11. 5 Смазочные материалы

Смазка подвижных соединений предназначена для уменьшения потерь на трение и износа трущихся поверхностей, для отвода теплоты, выделяющейся при трении, и предохранения от коррозии. Смазочные материалы делят на жидкие, консистентные и твердые. Жидкие минеральные масла изготавливают из остатков перегонки нефти — мазута. Минеральные масла имеют большую стойкость по сравнению с растительными маслами к

воздействию кислорода воздуха и температуры. Основной характеристикой масел является вязкость, т.е. свойство сопротивляться смещению одного слоя жидкости относительно другого. Вязкость определяет величину жидкостного трения. Помимо вязкости масла характеризуются содержанием примесей, температурой вспышки и застывания, кислотностью. Для повышения эксплуатационных свойств в масла добавляют в небольших количествах присадки — соединения фтора, фосфора.

В тех случаях, когда частая замена масла невозможна, оно выдавливается при больших нагрузках, используют консистентные смазки — густые пастообразные массы. Их применяют в тяжело нагруженных узлах трения, в соединениях при действии динамических нагрузок, для герметизации зазоров и защиты соприкасающихся поверхностей от механических и атмосферных воздействий. Наибольшее распространение получили универсальные тугоплавкие консистентные смазки ЦИАТИМ-201, ЦИАТИМ-221, ЛИТОЛ-24.

В вакууме, при высоких температурах, в химически активных средах масла теряют свои свойства. В этих случаях применяют твердые смазки.

Наибольшее распространение из них получили графит и дисульфид молибдена.

       12 Механические передачи  

12.1 Характеристики механических передач

Как известно, машина состоит из несущей конструкции (корпуса, рамы), рабочих органов и их приводов. Последний включает двигатель и передачу (трансмиссию), которая передает энергию от двигателя к рабочему органу.

Передача может быть механической, электрической, гидравлической, пневматической и комбинированной. У большинства современных машин движение рабочих органов является вращательным.

Все виды механических передач, предназначенных для преобразования скоростей и моментов, а иногда и видов движения, можно разделить на две большие группы: передачи с использованием трения и передачи зацеплением. К первой группе относятся фрикционные и ременные передачи, ко второй - передачи зубчатые (в том числе волновые), червячные, цепные, зубчатым ремнем (эти два вида имеют гибкие связи между ведущими и ведомыми элементами) и передачи винт - гайка. Передачи трением не обеспечивают постоянства передаточного числа из-за проскальзывания и имеют при работе с высокими мощностями большие габариты. Зато они работают плавно и бесшумно и могут использоваться для бесступенчатого регулирования скорости. Передачи зацеплением при прочих равных условиях имеют гораздо меньшие габариты, обеспечивают постоянство передаточного числа независимо от нагрузки и скорости, однако работают с большим шумом, особенно при высоких скоростях.

Основные характеристики передачи - передаточное число, передаваемая мощность и частота вращения - определяют ее габариты и массу. Однако в процессе проектирования можно при заданных характеристиках передачи получить множество вариантов ее решений с различными размерами и массой, варьируя материалы, их термообработку, конструктивные и другие факторы. Необходимо иметь и общее представление о сравнительных габаритах отдельных видов передач. При заданных моменте на ведущем валу и передаточном числе наибольшие габариты у плоскоременной и

фрикционной передач, наименьшие - в зубчатой.

Различают передачи с постоянным передаточным числом и с переменным (вариаторы).

В каждой передаче существуют два основных вала: входной (ведущий) и выходной (ведомый). Соответственно мощность и частота вращения (угловая скорость) обозначаются: Р1, P2 (кВт) и n1 (ω1), n2 (ω2) (мин-1 (рад/с)).

Этих характеристик достаточно, чтобы рассчитать любую передачу.

КПД передачи

Передаточное число и (в направлении потока мощности), совпадающее с передаточным отношением i,

При и > 1 передача понижающая (редуктор), при и < 1 - повышающая (мультипликатор). Чаще используются понижающие передачи.

Линейные (окружные) скорости (м/с) вращающихся тел в передачах (шкивов, зубчатых колес, звездочек, фрикционных тел) при их диаметре d (мм) и частоте вращения n

Тангенциальные силы, действующие на эти тела, обозначаются F_t, они называются также окружными силами. Передаваемый крутящий (или вращающий) момент обозначают Т, он связан с силой F_t и диаметром d соотношением

Мощность P(кВт), момент Т(Н·м), скорость v(м/с) и частота вращения п (мин^-1) или угловая скорость го (рад/с) связаны зависимостями:

где F_t измеряется в ньютонах.

Если передача состоит из нескольких последовательно соединенных звеньев, то

где k - число ступеней передачи; k+1 - число валов передачи.

Перемножим КПД всех ступеней:

т. е. КПД всего привода равен произведению КПД его ступеней: η = η₁ η₂… η_k.

Передаточное число k-й ступени

Перемножив значения и для отдельных ступеней, получим

т. е. передаточное число привода равно произведению передаточных чисел его ступеней:

Связь между моментами на валах имеет вид

Для отдельных видов передач значения КПД определены экспериментальным путем и приводятся в таблицах. Рекомендуемые диапазоны передаточных чисел для отдельных видов передач также указываются в таблицах.

В дальнейшем величины, характеризующие параметры ведущего тела, будут иметь индекс 1, а ведомого - 2.

Для вариаторов помимо передаточного числа используется еще одна кинематическая характеристика - диапазон регулирования:

12.2 Фрикционные механизмы

12.2.1 Общие сведения

Во фрикционных механизмах движение от ведущего звена к ведомому передается за счет сил трения, возникающих между прижатыми друг к другу телами. Силы прижатия создают пружинами, поджимными винтами, силами тяжести и т.д.

Фрикционные механизмы предназначены для изменения скорости вращательного движения (рис. 12.1, а) или преобразования вращательного движения в поступательное (рис. 12.1, в). В зависимости от расположения осей валов фрикционные механизмы классифицируют на механизмы с параллельными (рис. 12, а, в) и пересекающимися (рис. 12.1,г) осями; в зависимости от изменения передаточного отношения — на механизмы с постоянным (рис. 12.1, а, г) и переменным (плавно изменяемым) передаточным (i = var) отношением (рис. 12.1,б).

Фрикционные механизмы применяются в приводах лентопротяжных, бумагопротяжных устройств, прессах, устройствах транспортирования. К достоинствам фрикционных механизмов относят простоту конструкции и изготовления, бесшумность в работе, автоматическое предохранение от перегрузок из-за проскальзывания звеньев, отсутствие мертвого хода и возможность плавного бесступенчатого изменения передаточного отношения.

Недостатками фрикционных механизмов являются: непостоянство заданного передаточного отношения из-за отсутствия жесткой кинематической связи между ведущим и ведомым звеньями; необходимость наличия нажимных устройств для прижатия тел качения друг к другу; усиленный износ в местах прикосновения из-за больших удельных давлений; сравнительно низкий КПД (0,7...0,9); большие нагрузки на валы и опоры, что приводит к необходимости увеличивать их размеры; нагрев при работе.

Движение соприкасающихся звеньев (диски, цилиндрические или конические катки, цилиндры, конусы) фрикционных механизмов сопровождается их относительным скольжением. Различают упругое и геометрическое скольжение, а также буксование.

Рис. 12.1

Упругое скольжение возникает из-за различной упругой деформации ведущего и ведомого звеньев в зоне контакта. Напряжения звеньев в зоне контакта различаются по величине и знаку. Поверхностные слои ведущего катка 1(рис. 13.1, а), нагруженного движущим (вращающим) моментом М_Д, по мере приближения к площадке АВ контакта сжимаются, а проходя ее — растягиваются. На ведомое звено действует момент сопротивления М₂ направленный в сторону, противоположную направлению момента М_Д. В точке А волокна ведущего катка растянуты, а ведомого — сжаты. Под действием сил трения в точке В площадки контакта волокна ведущего катка сжаты, а ведомого — растянуты. В пределах площадки контакта волокна каждого катка меняют свою деформацию, скользя друг по другу- Скорость упругого скольжения составляет 0,2...3 % окружной скорости катков и увеличивается с увеличением площадки контакта, т.е. с уменьшением модуля упругости материала, поэтому КПД фрикционных передач тем меньше, чем меньше модуль упругости материала катков. Геометрическое скольжение объясняется наличием разности скоростей точек касания звеньев фрикционного механизма вдоль линии контакта. Геометрическое скольжение разнотипных передач может быть различным. Рассмотрим геометрическое скольжение между двумя катками конусной формы (рис. 12.1, г) с несовпадающими вершинами конусов. Чистое качение может быть по линии касания окружностей диаметров и d2. В остальных точках, лежащих по линии АВ контакта катков, наблюдается проскальзывание. Геометрическое скольжение отсутствует, если катки имеют цилиндрическую форму и вращаются около параллельных осей, атакже когда вершины образующих конусов катков совпадают. Кроме рассмотренных видов скольжения возможно буксование — проскальзывание, вызванное нагрузкой передачи. Буксование возникает, когда движущая сила больше силы сцепления между звеньями. Оно ведет к местному интенсивному износу поверхности ведомого звена, что нежелательно. Буксование — одна из причин того, что для ведомых звеньев используют более износостойкий материал, чем материал ведущих звеньев. В этом случае местный износ ведомого звена заменяется равномерным износом всей поверхности ведущего звена.

Материалы катков фрикционных механизмов должны иметь высокие контактную прочность и износостойкость для обеспечения необходимой долговечности, значительный коэффициент трения для уменьшения силы нажатия колес, большой модуль упругости для обеспечения минимального проскальзывания, высокие коррозионную стойкость и теплопроводность. Этим требованиям удовлетворяют легированные стали ШХ15, 18ХНЗА, закаленные до HRC 56... 62. Обычно катки фрикционных передач выполняют из разных материалов, образующих пары с повышенным трением: сталь — сталь, сталь — текстолит, сталь — резина, сталь —асбест и др. Рекомендуется изготавливать ведущий каток из более мягкого материала, что обеспечивает высокий коэффициент трения, меньшую силу прижатия и снижение шума, но при этом получают меньший КПД и большее упругое скольжение. 12.2.2 Кинематика фрикционных механизмов С некоторым допущением (упругое скольжение всегда присутствует) будем считать, что соприкасающиеся звенья будут катиться друг по другу без проскальзывания и их окружные скорости в месте контакта равны, т.е.

где — линейные скорости точек касания соответственно ведущего и ведомого звеньев. Но , а ,

где — угловые скорости вращения ведущего и ведомого звеньев; d1, d2 — диаметры катков в месте контакта.

Используя зависимость (12.1), определим передаточное отношение фрикционных механизмов с параллельными (рис. 12.1, а) осями без учета упругого скольжения:

где — радиусы катков.

Во фрикционных механизмах с пересекающимися (рис. 12.1, г) осями звеньев геометрическое скольжение отсутствует при совпадении вершин конусов образующих катков с точкой 0 пересечения осей. Тогда без учета упругого скольжения передаточное отношение

где — сопряженные радиусы окружностей катков 1 и 2; — углы образующих конусов катков 1 и 2. При пересечении осей 01 и 02 под прямым углом, т.е. при = 90°, выражение (12.2) можно представить в виде .

Во фрикционном механизме (рис. 12.1, г), называемом лобовым вариатором, ведущий ролик 1, вращающийся с постоянной угловой скоростью может перемещаться вдоль оси вала I, например вдоль шлицевого вала. Скорость вращения диска 2, поджимаемого к ролику 1 пружиной 3, будет плавно меняться. Так как линейные скорости в точке касания ролика и диска равны, т.е.

где — радиус ролика; х — расстояние от оси вращения диска до положения ролика, которое может меняться от нуля до радиуса диска r2, то передаточное отношение рассматриваемого механизма

Передаточное отношение малонагруженных фрикционных механизмов принимают в пределах 1...7, диапазон изменения передаточного отношения вариаторов / 2min рекомендуется брать 3...4. Увеличение передаточного отношения вариаторов связано со значительным ростом габаритов механизма, снижением КПД и предельной мощности, которую вариатор может передавать при малых частотах вращения. Фрикционные механизмы могут работать с окружными скоростями до 25 м/с. Окружные скорости соприкасающихся поверхностей вследствие проскальзывания из-за упругого скольжения не равны. Это учитывают коэффициентом относительного скольжения

Величина упругого скольжения невелика, коэффициент скольжения не превышает для стали 0,002...0,005, для текстолита 0,01, для резины 0,03. При выборе одного из катков неметаллическим значение принимают в переделах 0,01...0,03. Учитывая проскальзывание вследствие упругого скольжения, передаточное отношение фрикционных механизмов определим из выражения (12.3)

Чем меньше модуль упругости материала катков, тем больше упругое скольжение и больше его влияние на передаточное отношение механизма.