НАМИ Выпуск № 90 [№ 90]

В книге дан теоретический анализ рабочих процессов многодисковых фрикционных трансформаторов, работающих со смазкой в ус

455 89 5MB

Russian Pages 80 [83] Year 1960

Report DMCA / Copyright

DOWNLOAD FILE

Polecaj historie

НАМИ Выпуск № 90 [№ 90]

Table of contents :
Предисловие......Page 4
Введение......Page 5
Приложение двучленного закона трения к фрикционному взаимодействию неплоских тел......Page 20
Устойчивость заклиненного состояния фрикционных тел......Page 29
Основные кинематические зависимости......Page 34
Некоторые соотношения пространственной геометрии для многодисковых трансформаторов применительно к контактной задаче......Page 38
Определение размеров площадок контакта фрикционных тел и контактных давлений......Page 43
Передающая способность многодисковых трансформаторов при линейном начальном контакте......Page 46
Момент и. коэффициент трения на ведущем фрикционном теле многодискового трансформатора......Page 57
Коэффициент полезного действия многодисковых трансформаторов......Page 60
Выбор оптимальных параметров многодисковых трансформаторов по коэффициенту полезного действия......Page 63
Многодисковый фрикционный трансформатор с внутренним контактом и рабочими дисками двоякой кривизны......Page 67
О трении третьего рода в многодисковых трансформаторах......Page 72
Заключение......Page 76
Литература......Page 79

Citation preview

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СОВЕТА МИНИСТРОВ СССР ПО АВТОМАТИЗАЦИИ

И

МАШИНОСТРОЕНИЮ

УПРАВЛЕНИЕ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ МАШИН И АВТОМОБИЛЕЙ

ЦЕНТРАЛЬНЫЙ О РДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ АВТОМОБИЛЬНЬШ И АВТОМОТОРНЫЙ ИНСТИТУТ НАМИ

ВЫПУСК 90

Инж. В. А. ПЕТРУШОВ

АНАЛИЗ РАБОТЫ

МНОГОДИСКОВЫХ ФРИКUИОННЫХ

ТРАНСФОРМАТОРОВ

� � МАШГНЗ ГОСУДАРСТВЕННОЕ

НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ

ИЗДАТЕЛЬСТВО

МАШИНОСТРОИТЕЛЬНОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

М о с к ва

1960

В книге дан теоретический анализ р абочих процессов м н огодИJСковых фрикционных транс­ форматоров, р аботающих со смазкой в условиях граничного трения. Выведены основные зави· с имости для опре· деления р ациональных р азмеров и форм фрик­ ционных дисков, контактных давлений, коэффи­ циента полезного действ и я , а также изложены элементы р асчета, позволяющие реализовать в зн ачения высоки1 е н а иболее трансформаторе обобщенных коэффициентов трения и геометр и ­ ческого к. п. д . П р иведенный мате р иал положен в основу экспериментальных р абот, ведущи1хся в НАМИ, по созданило ф рикцион ного тра нсформатора авто­ мобильного типа. К:нига предназначена для научных и инже­ нерно-техн ически1 х работн иков машиностроитель11оii промышленности.

Р едакци о н н ы й совет Н АМИ М. А. ПАШИН (председатель) , А. А. ЛИП ГАРТ (зам. председателя, ответ­ ственный редакто р ) , А. Г. АЛЬПЕРОВИЧ, С. Г. БОРИСОВ, М. И. БРИС­ КИН, О . В . ДЫБОВ, Я . Г. ЗИЛЬБЕРБЕРГ, А . С. ЛОЗАРЬ, И. С. ЛУНЕВ, П. В. НАГАЕВ, Я. М. ПЕВЗНЕР, В. И. ПРЯДИЛОВ, К:. С. РАМАйЯ, Г. И САМОЛЬ, Е. В. СЕДОВА, О. В. ТАМРУЧИ, Н. С. ХАНИН, А. А. ЧАПЧАЕВ, С. Б. 4ИСТОЗВОНОВ, Э. М. ШК:ОЛЬНИК:ОВ. Редакция литературы по автомобильному, тракторному и сельскохозяйственному машиностроению Зав. редакцией инж. И. М. БАJ!МАН

ПРЕД ИСЛОВИЕ

Многодисковые ф р икционные трансформ аторы, появившиеся в результате конструктивных п ои сков путей повышения надеж­ ности р аботы ф р икционных передач, характеризуют ср авни­ тельно новое направление их развития. О беспечение надежной ра­ боты фрикционного трансформ ато р а п озволило бы применять его в тра1нсмиссиях транспортных м а ш ин,, в том числе и авто­ мобилей, что значительно п овысило бы динамические и эконо­ мические п оказатели м ашин в цело м . К настоящему времени упрощенность з акона трения Амон­ тона стал а достаточно очевидной, что находит свое неоднокр ат­ ное подтверждение в р азличных о бл астях машиноведения , где используются силы сухого и граничного трения. Несмотря на то, что передовая, отечественная теория трения в последние десяти ­ летия продвинулась далеко вперед, теория ф рикционных пере­ дач все еще продолжает базироваться на з аконе Амонтона, за­ ведомо не отражающем влияния даже главнейших ф а кторов ( величины контактных удельных давлений, х а ра кте р а поля cиjJ трения в пятне конта кта ф р икцион ных тел и их геометрической формы) на величину р еализуемых коэффициентов трения и р а ­ бочие хар актеристики ф рикционной передачи. В данной книге делается попытка проанализировать п роцессы т рения во ф рик­ ционных механизм ах с учетом п е р ечисленных ф акторов, которые должны составлять основу методики расчета.

В В ЕДЕНИЕ

П ри нцип м ногокр атного ф рикционного контакта, н ашедший широкое п р и м енение в технике, н аи более н аглядно иллюстри ­ руется н а примере м ногодисковых муфт трения. Изображенная н а фиг. ·1 муфта Ф риборн автоматической ступенчатой коробки пе р едач для тепловозов ( фиг. �)-с.о­ стоит из ведущих ПЛОСКИХ ююков 1 ( фиг. 1 ), связанных с в едущ!'lм вал ом, и ведомых малых плоских дис­ ков 2, в р аща ющихся вокруг осей ведомого водила в м асляной ванне. Муфта снабжена механизмом авто· м атического центробежного нажа­ тия и р аботает частично как муфта трения, ч астично как планетарная передача. В р езультате того, что со­ п рикасающиеся ф р и кционные по­ верхности все время меняются, 'Пе­ р и одически погружаясь в ;-,1 асляную ванну, интенсивность их нагревания 1. Фиг. Многодисковая и износа уменьшается. Ограничен­ фрикционная муфта Ф р и­ н ость использования этого принци­ борн. п а применительно к ф рикционным трансформаторам о бъясняется т рудностью обеспечения р авно­ мерно го р аспределения н а гр узки по всем р абочим телам, од­ новременного перемещения н ескольких р абочих тел трансфор­ матор а при р егул и ровании, а также увеличением габаритов трансформаторов п р и п р и м енении большого числа фрикцион­ ных тeJJ. В п реодолении указанных трудностей при конструи­ ровании на основе использования трансф о рм атор а системы Байера [20] имеются безусловно большие возможности, чем ·при применении любой другой системы. Основой трансформато р а системы Б айера является много­ дисковый ф рикционный комплект с двумя п а р а ллельными ося­ ми и р абочи м и дисками конической формы ( ф и г. 3). Изменение перед аточного отношения достигается изменением величины межцентрового р асстояния дисков. Н а базе этого ф рикционного _

4

Фиг. 2. А втоматическая коробка передач Ф р иборн для тепловозов.

Фиг. 3. Схем а фрикционного узла передачи Байера.

5

узла был спроектир ов ан и испытан ряд автоматических передач дл я легковых и грузовых автомобилей [20] и [22] мощностью от 30 ДО 1 50 Л. С. Конструкuия одной из таких передач показана на фиг. 4, ее общий вид- н а ф н г. 5, а внешняя характеристика - н а фиг. 6, где п р едставлены зависимости к . п. д . 11 и передаточ н о­ го отношения от передаточного числа !.

Фиг.

4. Автоматическая передача Байера для автомобиля.

В н а стоящее время ф и р м а Шайрер серийно выпускает се­ м ейство стационарных в ар иаторО1в а налогичной ·конс11рукции мощностью до 400 л. с. На ф и г. 7 приведен график к. п . д. для одного из стационарных в а р и аторов, общий вид которого изо­ б ражен !На фиг 8. Одним и з существенных недостатков конических ф рикцион­ ных п е р едач с п а раллельным и осями является относительно низкий геометрический к. п . д. В этом отношении п р инципиаль­ ные и конструктивные особенности, о бусловивши е удовлетвори­ тельные результаты, п р едставляют несомненный интерес. Одной �з таких особенностей является наличие гр аничного трения в п ер едаче системы Б айера, возникающего вследствие р аботы ф ри кционных дисков в м асляной в анне и п о падания тонких пле-

6

Фиг.

и.

Общий вид передачи Байера в с боре.

'�Htнf I 1 rl 200

25 0,2

0,4

о.о

0,8

600

10(}(}

1400 п otljнuн

Фиг. 7. Изменение к. п. д. ТJ ста­ ционарной передачи Байера в за­ висимости от числа оборотов п.

1

Фиг. 6. характери­ стика автомобильной передачи Байера. Внешняя

7

нок смазки на площадку контакта рабочих тел, что с у ществен­ н о уменьшает их износ и нагревание. Другая осооенность дан­ ной конструкции, основанная на многократности фрикционного контакта, состоит в уменьшении удельной нагрузки трен и я на каждый диск, а также в уменьшени и потребной с11лы осевого нажатия . Малая сила осевого нажатия обес­ печивает получение мини­ мальных размеров площа­ док контакта рабочих тел, что в свою очередь ведет к повышению геометрического к. п. д. передачи. Несомнен­ н ым преимуществом пере­ дачи этого типа является разгруженность подшипни­ ков от больших усилий осе­ вого нажатия, которые, на­ пример, в тороидном транс­ форматоре (системы Свето­ за рова) , обладающем вы­ соким геометрическим к. п. д., достигают значи­ тельно больших величин. повысить Стремление геометрический к. п. д. мно­ годискового ф рикционного трансформатора с парал­ л ел ьными осями заставляет искать новые конс,rруктив­ н ы е пути. Одним из таких Фиг. 8 . Общий вид стационарной пере­ примеров является опытная дачи Байера, выпускаемой фирмой Ш ай­ фрикционнан передача, раз­ рер, с диапазоном регулирования 4,5, работанная в 1957 г. в США МОЩНОСТЬЮ 400 Л, С. ( фиг. 9 и 1 0 ) . Между плоскими дисками этой переда­ чи в специальных кронштейнах размещены шарики , которы� движутся по круговым траекториям в области контакта дисков, вследствие чего устраняется большая доля потерь от геометри­ ческого скольжения [23]. Для обеспечения равномерного нагру­ жения шариков осевой силой передача имеет механизм гидрав­ лического нажатия . Главным недостатком этой передачи явл яется наличие трения шариков о сепаратор. В НАМИ разработан многодисковый трансформатор, н котором для повышения геометрического к. п . д . и упрощения конструкции автоматической фрикционной п ередачи в целом 8

используется контакт конических дисков по внутренней схеме (фиг. 11 и 12). П ри такой схеме улучшается характер поля сил трения в пятне контакта и сохраня ются все положительные особенности многодисковой п е редачи. Кроме того, трансформа­ тор, выполненный по схеме с в нутренним контактом, при сов­ падении осей ведущих и в едомых дисков ( фиг. 1 1 ) работает как

....

'

"

'

\

; ;,��1У1 н-\

:/

/

/

/

'

Фиг. 9. Схема многодисковой фрик­ ционной передачи с плоскими диска ­ ми.

Фиг. 10. Общий вид крон­ штейна с сепаратором и промежуточными шариками.

глухая муфта и о беспечивает р ежим п ря' М ой п е редачи с пре­ дельно высоким к. п. д., что часто выгодно при использовании механизма в трансмиссиях. На фиг. 1 3, а и б показа н общий вид о.::н овных агрегатов экспериментального ф рикционного многодискового трансформа­ тора НАМИ ФТ-3 мощностью 55 л. с. Ф рикционные диски транс­ форматора работают в условиях смазки, обеспечиваемой мас­ ля ной ванной. На фиг. 14 изображена внешняя характеристика этого трансформатор а в виде зависимостей коэффициента трансформации К и к. п. д. от передаточного числа, которые получены при испытании на стенде. На той же фигур е штрихо­ выми линиями нанесена характеристика передачи Байера. Из сравнения видно, что п ри одинаковом максимальном коэффи­ циенте трансформации, равном 3, 2, соответствующий к. п . д. трансформатора с внутренней схемой контакта н а 25% выше к. п . д. трансформатора системы Байера и составляет 89-9 1 % . При коэффициенте трансформации, равном 1, к. п . д. составляет 98-99%.

о

Вш} по

rтрРлкr ll

j

нному.

скольжения О, 1 5-0,3 м/сек, в то время как для а· в томобильных зуб чатых передач контактные давления н а зубьях составляют в среднем 1 2 000- 1 8 ООО кг/см2 п р и средней скорости сколь­ жения 3-5 м/сек. 2. Приведенная выше величин а удельной м ощности трения 0,2 л . с. получена п р и шести ведущих дисках в каждом комп­ лекте трансформатор а . Н е трудно з а метить, что конструктивные возможности позволяют увеличить число дисков в 1 ,5-2 раза и соответственно уменьшить удельную н агрузку. В связи с перспективой дальнейшего усовершенствования многодисковых тр ансформ аторов и улучшени я их р а бочих по­ казателей практический и нтерес имеет анализ п ротекающих в них процессов трения, н а основани и которого могут быть р а з р а ­ ботаны методы инженерного р асчета и в ы б о р а н аи более р ацио­ н альной схемы фрикционного взаимодействия р а бочих дисков. Дальнейш ее р азвитие конструкций ф рикционных передач и их применения в известной степени тор мозится тем, ч то теоре­ тические исследования и инженер ные разработки этого вопроса нередко базируются н а неточных представлениях о п ротекании основного р абочего процесса в этих передачах - п роцесса тре­ ния. Рассмотрим один показательный п ри мер. На фиг. 15, а изображено некоторое а б с олютное жесткое те­ ,ю, установленное на п а раллельных а бс олютно жестких п олзу-

15

нах. Пусть к телу п р иложен а вертикальна я н а грузка Q и две противоположно н а п р а влен ные боковые силы F. Если прене­ бречь действием изгибающего момента , прочность данной си­ стемы оп редел яется допустимым н а п р яжение\1 среза в н а и бо­ лее узкой шейке ( сечение АА): F

crcp = S < сrдо п>

где S площадь сечени я АА . Таким обр азом, даже п р и п р едположении о существенности влияния вертикальной н агрузки Q н а н ап ряженное состояние 1ел а, величи на силы F строго огра, н ичена при лостоян ной вели­ ч и н е сечения S шейки. Р ассмотрим совершенно а налогичную с истему, с той только р азницей, что р ассм атриваемое тело р асчленено плоскостью на две части 1 и 2 (фиг. 1 5, 6) , общая конфигур ация которых соот­ ветствует телу, изображенному на фиг. 1 5, а п р и такой же площадке контакта. Согласно п рименяемому в н астоящее время п р и р асчетах фрикционных передач и ·муфт свободного хода закону трения А монтона 1 взаимный контакт обоих тел при дей­ ствии боковой силы F будет сох р а н ен п р и ;выполнении условия -

F< Т=

Qf, где Т и f - соответственно сила и коэффициент трения. На основании последнего условия можно заключить, что при неограниченном возрастании силы Q велич и н а силы может быть н еогра ниченно большой. Парадоксальность 2 этого вывода ста­ новится достаточно очевидной, если п ринять во внимание, что физико-мол екулярный х а р а ктер · в заи1 м одействия микрочастиц двух р асчлененных тел во всяком случае не может обеспечить п рочностных свойств, п ревосход51щих п рочностные свойства одного сплошного тела из того же м атери ала . Между тем, и менно по схеме Амонтона и р ассчитываются в н астоящее вре­ м я муфты свободного хода и ф рикционные п ер едачи. Н а осно­ вании этого р асчета следует, что муфта свободного хода при условии сохр анения ее п р очности под действием нормальных к р абочим поверхностям н агрузок может передать какой угодно большой момент, лишь бы выполнялось условие заклинивания муфты [5] и [6]. Таким о б разом, в ел ич и н а площадки контакта ;юликов с обой�1 ами и уде.1ьная касательн ая на грузка, дейст­ r.vюща я в плоскости контакта, п р и этом н е учитываются. Это относится в значительной мере и к р асчета�� фрикционных пе­ редач, что в ряде случ аев предопределяет неудовлетворитель­ ные результаты при создании р азличных конструкций. 1 Этот закон часто неправильно приписывается Кулону, который впер­ вые указал н а зависимость коэффициента трения от давлени • я . 2 Приведенный пример в отношении предпосылок не является абсолютно строгим и служи•т лишь иллюстратwвны м целям.

В то ж е время именно в отечественном машиноведении сло­ жилась п ер едовая теория сухого и граничного т рения, особен­ ·ностью которой является учет влияния на величину коэффици­ ента трения и , следовательно, н а величину реализуемых сил трения соотношения в еличины нор· м альной нагрузки и площади контакта трущейся пары. Отечественная теория трени я , я вляясь молекулярно-м ехани­ ческой теорией, сложил ась н а основе многократной эксперимен­ тальной и п р а ктической проверки и к ритического анализа ряда зарубежных нап р а влений ( теории Боудена [21], Томлинсона [29], Эрнста и Мерчента [ 1 8]) . Существенный вклад в р азвитие современной отечественной теории трения, и м еющей большое п рикладное значение, вн�сен советскими ученым и Дерягиным Б. В. [ 2] и Крагельским И. ·в. [4], [3]. Обобщенный з а кон трения по Дерягину - Крагельскому может быть представлен в следующей форме:

где О и v � а р а метры тре�ия, о п р еделяемые физико-молеку­ лярными своиствами трущеися п а ры, п ричем п ервый из них является коэффициентом п р и функции, обр атной отношению нор м альной нагрузки Q к площади контакта S. Указанная зависи мость для коэффициента трения я вляется исходной п р и анализе свойств исследуемых ф рикционных пере­ дач и составляет основу проведенного исследования. Вопросы контактного взаимодействия неплоских тел при наличии касательной нагрузки могут быть р асс мотрены в двух направлениях: 1 ) по п рочностным свойствам тел в области кон­ тактней площадки. В этом отношени и следует отметить р а боты Г. Фрошrс� (241. Р. Лорснна [2G1 i1 .l\l С�ве;чrна fJ �]: 2) rю рса­ лизуеl\Jым коэффициентам и силам трения в площадке контакта . Последнее и определяет постановку задачи в данной ра боте. В общем случае контактного взаимодействия ф рикционных тел в площадке контакта образуется некоторое векторное поле элемента рных сил трения, каждая из которых подчиняется дву­ членному закону трения, х а р а ктеризуемому для случая трения скольжения двумя ;rараметрюш 11 и v . Сле.J,овательно, полу­ чаемые при этом р езультаты, относящиеся к р а бочим характе­ ристикам, кроме функции скоростного поля в площадке контак­ та, зависят и от указанных п а р а метров. Таким образом, р а счет фрикционной передачи может быть основан на использовании результатов, устанавливающих связь между р а бочи м и харак­ теристиками передачи, величиной контактных нагрузок, площа­ ди контакта, х а рактером поля сил трения в пятне контакта и на использовании величин параметров трения О и v, экспер имен­ тально опреде.тrенных в п ростейших условиях трения (трение первого р ода) . Установим функциональные зависимости между -

2

Лна.1из работы

17

перечисленными в ел ичинами и п роведем с равнительный анализ многодисковых ф р икционных п ер едач. Необходимо отметить, что получение во ф рикционной передаче, р аботающей со смаз­ кой, условий гр аничного т рения, подчиняющегося двучленному з а кону 1 , совпадает с требованием обеспечения ее надежности и долговечности, так к а к условия, п р и котор ых граничное трение п о своему х а рактеру п риближается к гидродинамическому, одновременно п риводят к нарушению нормальной р а боты п ередачи. 1 Двучленный закон трения, основанный н а молекулярной теории, был впервые п р и м ен е н для граничного трения, после чегь была выявлена его справедлruвость и для сухого трения [2].

ПРИЛ ОЖЕНИЕ Д ВУЧЛЕННОГО ЗАКОНА Т РЕНИЯ К ФРИКЦИОННОМУ В ЗАИМОД ЕЙ СТ В ИЮ НЕПЛОС КИХ Т ЕЛ

Современная теория трения дает возможность учитывать влияние фактической площ ади контакта и норм альной нагрузки на способность реализовать в площадке (пятне) контакта р а бо­ чие касательные усилия. В дифференциальной форме обобщенный з акон трения по Дерягину-Кр агельскому может быть з ап исан в следующем виде: dT=OdSФ+vdQ, (1) где dT dSФ

э лемента рна я сила трения; элем1Jнтарная п л о щадь, п о кот о р ой происходит вза­ и мное с о п р и касание двух п оверхностей_ Индекс ф означа�т фактическую эле м ента рную пл о щадь в о т­ ли чие о т индекса н в в ы ражении dSк номинальной элементарной площади. Таким образом, вследстви е наличия микронеровностей н а площадке d S к только ее ч асть d S Ф < d Sк находится в условиях фактического контакта. В случае постоянного соотношения -

-

-

m=

dSфмол

�--

dSФмex

м ежду площадками м ол екуля рного dS Ф .•ал и механического dSФ мех взаимодействи я для п а ра метра а справедлива следую­ щая зависимость :

0=

тfтРо+аср

т+ 1

'

где fт КО ным контактом (фиг. 2 1 ) , вто­ рые - с внутренним. Трансформ аторы с внут­ ренним контактом делятся на два типа : ! ) трансформ аторы, у которых диски с отрицатель­ ной кривизной и м еют посто­ Ф иг. 2 1 . Схема м ногодискового янную величину среднего ра­ трансформатора с наружным диуса площадки контакта контактом ф р икционных дисков. (тип I , фиг. 22, а) ; 2) транс ­ форматоры, у которых диски ·с положительной кривизной и м еют постоянную величину среднего р адиуса питощадки контакта (тип I I , фиг. 22, 6) .

т-

-

l

1 З н ак кривизны считается положительным, если р адиус кривизны обра­ щен 1зн утрь тела, и отрицательны м - в противном случае.

3 Ана.1из работы

33

Элементар ный анализ показывает , что в трансфо р м аторе типа 11 даже при двухступен чатом исполнени и получени е коэф­ фициентов трансформ ации больших, чем 2,6, п р а ктически неосу­ ществимо. П оскольку для а втомо бильных коаструкци й п ра кти­ ческий интерес п р едставляют трансформ аторы с силовым пере­ даточным отношением 3 и выше, в дальнейшем огранич имся р а ссмотрением тр ансформ аторов с внутренним контактом типа l . н

tO'

l.J1 :

-

!j

1 ....,

22.

Схема

!

('

1

-

i� -.-- --

Фиг

.�

-

·

1, 1

о)

а

-·-

типа

I;

6 - типа

d)'

?

!"'

� !1 �1 1 i� , �'i

а)

1

l"'

1•

м ногодисковых трансформ аторов контактом:

1 1 1 i� 1 1 111' \\ •

0, 5 0,4

0, 3

о

'

\ · у-(

IJ,6

-

/ :a=J.5

90

ФРИ К ЦИОНН ЫХ

Ре,1а1