Общие сведения.

Фрикционные передачи предназначены для передачи и преобразования движения за счет сил трения, возника­ющих между ведущим и ведомым катками при их поджатии друг к другу. По характеру преобразования движения фрикционные передачи делятся на передачи вращательного движения между валами с параллельными (рис. 1, а—д) или пересекающимися осями и на передачи для преобразования вращательного движения в поступательное (рис. 1, е) или винтовое и наоборот.

Фрикционные передачи классифицируют: по форме контакти­рующих тел на цилиндрические, клиновые, конусные, торцовые, дисковые, хоровые; по типу контакта на передачи с непосред­ственным касанием ведущего и ведомого звена (рис. 7.1, а—д), с промежуточным жестким звеном, с гибкой связью; по передаточ­ному отношению на передачи с постоянным и переменным пере­даточным отношением.

Рис. 1. Фрикционные передачи вращательного движения с цилиндриче­скими (а), дисковыми (б) и клиновыми (в) рабочими телами, расчетная схема передачи с параллельными (г) и конусными (д) рабочими телами; передача для преобразования вращательного движения в поступательное (е)

Фрикционные механизмы выполняют также и по планетарным схемам. Особенно ши­роко используют фрикционные планетар­ные передачи в радиоаппаратуре как ме­ханизмы настройки. На рис. 2, а пока­зана схема редуктора, которая обеспечи­вает небольшое (в 6...8 раз) замедление вращения. При грубой настройке вращение рукоятки 2 непосредственно передается ва­лу 7. Рукоятка 2 грубой настройки жестко связана с водилом h, которое конструктивно выполнено за одно целое с сепа­ратором 8. Точную настройку осуществ­ляют рукояткой 1, с которой жестко связан центральный конический ролик 4. Шарики 6 играют роль сателлитов и контактируют одновременно с роликом 4 и неподвиж­ным кольцом 5. При вращении рукоятки 1 происходит преобразование движения от центрального ролика 4 к водилу h, которое вращается вместе с валом 7. Пружина 3 создает осевую силу F, необходимую для фрикционного сцепления.

Рис.2

В приборостроении фрикционные передачи применяют в кине­матических цепях приборов в качестве предохранительных, включающих, выключающих и тормозных устройств, приводных узлов лентопротяжных механизмов, а также в аппаратуре автомати­ческого управления, устройствах ввода информации, тахометрах, приводах элементов настройки. Их достоинствами по сравнению с зубчатыми передачами являются: простота конструкции, уни­версальность и дешевизна, бесшумность работы, возможность использования как предохранительное звено и для плавного регулирования передаточного отношения. К недостаткам фрик­ционных передач относятся: непостоянство передаточного отно­шения при изменении нагрузки, необходимость приложения усилий прижатия, превышающих пе­редаваемые усилия и соз­дающих нагрузки на опо­ры, небольшая нагрузоч­ная способность, малый КПД, повышенное изнашивание и нагрев рабо­чих тел в зоне контакта. Движение ведущего и ведомого звеньев фрикци­онной передачи сопрово­ждается их скольжением относительно друг друга. Упругое скольжение, вызванное деформацией поверхностных слоев катков в зоне контакта, учитывается в случае изготовления одного катка из неметалла. При выполнении обоих рабочих тел из металла упругое скольжение фактически отсутствует. Геометрическое скольжение обусловлено наличием разности абсолютных значений скоростей точек сопри­косновения звеньев фрикционной передачи, т. е. наличием отно­сительной скорости. Геометрическое скольжение отсутствует, если Рабочие тела имеют цилиндрическую форму и вращаются вокруг параллельных осей (рис.1, а), а также, если передача состоит "из конусных катков с совпадающими вершинами конусов (рис.1, д). При использовании торцовых, клиновых (рис.1, в) ра­бочих тел и конусных катков с несовпадающими вершинами конусов геометрическое скольжение вносит наибольший вклад в сумму потерь мощности и приводит к снижению КПД передачи. Если движущая сила превышает касательную, то возникает буксо­вание катков и нарушение кинематической связи между ними. Материалы рабочих тел фрикционной передачи должны обла­дать высокой износоустойчивостью и поверхностной прочностью, большим модулем упругости и коэффициентом трения, малой гигроскопичностью, хорошей теплопроводностью. Применяют материалы в двух сочетаниях 1) с высокой твердостью рабочих поверхностей обоих рабочих тел (закаленные стальные рабочие тела), но малым коэффициентом трения между ними; 2) с невысокой поверхностной твердостью одного рабочего тела (рабочее тело из неметалла) и высоким коэффициентом трения (/ = 0,2÷0,6).

Использование для катков закаленных легированных сталей типа ШХ4, ШХ15, 18ХВН, 18Х7Г с HRC₀ > 60 обеспечивает большой КПД передачи (для цилиндрической передачи 0,97), но при этом требуются высокий параметр шероховатости поверх­ностей {Ra = 1,25÷0,32 мкм) и большие (в 1,5—8 раз), чем для передач с неметаллическими катками, силы поджатия. Сочетание материалов сталь — текстолит позволяет снизить шум при работе, прижимные усилия и параметр шероховатости поверхностей (до Ra = 5÷1,25 мкм). Однако габаритные размеры катков уве­личиваются вследствие уменьшения допустимых удельных давле­ний, а КПД передачи падает из-за возрастания потерь на трение и упругое проскальзывание (для цилиндрической передачи η = 0,9). Передачи с неметаллическими катками работают без смазки.

В лентопротяжных механизмах и ручных приводах приборов применяют сочетания материалов сталь — бумага, резина — бумага, сталь — резина, латунь с рифленой поверхностью — бумага, рифленый цинк — латунь. В механизмах с непосред­ственным касанием рабочих тел передачи для снижения не­равномерности износа ведомого звена ведущий каток целесооб­разно выполнять из более мягкого материала. При работе фрик­ционных катков без смазки необходимо обеспечить герметизацию узла для защиты рабочих поверхностей от загрязнений, приводя­щих к снижению коэффициента трения.

Расчет и проектирование фрикционных передач. Исходными данными для расчета являются вращающий момент на ведомом валу, передаточное отношение i, расстояние А между осями (или габаритные размеры узла). Схему передачи и материал рабочих тел выбирают с учетом ее назначения и требуемого пере­даточного отношения. Геометрические размеры катков определяют из условия обеспечения прочности поверхностных слоев рабочих тел при передаче вращающего момента М, ограничения габарит­ных размеров узла и наличия требуемого значения i с учетом кинематических соотношений передачи.

Передаточное отношение для фрикционной передачи с парал­лельными осями (рис. 1, г)

для передачи с пересекающимися осями и коническими рабочими телами, имеющими общую вершину,

где — угловые скорости, радиусы и углы раствора конусов ведущего (ведомого) катков; ε — коэффициент проскальзывания, при движении стали по стали без смазки, при движении стали по стали в масле, при движении стали по резине.

Для одноступенчатого фрикционного редуктора обычно при этом линейная скорость точки контакта

Усилие прижатия колес S, направленное по нормали к кон­тактирующим поверхностям, определяют из условия работы передачи без буксования в зависимости от наибольшей окружной силы Р:

Здесь с — коэффициент запаса сцепления, 1,25 < с < 3 (при выборе значения коэффициента запаса с необходимо учитывать режим работы передачи: с = 3 в случае действия нагрузки с толч­ками); где — крутящий момент на пер­вом (втором) колесе радиусом R1(2) ; f — коэффициент трения скольжения на рабочих поверхностях.

Для фрикционных передач с коническими катками, у которых

вершины конусов совпадают (рис. 1, д), определяют необходимые силы прижатия, действующие по осям вращения конусов:

Необходимую силу прижатия снижают, устанавливая при­жимное устройство на меньшем рабочем теле; тогда ; - Для фрикционных передач с клиновыми катками (рис. 1, б) необходимое усилие поджатия рабочих тел друг к другу равно . После подстановки получаем

Рекомендуется принимать угол наклона клина (оптимальное значение ), а длину рабочей стороны клина — средний диаметр веду­щего катка.

Достоинством фрикционной передачи с клиновыми катками является то, что необходимая сила прижатия рабочих тел в 5—6 раз меньше, чем для передачи с цилиндрическими катками. Недостатком является низкий КПД из-за наличия геометрического скольжения. Прижатие рабочих тел фрикционной передачи друг к другу осуществляют с помощью пружин (наи­более распространенный способ), начальной затяжкой системы, с использованием силы тяжести катка, электромагнитных сил, а также вручную.

Проверку прочности поверхностных слоев тел качения произ­водят по формулам Герца: при начальном касании рабочих тел по линии (конусные цилиндрические катки)

для точечного контакта рабочих тел

где S-сила прижатия, нормальная к поверхности контакта k- коэффициент неравномерности распределения нагрузки по линии контакта ; b— длина линии контакта; Е — приведенный модуль упругости материалов контактирующих тел р — приведенный радиус кривизны, для цилиндрических рабочих тел , для конусных , где — средние радиусы рабочих тел, знак «плюс» соответствует внешнему контакту, знак «минуса — внутреннему, для случая контакта ролика о плоскостью ,где R — радиус ролика, при этом коэффициент ; n₀ — безразмерный коэффициент, определяется в зависимости от отно­шения кривизны рабочих поверхностей А и В по гра­фику.

Допускаемое контактное напряжение [σ]к для закаленной стали с твердостью HRC > 60 в случае начального касания по линии , а при начальном касании в точке — до 2500—3000 МПа. Для текстолита ПТК с модулем упругости при начальном контакте по линии [σ] =100 МПа.

Коэффициент полезного действия фрикционной передачи определяется с учетом потерь на геометрическое скольжение Nг.с., упругое скольжение Nс, трение в подшипниках Nп, сопротивление катков Nк:

.

Точность фрикционной передачи оценивают погрешностью изменения угловой скорости ведомого звена: