Фрикционная передача

Недостатки

Зубчатые передачи имеют и ряд особенностей, которые могут быть отнесены к их недостаткам. В плане эксплуатации – такой механизм шумит при высокой скорости вращения. Он не может гибко реагировать на изменяющуюся нагрузку, так как представляет собой жесткую конструкцию с точной регулировкой.

В технологическом плане – это сложность изготовления пар колес зацепления. Для такого вида передач требуется повышенная точность, так как зубья находятся в зацеплении при постоянно изменяющемся напряжении. В таких условиях возможны усталостные разрушения материала.

Это происходит при превышении допустимых нагрузок. Зубья могут выкрашиваться, частично или полностью ломаться. Отколовшиеся осколки попадают в механизм, повреждают соседние сопрягающиеся участки, что приводит к заклиниванию и выходу из строя всего узла.

Наибольшее распространение получила цилиндрическая зубчатая передача. Ее применяют в узлах и механизмах с параллельным расположением валов. По конструктивным особенностям различают зубья с прямым, косым и шевронным профилем.

Для перекрещивающихся валов используют червячную, винтовую цилиндрическую передачи, а для пересекающихся – коническую. Реечная передача отличается тем, что шестерня в общем парном механизме заменяется рабочей плоскостью. При этом на ней нарезаны зубья, идентичные по профилю колеса. В итоге вращательное движение преобразуется в поступательное.

Также разделяют передачи по скорости вращения: тихоходные, средние и скоростные. По назначению их делят на силовые и кинематические (не передающие значительной мощности). Кроме того, зубчатые передачи могут классифицироваться по величине передаточного числа, подвижности осей (рядовые и планетарные), числу степеней, точности зацепления (12 классов), способу изготовления. По форме профиля зуба могут быть эвольвентные, циклоидальные, цевочные, круговые.

Основные характеристики

1. Передаточное отношение фрикционной передачи – чтобы узнать его, нужно число зубьев ведомого вала разделить на количество звеньев ведущего. Чем оно больше, тем быстрее крутящий момент переносится от двигателя к узловому приводу. Также его можно представить (и вычислить) в виде соотношения диаметров катков. Обычно находится на отметке до 7.
2. Контактная прочность, показывающая, насколько серьезные нагрузки может выдерживать устройство. Чтобы оценить их, следует измерить напряжение в зоне трения и подставить его в формулу Герца, вместе с коэффициентом нагрузки, модулем упругости и радиусом кривизны. Чем меньше данная величина, тем раньше в точке соприкосновения возникнут деформации.
3. КПД, в том числе отражающий потерю мощности, зависящую от интенсивности замедления вращательного момента при скольжении и качении. Узнать его значение можно экспериментальным путем, сравнивая колесную пару. В среднем составляет 90%, что считается хорошим показателем.
4. Траектория перемещения рабочих элементов фрикционной передачи – может быть реверсивной или нет. В первом случае катки вращаются в разных направлениях, во втором – в одном и том же.
5. Материал исполнения тел качения – от него зависит целый ряд характеристик, не только контактная прочность или общая износостойкость, но и модуль упругости, и коэффициент трения. Обычно для их изготовления берут металлокерамику или сталь с закалкой до отметки в 60 HRC, что позволяет сохранить сравнительно легкий вес и высокую производительность. Реже предпочтение отдают чугуну, ведь он требует обильной смазки, или текстолиту (дешево стоит, но недолговечный и с КПД всего в 50%); валы с поверхностями из кожи или дерева тоже не самые практичные, так как контактная прочность недостаточна для решения промышленных задач.

Достоинства и недостатки

Выделяют следующие плюсы фрикционных передач:

1. Несложное строение механизмов, небольшое число деталей.
2. Бесступенчатое смена скорости машинных приборов и станков.
3. Во время работы механизмы работают плавно и не издают дополнительных шумов.
4. Предоставляет возможность реверсировать, включать и отключать передачи во время рабочего процесса.
5. Имеет предохранительные свойства, что обусловлено интенсивной пробуксовкой механизмов.
6. При реверсе не возникает мертвый ход.
7. Позволяет регулировать значение передаточного количества на ходу.
8. При сильной нагрузке на катки или валы устройство автоматически останавливается, что понижает риск возникновения аварийных ситуаций.

Во время эксплуатации были выявлены следующие минусы фрикционных передач:

1. Открытые передачи, функционирующие при наличии смазки, обладают низким КПД.
2. Невысокая передаваемая мощность: до 300 кВт.
3. Непостоянство передаточного числа, вызванного сильным скольжением звеньев.
4. При использовании дополнительных прижимных устройств и опор для валов конструкция становится тяжелой, что снижает ее мобильность и повышает количество передаваемых мощностей.
5. Окружная скорость составляет не больше 7 — 10 м/с.
6. При долгом буксовании валы изнашиваются, что может привести к неисправности прибора.
7. Во время соприкосновения катков возникают колоссальные потери на трение.

Устранение указанных недостатков осуществляется при помощи разработки фрикционных передач с замкнутыми силами прижатия, внедрения в их конструкцию принципа многоконтакности, создания улучшенных форм рабочих тел вращения, нажимных устройств, применения улучшенных материалов при изготовлении катков и использования планетарных схем.

Фрикционные передачи. Достоинства и недостатки

Зубчатые передачи, достоинства и недостатки.

Зубчатая передача — трехзвенный механизм, включающий два подвижных звена, взаимодействующих между собой через высшую зубчатую кинематическую пару и образующих с третьим неподвижным звеном низшие (вращательные или поступательные) кинематические пары

(рис. 4.1).

Рис. 4.1. Виды зубчатых передач.

Меньшее зубчатое колесо, участвующее в зацеплении обычно называют шестерней, большее – зубчатым колесом, звено зубчатой передачи, соверша­ющее прямолинейное движение, называют зубчатой рейкой (рис. 4.1, к).

Назначение зубчатой передачи — передача движения (чаще всего вращательного) с преобразованием параметров, а иногда и его вида (реечная передача).

Зубчатые передачи вра­щательного движения наиболее распространены в технике (рис. 4.1, а…и).

Они характеризуются передаваемыми мощностями от микроватт (механизм кварцевых наручных часов) до десятков тысяч киловатт (крупные шаровые мельницы, дробилки, обжиговые печи) при окружных скоростях до 150 м/с.

Наиболее широкое применение находят редуцирующие зубчатые передачи вращательного движения, в том числе и в многоцелевых гусеничных и колесных машинах (коробки передач, бортовые редукторы, приводы различных устройств). Поэтому дальнейшее изложение, если это не упоминается особо, касается только передач вращательного движения.

Достоинства зубчатых передач: 1. Высокая надежность работы в широком диапазоне нагрузок и скоростей. 2. Большой ресурс. 3. Малые габариты. 4 Высокий КПД. 5. Относительно малые нагрузки на валы и подшипники. 5. Постоянство предаточного числа. 6. Простота обслуживания.

Недостатки зубчатых передач: 1. Сложность изготовления и ремонта (необходимо высокоточное специализированное оборудование). 2. Относительно высокий уровень шума, особенно на больших скоростях. 3. Нерациональное использование зубьев – в работе передачи одновременно участвуют обычно не более двух зубьев каждого из зацепляющихся колёс.

Фрикционные передачи. Достоинства и недостатки.

Фрикционная передача — механическая передача, служащая для пере­дачи вращательного движения (или для преобразования вращательного движе­ния в поступательное) между валами с помощью сил трения, возникающих между катками, цилиндрами или конусами, насаженными на валы и при­жимаемыми один к другому.

Фрикционные передачи состоят из двух катков (рис.9.1): ведущего 1 и ведомого 2, которые прижимаются один к другому силой (на рисунке — пружиной), так что сила трения в месте контакта катков достаточна для передаваемой окружной силы .

Рис.9.1. Цилиндрическая фрикционная передача:

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:

1. Усталостное разрушение. Оно появляется в механизмах, обработанных смазочными материалами.
2. Износ звеньев кинематической пары. Свойственен для передач высушенной поверхностью. Возникает при буксовании рабочих поверхностей, что обусловлено несоблюдением главного условия работоспособности.
3. Абразивный износ: происходит при загрязнении смазочных материалов твердыми частицами.
4. 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.
5. Задир плоскости, обусловленный разрывом смазочной пленки. Появляется в быстроходных системах при высоких нагрузках.

Выделяют следующие факторы отказов фрикционных передач:

1. 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.
2. 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.
3. 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.
4. Смятие (пластические деформирование): проявляется в виде блестящих полос на конических дисках. Обусловлено большими силами прижатия и недостаточной прочности рабочих поверхностей передачи.
5. 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.

Фрикционные передачи

Передачи, в которых кинематическое движение от одного вала к другому сообщается благодаря трению между рабочими поверхностями вращающихся катков или дисков, называют фрикционными.

Составными частями любой фрикционной передачи являются два катка (колеса), из которых одно является ведущим, а второе – ведомым. Своими внешними поверхностями они прижаты друг к другу. Если ведущее колесо (каток) вращается, то за счет силы трения оно приводит в движение колесо (каток) ведомое.

Как любая другая механическая передача, фрикционная характеризуется таким показателем, как передаточное число. Оно представляет собой соотношение тех угловых скоростей, которые имеют ведущий и ведомый валы.

В отличие от многих других видов передач (например, зубчатых) этот показатель по определению не может быть постоянным, поскольку соприкасающиеся поверхности трансмиссии при определенных условиях неизбежно «проскальзывают» друг относительно друга, и поэтому передача движения на некоторое, пусть и непродолжительное, время прекращается. Как правило, проскальзывание возникает тогда, когда имеет место быть повышенная нагрузка на фрикционную передачу.

По критерию передаточного числа специалисты различают фрикционные передачи, у которых оно имеет условно постоянное значение и значение переменное. К первому типу относятся те, которые состоят из валов с параллельными пересекающимися осями, а ко второму – вариаторы, причем как с промежуточным звеном, так и без него.

Еще одна техническая классификация фрикционных передач подразумевает их деление на закрытые и открытые.

Характерной особенностью первых является то, что они работают в смазочной жидкости, а вторых – в том, что без нее.

Фрикционные передачи открытого типа проще по своей конструкции, прижимное усилие их катков ниже, а коэффициент трения, напротив, – выше. За счет наличия смазки закрытые фрикционные передачи более долговечны и менее опасны.

Фрикционные передачи в технике распространены достаточно широко. Их используют в приводных механизмах ленточных конвейеров, металлорежущих станках, литейных и сварочных машинах.

Достоинства и недостатки фрикционных передач

У фрикционных передач есть целый ряд достоинств, которыми они обязаны своим довольно широким применением. Они просты по своей конструкции, во время работы издают мало шума.

С их помощью удается достичь равномерности вращения колес (катков) при их невысокой стоимости.

Есть у фрикционных передач и некоторые недостатки. Они обладают сравнительно низким коэффициентом полезного действия, и при этом нагрузки на подшипники валы оказываются весьма серьезными. При использовании фрикционных передач практически невозможно обеспечить строго постоянное передаточное число, а рабочие поверхности колес (катков) подвержены ускоренному износу.

Типы фрикционных передач

В зависимости от того, какие именно задачи решают фрикционные передачи, в каждом конкретном случае используются различные их типы. Конструктивно эти трансмиссии подразделяются на цилиндрические и конические.

Цилиндрические фрикционные передачи характеризуются тем, что их основными частями являются такие детали вращения, как катки. В них передача крутящего момента осуществляется за счет силы трения, возникающей между рабочим поверхностями ведущего и ведомого колес, имеющих цилиндрическую форму.

Основными компонентами конических передач являются ведущий и ведомый усеченные конусы. Их соприкосновение происходит по конической поверхности, причем при увеличении давления одного катка на другой растет сила трения между ними.

Одним из устройств, в которых используются фрикционные передачи, вариаторы. Они бывают конусными, лобовыми, торовыми, причем передаточное отношение в них может плавно изменяться в некотором диапазоне.

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

Принцип действия цепных транспортеров

Как и у ленточного транспортера, принцип работы основан на обращении закольцованной цепи вокруг ведущего и натяжного барабана. За счет натяжения цепи с ведущего колеса на ведомое передается крутящий момент. В ходе линейного перемещения цепи по рабочей ветви закрепленные на ней скребки, короба или контейнеры перемещают полезный груз.

Цепной конвейер скребкового типа имеет рабочую ветвь, оснащенную скребками. Она движется в коробе. Это дает возможность перемещать сыпучие и полужидкие субстанции. Скребки погружаются целиком или полностью и увлекают груз за собой. В конце рабочей ветви размещается выходной патрубок, через который транспортируемая субстанция покидает транспортер. В других типах полезная нагрузка размещается в коробах, черпаках, контейнерах или на открытых площадках, закрепленных на цепи. Такие устройства могут перемещать и жидкие грузы.

Приводной орган конвейера весьма прочен, может выдерживать как большие физические нагрузки, так и значительные перепады температуры. Это открывает данному классу конвейеров путь в горячие цеха металлургических, химических и машиностроительных предприятий и в стационарные морозильные установки большой мощности и площади.

Цепь может изгибаться в любом направлении, поэтому конфигурация конвейера может быть выбрана исходя из потребностей производства.

Основные характеристики фрикционной передачи

Для расчета фрикционной передачи необходимо учитывать следующие критерии

1. 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.
2. 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%.
3. 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.
4. 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.
5. 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.

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.  

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.

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. Фрикционные передачи с постоянным передаточным числом применяют преимущественно в кинематических цепях приборов.