Фрикционный привод [ 1] [2] или двигатель трения — это тип трансмиссии , в котором для передачи крутящего момента между двумя вращающимися частями используется трение покоя двух гладких поверхностей (вместо контактного давления зацепляющихся зубьев) .
Этот тип механизма также называется 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 , такое как диск, цилиндр или конус. В то время как основная часть жесткой части (частей) может быть изготовлена из любого твердого материала, такого как металл или пластик, по крайней мере одна из поверхностей, где они соприкасаются, обычно покрыта каким-либо материалом с высоким коэффициентом трения, таким как твердая резина (или, в ранних системах, бумага или кожа ).
Наиболее распространенным примером фрикционного привода является пара шкивов и (гладких) ремней . Однако название «фрикционный привод» чаще используется, когда обе части жесткие.
Тяговый привод был запатентован CW Hunt в 1887 году. В последующие годы они время от времени использовались General Motors и NASA , но стали более широко использоваться только после разработки более совершенных тяговых жидкостей и высокоточных фрезерных станков с ЧПУ . [3]
Простейшая форма фрикционного привода представляет собой пару цилиндров, установленных на параллельных осях и 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 , в то время как скорости вращения ω 1 и ω 2 будут удовлетворять ω 1 / ω 2 = 1/ r = R 2 / R 1 .
Эта система используется, например, для привода катушек в некоторых магнитофонах . В типичной конфигурации один из цилиндров является осью электродвигателя, скажем, диаметром 1 мм , а другой — диском с ободом из твердой резины, скажем, диаметром 50 мм, что дает механическое преимущество 1:50. Для зубчатой передачи с тем же передаточным отношением потребовались бы либо гораздо более крупные шестерни, либо очень мелкие зубья, что было бы гораздо более дорогим и деликатным в производстве.
Другим важным применением являются моторизованные велосипеды , где покрытый резиной ролик, соединенный с двигателем, приводит в движение одно из колес велосипеда посредством трения. Другие примеры — это дополнительные двигатели для управления ручными колесами. [6]
Другой важный тип фрикционного привода состоит из колеса, катящегося по в основном плоской поверхности или по в основном прямолинейной дорожке. Это можно рассматривать как предельный случай параллельно-цилиндровой компоновки, где один из цилиндров имеет практически бесконечный радиус. В этом случае цель состоит не в передаче крутящего момента, а в преобразовании крутящего момента в линейную силу, а вращательного движения колеса в относительное линейное движение двух частей.
Самый распространенный пример — это, конечно, колесные транспортные средства, передвигающиеся по дорогам или железнодорожным путям. Но та же схема используется и во многих других приложениях, таких как конвейерные ленты [7] и американские горки .
Другой важный тип фрикционного привода состоит из двух дисков с перпендикулярными осями, расположенных таким образом, что край одного колеса упирается в плоскую поверхность другого. Трение между двумя колесами приводит к тому, что крутящий момент, приложенный к одному колесу, передается другому.
Механическое преимущество системы определяется отношением 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 , а следовательно, и отношение r , можно изменять непрерывно даже во время вращения дисков. Тогда 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 на краях первого диска, изнашивая его и тратя механическую мощность в виде тепла. Поскольку эти эффекты пропорциональны контактному давлению и относительной скорости трущихся поверхностей, они ограничивают крутящий момент и скорость вращения, которые могут быть переданы.
Этот тип фрикционного привода когда-то использовался в ранних автомобилях , но сегодня эта система чаще всего используется на скутерах , особенно го-педах, в качестве замены цепной и зубчатой системы. Он механически идентичен шаровому и дисковому интегратору , но предназначен для обработки более высоких уровней крутящего момента .
Фрикционный привод наиболее успешно применяется в маломощных устройствах, например, в качестве привода проигрывателей виниловых пластинок .
Автомобили, использующие эту систему привода, включали Anglo-Dane , Arista , Armadale , Astra , Allvelo , Bukh & Gry , Cartercar , Crown 12HP Model Two (1905-1906), Davis Totem , GWK , Kelsey , Lambert , LuLu , Metz , Ner-a Car , Richardson и Turicum . Фрикционный привод Turicum состоял из плоского стального диска, соединенного непосредственно с двигателем. Этот первичный диск впоследствии приводил в движение меньшее колесо, покрытое кожей, ориентированное перпендикулярно его поверхности. Предполагая постоянную скорость вращения на первичном колесе, угловая скорость на поверхности диска будет увеличиваться пропорционально расстоянию от центра вращения. Следовательно, расположение меньшего колеса в разных точках вдоль поверхности большего колеса изменяет передаточное отношение . Более того, поскольку нет ограничений за пределами минимального и максимального положений, передаточные числа можно регулировать бесконечно. Фрикционный привод Ламберта (показан) был похож, но использовал ведущий диск с алюминиевым покрытием и ведомое колесо с фибровым покрытием.
Первые три модели Plymouth Locomotive Works , AL, BL и CL, были оснащены фрикционным приводом. [8] [9]
Ранние модели троллейбуса бригадира по обслуживанию путей Wickham использовали двухцилиндровый двигатель JAP . Он приводился в движение большим плоским маховиком и фрикционным приводом. [10]
Несмотря на механическую простоту, фрикционные приводы имеют ряд ограничений. Первое заключается в том, что величина крутящего момента, который может быть передан, является функцией площади пятна контакта между двумя элементами и давления, оказываемого на него двумя частями. Увеличение любого из этих параметров 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 количество проскальзывания при нормальной работе, поскольку локальная деформация поверхности изменяет эффективный радиус детали. Таким образом, их нельзя использовать для точного вращательного позиционирования, если только двигатель не использует некоторую схему обратной связи для компенсации этих ошибок.
С другой стороны, существуют случаи, когда проскальзывание желательно, поскольку оно предотвращает повреждение механизма в случае перегрузки.
