Фрикционные передачи, в отличие от других типов бесступенчатых передач, изменяют крутящий момент за счет использования только одного вида энергии - механического. Этот тип передач не обладает свойством автоматизма и для изменения передаточного отношения требует принудительного регулирования.

К числу основных преимуществ фрикционных передач, по сравнению с другими типами передач с бесступенчатым изменением передаточного отношения, относятся:

1) высокий КПД во всем диапазоне регулирования;

2) относительно большой диапазон регулирования (до 6);

3) простота в изготовлении и эксплуатации;

4) легкость автоматизации управления.

Вместе с тем для этих передач характерны следующие недостатки:

1) большие износы контактных поверхностей и вследствие этого ограниченный срок службы;

2) необходимость создания больших усилий, потребных для изменения передаточного числа.

Благодаря высокому КПД и относительно большому диапазону непрерывного регулирования фрикционные передачи постоянно привлекают внимание разработчиков трансмиссий. Однако их работоспособность при передаче больших мощностей двигателей (более 150-250 кВт) невысока.

Передаточное отношение фрикционной передачи определяется соотношением рабочих радиусов на ведомом и ведущем элементе. Непрерывное регулирование передаточного числа достигается за счет бесступенчатого изменения соотношения рабочих радиусов.

Крутящий момент от ведущего к ведомому элементу передается за счет сил трения, возникающих в зоне контакта. Необходимая величина сил трения обеспечивается соответствующим прижатием контактных поверхностей. Нормальная работа фрикционной передачи (без скольжения) возможна только в том случае, когда силы трения будут больше передаваемых окружных сил.

Отношение определяет работоспособность фрикционной передачи. Если оно меньше единицы, то передача из-за пробуксовки быстро выйдет из строя. При отношениях, значительно превышающих единицу, появляется пережатие, что приводит к быстрому износу контактирующих поверхностей и понижению КПД. Следовательно, оптимальное условие работы фрикционной передачи будет обеспечено тогда, когда отношение будет величиной постоянной в регулируемом диапазоне и несколько больше единицы.

На транспортных машинах применяются фрикционные передачи различного типа.

Торовый вариатор. Схема представлена на рис. Рабочая поверхность чашек имеет сложную сферическую форму и является частью тора. Поэтому трансформатор называется то-

ровым. Чашки расположены соосно и во время работы специальным механизмом автоматического нажатия прижимаются к ролику. По отношению к образующим чашек ролик установлен по хорде и вращается вокруг собственной оси d. При горизонтальном расположении ролика передаточное отношение вариатора равно единице (из-за равенства радиусов касания на ведущей и ведомой чашках). Для изменения передаточного числа ролик вместе с осью поворачивается вокруг центра О.

Общий КПД тороидно-сферического вариатора имеет относительно низкую величину. Экспериментальные работы показали, что средний КПД вариатора такого типа с высокими контактными давлениями довольно стабилен и равен 0,9-0,94. Срок службы тороидно-сферического вариатора достаточно небольшой, что объясняется высокими контактными напряжениями в зоне соприкосновения ролика с чашками, которые должны находиться в пределах 2000-3000 мПа. Естественно, что срок службы тороидно-сферического вариатора с низкими контактными напряжениями (до 800 мПа) резко возрастает, но при этом увеличиваются габариты и вес передачи, что делает неприемлемым использование такого вариатора на транспортных машинах.

Фирма Nissan разработала трансмиссию, в состав которой входит торовый вариатор «Extroid». Эта трансмиссия будет устанавливаться на заднеприводные автомобили Cedric и Gloria, двигатели которых развивают мощность 176 кВт и момент 310 Нм.

Для обеспечения высокой несущей способности чашек и роликов торовых вариаторов конструкторы использовали подшипниковую сталь сверхвысокой степени очистки и упрочили их поверхности путем цементации на большую глубину. Кроме того, для вариатора «Extroid» было разработано специальное масло.

Многодисковый конический фрикционный вариатор. В отличие от тороидного вариатора, где мощность передается двумя или тремя параллельно работающими контактами, в многодисковых конических вариаторах количество параллельно работающих контактов в несколько раз больше. Окружное усилие, передаваемое одним контактом, сравнительно мало, поэтому и требуемая нормальная сжимающая сила ограничивается низким значением. Последнее приводит к тому, что удельное напряжение в зоне контакта снижается и находится в пределах 100-300 мПа.

Несмотря на достаточно высокие относительные скорости, рассматриваемые вариаторы обладают высокой работоспособностью, что объясняется низкими удельными давлениями.

Все конструктивные схемы многодисковых конических вариаторов разделяются на схемы с наружным и внутренним контактами (по аналогии с зубчатыми передачами).

Схема многодискового конического вариатора с наружным контактом показана на рис. Оси ведущих и ведомых дисков расположены по обе стороны контакта. Крутящий момент подводится к ведущему валу 3 и через кулачковый механизм автоматического нажатия передается на ведущие диски 1. Последние посредством сил трения передают момент на ведомые диски 2, которые соединены с ведомой осью.

Многодисковые вариаторы с наружным контактом обладают очень большим относительным скольжением и довольно низким КПД.

КПД многодискового конического вариатора можно несколько повысить за счет снижения величины скольжения, Последнее достигается применением внутреннего контакта.

Кроме того, многодисковые вариаторы имеют еще один существенный недостаток - небольшой диапазон регулирования передаточного отношения, что ограничивает возможности применения его в трансмиссиях транспортных машин.

В настоящее время широкое распространение в транспортной технике нашли клиноременные вариаторы. Эти механизмы отличают простота и надежность конструкции. Увеличение или уменьшение передаточного отношения у такого типа вариаторов осуществляется за счет изменения положения конусов ведущего и ведомого шкивов. Причем перемещение конусов на обоих шкивах происходит одновременно.

Первоначально клиноременные вариаторы использовались на снегоходах, картингах, небольших спортивных автомобилях, мотоциклах и т.д. В этих транспортных средствах система управления клиноременным вариатором была настроена таким образом, чтобы в процессе разгона двигатель работал на постоянных оборотах, соответствующих максимальному крутящему моменту, а разгон осуществлялся за счет'изменения передаточного отношения клиноременного вариатора. Для передачи мощности с ведущего шкива на ведомый на всех перечисленных выше транспортных средствах использовались резинокордовые ремни. Однако низкая прочность и износостойкость таких ремней делает практически невозможным их использование на транспортных средствах с более мощными двигателями.

Толчком для развития клиноременных вариаторов послужил разработанный голландской фирмой Van Doorne’s Transmission B.V. (VDT) металлический ремень, который в отличие от резинокордового ремня работает на сжатие. Именно это обстоятельство позволило существенно увеличить значение передаваемого вариатором момента. С тех пор металлические ремни типа VDT стали использоваться при разработке клиноременных вариаторов такими фирмами, как Ford, Fiat, Nissan, Subaru, Honda и Volvo. Интересно отметить, что вариатор с таким ремнем был разработан и для болида команды Williams, участвующей в гонках «Формулы-1», причем он мог работать с двигателем, развивающим мощность до 590 кВт. Однако использование таких трансмиссий было запрещено правилами проведения этих соревнований.

Металлический ремень типа VDT состоит из двух многослойных металлических лент, на которые вплотную друг к другу установлены металлические звенья. Как известно, обычный резинокордовый ремень находится под воздействием двух сил: силы предварительного натяжения, необходимой для создания требуемой силы трения между ремнем и шкивами, и силы тяги. Таким образом, любой резинокордовый ремень работает на растяжение.

Конструкция металлического ремня типа VDT позволила перераспределить силу предварительного натяжения и силу тяги между его двумя различными элементами. Силу предварительного натяжения ремня воспринимают Многослойные металлические ленты, работающие на растяжение, а тяговое усилие передается металлическими звеньями, которые работают на сжатие. Наклонные боковые поверхности металлических звеньев входят в контакт с коническими поверхностями шкивов и за счет сил трения обеспечивают передачу тягового усилия с ведущего шкива на металлический ремень и обратно, с металлического ремня на ведомый шкив. При этом за счет плотного расположения металлических звеньев каждое из них как бы толкает последующий элемент. Таким образом осуществляется передача момента с ведущего шкива на ведомый.