Фрикционные дисковые муфты
Муфтами называют устройства, соединяющие отдельные сборочные единицы (узлы машин) и передающие энергию от одной части машины к другой. Различие задач, решаемых с помощью муфт, и требований, предъявляемых к муфтам в соответствии с условиями эксплуатации машин, привело к созданию разнообразных конструкций. В машиностроении возможно применение следующих муфт: сцепных, глухих, подвижных, обгонных, предохранительных, центробежных.
Остановимся на рассмотрении сцепных муфт, которые позволяют соединять и разъединять вращающиеся или неподвижные валы с помощью специальных механизмов управления. Из всего многообразия сцепных муфт наиболее широко распространены фрикционные дисковые муфты (рисунок 1).
Рисунок 1 Схема сцепной муфты
Принцип работы муфты достаточно прост, при включении пружина примыкает к фрикционной поверхности ротора, благодаря возникшей силе трения передается крутящий момент от ротора (1) на диск якоря (2), а от него ведомой полумуфте (3) и валу (4).
Различают муфты сухие, и муфты, работающие со смазкой. Несмотря на то, что размещение фрикционных дисков в масляной среде снижает коэффициент трения (передаваемый момент), подобное конструктивное решение даёт ряд преимуществ перед сухими. Так, отпадает необходимость защиты фрикционных дисков от случайного попадания смазки из других узлов машин, что обычно создаёт большие конструктивные трудности. Проще решается задача компенсации снижения крутящего момента увеличением осевой нагрузки без опасности появления схватывания, катастрофического износа, вибраций. Более того, правильная смазка муфты способствует отводу генерируемого в процессе трения тепла и удалению продуктов износа, увеличивая таким образом не только плавность работы, но и срок службы узла. Изменение числа дисков позволяет регулировать передаваемый момент. Поэтому смазываемые узлы получили в последнее время чрезвычайно широкое распространение в машиностроении. Они вытесняют сухие, особенно в тех отраслях, где требуется очень плавное включение.
Трансмиссия
Трансмиссия предназначена для передачи вращающего момента от двигателя к движителю. Основными узлами трансмиссии являются коробка передач, ведущие мосты, механизм отбора мощности. Ведущие мосты соединены с коробкой передач карданными валами. На прицепные агрегаты мощность передаётся через узлы механизма отбора мощности, который состоит из соединительной фрикционной муфты, использующей фрикционные диски, карданной передачи, редуктора.
Трансмиссии разделяют на электромеханические, гидромеханические, гидрообъёмные и механические. Электромеханические находят применение в основном на машинах большой мощности. При малых мощностях они получаются перегруженными и имеют низкий КПД. Электромеханические трансмиссии обладают преимуществами:
- плавно, бесступенчато изменяют крутящий момент;
- имеют упрощенную механическую часть привода;
- меньшая масса трансмиссии на единицу массы машины для автомобилей с двигателем мощностью более 700 ‑ 800 кВт.
Несмотря на ряд преимуществ, электромеханические трансмиссии не получили широкого распространения на автомобилях и тракторах из-за следующих недостатков: больших масс агрегатов трансмиссий, превышающих массы механических и гидравлических трансмиссий; сравнительно низкого КПД; большого расхода дорогостоящих материалов; высокой стоимости изготовления; относительно больших величин неподрессоренных масс. Гидромеханические трансмиссии включают гидравлические и механические преобразователи крутящего момента. В практике автотракторостроения распространение получили гидромеханические трансмиссии с гидромеханическими трансформаторами, при этом возможно последовательное и параллельное соединение их с механической частью трансмиссии. Основные достоинства гидромеханических трансмиссий:
- автоматическое и непрерывное изменение силы тяги на каждой передаче в соответствии с сопротивлением движению;
- меньшее число ступеней, сокращающее число переключений, что существенно облегчает работу водителя.
Вместе с тем гидродинамические передачи обладают рядом существенных недостатков: пониженным максимальным значением КПД и значительным снижением его при изменении режимов работы, что приводит к повышению расхода топлива; усложненной конструкцией трансмиссии в целом из-за введения дополнительного агрегата (гидротрансформатора); обеспечения охлаждения рабочей жидкостью и, как следствие, повышение стоимости машины.
Гидрообъёмная трансмиссия- это устройство для передачи движения, в состав которого входит объёмный гидропривод. Мощность двигателя в такой трансмиссии передаётся ведущим органам машины от перемещения замкнутого объёма жидкости между вытеснителями насоса и гидроматора. Ряд положительных свойств гидрообъёмной трансмиссии в сочетании с широким применением гидрофицированного технологического оборудования способствует использованию этих передач в конструкциях как зарубежных, так и отечественных лесозаготовительных машин. К достоинствам гидрообъёмных передач, при использовании их в качестве основных агрегатов трансмиссий, относятся:
- бесступенчатое регулирование скорости и плавность передачи крутящего момента;
- реверсивность и возможность двигателя на малых “ползучих” скоростях;
- удобство компоновки и минимальное использование механических звеньев;
- возможность объединения гидропривода с механизмом поворота;
- лёгкость управления его автоматизации.
Наряду с достоинствами, эти передачи имеют ряд существенных недостатков: снижение КПД трансмиссии при больших диапазонах регулирования и, как следствие, неэкономичность длительной работы машины на режимах, не соответствующих номинальным нагрузкам; несколько большая масса трансмиссии на единицу передаваемой мощности; более высокая стоимость трансмиссии. Этот тип трансмиссий в автотракторостроении наиболее перспективен.
Механические трансмиссии отличает простота конструкции, надёжность, высокий КПД, низкая стоимость. Масса этих трансмиссий значительно ниже, чем у других типов передач. Существенные недостатки механических трансмиссий: ступенчатое регулирование передаточного числа, разрыв силового потока и ударные нагрузки при переключениях передач; трудность управления; сложность компоновки на многоприводных машинах.
В автотракторостроении наибольшее распространение получили гидромеханические и гидрообъёмные трансмиссии использующие фрикционные муфты. Такие трансмиссии применяют на отечественных тракторах К-700 и К-701 «Петербургский тракторный завод», на тракторах Т-150 и Т-150К «Харьковский тракторный завод», МТЗ-80А, МТЗ-100, МТЗ-142 «Минский тракторный завод», Т-25, Т-30, Т-50, Четра «Чебоксарский завод промышленных тракторов», и на тракторах зарубежных фирм: «Ford, США», «John Deere, США», «Case, США» и других.
Конструкция фрикциона трансмиссии трактора К-700 представлена на рисунке 1.
Рисунок 1 ‑ Фрикцион коробки передач трактора К-700 1 – зубчатое колесо; 2 – наружный (ведомый) барабан; 3,4 – ведомые и ведущие диски трения; 5 – ведущий барабан; 6 – нажимной диск; 7 – уплотнительные кольца; 8 ‑ диск
Такая схема трансмиссии позволяет сохранить базовую простоту и дешевизну модели и иметь модификации с большим числом передач и с более удобным управлением. Применение фрикционов для включения передач с повышенным запасом по моменту позволяет иметь трансмиссию без главного фрикциона, роль которого выполняет фрикцион первой передачи [Драке А.Д. и др. Трансмиссии лесных тяговых машин. – Л.: ЛТА, 1987.- 267с.].
Конструкция фрикционного диска
Целесообразность использования фрикционных элементов в виде дисков работающих в условиях смазки обусловлена их следующими преимуществами:
-способность выдерживать большие нагрузки;
- значительная степень свободы при их подборе (количество дисков можно увеличивать или уменьшать;
-нет необходимости в регулировке пакета фрикционов из-за износа дисков;
-способность прочного сцепления ведущих и ведомых дисков в пакете при больших скоростях вращения.
Несмотря на то, что размещение фрикционных дисков в масляной среде снижает коэффициент трения (передаваемый момент), подобное конструктивное решение даёт преимущество перед несмазываемыми узлами. Отсутствует необходимость защиты фрикционных дисков от случайного попадания смазки из других узлов, что обычно создаёт большие конструктивные трудности. Проще решается задача компенсации снижения крутящего момента увеличением осевой нагрузки без опасности появления схватывания, катастрофического износа, вибраций. Правильный выбор смазки для узла трения, использующего фрикционные диски, способствует более эффективному отводу генерируемого в процессе тепла и удаления продуктов износа, увеличивая, таким образом, не только плавность работы, но и срок службы узла. Они вытесняют несмазываемые, особенно в таких отраслях, где требуется очень плавное включение. Длительное буксирование при несмазываемом трении, сопровождается колебаниями коэффициента трения, в то время в условиях граничного или полужидкостного трения значение коэффициента трения постоянно.
Трение в условиях смазки – сложный процесс, при этом имеет место жидкостное и полужидкостное трение. Коэффициент трения, достигаемый на практике, является средним между коэффициентом трения гидродинамической смазки и коэффициентом трения сухого адгезионного трения. Момент трения является результирующей тангенциальных сил, возникающих в слое смазки, и сил трения, возникающих в результате локальных прямых контактов трущихся поверхностей, поэтому рабочие характеристики муфты (передаваемый крутящий момент, продолжительность, плавность и стабильность включения, температура) в большей степени зависит от геометрической формы и размеров канавок, наносимых на рабочие поверхности накладок фрикционных дисков.
Фрикционный диск (рисунок 1) состоит из трех функциональных элементов: фрикционная накладка, стальная основа и связующий их промежуточный подслой. Следует отметить, что помимо высоких требований к физико-механическим свойствам стальной основы и фрикционной накладки, высокий ресурс работы фрикционного диска во многом зависит от качества их соединения.
Рисунок 1 ‑ Типовая конструкция фрикционного диска
Комплекс эксплуатационных требований, предъявляемых к фрикционным дискам, используемым в узлах трения автотракторной техники, представляется в следующем виде: ‑ крутящий момент - не менее 3 000 Н/м;
- удельная тепловая нагрузка до 4106 МВт/м2 (4 Вт/мм2);
‑ ресурс работы - не менее 9 000 моточасов.
Потеря работоспособности фрикционного диска связана в большинстве случаев с разрушением промежуточного подслоя. Если провести анализ топографии разрушения промежуточного подслоя, то можно выделить три основные зоны
(рисунок 2):
‑ разрушение самого материала подслоя;
‑ разрушение по границе контакта стальной основы с промежуточным подслоем; ‑ разрушение по границе контакта фрикционной накладки c промежуточным подслоем.
Рисунок 2 ‑ Зоны разрушения промежуточного подслоя
Передача крутящего момента к исполнительному механизму по средством фрикционного диска осуществляется за счёт зубчатого или шлицевого соединения, расположенного по наружному или внутреннему диаметрам стальной основы. Для фрикционных дисков автотракторного назначения наибольшее распространение получило зубчатое зацепление эвольвентного профиля с углом 20 или 30 º. На рисунке 3 представлены основы фрикционных дисков с наружным и внутренним расположением зубчатых зацеплений эвольвентного профиля.
а) б)
Рисунок 3 – фрикционный диск с наружным (а) и внутренним (б) зубчатым зацеплением эвольвентного профиля
Ряд производителей использует фрикционные диски со шлицевым соединением при числе шлицов от 4 и более (рисунок 4).
Рисунок 4 – Конструкция фрикционного диска со шлицевым соединением
Не мало важное значение имеет и диаметр фрикционного диска, так как его изменение на прямую влияет на передаваемую мощность, геометрически размеры узла, тепловой режим работы фрикционной пары.
Остановимся на рассмотрении сцепных муфт, которые позволяют соединять и разъединять вращающиеся или неподвижные валы с помощью специальных механизмов управления. Из всего многообразия сцепных муфт наиболее широко распространены фрикционные дисковые муфты (рисунок 1).
Рисунок 1 Схема сцепной муфты Принцип работы муфты достаточно прост, при включении пружина примыкает к фрикционной поверхности ротора, благодаря возникшей силе трения передается крутящий момент от ротора (1) на диск якоря (2), а от него ведомой полумуфте (3) и валу (4).
Различают муфты сухие, и муфты, работающие со смазкой. Несмотря на то, что размещение фрикционных дисков в масляной среде снижает коэффициент трения (передаваемый момент), подобное конструктивное решение даёт ряд преимуществ перед сухими. Так, отпадает необходимость защиты фрикционных дисков от случайного попадания смазки из других узлов машин, что обычно создаёт большие конструктивные трудности. Проще решается задача компенсации снижения крутящего момента увеличением осевой нагрузки без опасности появления схватывания, катастрофического износа, вибраций. Более того, правильная смазка муфты способствует отводу генерируемого в процессе трения тепла и удалению продуктов износа, увеличивая таким образом не только плавность работы, но и срок службы узла. Изменение числа дисков позволяет регулировать передаваемый момент. Поэтому смазываемые узлы получили в последнее время чрезвычайно широкое распространение в машиностроении. Они вытесняют сухие, особенно в тех отраслях, где требуется очень плавное включение.
Трансмиссия
Трансмиссия предназначена для передачи вращающего момента от двигателя к движителю. Основными узлами трансмиссии являются коробка передач, ведущие мосты, механизм отбора мощности. Ведущие мосты соединены с коробкой передач карданными валами. На прицепные агрегаты мощность передаётся через узлы механизма отбора мощности, который состоит из соединительной фрикционной муфты, использующей фрикционные диски, карданной передачи, редуктора.
Трансмиссии разделяют на электромеханические, гидромеханические, гидрообъёмные и механические. Электромеханические находят применение в основном на машинах большой мощности. При малых мощностях они получаются перегруженными и имеют низкий КПД. Электромеханические трансмиссии обладают преимуществами:
- плавно, бесступенчато изменяют крутящий момент;
- имеют упрощенную механическую часть привода;
- меньшая масса трансмиссии на единицу массы машины для автомобилей с двигателем мощностью более 700 ‑ 800 кВт.
Несмотря на ряд преимуществ, электромеханические трансмиссии не получили широкого распространения на автомобилях и тракторах из-за следующих недостатков: больших масс агрегатов трансмиссий, превышающих массы механических и гидравлических трансмиссий; сравнительно низкого КПД; большого расхода дорогостоящих материалов; высокой стоимости изготовления; относительно больших величин неподрессоренных масс. Гидромеханические трансмиссии включают гидравлические и механические преобразователи крутящего момента. В практике автотракторостроения распространение получили гидромеханические трансмиссии с гидромеханическими трансформаторами, при этом возможно последовательное и параллельное соединение их с механической частью трансмиссии. Основные достоинства гидромеханических трансмиссий:
- автоматическое и непрерывное изменение силы тяги на каждой передаче в соответствии с сопротивлением движению;
- меньшее число ступеней, сокращающее число переключений, что существенно облегчает работу водителя.
Вместе с тем гидродинамические передачи обладают рядом существенных недостатков: пониженным максимальным значением КПД и значительным снижением его при изменении режимов работы, что приводит к повышению расхода топлива; усложненной конструкцией трансмиссии в целом из-за введения дополнительного агрегата (гидротрансформатора); обеспечения охлаждения рабочей жидкостью и, как следствие, повышение стоимости машины.
Гидрообъёмная трансмиссия- это устройство для передачи движения, в состав которого входит объёмный гидропривод. Мощность двигателя в такой трансмиссии передаётся ведущим органам машины от перемещения замкнутого объёма жидкости между вытеснителями насоса и гидроматора. Ряд положительных свойств гидрообъёмной трансмиссии в сочетании с широким применением гидрофицированного технологического оборудования способствует использованию этих передач в конструкциях как зарубежных, так и отечественных лесозаготовительных машин. К достоинствам гидрообъёмных передач, при использовании их в качестве основных агрегатов трансмиссий, относятся:
- бесступенчатое регулирование скорости и плавность передачи крутящего момента;
- реверсивность и возможность двигателя на малых “ползучих” скоростях;
- удобство компоновки и минимальное использование механических звеньев;
- возможность объединения гидропривода с механизмом поворота;
- лёгкость управления его автоматизации.
Наряду с достоинствами, эти передачи имеют ряд существенных недостатков: снижение КПД трансмиссии при больших диапазонах регулирования и, как следствие, неэкономичность длительной работы машины на режимах, не соответствующих номинальным нагрузкам; несколько большая масса трансмиссии на единицу передаваемой мощности; более высокая стоимость трансмиссии. Этот тип трансмиссий в автотракторостроении наиболее перспективен.
Механические трансмиссии отличает простота конструкции, надёжность, высокий КПД, низкая стоимость. Масса этих трансмиссий значительно ниже, чем у других типов передач. Существенные недостатки механических трансмиссий: ступенчатое регулирование передаточного числа, разрыв силового потока и ударные нагрузки при переключениях передач; трудность управления; сложность компоновки на многоприводных машинах.
В автотракторостроении наибольшее распространение получили гидромеханические и гидрообъёмные трансмиссии использующие фрикционные муфты. Такие трансмиссии применяют на отечественных тракторах К-700 и К-701 «Петербургский тракторный завод», на тракторах Т-150 и Т-150К «Харьковский тракторный завод», МТЗ-80А, МТЗ-100, МТЗ-142 «Минский тракторный завод», Т-25, Т-30, Т-50, Четра «Чебоксарский завод промышленных тракторов», и на тракторах зарубежных фирм: «Ford, США», «John Deere, США», «Case, США» и других.
Конструкция фрикциона трансмиссии трактора К-700 представлена на рисунке 1.
Рисунок 1 ‑ Фрикцион коробки передач трактора К-700 1 – зубчатое колесо; 2 – наружный (ведомый) барабан; 3,4 – ведомые и ведущие диски трения; 5 – ведущий барабан; 6 – нажимной диск; 7 – уплотнительные кольца; 8 ‑ диск
Такая схема трансмиссии позволяет сохранить базовую простоту и дешевизну модели и иметь модификации с большим числом передач и с более удобным управлением. Применение фрикционов для включения передач с повышенным запасом по моменту позволяет иметь трансмиссию без главного фрикциона, роль которого выполняет фрикцион первой передачи [Драке А.Д. и др. Трансмиссии лесных тяговых машин. – Л.: ЛТА, 1987.- 267с.].
Конструкция фрикционного диска
Целесообразность использования фрикционных элементов в виде дисков работающих в условиях смазки обусловлена их следующими преимуществами:
-способность выдерживать большие нагрузки;
- значительная степень свободы при их подборе (количество дисков можно увеличивать или уменьшать;
-нет необходимости в регулировке пакета фрикционов из-за износа дисков;
-способность прочного сцепления ведущих и ведомых дисков в пакете при больших скоростях вращения.
Несмотря на то, что размещение фрикционных дисков в масляной среде снижает коэффициент трения (передаваемый момент), подобное конструктивное решение даёт преимущество перед несмазываемыми узлами. Отсутствует необходимость защиты фрикционных дисков от случайного попадания смазки из других узлов, что обычно создаёт большие конструктивные трудности. Проще решается задача компенсации снижения крутящего момента увеличением осевой нагрузки без опасности появления схватывания, катастрофического износа, вибраций. Правильный выбор смазки для узла трения, использующего фрикционные диски, способствует более эффективному отводу генерируемого в процессе тепла и удаления продуктов износа, увеличивая, таким образом, не только плавность работы, но и срок службы узла. Они вытесняют несмазываемые, особенно в таких отраслях, где требуется очень плавное включение. Длительное буксирование при несмазываемом трении, сопровождается колебаниями коэффициента трения, в то время в условиях граничного или полужидкостного трения значение коэффициента трения постоянно.
Трение в условиях смазки – сложный процесс, при этом имеет место жидкостное и полужидкостное трение. Коэффициент трения, достигаемый на практике, является средним между коэффициентом трения гидродинамической смазки и коэффициентом трения сухого адгезионного трения. Момент трения является результирующей тангенциальных сил, возникающих в слое смазки, и сил трения, возникающих в результате локальных прямых контактов трущихся поверхностей, поэтому рабочие характеристики муфты (передаваемый крутящий момент, продолжительность, плавность и стабильность включения, температура) в большей степени зависит от геометрической формы и размеров канавок, наносимых на рабочие поверхности накладок фрикционных дисков.
Фрикционный диск (рисунок 1) состоит из трех функциональных элементов: фрикционная накладка, стальная основа и связующий их промежуточный подслой. Следует отметить, что помимо высоких требований к физико-механическим свойствам стальной основы и фрикционной накладки, высокий ресурс работы фрикционного диска во многом зависит от качества их соединения.
Рисунок 1 ‑ Типовая конструкция фрикционного диска
Комплекс эксплуатационных требований, предъявляемых к фрикционным дискам, используемым в узлах трения автотракторной техники, представляется в следующем виде: ‑ крутящий момент - не менее 3 000 Н/м;
- удельная тепловая нагрузка до 4106 МВт/м2 (4 Вт/мм2);
‑ ресурс работы - не менее 9 000 моточасов.
Потеря работоспособности фрикционного диска связана в большинстве случаев с разрушением промежуточного подслоя. Если провести анализ топографии разрушения промежуточного подслоя, то можно выделить три основные зоны
(рисунок 2):
‑ разрушение самого материала подслоя;
‑ разрушение по границе контакта стальной основы с промежуточным подслоем; ‑ разрушение по границе контакта фрикционной накладки c промежуточным подслоем.
Рисунок 2 ‑ Зоны разрушения промежуточного подслоя
Передача крутящего момента к исполнительному механизму по средством фрикционного диска осуществляется за счёт зубчатого или шлицевого соединения, расположенного по наружному или внутреннему диаметрам стальной основы. Для фрикционных дисков автотракторного назначения наибольшее распространение получило зубчатое зацепление эвольвентного профиля с углом 20 или 30 º. На рисунке 3 представлены основы фрикционных дисков с наружным и внутренним расположением зубчатых зацеплений эвольвентного профиля.
а) б)
Рисунок 3 – фрикционный диск с наружным (а) и внутренним (б) зубчатым зацеплением эвольвентного профиля
Ряд производителей использует фрикционные диски со шлицевым соединением при числе шлицов от 4 и более (рисунок 4).
Рисунок 4 – Конструкция фрикционного диска со шлицевым соединением
Не мало важное значение имеет и диаметр фрикционного диска, так как его изменение на прямую влияет на передаваемую мощность, геометрически размеры узла, тепловой режим работы фрикционной пары.