Конструирование фрикционных узлов трансмиссий

Общие сведения

Различают два типа фрикционных устройств: блокиро­вочные муфты и тормоза. Устройство первого типа предназначено для соединения двух вращающихся деталей. Бло­кировочные муфты в транспортных машинах могут применяться в качестве главных фрикционов, элементов управления коробками передач и механизмами поворота, могут быть использованы и не­посредственно в качестве механизма поворота (бортовой фрик­цион). Кроме того, блокировочные муфты иногда используются для ограничения передаваемого крутящего момента в приводах некоторых вспомогательных агрегатов (например, в приводе вен­тилятора).

Главный фрикцион устанавливается в механических трансмис­сиях при наличии простых коробок передач. Он предназначен для плавной передачи нагрузки на двигатель при трогании с места, уменьшения ударных нагрузок на детали трансмиссии и двигатель при переключении передач, предохранения силовой передачи от перегрузок при резком изменении режима движения машины, а также для отключения двигателя от ведущих колес при экстрен­ном торможении.

В качестве механизмов поворота гусеничных машин иногда применяются бортовые фрикционы. Они предназначены для умень­шения или полного разрыва потока мощности на отстающую гусе­ницу во время поворота машины.

Фрикционные устройства второго типа (тормоза) приме­няются для остановки звеньев трансмиссии. Они могут быть ис­пользованы в качестве элементов управления планетарными ко­робками передач и механизмами поворота, а также как остановоч­ные тормоза для торможения движущейся машины и удержания ее на склонах.

По условиям работы фрикционы могут быть сухого трения или работающими в масле. При работе фрикционных элементов в масле коэффициент трения, естественно, снижается. Вместе с тем смазка поверхностей трения способствует стабилизации коэффициента трения, снижает износ, улучшает отвод тепла и удаление продук­тов износа, а также позволяет увеличить удельное давление на рабочие поверхности фрикциона и тем самым компенсировать сни­жение коэффициента трения.

По конструктивному признаку фрикционные узлы делятся на дисковые, колодочные, ленточные. Дисковые фрикционные узлы классифицируются по следую­щим признакам:

а) по числу дисков – одно-, двух- и многодисковые;

б) по способу сжатия пакета – пружинные, полуцентробежные, с гидравлическим приводом;

в) по конструкции нажимного механизма – постоянно и непостоянно замкнутые;

г) по характеру тормозного эффекта (для тормозов) – простые без серводействия, с серводействием (с самоусилением).

Ленточные тормоза классифицируются по типу крепления кон­цов тормозной ленты; простые с одним закрепленным концом (с сер­водействием в одну сторону); простые с двумя подвижными кон­цами (без серводействия); плавающие (с серводействием в обе стороны); двойные; двухленточные.

В планетарных коробках передач (КП), а также в некоторых КП с неподвижными осями фрикционные узлы (муфты и тормоза) устанавливаются для блокировки и остановки звеньев с целью получения требуемой передачи. В трансмиссиях с такими КП главный фрикцион, как правило, не нужен, так как его функции выполняют фрикционные узлы КП.

Несмотря на существенные отличия в конструкции и способахиспользования фрикционные узлы имеют много общего, поскольку работа любого из них основана на использовании сил трения. Все фрикционные узлы должны удовлетворять ряду общих требова­ний, для изготовления поверхностей трения могут применяться одни и те же материалы, более или менее общими являются и ме­тоды расчета фрикционных узлов. В то же время каждый тип фрик­ционных узлов имеет определенную специфику работы, которая должна учитываться при конструировании и расчете. Например, расчетный момент остановочного тормоза отличается от момента тормоза, предназначенного для управления планетарной коробкой передач; имеются некоторые различия в расчете блокировочных муфт и тормозов, работающих в масле, и т. д.

Опыт эксплуатации фрикционных узлов позволяет сформулиро­вать ряд требований, которым они должны удовлетворять для обес­печения работоспособности и долговечности как самих фрикцион­ных узлов, так и машины в целом.

I. Блокировочные муфты и тормоза должны надежно обеспе­чивать передачу расчетного момента. В противном случае начи­нается пробуксовка элементов трения, что приводит к их перегреву и выходу из строя. При движении гусеничной машины по пересеченной местности элементы трансмиссии подвержены воздействию динамических нагрузок, превышающих расчетные. Для того чтобы в этих случаях фрикцион не пробуксовывал слишком часто, передаваемый им момент должен быть выше расчетного на некоторую величину, называемую коэффициентом запаса фрик­циона (о выборе его величины будет сказано ниже). Помимо пра­вильного выбора коэффициента запаса для обеспечения надеж­ности передачи фрикционного крутящего момента необходимо: а) применение фрикционных материалов со стабильным коэффициентом трения; б) правильный выбор режима работы фрикционных элементов, который определяется удельным давлением, скоростью скольжения трущихся пар, временем, работой и мощностью буксования; в) предохранение поверхностей трения от замасливания (в узлах сухого трения); г) точная центровка ведущих и ведомых деталей.

2. Фрикционные узлы должны обладать чистотой выключения. Это требование обеспечивается: а) достаточным ходом нажимного диска или концов ленты, обеспечивающим необходимые зазоры между трущимися поверхностями в выключенном состоянии; б) установкой специальных устройств для разводки дисков или для отвода ленты от барабана при выключении фрикциона; в) соблюдением допускаемых напряжений смятия в шлицевых соединениях фрикционных дисков с ведущими и ведомыми деталями во избежание появления на шлицах вмятин, препятствующих свободному осевому перемещению дисков.

3. Конструкция фрикционных узлов должна обеспечивать плав­ность их включения, т. е. постепенное увеличение передаваемого момента. Этим достигается плавность трогания с места, разгона и торможения машины, а также плавность входа в поворот. Для выполнения этого требования необходимо: а) применение конструк­ций, исключающих самозахватывание (такое явление может про­исходить в дисковых и ленточных фрикционных устройствах с сер-водействием); б) правильное конструирование приводов, обеспе­чивающих точное управление фрикционным узлом; в) применение фрикционов, работающих в масле.

4. Должен быть организован хороший теплоотвод от элементов трения, так как их работа сопровождается выделением большого количества тепла. Перегрев трущихся деталей приводит к износу, короблению, усадке и поломкам. Для выполнения этого требова­ния необходимо: а) применение материалов с хорошей теплопро­водностью и теплоемкостью; б) организация обдува нагреваемых деталей воздухом при работе всухую или циркуляции масла при работе фрикционов в масле; в) исключение при помощи конструк­тивных мероприятий концентрации тепла в отдельных зонах, орга­низация путей для тепловых потоков; г) увеличение массы метал­лических деталей, работающих в паре с фрикционными материа­лами, имеющими плохую теплопроводность.

5. Силы нормального давления между трущимися поверх­ностями должны уравновешиваться внутри фрикционного узла и не должны передаваться на подшипники валов. Если это тре­бование полностью выполнить нельзя, надо стремиться к тому, чтобы неуравновешенная сила была минимальной.

6. Ведомые детали главного фрикциона должны обладать ми­нимальным моментом инерции. Выполнение этого требования поз­воляет снизить нагрузки на синхронизаторы и муфты коробки передач.

7. Усилие на рычаге (педали) управления не должно выходить за допустимые пределы. Для этого необходимо: а) установка мини­мально допустимых зазоров между трущимися поверхностями; б) применение сервирующих устройств, а также использование серводействия самих фрикционных узлов.

Фрикционные материалы

С точки зрения срока службы фрикционного узла и простоты его эксплуатации важнейшим требованием является высокая из­носостойкость фрикционного материала. Величина допустимого износа определяется межрегулировочным периодом или желатель­ным сроком службы узла. Высокая износостойкость фрикцион­ного материала позволяет допустить повышенные удельные дав­ления, а следовательно, уменьшить габариты тормоза или муфты.

Вторым важным требованием является высокий коэффициент трения, величина которого не должна существенно зависеть от скорости скольжения, температуры, удельного давления и сте­пени изношенности поверхностей трения. Чем выше коэффициент трения, тем меньше габариты фрикционного узла при прочих равных условиях. Если габариты муфты или тормоза не имеют решающего значения, то высокий коэффициент трения позволяет снизить удельные давления и тем самым увеличить срок службы узла. Стабильность величины коэффициента трения позволяет уменьшить запас фрикциона, а следовательно, габариты самого узла и всей трансмиссии. Во многих случаях конструкторы пред­почитают применять фрикционные материалы, обеспечивающие стабильный коэффициент трения, даже если значения последнего сравнительно невелики.

Все применяемые во фрикционных муфтах и тормозах мате­риалы можно разбить на три группы: 1) металлические; 2) неметал­лические; 3) металлокерамические.

Из металлических материалов во фрикционных узлах гусеничных машин широко применяются различные стали и чугуны. Металлические материалы могут работать как в одноимен­ной паре трения (сталь по стали), так и с другими металлическими и неметаллическими материалами (сталь-чугун; сталь-пласт­масса; сталь-металлокерамика и т. д.).

Пара трения сталь-сталь отличается простотой изготовления, сравнительна высокой износостойкостью и хорошей теплопровод­ностью. Для изготовления фрикционных дисков применяются стали 40, 45, 65Г, ЗОХГСА, У-7, У-8 и др. Иногда для повышения износостойкости поверхностей стальные диски подвергаются хи­мико-термической обработке, например сульфоцианированию. При работе всухую пары сталь-сталь имеют коэффициент тре­ния 0,25–0,5. Существенным недостатком пар трения сталь-сталь следует признать склонность к схватыванию, а также плохую прирабатываемость, в результате чего площадки контакта распреде­ляются по поверхности трения в виде отдельных зон, в которых наблюдается резкое повышение температуры и температурных на­пряжений, вызывающих коробление и усадку дисков. В связи с этим для обеспечения требуемой работоспособности пары сталь-сталь приходится задавать сравнительно низкие значения удель­ного давления на поверхностях трения 0,15-0,25 МПа (1,5-2,5 кГ/см²) при трении всухую и 0,3-0,5 МПа (3-5 кГ/см²) при трении в масле.

Пара трения чугун-сталь находит широкое применение при изготовлении ленточных и колодочных тормозов гусеничных ма­шин. Такая пара также может быть использована в дисковых фрик­ционных узлах. Чугун может также работать в паре с различными неметаллическими материалами. Чугунные фрикционные эле­менты обладают высокой теплопроводностью, не схватываются с разноименными материалами, хорошо прирабатываются. Это позволяет допустить удельные давления на поверхности трения до 0,3 МПа (3 кГ/см^г) при работе всухую и до 1,2 МПа (12 кГ/см²) при работе в масле. Износостойкость чугуна зависит от его хими­ческого состава и микроструктуры. Исследования показывают, что присутствие в чугуне фосфора и марганца способствует сни­жению износа. В качестве фрикционных материалов получили широкое распространение чугуны следующих марок: СЧ 15 – 32, ФМ, ЧНМХ и др. Коэффициент трения покоя пары чугун-сталь несколько выше, чем пары сталь-сталь, однако во время буксо­вания величина его изменяется в значительных пределах в зави­симости от скорости скольжения.

Из неметаллических фрикционных материалов наи­большее распространение получили различные материалы на ос­нове асбеста. Асбестовые материалы обладают сравнительно вы­сокой теплостойкостью (до 400-450 °С) и имеют в паре со сталью или чугуном при работе всухую коэффициент трения порядка 0,3-0,5, а при работе в масле 0,06-0,08. Износостойкость таких материалов соизмерима с износостойкостью чугуна. С целью уве­личения теплопроводности фрикционных накладок из асбеста по­следние армируют латунной, медной или алюминиевой проволокой. В качестве связующих веществ при изготовлении асбестовых фрик­ционных материалов применяют различные смолы (пластмассы), а также синтетический каучук (асбокаучук). Иногда в состав таких материалов вводят различные наполнители, улучшающие их свойства. Так, окись цинка улучшает износостойкость; желез­ный сурик повышает коэффициент трения; графит придает термо­стойкость; барит стабилизирует коэффициент трения.

По способу изготовления различают плетеные (феродо), тканые, формовочные, вальцованные и прессованные накладки. Для пле­теных и тканых накладок требуется длинноволокнистый асбест высоких сортов, являющийся дефицитным материалом. Однако износостойкость таких накладок в 1,5-2,0 раза выше износостой­кости материалов, изготовляемых иными способами из коротковолокнистого асбеста.

Металлокерамические материалы, нашедшие в по­следнее время широкое применение для фрикционов трансмиссий гусеничных машин, не вызывают задиров на поверхности сопря­женного диска, не схватываются с ним, обладают хорошей тепло­проводностью и высокими фрикционными свойствами. Основными компонентами металлокерамики являются медь, железо, олово, свинец, цинк и графит. В зависимости от того, какой из элементов преобладает в композиции, различают металлокерамики на медной и железной основе. Изготовляются металлокерамические изделия прессованием порошков названных материалов при давлении 100-600 МПа (1000-6000 кГ/см²) с последующим спеканием при тем­пературе 700-800° С. Во время спекания металлокерамическая накладка прочно соединяется со стальной основой.

Хорошая прирабатываемость металлокерамики способствует тому, что в процессе трения поверхности дисков касаются друг друга почти по всей номинальной площади, в результате чего тепловые потоки равномерно распределяются по поверхностям и в дисках не возникает значительных температурных напряжений. Это обстоятельство положительно сказывается на работоспособ­ности фрикционного узла и позволяет допустить высокие значения удельного давления на поверхности трения: до 0,6 МПа (6 кГ/см²) при трении всухую и до 4 МПа (40 кГ/см²) при трении в масле. Таким образом, металлокерамика позволяет создать наиболее ком­пактные фрикционные узлы, что часто является решающим факто­ром при выборе фрикционного материала.

В таблице 14 представлены ориентировочные значения максималь­ного μ_max и минимального μ_min коэффициента трения, а также предельные допускаемые удельные давления q для различных фрикционных материалов.

 

Таблица 14