; 2 -- ведомый каток

Условие работоспособности передачи:

(1)



Нарушение условия (1) приводит к буксованию и быстрому износу катков. Для того чтобы передать заданное окружное усилие F_t., фрикционные катки надо прижать друг к другу усилием F_r так, чтобы возникающая при этом сила трения была бы больше силы F_t. на величину коэффициента запаса сцепления , который принимают равным = 1,25...2,0.

Значения коэффициента трения между катками в среднем:

- сталь или чугун по коже или ферродо насухо f = 0,3;

- то же в масле f = 0,1;

- сталь или чугун по стали или чугуну насухо f = 0,15;

- то же в масле f = 0,07.

Подставив эти значения в уравнение, можно убедиться в том, что усилие прижатия фрикционных катков во много раз превышает передаваемое окружное усилие.

Классификация

Фрикционные передачи классифицируют по следующим признакам:

1. По назначению:

Ш с нерегулируемым передаточным числом (рис.9.1-9.3);

Ш с бесступенчатым (плавным) регулированием передаточного числа (вариаторы).

Рис.9.2. Цилиндрическая фрикционная передача с катками клинчатой формы

Рис.9.3. Коническая фрикционная передача

2. По взаимному расположению осей валов:

Ш - цилиндрические или конусные с параллельными осями (рис.9.1, 9.2);

Ш - конические с пересекающимися осями (рис.9.3).

3. В зависимости от условий работы:

Ш - открытые (работают всухую);

Ш - закрытые (работают в масляной ванне).

Ш В открытых фрикционных передачах коэффициент трения выше, прижимное усилие катков F_n меньше. В закрытых фрикционных передачах масляная ванна обеспечивает хороший отвод тепла, делает скольжение менее опасным, увеличивает долговечность передачи.

4. По принципу действия:

Ш - нереверсивные (рис.9.1-9.3);

Ш - реверсивные.

5. Различают также передачи с постоянным или автоматическим регулируемым прижатием катков, с промежуточным (паразитным)

Цилиндрическая фрикционная передача

Кинематика передачи. Схемы цилиндрической фрикционной передачи с гладкими катками представлены на рис. 1, а и 2. В результате неизбежного при работе фрикционных передач упругого скольжения ведомый каток отстает от ведущего и точное значение передаточного числа будет определяться по формуле

u = щ ₁/ щ ₂ = D ₂/[ D ₁(1- е )], (1)

где е -- коэффициент скольжения (для металлических катков е = 0,01...0,03, большие значения относятся к передачам, работающим всухую; для текстолитового катка е ? 0,1).

Рисунок.2 - Силовые соотношения

Наличие упругого скольжения и некоторая его зависимость от колебаний нагрузки и условий работы передачи вынуждают называть передаточное число фрикционной передачи условно постоянным. Для практических расчетов силовых фрикционных передач пользуются приближенным значением передаточного числа и ? D ₂ / D_l . Для одной пары катков силовых передач и ? 7, для передач приборов и ? 25.

Силовые соотношения в передаче. Для передачи от одного вала к другому (рис. 2) вращающего момента необходимо за счет силы трения приложить к ведомому катку окружную силу

F ₁ = 2 T / D ₁ , (2)

которая должна быть меньше наибольшей силы трения покоя, возникающей между катками, прижатыми друг к другу силой Q . Таким образом, условие работы фрикционной передачи записывается так:

,

где k -- коэффициент запаса сцепления ( k = = 1,3... 1,4); f -- коэффициент трения (для стальных или чугунных катков, работающих в масляной ванне f = 0,04...0,05; работающих всухую f= 0,15.. .0,20; для передач с одним неметаллическим катком f = 0,2...0,3). Из вышеприведенной формулы определим силу прижатия катков:

Q = kF ₁ / f = 2 kT ₁ / ( fD ₁ ). (3)

Из этой формулы видно, что сила прижатия катков больше окружной силы в k / f раз, что при k = 1,4, f = 0,04 дает k / f = 1,4/0,04 = 35 раз. Большие силы прижатия катков создают значительные радиальные нагрузки на опоры валов и вызывают появление больших контактных напряжений на рабочих поверхностях катков, что делает силовые фрикционные передачи громоздкими, а их нагрузочную способность сравнительно невысокой фрикционным элементом или без него.



Коническая фрикционная передача

Конические фрикционные передачи преобразовывают вращательное движение между валами, оси которых пересекаются (рис. 4), причем обычно угол между осями

?=д₁ + д₂ = 90°,

где д₁и д₂ -- половины углов при вершине конусов ведущего и ведомого катков.

Без учета упругого скольжения катков передаточное число конических фрикционных передач выражается формулой

u = щ ₁ / щ ₂ ? D ₂ / D ₁ , (9)

а для ортогональных передач (?=90°), для которых D ₂ jD ₁ = tgд ₂ , передаточное число можно также определить по формуле

u = tgд ₂ = ctgд ₁ . (10)

Рисунок 4 - Коническая фрикционная передача

Для конических фрикционных передач рекомендуется u ? 4.

Так как линия контакта ведущего и ведомого катков и оси валов пересекаются в одной точке, то теоретически в конической фрикционной передаче геометрического скольжения нет.

Основными геометрическими параметрами передачи являются (рис. 4):

конусное расстояние

, (11)

где D , и D ₂ -- диаметры катков; b -- ширина катков; D_m = D - b sinд -- средний диаметр катков. Для передачи вращающего момента необходимо катки прижать друг к другу, создав силу нормального давления N и обеспечив условие

kF ₁ = F _тр = fN ,

(12) где k -- коэффициент запаса сцепления;

F , - 2 T ₁ / D _{1 m} -- окружная сила;

f -- коэффициент трения. Для определения силы Q ₁ прижатия катков разложим эту силу по реальным направлениям на составляющие N и Q ₂ (рис. 4):

Q , = N sinд ₁ ; (13)

Q ₂ = Nsin д₂ . (14)

Из этих равенств видно, что для обеспечения одной и той же силы нормального давления N надо к ведущему катку приложить силу Q ₁ или к ведомому -- силу Q ₂ , причем Q ₁ < Q ₂ ,если д₁ < д₂. Отсюда следует, что выгодно нажимным делать меньший каток.

Коэффициент полезного действия конических фрикционных передач з = 0,85... 0,9.

Рисунок 5 - Реверсивная коническая передача

основным расчетным параметром следует считать средний диаметр D_m большего (обычно ведомого) катка, так как в основном именно этот размер определяет габариты передачи.

Обычно катки такой передачи делают из чугуна, а обод ведомого шкива покрывают кожаной лентой, прорезиненной тканью или прессованным асбестом; иногда обод ведомого катка изготовляют из пластмассы.

Преимущества:

- простота конструкции и обслуживания;

- плавность передачи движения и регулирования скорости и бесшумность работы;

- большие кинематические возможности (преобразование вращательного движения в поступательное, бесступенчатое изменение скорости, возможность реверсирования на ходу, включение и выключение передачи на ходу без остановки);

- отсутствие мёртвого хода при реверсе передачи;

- равномерность вращения, что удобно для приборов;

- возможность бесступенчатого регулирования передаточного числа, причем на ходу, без остановки передачи.

Недостатки:

Проскальзывание.

Это очень важно, наличие проскальзывания влияет на постоянство передаточного числа, Угловая скорость меняется, допустим, сила трения уменьшается. А как говорилось выше, чем меньше сила трения, тем хуже. И, если , то начинается износ, так как происходит буксование. При отношениях, значительно превышающих единицу, появляется пережатие, что приводит к быстрому износу контактирующих поверхностей и понижению КПД. Следовательно, оптимальное условие работы фрикционной передачи будет обеспечено тогда, когда отношение будет величиной постоянной в регулируемом диапазоне и несколько больше единицы. И как вывод, чем больше будет проскальзывание, тем хуже.

Скольжение во фрикционных передачах:

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). О котором говорилось выше. 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.

Примером геометрического скольжения могут служить фрикционные передачи с клинчатыми катками.

Рис.9.7



Допустим, что на линии контакта есть некоторая точка (рис.9.7), на которой скорости обоих колёс одинаковы, то есть . На самой линии контакта , на всём её протяжении, кроме точки , линейные скорости колёс различны, то есть и . Таким образом, везде происходит относительное скольжение, что приводит к нагреву и износу сопряжённых конусных поверхностей, что, в свою очередь, понижает коэффициент полезного действия передачи. Чтобы избежать этого не следует делать общую образующую больших размеров. Необходимо уметь находить оптимальный размер образующей .

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.

Необходимость применения опор валов специальной конструкции с прижимными устройствамиэто делает передачу громоздкой; Этот недостаток ограничивает величину передаваемой мощности

Незначительная передаваемая мощность (открытые передачи - до 10-20 кВт; закрытые - до 200-300 кВт)

Для силовых открытых передач незначительная окружная скорость 7 - 10 м/с

Большие потери на трение.

Материалы катков фрикционных передач:

1. Для быстроходных закрытых силовых передач -- закаленная сталь по закаленной стали (стали ШХ15, 40ХН, 18ХГТ и др.). Такое сочетание обеспечивает наибольшую компактность передачи, но требует более точного изготовления и малых параметров шероховатости поверхностей.

2. Для открытых тихоходных силовых передач -- чугун по чугуну (СЧ15; СЧ20; СЧ25 и др.) или чугун по стали. Чаще применяют чугун по стали, что обеспечивает меньший шум при работе передачи.

3. Для малонагруженных открытых передач, не требующих большой долговечности, -- текстолит, гетинакс или фибра по стали или по чугуну.

Такое сочетание материалов позволяет уменьшить требования к качеству обработки контактирующих поверхностей, так как они хорошо прирабатываются (рис.4, в).

а) б) в) г)

Рис.4. Материалы трущихся поверхностей катков: а, б -- резина; в -- фибра; г -- кожа

4. Для передачи незначительных вращательных моментов -- кожа, резина, прорезиненная ткань, ферродо, пластмасса по стали или чугуну. Один из катков изготовляют из стали или чугуна (чаще ведомый), а второй покрывают одним из перечисленных неметаллических материалов (рис.4, а, б, г).

Разработаны специальные фрикционные пластмассы с асбестовым и целлюлозным наполнителем, коэффициент трения которых достигает 0,5.

Более надёжны передачи, у которых ведущий каток твёрже, чем ведомый, т.к. тогда при пробуксовке не образуются лыски.

Применяются обрезиненные катки, однако их коэффициент трения падает с ростом влажности воздуха.

Для крупных передач применяют прессованный асбест, прорезиненную ткань и кожу.



Вывод

Фрикционные передачи не очень сложны в изготовлении, имеют хорошее КПД, используются не затратные материалы, поэтому, очень распространены у нас в России, потому что в целом, человек с любым достатком может ее изготовить. У них также не последний по привлекательности параметр- относительная бесшумность. Но есть много недостатков, главный- быстрый износ, так как в открытом виде воздействие любого характера, к примеру дождя, будет создавать большое проскальзывание, и как следствие передача очень быстро износится. Но в каких-то помещениях, где среда постоянна, очень распространены, к примеру, в конструкции барабанных аппаратов. Механическая передача вращательного движения фрикционным способом с «непосредственным контактом» применяется в конструкции торовых вариаторов.



Литература

1. С. А. Чернавский и др.. Курсовое проектирование деталей машин. -- Машиностроение, 1987. -- 146-152 с.

2. http://amskaskad.ru/index.php?option=com_content&view=article&catid=99&id=191&Itemid=517

3. О.А. Ряховский Детали машин--3-е издание, переработанное и дополненное Москва, издательство МГТУ имени Н.Э. Баумана 2007 --с 31-38.

Размещено на Allbest.ru

...