Глава 7

КОНСТРУКЦИИ и РАСЧЕТ ФРИКЦИОННЫХ ВАРИАТОРОВ

Существует много разнообразных конструкций фрикционных вариаторов, и предлагаются все новые и новые их конструктивные решения. Однако лишь некоторые из них выдерживают проверку практикой. Ниже рассматриваются наиболее распространенные конструкции вариаторов.

7.1. ЛОБОВЫЕ И КОНУСНЫЕ ВАРИАТОРЫ

Лобовые вариаторы изготовляют как с непосредственным контактом ведущего колеса с ведомым, так и с промежуточным роликом (см. рис. 112, а, з). Конструктивно эти вариаторы наиболее просты и в свое время применялись больше, чем вариаторы других типов. Рабочие поверхности стальных фрикционных колес выполняются шлифованными с шероховатостью 0,63 ... 0,32.

Основной недостаток лобовых вариаторов - значительная величина геометрического скольжения. Последняя согласно формуле (177) может быть определена из зависимости

1+р 1+р

2Рф ± 1

± 1

(210)

где Dx - переменный диаметр диска.

При ведущем цилиндрическом колесе (« = 0; «а = 90°) берется знак плюс, а при ведущем диске («1 = 90°; «2 = 0) - знак минус.

Если принять Damin/b = 20 и р = 1,5 при ведущем цилиндрическом колесе, то 1 = 8,3%. Таким образом, даже при больших минимальных диаметрах дисков скольжение значительно. Вследствие этого лобовые вариаторы целесообразно использовать лишь при малых мощностях.

Соединение дисков с валами рекомендуется осуществлять шариковыми или винтовыми нажимными устройствами, при которых сила нажатия пропорциональна нагрузке.

Во избежание чрезмерного скольжения центральную часть диска использовать не следует.

Одинарная передача, показанная на рис. 112, а, применяется при малых диапазонах регулирования. Если передача работает при

постоянной мощности, то ведущее колесо следует выполнять цилиндрическим; при постоянном моменте сопротивления ведущим; необходимо делать диск. Сила нажатия и Fi/F, при этих условиях постоянны.

Приведенная кривизна пары в лобовом вариаторе постоянна;, для цилиндрического колеса р = 0,5D, для диска р = оо.

Расчет на контактные напряжения следует вести на минимальном диаметре диска, при котором требуется наибольшая сила нажатия и скольжение достигает наибольшей величины.

Радиус колеса (см) при работе с N = const

при работе с моментом на ведомом валу = const

г, = 0,444 у"-

2ф£

(212)

В эти формулы при ведущем диске подставляется /щах, при ведомом диске i. Допустимая величина ф = rib (г - минимальный расчетный радиус диска) может быть определена из выражения (210) по запасу сцепления Р и выбранной допустимой величине геометрического скольжения 1г.

При ведущем цилиндрическом колесе с учетом смещения полюса качения кинематические соотношения будут

. R2x + m . тт. . Rj + m,

«11

г-\-х-\-т

здесь r-i - радиус цилиндрического колеса; х - перемещение ведущего колеса из положения при г<.

Координата т полюса качения определяется по формуле (169).

Из анализа последнего выражения видно, что угловая скорость с перемещением ведущего колеса нарастает неравномерно. При малых радиусах диска небольшое его перемещение будет значительно изменять частоту вращения ведомого вала.

При ведущем диске

/ 2 •

Ru-m

«2 =

ni(Ru-m)n Га Га

Здесь зависимость угловой скорости от перемещения х линейна..

Одинарные лобовые передачи находят применение в приводах интеграторов, фрикционных прессов, прядильных и некоторых других машин.

Сдвоенные лобовые передачи (см. рис. 112, з) выполняются с большими диапазонами регулирования, чем одинарные. Как при пружинном, так и при шариковом нажимном устройстве сила нажатия не зависит от скоростного режима, окружная же сила

изменяется с изменением радиусов дисков независимо от того, работает передача с N = const или с = const. Следовательно, f/frt в сдвоенных передачах всегда переменно.

Окружные силы и силы нажатия в£парах ведущий диск - ролик и ролик - ведомый диск одинаковы. При == const расчетная сила нажатия определяется по первой паре на минимальном диаметре ведущего диска. Последний находится из формулы (211) при i Гр/гх (где Гр - радиус ролика). Нажимное устройство

следует устанавливать на ведущем валу. При М2 = const расчет передачи и определение сил нажатия производитсяпо паре ролик-ведомый диск на его минимальном радиусе Гг. Диаметр ролика находится из формулы (212) при i = = Га/Гр. Нажимное устройство здесь целесообразно размещать на ведомом валу.

Минимальный запас сцепления оказывается на наименьшем диаметре диска, со стороны которого производится нажим. В остальных положениях сила нажатия больше необходимой. При установке шариковых нажимных механизмов на обоих валах сила нажатия будет определяться тем из них, момент на валу которого больше. Поэтому такая передача более приспособлена для работы при N = const в области ускорения и при Al2=const при замедлении. Кинематические соотношения ее

Rix + m . и Ri +w Яг - т г+х - т „

Рис. 118. Лобовой вариатор с промежуточным диском

Ri-\-fn Ri - m

R-x + m

К этим соотношениям добавляется условие

h + R2 = Ri + r2 = Ru + R2x=-a,

(213)

где а - расстояние между осями дисков.

В лобовом вариаторе по схеме рис. 118 мощность передается двумя потоками: непосредственнымконтактом ведущего колеса / с ведомым диском 2, а также черезпаразитные диск 5 и ролик 5. Регулирование производится перемещением ведущего диска. Необходимый нажим осуществляется автоматически через паразитный диск 5 механизмом 4, связанным с осью паразитного ролика 3, Достоинством конструкции является разгрузка от сил ведущего вала и его опор и значительная разгрузка ведомого вала. По этой схеме выпускались вариаторы на мощность до 0,7 кВт при = 1800 об/мин и Д = 3,5 ... 4,5.

На рис. 119 показаны две конструкции сдвоенных лобовых вариаторов с коническими паразитными роликами (см. рис. 112, и). Применение последних снижает величину геометрического скольжения. Нажим в вариаторе, выполненном по рис. 119, а, осуществляется винтовым, а по рис. 119, б - шариковым механизмом, поставленным на ведомом валу. Ведомый вал от изгиба разгружен. Вариаторы двухпоточные: с ведущего вала мощность посредством зубчатых пар передается на два ведущих диска и с них через ролики на один ведомый диск.

Конструкция вариатора Unicum FU фирмы Comptoir (рис. 119, б) более совершенна. Ролики этого вариатора вращаются на конических роликоподшипниках без наружных колец. Оси их

а) Ю

Рис. 119. Двухпоточные лобовые вариаторы с коническими роликами и механизмом нажатия:

а - винтовым; б - шариковым

укреплены на гайках регулирующего винта с правой и левой резьбой. Для предварительного нажима поставлена пружина. Колеса выполнены из закаленной стали. Передача работает в масляной ванне. Ведущие и ведомые колеса имеют сменные диски. Вариатор выпускается с диапазонами регулирования 6 и 10 на мощность до 13 кВт при «1 = 1400 об/мин и tniin- Диапазон регулирования несимметричный. При Д = 10 передаточное отношение, включая и зубчатую пару, imin = 0,78 и imax = 7,8. Передаточное отношение зубчатой пары 1з,„>=1,6, фрикционной передачи i 0,Б

и «шах 5.

Ролик выполнен так, что середины линий контакта его с дисками лежат на общей нормали, поэтому зависимость (213) действительна и для такого вариатора. Угол при вершине ролика 2ар = = 60°. Длину образующей его (расстояние от вершины конуса до середины контактной линии) назначают равной радиусам дисков при i = \. Тогда с учетом выражения (213)

tp = Riii = R2i=i = 0,5а = 0,5 {Ri + П) = ri (tax -f 1)

217-

и радиус ролика по средней точке линии контакта rp = /pSin30° = 0,25ri(w+l).

Кинематические соотношения будут следующими:

Rix ± т

-fm /-1 -/л

«2 =

ri+x ± m

R« - X ± m

til.

Верхние знаки при < 1, нижние - при г,> 1.

Анализ показывает, что для принятых в вариаторе соотношений теометрическое скольжение во второй паре на всем диапазоне регулирования и в первой паре при работе на ускорение достигает 6,5%. Однако при работе на замедление в первой паре оно резко возрастает и при /щах достигает 30%. Величина скольжения в каждой паре в любом положении может быть найдена по формуле <172) или для крайнего случая по формуле (173). При этом более короткая образующая может быть у диска или у ролика, в зависимости от положения последнего.

КПД вариатора, учитывающий только потери на геометрическое скольжение, в области ускорения достигает примерно 0,95 и выше. При работе на замедление он резко снижается до 0,8 при iax-

При нажимном устройстве, установленном на ведомом валу, вариатор приспособлен для работы с М2 = const. Наибольшая окружная сила будет на наименьшем диаметре ведомого диска, когда вариатор будет передавать наибольшую мощность. Расчет вариатора по формуле (212) производится для этого положения, причем в формуле (212) ri = Гр - радиус ролика, imm = а/р. и, учитывая, что ролики конические, подкоренное выражение следует умножить на cos а. На основании принятых соотношений

Г2 П (imax -f 1) 4imin

2 min "~" r -

(Imin -f l)p

" min

min •

Так как вариатор двухпоточный, то в расчет вводится половина крутящего момента на ведомом валу. Величину ф предварительно находят по выбранной величине скольжения из формулы (179), которая применительно к этому положению принимает вид

1±Р

(1 -0,5/2 mm) - 1

Наибольшая величина скольжения на первой паре в области замедления будет заведомо больше выбранной величины 1. Вариатор достаточно надежен, имеет фрикционные тела простой формы, но обладает низким КПД, требует, как и двухпоточный вариатор, высокой точности изготовления деталей.

Стендовые испытания в ЭНИМСе описанного вариатора V - 13 (рис. 119,6) с номинальной характеристикой = = 1430 об/мин; Д = 6; == 230 ... 1400 об/мин; Л = 12,5 кВт при Л2п1ах И = 7,4 кВт при /i2niin показали, что вариатор может продолжительное время передавать мощность 7,4 кВт на всем

диапазоне регулирования скорости. Температура масла при указанной мощности составляла 70 ... 75° С. Было установлено, что. уже при = 650 об/мин с увеличением передаваемой мощности температура масла резко возрастает, поэтому повышать мощность, до 12,5 кВт при увеличении можно лишь кратковременно. Наибольшее значение КПД вариатора достигалось при /ф 1. Испытания в течение 1400 ч при iVj = 7,4 ... 8,1 кВт не выявили дефектов вариатора.

В вариаторе, показанном на рис. 119, б, усилия нажатия фрикционных пар воспринимаются подшипниками и передаются на

Рис. 120. Четырехпоточный сдвоенный лобовой вариатор

корпус вариатора. Это вызывает потери на трение в опорах и повышает требования к прочности и жесткости корпуса.

В более поздней конструкции (рис. 120) введением второго симметричного ряда промежуточных роликов достигнуто замыкание усилий нажатия фрикционных пар на центральном валу и разгрузка от них подшипников и корпуса. Нажатие фрикционных пар осуществляется кулачковым механизмом со стороны ведущего» вала. Износ фрикционных тел компенсируется перемещением втулки по резьбе на конце центрального вала. Вариаторы такой конструкции изготовляют на мощность 3 ... 22 кВт при «i = = 1400 об/мин, «а = 280 ... 1700 об/мин, Д = 6 и на мощность 50 кВт при Д = 2.

. Конусные вариаторы отличаются большим разнообразием схем: и конструкций. Ниже рассматриваются некоторые из них.

Вариаторы типа Webo (см. рис. 112, г) просты в изготовлении. Колеса - два конуса с большими углами при вершинах:

21»