Фрикционный привод
Фрикционный привод [1] [2] или двигатель трения — это тип трансмиссии , который использует статическое трение двух гладких поверхностей (вместо контактного давления сцепляющихся зубьев) для передачи крутящего момента между двумя вращающимися частями.
Этот тип механизма также называют тяговым приводом , хотя этот термин часто относится конкретно к приводам, в которых слой тяговой жидкости (которая на мгновение становится твердой под давлением) используется для увеличения коэффициента трения между двумя частями до 0,1 или более. [3] [4] [5]
В общем, по крайней мере одна из двух частей является жесткой, и это может быть любое тело вращения , например диск, цилиндр или конус. Хотя основная часть жестких деталей может быть изготовлена из любого твердого материала, например металла или пластика, по крайней мере одна из поверхностей, где они вступают в контакт, обычно покрыта каким-либо материалом с высоким коэффициентом трения, например твердой резиной ( или, в ранних системах, бумага или кожа ).
Наиболее распространенным примером фрикционной передачи является пара шкива и (гладкого) ремня . Однако название «фрикционная передача» чаще используется, когда обе детали жесткие.
История
[ редактировать ]Тяговый привод был запатентован К. У. Хантом в 1887 году. В последующие годы они время от времени использовались General Motors и НАСА более качественные тяговые жидкости и высокоточные с ЧПУ . фрезерные станки , но стали более широко использоваться только после того, как были разработаны [3]
Параллельные цилиндры
[ редактировать ]Простейшая форма фрикционного привода представляет собой пару цилиндров, установленных на параллельных осях, прижимающихся друг к другу.
Механическое преимущество этой системы определяется соотношением r между радиусами R 1 и R 2 двух цилиндров. А именно, крутящие моменты T и T на двух осях будут удовлетворять T 1 / T 2 = r = R 1 / R 2 , тогда как скорости вращения ω 1 и ω 2 будут удовлетворять ω 1 / ω 2 = 1/ r = R 2. / Р 1 .
Приложения
[ редактировать ]
Эта система используется, например, для привода катушек в некоторых магнитофонах . В типичной конфигурации один из цилиндров представляет собой ось электродвигателя, скажем, диаметром 1 мм , а другой представляет собой диск с ободом из твердой резины, скажем, диаметром 50 мм, что дает механическое преимущество 1:50. Для зубчатой передачи с таким же передаточным числом потребуются либо гораздо более крупные шестерни, либо очень мелкие зубья, что будет намного дороже и сложнее в изготовлении.
Еще одним важным применением являются моторизованные велосипеды , где ролик с резиновым покрытием, соединенный с двигателем, приводит в движение одно из колес велосипеда за счет трения. Другими примерами являются дополнительные двигатели для управления маховиками. [6]
Колесо и гусеница
[ редактировать ]Другой важный тип фрикционного привода состоит в том, что колесо катится по преимущественно плоской поверхности или по преимущественно прямой дороге. Это можно рассматривать как предельный случай конструкции с параллельными цилиндрами, когда один из цилиндров имеет практически бесконечный радиус. В этом случае целью является не передача крутящего момента, а преобразование крутящего момента в линейную силу, а вращательное движение колеса — в относительное линейное движение двух частей.
Приложения
[ редактировать ]Самый распространенный пример – это, конечно, колесные транспортные средства, передвигающиеся по дорогам или железнодорожным путям. Но такое же устройство используется и во многих других приложениях, например, в конвейерных лентах. [7] и американские горки .
Перпендикулярные диски
[ редактировать ]
Другой важный тип фрикционной передачи состоит из двух дисков с перпендикулярными осями, расположенных так, что край одного колеса прижимается к плоской поверхности другого. Трение между двумя колесами приводит к передаче крутящего момента, приложенного к одному колесу, к другому.
Механическое преимущество системы определяется соотношением r между радиусом R 1 первого колеса и расстоянием R 2 на втором колесе между его осью и точкой контакта. Если первый диск установлен так, что он может скользить вдоль своего вала, радиус R 2 и, следовательно, передаточное число r можно изменять непрерывно, даже во время вращения дисков. В этом случае система представляет собой бесступенчатую трансмиссию , не требующую сцепления .
Одна из проблем этой конструкции заключается в том, что внутренние и внешние края первого диска движутся с одинаковой скоростью, но скорость на поверхности второго диска увеличивается пропорционально расстоянию от оси. Это несоответствие скоростей вызывает значительное трение по краям первого диска, приводящее к его изнашиванию и потере механической энергии в виде тепла. Поскольку эти эффекты пропорциональны контактному давлению и относительной скорости трущихся поверхностей, они ограничивают передаваемый крутящий момент и скорость вращения.
Этот вид фрикционного привода когда-то использовался в ранних автомобилях , но сегодня эта система чаще всего используется на скутерах , особенно в педах, в качестве замены цепной и зубчатой системы. Механически он идентичен шарико-дисковому интегратору , но рассчитан на более высокие уровни крутящего момента .
Приложения
[ редактировать ]Фрикционный привод наиболее успешно использовался в приложениях с низким энергопотреблением, таких как привод проигрывателей фонографов .
Автомобили
[ редактировать ]
Автомобили, использующие эту систему привода, включали Anglo-Dane , Arista , Armadale , Astra , Allvelo , Bukh & Gry , Cartercar , Crown 12HP Model Two (1905-1906), Davis Totem , GWK , Келси , Ламберт , ЛуЛу , Мец , Нер-а Кар , Ричардсон и Турикум . Фрикционный привод Turicum представлял собой плоский стальной диск, соединенный непосредственно с двигателем. Этот основной диск впоследствии приводил в движение колесо меньшего размера, покрытое кожей, ориентированное перпендикулярно его поверхности. Если предположить, что скорость вращения главного колеса постоянна, то угловая скорость на поверхности диска будет увеличиваться пропорционально расстоянию от центра вращения. Следовательно, расположение меньшего колеса в разных точках поверхности большего колеса меняет передаточное число . Кроме того, поскольку нет никаких ограничений, кроме минимального и максимального положений, передаточные числа можно плавно регулировать. Фрикционный привод Ламберта (на рисунке) был аналогичен, но в нем использовался ведущий диск с алюминиевой облицовкой и ведомое колесо с волокнистой облицовкой.
Локомотивы
[ редактировать ]Первые три модели Plymouth Locomotive Works — AL, BL и CL — были оснащены фрикционным приводом. [8] [9]
Ранние модели постоянного для бригадиров тележек Wickham технического обслуживания использовали V-образный двигатель JAP . Это приводилось в движение большим плоским маховиком и фрикционным приводом. [10]
Сравнение с другими приводами
[ редактировать ]Несмотря на механическую простоту, фрикционные приводы имеют ряд ограничений. Во-первых, величина крутящего момента, который может быть передан, зависит от площади пятна контакта между двумя элементами и давления, оказываемого на него двумя частями. Увеличение любого параметра увеличивает максимальный передаваемый крутящий момент, но также увеличивает потери из-за трения и локальной деформации материала в месте контакта.
Фрикционные приводы также страдают от проскальзывания при перегрузке, поскольку достигается предел статического трения. Они также накапливают небольшое проскальзывание при нормальной работе, поскольку локальная деформация поверхности изменяет эффективный радиус детали. Таким образом, их нельзя использовать для точного вращательного позиционирования, если двигатель не использует некоторую схему обратной связи для компенсации этих ошибок.
С другой стороны, есть приложения, где желательно проскальзывание, поскольку оно предотвращает повреждение механизма в случае перегрузки.
См. также
[ редактировать ]- Контактная механика - Исследование деформации твердых тел, соприкасающихся друг с другом.
- Механика фрикционного контакта - Исследование деформирования тел при наличии эффектов трения.
- Адгезионная железная дорога - железная дорога, использующая сцепление для движения поездов.
- Прокатка (металлообработка) – процесс обработки металлов давлением.
- Тороидальный или роликовый вариатор (Extroid CVT) - технология автомобильной трансмиссии.
- Трибология - наука и инженерия взаимодействующих поверхностей в относительном движении.
Ссылки
[ редактировать ]
- ^ Определение слова «фрикционный привод» в онлайн-словаре Merriam-Webster. Доступ осуществлен 30.07.2024.
- ^ Эдвард И. Фокс (1970): «Механизм фрикционного привода» . Патент США 3487705. Выпущено 6 января 1970 г., срок действия истек 06 января 1987 г.
- ^ Jump up to: а б Джон Павлоски (2019): «Технология тягового привода» . Интернет-статья Rolling Motion Industries в Midé блоге . Архивировано 30 июля 2024 г.
- ^ Santolubes (2024 г.): «SantoTrac Traction Lubricants» Страница продукта на веб-сайте компании Santolubes . Архивировано 30 июля 2024 г.
- ^ Орбитальная тяга (2023): «Эластогидродинамическая тяговая жидкость» . На сайте компании «Орбитальная тяга» . Архивировано 30 июля 2024 г.
- ^ RGC Marine (2024): «Маховик и фрикционный привод». Страница каталога продукции на сайте компании . Архивировано 29 июля 2024 г.
- ^ Патрик М. Макгуайр (2023): Конвейеры: применение, выбор и интеграция , 2-е издание. CRC Press, 238 страниц. ISBN 9781003802983
- ^ США 1283665 , Картер, Флойд Б., «Локомотив», выпущен 5 ноября 1918 г.
- ^ Траск, Чес. А. (июнь 1918 г.). «Тракторные фрикционные передачи» . Журнал Общества автомобильных инженеров . II (6): 440. На странице 444 обсуждается локомотив «Плимут», с рисунком и фотографией на странице 445.
- ^ «Уикхем Мотор Троллейбус» . Южно-Девонская железная дорога . 5 апреля 2013 г.
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Анимированное изображение тороидального вариатора на HowStuffWorks. Архивировано 10 января 2019 г. на Wayback Machine.
