Лекция_Фрикционные и волновые пеердачи

Тема. Механические передачи

ЛЕКЦИЯ Механические передачи специального назначения

1. Фрикционные передачи (общие сведения, классификация, конструкция и материалы деталей передач, основы расчета)
2. Фрикционные вариаторы
3. Волновые передачи (общие сведения, конструкция деталей передач, основы расчета)

Учебные вопросы

1. Фрикционные передачи

Общие сведения

Фрикционные передачи – передачи, служащие 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.

1 – ведущий каток; 2 – ведомый каток

Классификация

по расположению осей валов: с параллельными и пересекающимися осями;
по форме тел качения: с гладкими цилиндрическими катками, катками с клинчатым ободом, с коническими катками, торовые, сферические и др;
по условиям работы: работающие всухую (без смазочного материала) и закрытые, работающие в масляной ванне;

Классификация

по возможности регулирования передаточного отношения: с постоянным передаточным отношением, с бесступенчатым регулированием – фрикционные вариаторы.

Классификация

Классификация

Классификация

Классификация

Два способа прижатия катков:
с постоянной силой, которую определяют по максимальной нагрузке передачи;
с переменной силой, которая автоматически изменяется с изменением нагрузки.

Достоинства

возможность бесступенчатого регулирования скорости вращения ведомого вала;
простота формы тел качения;
бесшумность работы;
возможность безаварийной ситуации при случайной перегрузке;
равномерность вращения, что позволяет применять передачи при высоких скоростях, а также в приборах.

Недостатки

значительные нагрузки на тела качения, валы и подшипники;
возможность проскальзывания катков (непостоянство передаточных отношений);
необходимость специальных нажимных устройств для прижатия рабочих тел;
опасность повреждения рабочих поверхностей тел при проскальзывании при перегрузках;
сравнительно невысокий КПД.

Цилиндрическая фрикционная передача

Передаточное отношение:




Для одной пары катков: u ≤ 7
Для передач приборов: u ≤25

Цилиндрическая фрикционная передача

Для обеспечения работоспособности передачи необходимо чтобы сила трения покоя (Fтр), возникающая между катками, прижатыми друг к другу силой (Fr) была больше окружного усилия (Ft).
Fтр= fFr,
Fr = КFt/f,
где K – коэффициент нагрузки (запас сцепления) вводится для предупреждения пробуксовывай катков от перегрузок, в частности, в период пуска. Для силовых передач К = 1,25…2; для передач приборов К = 3…5;
f – коэффициент трения (для стальных или чугунных катков, работающих в масляной ванне f = 0,04…0,15; работающих всухую f = 0,15…0,20; для передач с одним неметаллическим катком f = 0,2…0,3).

Цилиндрическая фрикционная передача

Большие силы притяжения 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.
Коэффициент полезного действия фрикционных передач в основном определяется потерями в опорах валов. Экспериментально установлено, что для закрытых передач η = 0,92…0,98, для открытых передач – η = 0,80…0,92.

Материалы тел качения

К материалам тел качения предъявляются следующие требования:
высокая износостойкость и контактная прочность рабочих поверхностей,
высокий коэффициент трения,
высокий модуль упругости, чтобы не возникла значительная деформация площадки контакта и не увеличивались потери на трение.
При разных материалах тел качения ведущий каток делают из менее прочного материала во избежание образования задиров и лысок в случае буксования передачи. Принцип равной работоспособности тел качения при этом не нарушается, так как у фрикционных передач рабочая поверхность ведущего катка является опережающей и обладает большей нагрузочной способностью, чем рабочая поверхность ведомого катка.

Материалы тел качения

В силовых передачах применяют следующие сочетания материалов катков:
Закаленная сталь – закаленная сталь. Передачи отличаются высокой износостойкостью и КПД, малыми габаритами, но требуют точного изготовления. Рекомендуется эксплуатировать со смазкой.
Чугун – чугун, или чугун – сталь. Работают со смазкой и всухую.
Сталь – текстолит. Применяют в слабонагруженных открытых передачах, работают без смазки.

Критерии работоспособности и расчет фрикционных передач

При работе фрикционных пар происходят следующие виды разрушения рабочих поверхностей:
Усталостное выкрашивание в передачах, работающих в масле, когда образуется жидкостное трение. В этих условиях рабочие поверхности разделяются слоем масла, а износ сводится к минимуму.
Износ в передачах, работающих без смазки, при частых буксованиях, при работе с перегревом при больших скоростях и нагрузках, а также в условиях недостаточной смазки.
Задир поверхности связан с буксованием или с перегревом передачи при больших скоростях и нагрузках в условиях недостаточной смазки.

Критерии работоспособности и расчет фрикционных передач

Основным критерием работоспособности является контактная усталостная прочность рабочих поверхностей

Критерии работоспособности и расчет фрикционных передач

Основным расчетным параметром цилиндрической фрикционной передачи является межосевое расстояние (а), у конической фрикционной – средний диаметр большего катка (Dm).

2. ФРИКЦИОННЫЕ ВАРИАТОРЫ

Критерии работоспособности и расчет фрикционных передач

Механические устройства, обеспечивающие возможность бесступенчатого (плавного) изменения скорости, а, следовательно, и передаточного отношения между двумя валами, называются вариаторами и могут выполняться в двух исполнениях:
с гибкой связью;
с фрикционным контактом твердых тел.

Критерии работоспособности и расчет фрикционных передач

Механические устройства, обеспечивающие возможность бесступенчатого (плавного) изменения скорости, а, следовательно, и передаточного отношения между двумя валами, называются вариаторами и могут выполняться в двух исполнениях:
с гибкой связью (д);
с фрикционным контактом твердых тел (в, г).

Критерии работоспособности и расчет фрикционных передач

Основная кинематическая характеристика вариатора – диапазон регулирования Д, равный отношению максимального передаточного отношения к минимальному:
Д = umax /umin.
Для одноступенчатых вариаторов Д = 3…6.
С увеличением диапазона регулирования снижается КПД вариатора

Лобовой вариатор

Лобовой вариатор состоит из диска 1, к которому прижат ролик 2. При изменении положения ролика меняется радиус ведомого звена, следовательно, и значение передаточного числа.
Диапазон регулирования лобового вариатора: 3…4.
Недостатком данной конструкции является наличие геометрического скольжения по линии контакта ролика с диском, вызывающей быстрый износ передачи и ограничение передаваемой мощности. КПД вариатора 0,90…0,96.

Двухконусный вариатор

Двухконусный вариатор (конический вариатор с промежуточным роликом) состоит из ведущего и ведомого конусов 1, 2, между которыми перемещается ролик 3 с помощью винта. Прижим ролика к коническим поверхностям обеспечивается пружиной. Изменение положения ролика осуществляется посредством системы рычагов. Диапазон регулирования 4…9

Торовый вариатор

Торовый вариатор имеет на входном и выходном валах торовые чашки 1 и 2, между которыми вращаются два или три ролика 3. Частота вращения регулируется изменением угла наклона осей вращения роликов 3. Оси роликов закреплены в специальной рамке так, что они всегда располагаются симметрично относительно чашек. Ошибки в расположении осей вызывают неравномерную нагрузку роликов, дополнительное скольжение и износ, снижают КПД. Данные вариаторы имеют наиболее высокий КПД (около 0,9), компактны, но имеют сложную конструкцию и требуют высокой точности изготовления. Диапазон регулирования 4…8.

3. Волновые передачи

Общие сведения

Волновая передача – механические передача, включающая контактирующие между собой гибкое и жёсткое звенья и обеспечивающие передачу и преобразование движения при циклическом деформировании гибкого звена.

Общие сведения

Основные элементы волновой передачи

– вращающееся гибкое колесо – тонкостенный цилиндр, соединенный с ведомым (тихоходным) валом, на деформируемом конце которого выполнен зубчатый венец с наружными зубьями эвольвентного профиля;
– жесткое колесо – колесо с внутренними зубьями, соединенное с корпусом;
– генератор волн: у фрикционной волновой передачи выполнен в виде двух роликов большого диаметра, расположенных на водиле, соединенный с быстроходным валом и обеспечивающий деформирование гибкого колеса; у зубчатой волновой передачи представляет собой водило и состоит из овального кулачка и напрессованного на него специального (гибкого) шарикоподшипника.

Достоинства

– большое передаточное число (до 320, а в некоторых случаях и более);
– большое число зубьев, одновременно находящихся в зацеплении (обычно 40 – 80 %) и, как следствие этого, большая нагрузочная способность – масса волнового редуктора меньше массы планетарного той же мощности, а объём может составлять около 30 % от объёма последнего;
– высокая кинематическая точность вследствие многозонности и много-парности зацепления, кинематическая погрешность передачи в некоторых случаях не превышает 0,5';
– высокий КПД при больших передаточных числах, превышающий КПД планетарных передач;
– отсутствие поперечных нагрузок на валах вследствие симметричности конструкции;
– возможность передачи движения в герметизированное пространство;
– низкий уровень шума;
– возможность использования в качестве дифференциального механизма;
– малое число деталей и относительно низкая стоимость;
– высокая технологичность изготовления.

Недостатки

– невозможность получения низких значений передаточных чисел (для стальных гибких колёс umin ≥ 80, для пластмассовых – umin ≥ 20);
– необходимость специального инструмента и оснастки для изготовления гибкого колеса, что затрудняет индивидуальное производство и ремонт передач;
– относительно низкий срок службы (срок службы стандартных волновых редукторов составляет около 104 часов – чуть больше года непрерывной работы).

Виды волновых передач

– винтовые, предназначенные для преобразования вращательного движения в поступательное и (или) для передачи этого движения в загерметезированное пространство;
– фрикционные, предназначенные для преобразования (чаще всего сильного редуцирования) вращательного движения и (или) для передачи этого движения в загерметезированное пространство;
– зубчатые волновые передачи, имеющие аналогичное фрикционным предназначение, но способные передавать существенно бóльшие мощности.

Виды волновых передач

– винтовые, предназначенные для преобразования вращательного движения в поступательное и (или) для передачи этого движения в загерметезированное пространство;
– фрикционные, предназначенные для преобразования (чаще всего сильного редуцирования) вращательного движения и (или) для передачи этого движения в загерметезированное пространство;
– зубчатые волновые передачи, имеющие аналогичное фрикционным предназначение, но способные передавать существенно бóльшие мощности.

Основные причины выхода из строя деталей волновых передач

1. Усталостное разрушение гибких колес вследствие появления усталостных трещин во впадинах зубьев под действием переменных напряжений изгиба.
2. Разрушение гибких подшипников качения генераторов волн вследствие действия сил в зацеплении и сопротивления гибкого колеса деформированию.
3. Проскок генератора волн (вращение вала генератора при невращающемся выходном вале) при больших вращающих моментах.
Связан с изменением формы генератора волн, гибкого и жесткого колес под нагрузкой вследствие их недостаточной радиальной жесткости. При этом зубья на входе в зацепление упираются вершинами друг в друга, жесткое колесо распирается, генератор сжимается и происходит его проскок.
4. Износ зубьев. Незначительное изнашивание зубьев обусловлено перекосом гибкого колеса, деформируемого с одного торца; прогрессирующее изнашивание – скольжением зубьев при вхождении в зацепление.