Лекция №10. Тема: Передачи трением, классификация и особенности применения. Особенности кинематического и силового расчета.

10.1. Принцип работы, классификация и особенности применения

К передачам трения относят фрикционные и ременные механизмы. В первых из них

Рис. 10.1. К принципу работы

фрикционной передачи

(рис. 10.1) передача движения с ведущего катка на ведомый с преодолением момента сопротивления Т_2(с) осуществляется за счет силы трения F_fr. При этом в случае установившегося движения как система катков под действием движущего момента Т₁ и момента Т₂ так и каждый из них находится в равновесии ( ведущий каток под действием Т₁ и момента силы F_fr, а ведомый - под действием момен­та от движущей силы F_t и Т_2(с)). Очевидно, что для передачи дви­жения с ведущего на ведомый ка­ток необходимо соблюдения усло­вия:

F_t £ F_fr. (10.1)

Условие (10.1) можно рассматривать как первичный критерий работоспособности передач трением. Для создания необходимой силы трения, в отличии от передач зацеплением требуется дополнительная сжимающая сила F_n ,

значения которой можно установить в случае оптимального соблюдения условий (10.1)

F_t £ F_fr= F_n×f.

Откуда необходимая дополнительная сила:

F_n= . (10.2)

В уравнение (10.2) дополнительно введен коэффициент запаса К, который учитывает нестабильность коэффициента трения f при эксплуатации передачи (изменение шероховатости поверхности катков из-за износа, изменение влажности воздуха, попадания смазки на поверхность трения и т.д.). В силовых передачах принимают К =1,2 - 1,5. Если

принять ориентировочно для стальных, чугунных катков f =0,1 а К =1,5, то дополнительная сжимающая сила F_n =15 F_t. В случае использования для катков специальных фрикционных материалов ( f=0,3 - 0,4 ) при минимальном значении К =1_,2 F_n = (4 - 3) F_t. Таким образом, очевидно, что во фрикционных механизмах для передачи полезной окружной силы необходима дополнительная нагрузка F_n, превышающая F_t в (3-15) раз. Эта дополнительная

нагрузка катков, а далее валов, опор, корпусных и крепежных деталей обуславливает значительные увеличения их размеров по сравнению с передачами зацеплением. Для создания силы F_n в передачах предусматриваются специальные прижимные устройства вин-

тового, пружинного и т.п. типов [ ].

Фрикционные передачи многообразны по конструкциям. Они могут использоваться как между валами с параллельными, так и с пересекающимися осями. В последнем случае каткам, как и зубчатым колесам, придают конусную форму. Для передачи движения между пересекающимися осями валов также используются торцевые передачи (рис.10.2). Особенность такой передачи заключается в том, что она может быть использована в качестве механизма бесступенчатого регулирования скорости за счет перемещения ведущего катка вдоль оси его вала по скользящей шпонке или шлицам.

Рис. 10.2. К принципу работы

фрикционного вариатора

В этом случае окружная скорость ведущего катка υ сообщается ведомому катку на переменном радиусе и, следовательно, .

Аналогичен фрикционной передаче и принцип работы ременного механизма, с той лишь разницей, что в передаче нагрузки участвует промежуточный упругий элемент - ремень (рис. 10.3). Сначала окружная сила F_t за счет трения с веду­щего шкива передается на ремень, а затем таким же образом - на ведомый шкив. В отличие от фрикционных передач сила трения не является сосредоточенной, приложенной в точке кон­такта, а распределена по дугам контакта ремня со шкивами и обеспечивается прижатием к шки­ву ремня за счет его натяжения. Натяжение ремня создают прежде, чем нагрузить заданны­ми движущим Т₁ и

сопротивления Т_2(с) моментами с помощью раздвижки осей шкивов или специальными натяжными механизмами. В не нагруженном состоянии (при работе "вхолостую") сила натяжения в обеих ветвях ремня очевидно одинакова F_o. Их действия уравновешиваются силами F_во, которые нагружают валы, опоры и т.п. силовые элементы передачи (рис. 10.3а).

Рис. 10.3. К принципу работы ремённой передачи.

При создании момента сопротивления Т_2(с) и подведении момента Т₁ ведущий шкив стре­мится провернуться относительно ремня, однако силы трения в случае, если они равны или превышают передаваемую нагрузку, заставляют двигаться и ремень (рис. 10.3б). При установившемся движении ведущий шкив находится в равновесии относительно О₁ под действием Т₁ и момента сил трения, а ремень уравновешивается моментами сил F₁, F₂, и F_t, где F₁ и F₂ - натяжения набегающей и сбегающей ветвей. Окружная сила F_t показана на рис. 10.4б. условно в виде сосредоточенной силы, а на самом деле она, как и сила трения, распределена по дуге контакта и передается на ремень постепенно (более подробно о силовом анализе см. "Силовой расчет ременной передачи"). Аналогичные явления имеют место и при передаче движения с ремня на ведомый шкив.

Классифицируют ременные передачи главным образом по следующим признакам:

Рис. 10.4. Классификация ременных передач по форме профиля ремня: а)- плоскоре- мённая, б)- клиноремённая, в)- поликли- новая, г)-круглоремённая.

форме профиля ремней, их материалам, способам натяжения. По форме профиля ремни под­разделяются на плоские (рис. 10.4а), клино­вые (рис. 10.4б), поликлиновые (рис.10.4в) и круглые (рис.10.4г). При выборе формы профиля ремней прежде всего целесооб­разно сравнение их по нагрузочной спо­собности и долговечности. Передача наг­рузки силой трения обусловливает значи­тельно большую (до трех раз) нагрузочную способность клиноременных передач по сравнению с плоско- и круглоременными. Сила трения, в соответствии с законом Кулона, пропорциональна нормальной к плоскости трения силе, т.е. в плоскоременных (а также в кругло- ременных) пе­редачах F_fr ≈F× f, а в кли- ноременной и поликлиновой F_fr ≈ 2F_n × f ≈ ≈F× f / sin(φ/2) (рис. 10.4б) и при φ ≈ 40° F_fr ≈ 3×F× f. Долговечность ремней, прежде всего, определяется уровнем циклических изгибных напряжений, возникающих при набегании ремней на шкивы, натяжные и отклоняющие ролики (в случае, если последние используются в передаче). В соответствии с законом Гука при чистом изгибе:

(10.3)

где - относительная де­формация, пропорциональная удалению деформированного волокна от центрального слоя, а - радиус кривизны нейтрального волокна; Е - модуль упругости материала ремня.

В клиноременных передачах при условии равновеликости площадей поперечного сечения (а, следовательно, и передаваемой нагрузки) толщина ремня существенно

больше, чем в плоскоременной. Это обстоятельство обусловливает большие значения σ_из в клиновых ремнях и меньшую их долговечность. Таким образом клиновые ремни обладают повышенной нагрузочной способностью, но менее долговечны, и им следует отдать предпочтение в тяжелонагруженных тихоходных передачах, а в высокооборотных -предпочтительно применение плоских ремней.

Обсуждение принципа работы и характерных особенностей различных типов передач трением позволяет дать их сравнительную оценку с передачами зацепления.

Характерные особенности передач трением по сравнению с передачами зацепления.
Положительные	Отрицательные
1. Детали передач проще и менее тре- бовательны к точности в изготовления и монтаже; 2. Более плавны и бесшумны в работе; 3. Обеспечивают защиту привода от кратковременных перегрузок; 4. Позволяют получать достаточно простые механизмы бесступенчатого регулирования скорости; 5. Снижают динамические нагрузки и интенсивность колебательных про- цессов за счет демпфирующих свойств (ременные передачи); 6. Позволяют соединять валы на до- статочно больших расстояниях, удоб- ных для общей компоновки механизма, машины (ременные передачи);	1. Имеют меньшую нагрузочную способ- ность, большие нагрузки на все элементы их обслуживающие (валы, опоры, корпус- ные детали, крепеж), большие габариты и большую материалоёмкость; 2. Не имеют жесткой кинематической свя- зи между ведущим и ведомым элементами передачи за счет проскальзывания; 3. Имеют большие потери мощности по сравнению с передачами зубчатыми; 4.Менее долговечны в работе;

Меньшая нагрузочная способность, большие габариты и материалоемкость передач трением являются решающим их качеством, налагающим ограничения на рациональность использования обсуждаемых механизмов в приводах с мощностью более (15 - 20) кВт для простых фрикционных передач, (60 - 90) кВт - для ременных и до 200 кВт в вариаторах.