2. TANSMISII PIN FICŢIUNE (VAIATOAE) [,, 5] 2.. CAACTEIZAE. DOMENII DE FOLOSIE Trasmisiile pri fricţiue sut trasmisii mecaice la care mişcarea de rotaţie şi mometul de torsiue se trasmit, de la elemetul coducător la cel codus, pri itermediul forţelor de frecare, ca urmare a apăsării reciproce a elemetelor î cotact. Trasmisiile pri fricţiue pot fi: cu raport de trasmitere costat, cu raport de trasmitere variabil (variatoare). Cele cu raport de trasmitere costat realizează, la elemetul codus, o turaţie costată, î ipoteza abseţei aluecărilor. Variatoarele realizează, la elemetul codus, o turaţie variabilă cotiuu, ître aumite limite. Pricipalele avataje ale trasmisiilor pri fricţiue sut: fucţioează la u ivel redus de zgomot şi vibraţii; asigură protecţia trasmisiilor î cazul apariţiei uor suprasarcii î fucţioare; realizează reglarea cotiuă a turaţiei la ieşire, î cazul variatoarelor, î fucţie de ceriţele impuse de maşia de lucru; soluţia costructivă este simplă şi costul relativ redus, î cazul uora ditre variatoare, comparativ cu trasmisiile cu roţi diţate. Ditre dezavatajele trasmisiilor pri fricţiue, cele mai importate sut: u asigură u raport de trasmitere riguros costat, ca urmare a aluecărilor ditre elemetele î cotact şi a erorilor de execuţie a acestora; radametul uora ditre variatoare este mai redus decât al trasmisiilor pri agreaje, datorită aluecărilor elastice şi geometrice ditre elemetele î cotact; patiarea produce uzuri euiforme a elemetelor î cotact, coducâd, î fial, la scoaterea di fucţiue a trasmisiei; durabilitatea relativ scăzută a trasmisiei; ecesită forţe mari de apăsare, care îcarcă arborii şi lagărele, determiâd mărirea gabaritului trasmisiei. Domeiile de folosire ale trasmisiilor pri fricţiue sut: la trasmisii cu rol ciematic, puţi îcărcate; la trasmisii îcărcate cu sarcii mici, care fucţioează la viteze foarte mari sau la care se impue u ivel scăzut de zgomot şi vibraţii; la trasmisii îcărcate cu sarcii mici-medii, care ecesită reglarea cotiuă a turaţiei la ieşire, impusă de procesul tehologic, dar care u ecesită u raport de trasmitere riguros costat. Trasmisiile pri fricţiue şi, î special, variatoarele se folosesc î cele mai diverse ramuri: î idustria costructoare de maşii; î idustria extractivă, uşoară şi alimetară; î trasporturi; î agricultură. 2.2. FOME DE DETEIOAE Pricipalele forme de deteriorare a suprafeţelor active ale elemetelor trasmisiilor pri fricţiue sut: oboseala de cotact (apariţia de ciupituri) şi/sau griparea î cazul trasmisiilor care fucţioează cu ugere; uzarea abrazivă şi/sau griparea î cazul trasmisiilor care fucţioează fără ugere. Oboseala de cotact apare ca urmare a solicitării variabile după u ciclu pulsator a straturilor superficiale de pe suprafeţele fucţioale ale elemetelor î cotact. Această formă de
82 Orgae de maşii deteriorare este caracteristică variatoarelor pri fricţiue care fucţioează cu ugere şi la care uzura abrazivă este esemificativă. Primele seme de oboseală sut microfisuri de suprafaţă, care se dezvoltă î timp, luâd aspectul uor ciupituri, care micşorează suprafaţa fucţioală. Feomeul este idetic cu cel descris la agreaje. Uzarea abrazivă este pricipala formă de deteriorare a trasmisiilor pri fricţiue care fucţioează fără ugere. Aceasta este favorizată de vitezele mici de fucţioare şi de sarciile mari de îcărcare a trasmisiei, fiid sesibil iflueţată de existeţa aluecărilor geometrice şi a patiărilor. Griparea poate apărea atât la trasmisiile pri fricţiue fără ugere cât şi la cele cu ugere, î codiţiile îtreruperii peliculei de lubrifiat ditre suprafeţele î cotact. Această formă de deteriorare este specifică trasmisiilor pri fricţiue care fucţioează la viteze mari. 2.. MATEIALE UTILIZATE ÎN CONSTUCŢIA TANSMISIILO PIN FICŢIUNE Pricipalele codiţii pe care trebuie să le îdepliească materialele utilizate petru costrucţia elemetelor active ale trasmisiilor pri fricţiue sut: rezisteţă la solicitarea de cotact; rezisteţă la uzură; coeficiet de frecare cât mai mare petru a evita ecesitatea uor forţe de apăsare mari şi costat î timp. Materialele folosite petru elemetele active ale trasmisiilor pri fricţiue se caracterizează pri rezisteţă ridicată la solicitarea de cotact şi uzură sau pri coeficieţi de frecare mari. Se utilizează următoarele cupluri de materiale: oţel călit/oţel călit (sau oţel tratat termochimic) petru trasmisiile puteric îcărcate, la care se cere o durabilitate mare şi care fucţioează cu sau fără ugere, fiid caracterizate pri gabarit miim şi radamet ridicat; ecesită precizii ridicate de execuţie şi motaj, cocomitet cu reducerea aluecărilor geometrice, care ar putea duce la apariţia gripării; fotă/oţel călit petru trasmisiile care fucţioează cu sau fără ugere, prezetâd avatajul uei rezisteţe sporite la gripare; fotă/fotă petru trasmisiile care fucţioează cu ugere; materiale emetalice (textolit, cauciuc, piele etc.)/oţel sau fotă petru trasmisii puţi îcărcate, care fucţioează fără ugere, caracterizâdu-se pri coeficieţi de frecare mari (care asigură reducerea substaţială a forţei de apăsare) şi elasticitate mărită (care permite micşorarea preciziei de execuţie şi motaj); rezisteţa la solicitarea de cotact este mai redusă, dimesiuile de gabarit mai mari, iar radametul este mai scăzut, materialele emetalice folosidu-se sub formă de căptuşeli, motate, pe elemetul coducător, petru asigurarea uei uzuri uiforme. 2.4. ELEMENTE DE CALCUL Petru trasmisiile pri fricţiue care fucţioează cu ugere, forma pricipală de deterioarare este oboseala de cotact (apariţia de ciupituri), petru evitarea acesteia fiid ecesar u calcul la solicitarea de cotact.
Trasmisii pri fricţiue (variatoare) 8 Tesiuea maximă de cotact se calculează echivalâd cele două suprafeţe ale corpurilor î cotact pri doi cilidri, de raze ρ şi ρ 2, aflaţi î cotact după geeratoarea comuă, sub acţiuea forţei ormale F pe baza relaţiei lui Hertz petru cotactul liiar σ H = Z E F b σ ρ HP, (2.) î care: Z E reprezită coeficietul de elasticitate al materialelor celor două corpuri î cotact; F forţa ormală de apăsare; b lugimea de cotact; /ρ - curbura redusă, calculată cu relaţia = ±, (2.2) ρ ρ ρ 2 î care semul plus corespude cotactului exterior, iar semul mius cotactului iterior; σ HP rezisteţa admisibilă la solicitarea de cotact. Petru variatoarele la care cotactul este puctiform, calculul se efectuează pe baza relaţiei lui Hertz stabilită petru acest tip de cotact. 2.5. VAIATOAE 2.5.. Caracterizare, clasificare, caracteristici pricipale Variatoarele mecaice de turaţie realizează trasmiterea mişcării şi a sarciii pri frecare, cu modificarea cotiuă a turaţiei şi a mometului de torsiue la elemetul de ieşire, ître aumite limite. Multitudiea variatelor costructive de variatoare face imposibilă clasificarea uitară a acestora, î cotiuare prezetâdu-se o clasificare pe baza uor criterii ciematice şi costructive. După modul de trasmitere a mişcării, se deosebesc: variatoare cu cotact direct ître elemetul coducător şi cel codus (de tip moo); variatoare cu elemete itermediare (de tip duo). După forma geometrică a elemetelor active, variatoarele pot fi: frotale, coice, sferice, toroidale, cu couri deplasabile, multidisc etc. Î fucţie de sistemul de apăsare folosit, variatoarele pot fi: cu apăsare costată (apăsare cu arcuri), idepedetă de îcărcare, forţa de apăsare determiâdu-se di codiţia trasmiterii mometului de torsiue maxim; cu apăsare depedetă de sarcia trasmisă (apăsare pritr-u cuplaj special cu bile). Caracteristicile pricipale ale variatoarelor sut: puterea de itrare P ; turaţia de itrare ; turaţia de ieşire 2x variabilă ître 2mi şi 2max gama de reglare G: radametul η. Gama de reglare a turaţiei se defieşte ca raportul ditre turaţiile limită la ieşire 2max G =. (2.) 2mi aportul de trasmitere istataeu ix =, (2.4) 2x avâd valori cuprise ître i mi şi i max, ude:
84 Orgae de maşii i mi = ; i max =. (2.5) 2max 2mi Determiâd pe 2max şi 2mi di relaţiile (2.5) şi itroducâdu-le î relaţia (2.), rezultă imax G =. (2.6) i mi Varierea turaţiei de ieşire, implicit a raportului de trasmitere şi a mometului de torsiue, se realizează pri modificarea ître aumite limite a razei (razelor) de rostogolire a elemetelor active ale variatoarelor. Dacă se modifică raza de rostogolire umai la uul ditre elemetele active, variatorul este de tip moo, iar dacă se modifică, cocomitet, razele de rostogolire la ambele elemete active, variatorul este de tip duo. Petru variatoarele la care reglarea turaţiei se realizează pri modificarea razei de rostogolire a elemetului coducător, gama de reglare este dată de relaţia max G =, (2.7) mi petru cele la care reglarea se face pri modificarea razei de rostogolire a elemetului codus, de relaţia 2 max G =, (2.8) 2 mi iar petru cele la care reglarea se face pri modificarea razelor de rostogolire la ambele elemete active, de relaţia max 2 max G =. (2.9) mi 2 mi 2.5.2. Variatoare frotale Variatoarele frotale au elemetele cu rază reglabilă de forma uor discuri, suprafaţa activă fiid suprafaţa frotală a acestora. Se pot executa cu cotact direct (variator frotal moo) sau cu elemete itermediare (variator frotal duo: variatorul frotal cu rolă itermediară cilidrică, variatorul frotal cu bile, variatorul frotal cu role bicoice). 2.5.2.. Variatorul frotal moo Fig.2. La acest variator (fig.2.), elemetul coducător este executat sub forma uei role cilidrice, cu rază costată, iar corpul de rostogolire codus sub forma uui disc 2, a cărui rază de rostogolire 2x este variabilă. Modificarea raportului de trasmitere şi implicit a turaţiei la ieşire se realizează pri deplasarea rolei, î lugul arborelui
Trasmisii pri fricţiue (variatoare) 85 coducător, pri itermediul mecaismului şurub-piuliţă, forţa ecesară de apăsare F realizâduse cu ajutorul arcului elicoidal cilidric de compresiue 4. apoartele de trasmitere se determiă cu relaţiile: 2x 2 mi 2 max ix = ; i mi = ; i max =, (2.0) iar gama de reglare a turaţiei cu relaţia 2 mi 2 max G =. (2.) Calculul de rezisteţă se efectuează la solicitarea de cotact; forţa de apăsare ormală F se determiă di codiţia trasmiterii mometului de torsiue pri frecare, cu relaţia F cm t =, (2.2) µ î care: c este u coeficiet de siguraţă la patiare; µ - coeficietul de frecare, depedet de cuplul de materiale î cotact. Curbura redusă, ecesară calculului la cotact, este dată de relaţia = + =, (2.) ρ ρ ρ 2 î care ρ = şi ρ 2 - petru suprafaţă plaă a discului codus. Forţa de apăsare Q, realizată de arcul 4 (v. fig.2.), este egală cu forţa ormală F, dată de relaţia (2.2), şi serveşte petru dimesioarea sistemului de apăsare. Fucţioarea acestui variator se caracterizează pri existeţa uor aluecări geometrice ître rolă şi disc, viteza de aluecare maximă fiid dată de relaţiile (fig.2.2) v al max = v v = v v, (2.4) 2x max 2x mi î care v 2x max şi v 2x mi sut vitezele puctelor extreme de cotact ditre rolă şi disc, iar v este viteza rolei, egală cu viteza v Fig.2.2 2x a puctului media de cotact, puct î care aluecarea este ulă. Micşorarea aluecărilor geometrice se realizează pri executarea uor role de lăţimi foarte mici sau sub forma uor discuri cu profil semicircular, la care cotactul teoretic este puctiform. 2.5.2.2. Variatorul frotal cu rolă itermediară cilidrică (duo) La acest variator, elemetul coducător şi cel codus 2 se execută sub forma uor discuri, motate pe arbori paraleli, dezaxaţi, elemetul itermediar fiid rola cilidrică, a cărei axă de rotaţie este plasată î plaul axelor celor doi arbori (fig.2.). Modificarea raportului de trasmitere şi implicit a turaţiei la ieşire se realizează pri deplasarea rolei, ître cele două discuri, rezultâd varierea simultaă a razelor de rostogolire x şi 2x ale celor două discuri.
86 Orgae de maşii i x apoartele de trasmitere se determiă cu relaţiile: 2x 2 mi 2 max = ; i mi = ; i max =, (2.5) x max Fig.2.4 mi iar gama de reglare se determiă cu relaţia max 2 max G =. (2.6) mi 2 mi Petru calculul la solicitarea de cotact, se determiă forţa ormală F cm t = (2.7) µ mi şi curbura redusă = + = ρ ρ ρ ρ 2 + ρ ude ρ, ρ, ρ =. 2 =, (2.8) Forţa de apăsare Q, ecesară dimesioării arcurilor, este egală cu forţa ormală F, determiată cu relaţia (2.7). 2.5.. Variatorul toroidal (duo) Variatorul toroidal este compus di discurile şi 2, cu suprafeţe toroidale, şi rolele itermediare coice, care trasmit pri frecare sarcia de la discul Fig.2. coducător la cel codus 2 (fig.2.4). Turaţia la ieşire se modifică pri modificarea poziţiei rolelor itermediare, dispuse echidistat ître cele două discuri, avâd loc o variere simultaă a razelor de rostogolire x şi 2x. apoartele de trasmitere istataeu şi limită se determiă cu relaţiile: i x 2x 2 mi 2 max = ; i mi = ; i max =. (2.9) x max mi Variatorul poate fucţioa ca reductor de turaţie, dacă axele rolelor itermediare sut îcliate ca î fig.2.4, respectiv ca amplificator, dacă axele rolelor sut îcliate ivers. Gama de reglare a turaţiei se determiă cu relaţia i G = i max max 2 max =. (2.20) mi mi 2 mi Apăsarea ecesară ître discuri şi role este obţiută pritr-u cuplaj cu bile special, care asigură o forţă de
Trasmisii pri fricţiue (variatoare) 87 apăsare depedetă de sarcia trasmisă, forţa de apăsare ecesară determiâdu-se di codiţia de echilibru a discului toroidal ( γ α ) Q = zf si, (2.2) ude z reprezită umărul rolelor (z=2 sau ). Forţa ormală ditre discuri şi role se exprimă î fucţie de forţa tageţială maximă Ft max cm t F = c =. (2.22) µ z µ z mi Curbura redusă se determiă cu relaţia = + = +, (2.2) ρ ρ ρ ρ ρ î care (fig.2.5) mi ρ = cos γ α ( ) max 2 ; ρ =, (2.24) tesiuea maximă de cotact apărâd câd rolele ocupă o Fig.2.5 poziţie extremă. Axele rolelor sut fixate îtr-o ramă specială, care asigură dispuerea simetrică a acestora faţă de axa discurilor, asigurâdu-se, î acest fel, o îcărcare uiformă a rolelor. Pricipalul avataj al variatoarelor toroidale costă î reducerea la miim a aluecării, iar ca dezavataj se poate amiti precizia ridicată de execuţie şi motaj, care poate fi redusă pri utilizarea rolelor di textolit. 2.5.4. Variatoare cu couri deplasabile (duo) Aceste variatoare se compu di două perechi de couri, motate pe arborele de itrare, respectiv de ieşire, poziţia celor două couri putâd fi reglată pri meţierea uui co fix şi deplasarea axială a celuilalt sau pri deplasarea axială, simultaă, a ambelor couri. Trasmiterea mişcării şi a sarciii, ître cele două perechi de couri, se realizează pritr-u elemet itermediar, care poate fi rigid sau flexibil (curea sau laţ). 2.5.4.. Variatorul cu couri deplasabile şi iel rigid Acest variator se compue di courile coducătoare şi şi di courile coduse 2 şi 2, care sut î cotact cu ielul rigid (fig.2.6). Fig.2.6 Pri deplasarea axială a courilor mobile şi 2, î raport cu courile fixe şi 2, se modifică razele de rostogolire ale courilor şi, implicit
88 Orgae de maşii raportul de trasmietere şi turaţia la ieşire. Deplasarea courilor se poate realiza pritr-u mecaism şurub piuliţă 4 (v. fig.2.6) sau pritr-u mecaism piio cremalieră. Elemetele ciematice se calculează cu relaţiile: i x 2x 2 mi 2 max max 2 max = ; i mi = ; i max = ; G =. (2.25) x max mi Di codiţia trasmiterii mometului de torsiue pri frecare cm t =2µF mi, rezultă forţa ormală F cm mi t = (2.26) 2µ mi şi forţa tageţială 2µ F Ft =. (2.27) c Apăsarea ditre couri şi iel, ecesară trasmiterii mometului de torsiue pri frecare, se realizează automat, pri împăarea şi deformarea elastică a ielului. Curbura redusă se determiă cu relaţiile (fig.2.7): a b c Fig.2.8 2 mi =, (2.28) ρ ρ ρ A mi + mi ρ = şi ρ 2 =, Fig.2.7 cosα cosα A fiid distaţa ditre axele courilor. Variatoarele cu couri deplasabile şi iel rigid fucţioează î baie de ulei, courile şi ielele fiid executate di oţel. 2.5.4.2. Variatoare cu couri deplasabile şi curea La aceste variatoare, elemetul itermediar este o curea trapezoidală lată sau clasică, iar câd se impue o flexibilitate mărită, se folosesc curele trapezoidale diţate. Se folosesc, pe scară largă, variatorele la care se modifică, simulta, razele de rostogolire la ambele perechi de couri (variatoare duo). Acest lucru se poate realiza pri modificarea simultaă a tuturor discurilor (fig.2.8, c). poziţiei relative a două discuri câte uul di fiecare pereche (fig.2.8, a şi b) sau a
Trasmisii pri fricţiue (variatoare) 89 apoartele de trasmitere şi gama de reglare se determiă cu aceleaşi relaţii ca la variatorul cu iel rigid. Elemetul pricipal al acestor variatoare fiid cureaua, calculul de rezisteţă costă î alegerea şi verificarea acesteia. Variatoarele cu couri deplasabile şi curele sut de o mare diversitate costructivă, existâd diferite soluţii costructive de roţi de variator. oata de variator prezetată î fig.2.9, a realizează deplasarea axială a discului 2, î raport cu discul, di exterior, pri itermediul cuplei elicoidale formată di şurubul, care execută mişcarea de rotaţie, şi piuliţa 4, care execută mişcarea de traslaţie a (rotaţia este împiedicată de braţul 5). Legătura ditre discul 2 şi piuliţa 4 se realizează pri rulmetul radial cu bile 6, rulmetul 7 avâd rolul de a fixa radial şi axial şurubul. La roata de variator prezetată î fig.2.9, b, discul 2 este deplasabil axial, faţă de discul, deplasare care modifică săgeata arcului, care creează tesioarea curelei. oata este prezetată î cele două situaţii limită, câd se obţi razele mi şi max. Petru micşorarea frecărilor, la deplasarea axială a discului 2, se prevede u sistem de ugere cu usoare b cosistetă. Fig.2.9 Cu roţile prezetate î fig.2.9, se poate realiza u variator coform schemei di fig.2.8, a. 2.5.4.. Variatoare cu couri deplasabile şi laţ La aceste variatoare, legătura ître cele două perechi de couri se realizează pri itermediul uui laţ de costrucţie specială. Î fig.2.0 este prezetată costrucţia uui astfel de variator, cu laţ cu role şi dispozitiv de apăsare depedet de sacia trasmisă (cuplaj special cu bile). Modificarea raportului de trasmitere se realizează pri rotirea şurubului, care pri itermediul a două piuliţe deplasează pârghiile articulate la bază 2 şi şi, odată cu acestea, cele două perechi de couri. apoartele de trasmitere şi gama de reglare se determiă cu aceleaşi relaţii ca şi la variatoarele cu couri deplasabile şi curea, respectiv iel rigid, la care se modifică razele de rostogolire la ambele perechi de couri. Acest variator este realizat după schema prezetată î fig.2.8, c.
90 Orgae de maşii Fig.2.0 Î afara variatoarelor cu laţ care trasmit mişcarea şi sarcia pri frecare, există şi variatoare cu laţ care trasmit mişcarea şi mometul de torsiue pri agreare şi care se recomadă la utilaje de costrucţii, de puteri mari.