Изучение фрикционных передач

Цель работы: изучение конструкции и области применения фрик- ционных передач и вариаторов.

 

Оборудование и принадлежности

1. Узел, содержащий фрикционную передачу.

2. Штангенциркуль.

3. Линейка.

4. Отвертка.

5. Лабораторная установка.

 

Теоретические положения

Общие сведения

Передачи, в которых движение от одного вала к другому переда- ется за счет трения между рабочими поверхностями вращающихся катков (дисков), называют фрикционными.

Фрикционная передача состоит из двух колес (катков) – ведуще- го и ведомого, которые прижаты друг к другу с заданной силой. При вращении одного из катков, например ведущего, приходит в дви- жение ведомый, благодаря возникающей силе трения.

Условие работоспособности передачи

 

T òð > F,

(6.1)

 

где F – передаточное окружное усилие;

Т тp – сила трения в месте контакта.

Примечание. Окружное усилие – сила, которая вращает шкив, коленчатый вал, маховик и т. д., направленная по касательной к окружности, по которой движется точка приложения этой силы. Определяют окружное усилие по формуле

 

F = M, r

(6.2)

где М – вращающий момент;

r – расстояние от точки приложения окружного усилия до оси вращения.

Если это условие нарушается, то возникает буксование, т. е. ве- домый каток не вращается, а ведущий скользит по нему.

Передаточное число фрикционной передачи – отношение угло- вых скоростей ведущего и ведомого валов – не может быть строго постоянным, так как всегда существует относительное проскальзы- вание катков, изменяющееся в зависимости от нагрузки.

Различают фрикционные передачи с условно-постоянным пере- даточным числом между валами с параллельными пересекающими- ся осями и передачи с переменным передаточным числом (вариато- ры) без промежуточного звена и с промежуточным звеном.

В зависимости от условий работы фрикционные передачи под- разделяют на открытые, работающие всухую, и закрытые, работа- ющие в масле. Коэффициент трения в открытых фрикционных пе- редачах выше, а прижимное усилие катков меньше. В закрытых фрикционных передачах масляная ванна делает скольжение менее опасным, кроме того, обеспечивается отвод тепла и увеличивается долговечность передачи.

Фрикционные передачи обладают рядом достоинств, основными из которых являются: простота и бесшумность работы; равномер- ность вращения колес; возможность регулирования скорости (без остановки передачи); небольшая стоимость колес (катков).

К недостаткам фрикционных передач относятся значительные нагрузки на валы и подшипники, непостоянство передаточного чис- ла, сравнительно низкий КПД, неравномерный износ рабочих по- верхностей колес.

Фрикционные передачи широко используются в различных отрас- лях промышленности. Их часто применяют в приводах конвейеров, в сварочных и литейных машинах, в металлорежущих станках и т. д.

Для колес применяют следующие сочетания износостойких ма- териалов с высоким коэффициентом трения и модулем упругости: закаленная сталь по закаленной стали (такое сочетание обеспечива- ет высокий КПД, не требует изготовления передачи с высоким классом шероховатости поверхности); чугун по стали или чугуну (в этом случае рабочим поверхностям придают большую твердость, для чего отбеливают поверхность чугунных колес).

Типы фрикционных передач

Цилиндрическая фрикционная передача. На ведущем 2 (рисунок 6.1) и ведомом 1 валах насажены на шпонках два катка. Подшипни- ки вала 1 установлены неподвижно, а подшипники вала 2 позво- ляют перемещаться валу по направлению линии центров передачи. Если привести во вращение ведущий вал 2, то вместе с ним бу- дет вращаться и ведущий диск. Ведомый диск не будет вращаться до тех пор, пока не будет преодолено полезное сопротивление на валу 1 – вращающий момент и сопротивление трения в подшипни- ках. Но так как подшипники ведущего вала выполнены плавающи- ми и находятся под действием пружины сжатия, то этим самым обеспечивается прижимное усилие Т, а следовательно, и вращение ведомого вала.

 

Рисунок 6.1 – Цилиндрическая фрикционная передача

 

Коническая фрикционная передача. Катки передачи (рисунок 6.2) представляют собой усеченные конусы, которые соприкасаются по общей образующей. При осевом сжатии конусов на их образующих в месте контакта возникает сила трения, которая и увлекает во вра- щение ведомый каток и вал. Для правильной работы передачи необходимо, чтобы конусы имели общую вершину, являющуюся точкой пересечения осей катков.

Рисунок 6.2 – Коническая фрикционная передача

 

Вариаторы

Вариаторы – передачи, посредством которых можно плавно, бес- ступенчато изменять передаточное число.

По форме тел вращения вариаторы бывают лобовые, конусные, торовые и др.

Лобовые вариаторы (рисунок 6.3) применяются в винтовых прес- сах и приборах. В наиболее простом из них (рисунок 6.3, а) ведущий ролик катится по торцовой поверхности большого диска и передает ему вращение. Движение можно передавать и в обратном направле- нии – от диска к ролику. Для регулирования скорости вращения ролик передвигают вдоль диска. Передаточное отношение в таких вариа- торах без учета проскальзывания равно

 

R i = 1, R 2

(6.3)

 

где R 1 и R 2 – радиусы колес.

Влияние проскальзывания на передаточное отношение учитыва- ется коэффициентом скольжения ξ, значение которого обычно за-

ключено в диапазоне от 0,01 до 0,05. С учетом коэффициента сколь- жения формула для передаточного отношения принимает вид

 

R i = R (1 x). 2 1-

(6.4)

б

Рисунок 6.3 – Лобовой вариатор

 

В более сложном плоском вариаторе (рисунок 6.3, б) между дву- мя большими дисками вращается передвижной ролик. Один диск ведущий, другой – ведомый. Ролик служит промежуточным звеном, передающим вращение. При регулировании скорости ролик пере- мещают вдоль обоих дисков, причем, приближаясь к центру одного из них, он в то же самое время удаляется от центра другого. Поэто- му изменение передаточного отношения и плавное регулирование скоростей вращения производится быстрее и в более широких пре- делах, чем в вариаторе с одним диском.

Вариаторы с раздвижными конусами (рисунок 6.4) имеют ограни- ченное применение в машиностроении. Конические диски насаже- ны 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.

 

Рисунок 6.4 – Вариатор с раздвижными конусами

На рисунке 6.5 представлен торовый вариатор. На валы I и II насажены два диска, имеющие сферические рабочие поверхности. Вра-щение от ведущего диска I к ведомому II передается посред- ством двух промежуточных роликов 1, свободно сидящих на осях 2. Изменение передаточного числа осуществляется одновременным поворотом этих осей вокруг шарниров 3. Торовые вариаторы тре- буют довольно высокой точности изготовления.

 

Рисунок 6.5 – Торовый вариатор

 

В лабораторной работе исследуется шариковый лобовой вариа- тор, схема конструкции которого приведена на рисунке 6.6.

 

Рисунок 6.6 – Схема конструкции шарикового лобового вариатора

В этом вариаторе между диском 1 и валиком 4 находятся шарики 2, размещенные в обойме 3, которая может перемещаться вдоль ради- уса диска с помощью винтовой передачи.

Описание исследуемого механизма. Исследуемый в лабораторной работе механизм представляет собой механизм синхронизации оп- тического прицела бомбометания. Этот механизм вращает визир- ную призму прицела. При этом, изменяя передаточное отношение фрикционной передачи, летчик добивается синхронизации скорости вращения призмы со скоростью движения цели таким образом, что- бы изображение цели постоянно находилось на перекрестье визира. Кинематическая схема механизма приведена на рисунке 6.7.

 

Рисунок 6.7 – Кинематическая схема лабораторной установки

Механизм имеет симметричную конструкцию и элементы в ко- личестве двух штук (в правой и левой частях механизма), парамет- ры которых снабжены буквами «л» (левый) и «п» (правый). В связи со сложностью пространственной компоновки механизма на кине- матической схеме с целью ее упрощения, как правило, изображен лишь один из симметричных элементов.

Механизм состоит из фрикционного диска-шестерни 10, который приводится во вращение от электродвигателя М через двухступенча- туюзубчатуюпередачу z 7– z 8– z 9– z 10.Диск 10 приводитво вращение шарики Ш, размещенные в обойме, перемещаемой с помощью ходо- вого винта В. Механизм имеет две обоймы с шариками, размещен-

ные по разные стороны от оси диска 10. Положение этих обойм мо- жет независимо регулироваться с помощью рукояток 1 с нарезанны- ми на них зубчатыми венцами, вращение которых передается через зубчатыепередачи z 1– z 2– z 3– z 4– z 5 на ходовые винты В. Перемещение обойм ограничивается стопорными механизмами, состоящими из зубчатых секторов 22, находящихся в зацеплении с червяками 21, установленными на ходовых винтах В. Через шарики вращение дис- ка 10 передается на фрикционные ролики Р, а затем через зубчатую передачу z 11– z 12– z 13 на дифференциалы Д1 и Д2. Водило В1 диффе- ренциала Д1 жестко закреплено на оси, связанной с диском 10 через зубчатую передачу, образованную косозубым колесом 20 и винтовым колесом 19 и обеспечивающую передачу вращения между скрещи- вающимися осями. Остальные элементы дифференциалов закрепле- ны на оси с возможностью вращения относительно нее. Водило диф- ференциала Д2 выполнено в виде зубчатого колеса 16, связанного с рукояткой 1 через зубчатую передачу z 1– z 2– z 3– z 4– z 6– z 16.

Определение передаточного отношения механизма. Передаточ- ное отношение механизма экспериментально определяется путем подсчета числа оборотов диска 10, соответствующего одному пол- ному обороту левого зубчатого колеса 18л. При этом исследуется зависимость передаточного отношения от радиального положения обоймы фрикционной передачи, которое задается по шкале правой рукоятки 1п. Передаточное отношение кинематической цепи «руко- ятка 1 – ходовой винт В» может быть определено по формуле

 

z × z i 1 = p 1× 3, z 2 z 5

(6.5)

 

где p – шаг винта.

Зубчатое колесо 4 является для данной цепи паразитным, так как находится в зацеплении с двумя зубчатыми колесами 3 и 5, и по этой причине не учитывается в передаточном отношении.

Подстановка параметров, приведенных на кинематической схеме,

дает для передаточного отношения значение

i = 35, 2 ì èí -1. Если

обозначить угол поворота рукоятки 1, выраженный в делениях шка- лы, через n, то зависимость радиального положения R обоймы фрик- ционной передачи от угла поворота примет вид

 

R (n) = R + i j n, 0 1 360

(6.6)

 

где

R 0 – положение обоймы при нулевом угле поворота рукоятки

(R 0 = 33,5 мм);

φ – цена деления шкалы, нанесенной на рукоятку (φ = 4,5°). Передаточное отношение фрикционной передачи

 

2æ R + i j n ö(1-x) ç 0 1360 ÷ ç ÷ i (n) = è ø, 2 d

(6.7)

 

где d – диаметр ролика (d = 19 мм).

Число оборотов солнечного колеса 14 дифференциала Д1 может быть выражено через число оборотов диска 10 по формуле

 

n (n) = i (n) z 11 n. 14 2 z 13 10

(6.8)

 

Зубчатое колесо 12 является паразитным и в передаточном от- ношении не учитывается.

Число оборотов водила В1 может быть определено по формуле

 

z n â1 = 19 n 10. z 20

(6.9)

 

Число оборотов солнечного колеса 15 может быть определено по формуле

 

n 15 (n) = 2 n â1 - n 14 (n).

(6.10)

 

При неподвижной рукоятке 1 водило 16 дифференциала Д2 бу- дет неподвижным и солнечные колеса 15 и 17 будут совершать оди- наковое количество оборотов в противоположных направлениях. По- этому, если не учитывать знак, связанный с направлением враще- ния, число оборотов зубчатого колеса 18 может считаться равным числу оборотов зубчатого колеса 15 и может быть рассчитано по формуле (6.10).

Экспериментальное значение передаточного отношения фрикци- онной передачи определяется по формуле

 

z (2 z n * (n) - z) i 2 (n) = 13 19 10 20, z 20 z 11 n * (n)

(6.11)

 

где

* – число оборотов диска 10, соответствующее одному пол-

n

ному обороту зубчатого колеса 18 и являющееся функцией угла по- ворота рукоятки 1.

Коэффициент проскальзывания может быть определен по формуле

 

i (n) d x(n) = 1 - 2(R 2 i j n 360). 0 + 1

(6.12)

 

Порядок выполнения работы

1. Ознакомиться с кинематической схемой лабораторной уста- новки.

2. Выставить начальные положения работы установки. Для это- го на левом барабане установить шкалу на отметке «0», а на правом

«–25».

3. Совместить метку на диске 3 с указателем.

4. Вращать диск 8 и производить отсчет его оборотов до того момента, как диск не сделает один оборот. Отметить указанное зна- чение в таблице 6.1.

5. Для каждой новой серии измерений поворачивать правый ба- рабан с шагом в 5 делений шкалы.

6. Повторить пункт 4.

7. Повторять пункты 4–6 в пределах от –25 до 25 единиц шкалы правого барабана.

8. Занести данные в таблицу 6.1.

9. Построить график зависимости количества оборотов диска 8

от указаний шкалы.

10. Определить коэффициент проскальзывания.

 

 

Таблица 6.1 – Результаты измерений

Показания шкалы барабана	–25	–20	–15	–10	–5
Число оборотов диска 8

 

Содержание отчета

1. Титульный лист.

2. Цели и задачи выполнения работы.

3. Оборудование и принадлежности к работе.

4. Кинематическая схема вариатора.

5. Результаты измерений (таблица 6.1).

6. График зависимости количества оборотов диска 8 от указаний шкалы.

7. Выводы.

Контрольные вопросы

1. Какие передачи относятся к фрикционным?

2. Типы фрикционных передач.

3. Типы вариаторов.

4. Принцип действия лобового вариатора.

5. Принцип действия торового вариатора.

6. Принцип действия вариатора с раздвижными конусами.

 

Литература

1. Счетно-решающие устройства / С. О. Доброгурский [и др.]. – М.: Машиностроение, 1966.

2. Song, C.-K. Performance assessment of an ultraprecision machine tool positioning system with a friction drive / C.-K. Song, Y.-J. Shin, H. Lee // International Journal of Precision Engineering and Manufacturing. – Vol. 6, No. 3. – 2005. – P. 8–12.

3. Ziegert, J. C. An ultra-high speed spindle for micro-milling /

J. C. Ziegert, J. P. Pathak, B. Jokiel.

Лабораторная работа № 7