Тема 3.5. Фрикционные передачи. Передача винт-гайка.

Фрикционная передача относится к передачам трением с непосредственным контактом фрикционных элементов. Передача состоит из двух катков, закреплённых на валах (рисунок 8).

Рисунок 8. Фрикционная передача.

Подшипники ведомого вала выполнены подвижными, благодаря чему вал может перемещаться в направлении линии центров передачи. Пружина сжатия, действующая на подвижный подшипник, прижимает катки один к другому силой F_t, нагрузка передаётся силой трения R_f, возникающей в месте контакта вращающихся катков. Условие работоспособности передачи

,

где - передаваемая окружная сила; - сила трения.

Следовательно, , откуда сила прижатия катков

,

где K – коэффициент запаса сцепления; K=1,25…1,5 для силовых передач и K»3 для передач приборов; f – коэффициент трения скольжения между катками; f=0,15…0,20 для стали по стали или чугуну всухую и f=0,04…0,05 для стали по стали в масле. Значение силы F_r во много раз больше силы F_t (например, при K=1,25 и f=0,05´F_r=25F_t), что является большим недостатком фрикционных передач.

На практике применяют два способа прижатия катков: постоянной силой (например, пружины, собственный вес элементов передачи и т. п.) и переменной силой, которая автоматически изменяется пропорционально изменению передаваемой силы.

Все фрикционные передачи делятся на две группы: передачи нерегулируемые, т. е. с постоянным передаточным числом*; передачи регулируемые или фрикционные вариаторы с плавным бесступенчатым регулированием передаточного числа.

Фрикционные передачи с постоянным передаточным числом в качестве силовых передач в машиностроении применяют крайне редко (во фрикционных прессах, молотах и т. п.) из-за неконкурентноспособности с зубчатыми передачами по габаритам, надёжности, КПД и др. Передаваемая мощность до 20 кВт, допускаемая скорость катков до 25 м/с. Этим передачи нашли ограниченное использование в виде кинематических передач в приборах (магнитофоны, кинокамеры и т. п.), где требуется плавность и бесшумность работы.

Фрикционные вариаторы широко применяют как в силовых, так и в кинематических передачах, когда требуется бесступенчатое регулирование передаточного числа.

Нерегулируемые фрикционные передачи.

Цилиндрическая фрикционная передача (рисунок 3) применяется для передачи движения между валами с параллельными осями. Передаточное число

,

где e»0,01…0,03 – коэффициент скольжения. В силовых передачах рекомендуется u£6.

Коническая фрикционная передача (рисунок 9) применяется для передачи движения между валами с пересекающимися осями. Угол S между осями валов может быть различным, чаще всего S=d₁+d₂=90°, где d₁ и d₂ – углы при вершинах конусов ведущего и ведомого катков. Для правильной работы передачи оба конуса должны иметь общую вершину.

Материалы фрикционных передач должны иметь:

1. высокий коэффициент трения , что уменьшает требуемую силу прижатия F_r;

2. высокий модуль упругости E, что уменьшает потери на трение;

3. высокую износостойкость;

4. контактную прочность и теплопроводность.

Наиболее распространённое сочетание материалов катков: закалённая сталь по закалённой стали; чугун по чугуну; текстолит, фибра или гетинакс по стали (в малонагруженных передачах).

Рисунок 9. Коническая фрикционная передача.

Иногда для повышения коэффициента трения один из катков облицовывают прессованным асбестом, прорезиненной тканью и т. п. Как правило, рекомендуется ведомый каток делать из более твёрдого материала, чтобы избежать образования на нём лысок, появляющихся при буксовании передачи. Буксование наступает при перегрузках, когда не соблюдается условие R_f³F_t. При буксовании ведомый каток останавливается, а ведущий скользит по нему, вызывая местный износ (лыски). Передачи с неметаллическими рабочими поверхностями могут работать только всухую, а с металлическими – в масле или всухую. При работе в масле увеличивается долговечность передачи, так как уменьшается износ и улучшается охлаждение катков.

Основным критерием работоспособности и расчёта фрикционных передач с металлическими катками является их контактная прочность, которая зависит от значения контактных напряжений s_Н. Условие прочности

,

где [ ] – допускаемое контактное напряжение для менее прочного из материалов пары катков. Для закалённых сталей при хорошей смазке [ ]=1000…1200 Н/мм², для чугунов [ ]=1,5 , где - предел прочности чугуна при изгибе.

Вариаторы.

В большинстве современных рабочих машин необходимо регулировать скорость исполнительных органов в зависимости от изменяющихся свойств обрабатываемого объекта, условий технологического процесса, загрузки машин и т. п. Для этого машины снабжают ступенчатыми коробками скоростей или механически регулируемыми передачами - вариаторами, которые обеспечивают плавное (бесступенчатое) изменение частоты вращения ведомого вала. Вариаторы позволяют установить оптимальный скоростной режим и регулировать скорость на ходу. Применение их способствует повышению производительности машины, качеству продукции, уменьшению шума и вибраций. Основной кинематической характеристикой любого вариатора является диапазон регулирования

,

где n_2max и n_2min – максимальная и минимальная частоты вращения ведомого вала;

u_max и u_min – максимальное и минимальное значения передаточного числа передачи.

Имеется большое количество различных типов вариаторов с непосредственным контактом – лобовые, торовые, дисковые и фрикционные вариаторы с гибкой связью – клиноременные.

Передача винт-гайка (винтовой механизм) предназначена для преобразования вращательного движения в поступательное. При этом как винт, так и гайка могут иметь либо одно из названных движений, либо оба движения одновременно. Например, в винтовом домкрате (рисунок 27) винт совершает оба движения одновременно. Так, при вращении винта 3 в неподвижной гайке 2 винт получает поступательное перемещение и поднимает груз, опирающийся на чашку 1 домкрата.

Рисунок 27. Винтовой домкрат.

Применяют для поднятия грузов (домкраты), создания больших усилий до 1000 кН при малых перемещениях (прессы, нажимные устройства и т. п.) и получения точных перемещений (ходовые винты станков, измерительные приборы, делительные и регулировочные устройства).

Различают два типа передач винт-гайка: передачи с трением скольжения и передачи с трением качения.

Передачи с трением скольжения имеют наибольшее распространение ввиду простоты устройства. Винты передач делятся на грузовые и ходовые. Грузовые предназначены для создания больших усилий (домкраты, прессы и т. п.). При реверсивном движении под нагрузкой применяют трапецеидальную резьбу, а при больших односторонних нагрузках – упорную. Для получения самотормозящей винтовой пары (домкраты) применяют однозаходные резьбы.

Передачи с трением качения или шариковые винтовые механизмы. В таких механизмах между витками винта и гайки размещают шарики. При вращении винта шарики увлекаются в направлении его поступательного движения, попадают в перепускной канал в гайке и возвращаются в полость между винтом и гайкой. Таким образом, перемещение шариков происходит по замкнутому каналу, соединяющему первый и последний витки резьбы гайки. Достоинства шариков винтовых механизмов: высокий КПД (до 0,9); возможность полного устранения осевого и радиального зазоров. Их применяют в механизмах подач станков с числовым программным управлением, механизмах подъёма и спуска шасси в самолётах и т. п.

Материалы винта и гайки должны иметь низкий коэффициент трения и повышенное сопротивление износу. Выбор марки материала зависит от назначения передачи и условий работы. Для уменьшения потерь на трение подбирают пару сталь-бронза. Винты передач без термообработки изготовляют из сталей 40Х, 40ХГ, 65Г и др., с закалкой винтов до твёрдости более 50HRC_э с последующим шлифованием резьбы. Гайки ответственных передач (высокие окружные скорости – v=6…15 м/мин и нагрузки) изготовляют из оловянных бронз Бр010Ф1, Бр06Ц6С3 и др., а при работе с большим перерывом, а также при малых нагрузках и скоростях – из антифрикционного чугуна марок АВЧ-1, АСЧ-3, АЧК-2, или серого чугуна марок СЧ15, СЧ-20.

.