Sprzęgła: budowa, rodzaje, zastosowanie, schematy, Notatki z Inżynieria mechaniczna

Pobierz Sprzęgła: budowa, rodzaje, zastosowanie, schematy i więcej Notatki w PDF z Inżynieria mechaniczna tylko na Docsity! Sprzęgła Sprzęgłem nazywamy zespół układu napędowego maszyn, przeznaczony do łączenia wałów i przekazywania momentu obrotowego z wału czynnego (napędzającego) na wał bierny (napędzany) bez zmiany kierunku ruchu obrotowego. W ogólnym przypadku można określić, że sprzęgło składa się z członu czynnego, członu biernego i łącznika. Przez człon rozumie się zespół elementów sprzęgła osadzony na wale czynnym lub biernym, natomiast łącznikiem nazywa się części (kołki, śruby itd.) lub czynnik (np. ciecz), przekazujące moment obrotowy z członu czynnego na człon bierny. Łącznik określa zatem sposób przekazania momentu obrotowego i jednocześnie charakteryzuje dane sprzęgło. Dzięki wynalazkowi sprzęgła -silniki, zespoły układu napędowego oraz mechanizmy robocze można wykonywać w postaci odrębnych zespołów ma- szyn i urządzeń, a następnie łączyć je w całość podczas montażu. Stosowanie różnych sprzęgieł umożliwia również spełnienie wielu innych zadań, które bez użycia tych sprzęgieł wymagałyby bardziej skomplikowanej konstrukcji maszyn lub nawet byłyby niemożliwe do zrealizowania. Jeżeli można zapewnić dokładną współosiowość wałów, zarówno w czasie montażu, jak i pracy maszyny, wówczas stosuje się sprzęgła sztywne. Jeśli przewiduje się trudności montażowe, a także zmiany położenia wałów w czasie eksploatacji urządzeń (np. w wyniku częściowego zużycia panwi łożysk ślizgowych), stosuje się sprzęgła samonastawne. Sprzęgła te mogą również likwidować skutki przesunięcia się wału wzdłuż jego osi lub np. wydłużenia pod wpływem wzrostu temperatury. Sprzęgła samonastawne przegubowe umożliwiają łączenie wałów, których osie przecinają się pod kątem ostrym. Inne sprzęgła stanowią zabezpieczenie współpracujących urządzeń przed szkodliwymi skutkami nagłych przeciążeń (np. przy uruchamianiu maszyny) oraz przed przenoszeniem drgań (np. w samochodzie). Zadanie to wykonują sprzęgła podatne, a w przypadkach, gdy wskutek wzrostu obciążenia po- winno nastąpić rozłączenie wałów -sprzęgła bezpieczeństwa. Często są również stosowane sprzęgła sterowane, umożliwiające rozłączanie wałów bez zatrzymywania silnika lub przełączanie mechanizmów związanych ze zmianą prędkości obrotowej. Ponadto istnieje czasami potrzeba stosowania sprzęgieł działających samoczynnie, np. przy zmianie kierunku ruchu obrotowego, przy wzroście momentu obrotowego itd. Podane zadania sprzęgieł nie wyczerpują wszystkich potrzeb i możliwości ich stosowania, ale już na tej podstawie można stwierdzić, że przy tak różnorodnych funkcjach istnieje bardzo wiele rodzajów sprzęgieł. Klasyfikacja sprzęgieł może być więc prowadzona według różnych kryteriów: zadań, rozwiązań konstrukcyjnych, sposobu włączania czy np. rodzaju łącznika przekazującego moment obrotowy. Zarówno liczba rozwiązań konstrukcyjnych sprzęgieł stosowanych w praktyce, jak i różnorodność klasyfikacji uniemożliwiają szczegółowe omówienie różnych rodzajów tych mechanizmów. Dlatego w dalszej treści rozdziału zostaną omówione tylko sprzęgła mechaniczne; za podstawę ich podziału przyjęto klasyfikację według cech funkcjonalno-konstrukcyjnych, ujętą w normie PN-71/M-85250 (rys.1). Przykłady sprzęgieł zostały dobrane w taki sposób, aby umożliwiały one zapoznanie się z większością zadań spełnianych przez sprzęgła. Należy również zwrócić uwagę, że wiele sprzęgieł spełnia równocześnie kilka zadań a więc nie tylko zadania wynikające z umieszczenia ich w danej grupie klasyfikacyjnej (np. sprzęgła ze sprężyną wężykową, sprzęgła cierne tarczowe i inne). Podejmując decyzję o wyborze odpowiedniego sprzęgła należy opierać się i na Polskich Normach oraz na katalogach wytwórni, a dobór sprzęgieł lub projektowanie nowych konstrukcji należy poprzedzać dokładną analizą żądanych ich cech i parametrów. Sprzęgła nierozłączne Sprzęgłami nierozłącznymi nazywa się sprzęgła, w których człony czynny i bierny są połączone trwale, tzn. nie można ich rozłączać w czasie pracy. Sprzęgła te stosuje się w przypadkach, gdy rozłączanie członów następuje jedynie przy demontażu maszyny. Sprzęgła nierozłączne dzieli się na: sprzęgła sztywne, uniemożliwiające przesunięcia względne między członami w czasie eksploatacji; sprzęgła samonastawne, pozwalające na niewielkie przesunięcia wzdłużne i poprzeczne wałów; sprzęgła podatne, w których łącznikiem są elementy sprężyste. Sprzęgła sztywne. Do sprzęgieł sztywnych zalicza się sprzęgła tulejowe, łubkowe i kołnierzowe. Sprzęgła te wymagają zachowania dokładnej współ- osiowości łączonych wałów. Sprzęgło tulejowe kołkowe (rys.2) jest jednym z najprostszych rodzajów sprzęgieł. Tuleja jest w tym przypadku członem czynnym i biernym, a kołki-łącznikiem. Łącznikami mogą być również wpusty lub kliny. Stosuje się także połączenia skurczowe tulei z wałem. Wybór łącznika zależy od charakteru obciążenia, warunków montażu itd. Wada sprzęgieł tulejowych jest m.in. konieczność znacznych przesunięć osiowych tulei lub wału podczas montażu i demontażu sprzęgła. Rys.2 Sprzęgło tulejowe kołkowe Sprzęgło łubkowe składa się z dwóch łubek, które są zaciskane na wałach za pomocą śrub (rys.3). Sprzęgło przenosi moment obrotowy dzięki istnieniu tarcia między łubkami a wałem. Uzyskanie odpowiedniego docisku łubek do wału umożliwia szczelina między łubkami (1-:-2 mm). Wpusty służą do osadzenia sprzęgła na wałach oraz odgrywają rolę dodatkowego zabezpieczenia przed poślizgiem, zwłaszcza przy chwilowych przeciążeniac h. Wy- miary i parametry sprzęgieł łubkowych są ujęte w normie PN-66/M-85253. Według normy stosuje się je do łączenia wałów o średnicach 25 -:-140 mm, przy czym zakres przenoszonych momentów maksymalnych wynosi odpowiednio 160-:-12500 N·m. Łubki wykonuje się z żeliwa Z1 200 lub rzadziej ze staliwa. Orientacyjna masa sprzęgła, w zależności od jego wymiarów, wynosi wg normy od 3 do 100 kg. Zaletą sprzęgieł łubkowych jest dość łatwy ich montaż i demontaż. Do wad zalicza się duże wymiary, znaczną masę oraz trudność Sprzęgła przegubowe (Cardana) stanowią specjalną grupę sprzęgieł samonastawnych są stosowane do łączenia wałów o kącie między osiami dochodzącym do 40°. Zasada działania sprzęgła polega na zastosowaniu sztywnego krzyża, ułożyskowanego w widełkach, wzajemnie prostopadłych. W przypadku stosowania sprzęgieł z jednym przegubem wał napędzany obraca się ze zmienną prędkością kątową, co jest dopuszczalne tylko w mechanizmach podrzędnych. Dla uzyskania stałej prędkości kątowej obu wałów stosuje się sprzęgła o dwóch przegubach i wałku pośrednim, przy czym kąty muszą być sobie równe, a widełki wału pośredniego muszą leżeć w jednej płaszczyźnie. W tym rozwiązaniu tylko wał pośredni ma zmienną prędkość kątową, co przy większych prędkościach obrotowych może być przyczyną drgań. Dlatego dąży się do stosowania możliwie krótkich wałów pośrednich. Jeżeli zachodzi potrzeba równoległego przesuwania jednego z wałów (np. w obrabiarkach), stosuje się wał pośredni składający się z dwóch części połączonych ze sobą teleskopowo. Sprzęgła podatne. W sprzęgłach podatnych podstawowym elementem jest łącznik podatny sprężysty, którego zadaniem jest umożliwienie chwilowego względnego obrotu wału biernego w stosunku do wału czynnego. Dzięki podatności łącznika sprzęgła te mogą zmniejszać wpływ obciążeń dynamicznych na pracę napędu (np. podczas rozruchu), łagodzić drgania, zmniejszać nierównomierności przenoszonego momentu obrotowego itd. W sprzęgłach podatnych łączniki wykonuje się najczęściej z gumy lub - w sprzęgłach całkowicie metalowych -ze sprężyn najrozmaitszych kształtów. Sprzęgło kabłąkowe (oponowe) składa się z dwóch tulei z przyspawanymi do nich tarczami (rys.8). Rolę łączników odgrywają cztery odcinki taśmy gumowej wygiętej w kształcie kabłąków i przykręconej do tarcz śrubami. Łącznikiem może być również opona gumowa. Sprzęgła tego typu mają średnicę zewnętrzną w granicach 180 -:- 350 mm i mogą przenosić moment maksymalny równy 250 do 3000 N. m - zależnie od wielkości sprzęgła. Sprzęgła wkładkowe tulejkowe stanowią rodzaj sprzęgieł podatnych z łącznikiem gumowym, których parametr podaje wytwórca w katalogach. Sprzęgła te są również określane jako sprężyste palcowe. W czasie chwilowego wzrostu obciążenia wkładki gumowe są ściskane, łagodząc w ten sposób skutki przeciążenia. Omawiane sprzęgła mogą łączyć wały o średnicach 12 -:- 280 mm i przenosić momenty obrotowe w zakresie od 55 N·m do 80 kN·m. Sprzęgło podatne z pakietami sprężyn płaskich, osadzonymi promieniowo, umożliwia duże tłumienie, tzn. łagodzenie skutków nagłego wzrostu obciążenia. Przez odpowiedni dobór kształtu wycięć, w których są umieszczone końce sprężyn, można uzyskać m.in. złagodzenie nierówności przenoszonego momentu obrotowego. Sprzęgło ze sprężyną wężykową, tzw. sprzęgło Bibby, jest dość często stosowane. Sprężyna wężykowa (esowa) jest nawinięta między zębami o specjalnym kształcie. Zęby są umieszczone naprzemianlegle na obu tarczach sprzęgła. Uzębienie tarcz wraz ze sprężyną jest zamknięte obudową. Sprężyna pracuje w smarze stałym. W zależności od obciążenia sprzęgło wykazuje w czasie pracy cechy sprzęgła sztywnego, podatnego lub przeciążeniowego (bezpieczeństwa). Poza podstawowymi zadaniami sprzęgieł podatnych, wynikającymi z zastosowania łącznika sprężystego, charakteryzują się one tym, że mogą jednocześnie wykonywać zadania spełniane normalnie przez sprzęgła samonastawne. Tak na przykład, sprzęgło ze sprężyną wężykową dopuszcza przesuw wzdłużny 4 -:- 20 mm, poprzeczny 0,5 -:- 3 mm i odchylenie kątowe do 1°. Sprzęgła podatne dobiera się według danych katalogowych wytwórców i przenoszonego maksymalnego momentu obrotowego. Jeżeli praca sprzęgła decydująco wpływa na pracę maszyn (np. ze względu na przenoszenie drgań z elementu biernego na czynny), należy przeprowadzić dokładną analizę dynamiczną układu napędowego i na tej podstawie dobrać właściwe sprzęgło podatne. Sprzęgła sterowane Sprzęgłami sterowanymi nazywa się sprzęgła wyposażone w urządzenia, za których pomocą pracownik obsługujący urządzenie może dokonywać połączenia lub rozłączenia członów sprzęgła. W zależności od charakteru pracy łączenie lub rozłączanie sprzęgła może następować w czasie spoczynku albo w ruchu, przy czym o konstrukcji sprzęgła może decydować również kierunek momentu i ruchu obrotowego przy włączaniu oraz warunki wyłączania: przy biegu luzem czy też pod obciążeniem. Sprzęgła sterowane dzieli się na: sprzęgła przełączalne s y n c h r o n i c z n i e, w których przełączanie na- stępuje tylko przy równych lub prawie równych prędkościach kątowych członów czynnego i biernego, sprzęgła przełączalne a s y n c h r o n i c z n e (cierne) -przekazujące mo- ment obrotowy w wyniku działania sił tarcia, co umożliwia przełączanie przy różnych prędkościach kątowych obu członów. Sprzęgła przełączalne synchronicznie. Sprzęgła te są również nazywane sprzęgłami rozłączalnymi kształtowymi, ponieważ najczęściej funkcję łącznika spełniają kły lub zęby, czyli elementy kształtowe. Sprzęgła kłowe włączalne w czasie spoczynku są wykonane w zasadzie identycznie jak sprzęgła samonastawne kłowe, przedstawione na rys. 6. Różnica polega na zastosowaniu mechanizmu umożliwiającego przesuw poosiowy jednej z tarcz w celu rozłączenia sprzęgła. Sprzęgła włączalne w czasie spoczynku są obecnie rzadko stosowane, ponieważ są wypierane przez wygodniejsze w obsłudze sprzęgła włączalne w czasie ruchu. W zależności od przeznaczenia sprzęgła stosuje się różne kształty kłów, umieszczonych na czołowych płaszczyznach tarcz. Pochylenie kłów pod kątem ułatwia ich wykonanie, gdyż umożliwia przelot narzędzia bez uszkodzenia przeciwległych kłów. W typowych sprzęgłach stosuje się najczęściej kły trapezowe symetryczne i niesymetryczne oraz kły samoblokujące. Kły trapezowe symetryczne są stosowane do pracy przy ruchu dwukierunkowym. Pochylenie boków kłów pod kątem 3 -:- 10o ułatwia włączanie, ponieważ zwiększa prawdopodobieństwo trafienia w lukę. Jeśli kąt jest niewielki, wystarczy nieznaczna siła poosiowa (włączająca) dla utrzymania kłów w położeniu roboczym -zwłaszcza gdy kąt jest mniejszy od kąta tarcia w czasie ruchu (sprzęgło jest wówczas samohamowne). Do jednokierunkowej pracy sprzęgła stosuje się kły trapezowe niesymetryczne o kącie 2 -:-3° oraz kącie ß dochodzącym nawet do 60°, co znacznie ułatwia włączanie w czasie ruchu i samoczynne wyłączanie przy odwróceniu kierunku ruchu. Kły samoblokujące przenoszą moment obrotowy w obu kierunkach ruchu, natomiast podczas wyłączania następuje odrzut kłów już przy niewielkim odsunięciu tarcz. Sprzęgło zębate składa się z dwóch tarcz, z których jedna ma uzębienie zewnętrzne, a druga wewnętrzne. Jedna z tarcz jest przesuwna. Podobnie jak w sprzęgłach kłowych, nadaje się zębom kształty ułatwiające włączanie. Krawędzie zębów ścina się pod kątem i zaokrągla, ponadto skraca się co drugi ząb, stwarzając w ten sposób większe luki. Sprzęgła przełączalne asynchronicznie (cierne). Zasada działania sprzęgieł ciernych polega na tym, że tarcze sprzęgła są dociskane siłą wywołującą na powierzchniach ciernych siłę tarcia, która umożliwia przeniesienie momentu obrotowego z członu czynnego na bierny. Podstawową cechą tych sprzęgieł jest możliwość włączania ich przy różnych prędkościach członów, a nawet wtedy, gdy człon bierny pozostaje w spoczynku. W okresie od włączenia do osiągnięcia pełnej synchronizacji prędkości obrotowej członu czynnego i biernego między powierzchniami ciernymi występują poślizgi, wskutek czego sprzęgło silnie się nagrzewa i jednocześnie zużywają się powierzchnie cierne. Zmniejszenie zużycia tarcz można osiągnąć przez zastosowanie odpowiedniej konstrukcji sprzęgła, przy której okres pracy asynchronicznej będzie możliwie krótki. Rozwiązanie takie powoduje jednak m.in. konieczność napędzania sprzęgła przez silnik o odpowiednio zwiększonej mocy, zatem w urządzeniach o dużej bezwładności mas układu biernego celowo stosuje się dłuższy czas rozruchu. Podstawowe typy sprzęgieł ciernych różnią się kierunkiem i sposobem docisku oraz kształtem, liczbą i materiałem powierzchni ciernych. Wybór materiałów powierzchni ciernych ma duży wpływ na własności ruchowe oraz na trwałość sprzęgła. Z wielu właściwości, jakie są wymagane od tych materiałów, do najważniejszych należą: duży współczynnik tarcia, dobra wytrzymałość mechaniczna, dobre odprowadzanie ciepła oraz odporność na zużycie przy braku skłonności do zatarć. Najczęściej stosuje się metale lub materiały specjalne o dużym współczynniku tarcia. Metale charakteryzują się większą trwałością, umożliwiają stosowanie większych nacisków dopuszczalnych, ale mają stosunkowo mały współczynnik tarcia, natomiast materiały specjalne na ogół szybko się zużywają i przenoszą małe naciski. Sprzęgła cierne mogą pracować na sucho lub ze smarowaniem powierzchni ciernych. Smarowanie zmniejsza wartość współczynnika tarcia, ale jednocześnie zmniejsza zużycie powierzchni ciernych i umożliwia stosowanie większych nacisków, a także powoduje chłodzenie sprzęgła. Z przeglądu podstawowych właściwości i cech materiałów wynika, że przy ich doborze należy kierować się znajomością warunków pracy danego sprzęgła i jego żądaną trwałością. Jednym z najprostszych sprzęgieł ciernych jest sprzęgło tarczowe (rys.9). Składa się ono z dwóch tarcz, z których jedna jest osadzona na wale na stałe, a druga -przesuwnie. Moment obrotowy jest przenoszony, gdy tarcza przesuwna jest dociśnięta do tarczy stałej siłą wzdłużną Fw. Aby sprzęgło cierne nie ulegało zbyt szybkiemu zużyciu, moment tarcia, jaki można uzyskać pod wpływem siły docisku Fw, powinien być większy od maksymalnego momentu obrotowego, jaki przenosi sprzęgło MT ≥ Mmax = K·M Sprzęgło cierne wielopłytkowe (rys.10) jest zwielokrotnionym sprzęgłem tarczowym. Płytki cierne są osadzone na zmianę: jedna 1 w zewnętrznej tulei 3, druga 2 w wewnętrznej tulei 4 itd. Płytki w tulejach są osadzone na wypustach w ten sposób, że ruch obrotowy mogą wykonywać tylko razem z daną tuleją, natomiast wzdłuż tulei mogą się przemieszczać swobodnie. Każda tuleja stanowi element związany w innym wałem. Włączanie sprzęgła Sprzęgła odśrodkowe stosowane są najczęściej jako sprzęgła rozruchowe, umożliwiające rozruch bez obciążenia silników o dużych prędkościach początkowych. Bezwładność mas członu biernego w początkowej fazie rozruchu powoduje poślizgi na powierzchniach ciernych i dopiero po osiągnięciu odpowiedniej prędkości obrotowej członu biernego następuje przeniesienie całkowitego momentu. W sprzęgłach odśrodkowych są stosowane różne kształty segmentów i różne konstrukcje innych elementów tych sprzęgieł. Sprzęgła jednokierunkowe, przekazujące moment obrotowy tylko w jednym kierunku, działają pod wpływem siły obwodowej jako siły nacisku lub siły tarcia. Najczęściej stosuje się sprzęgła zapadkowe i sprzęgła cierne. Sprzęgło zapadkowe. Koło uzębione jest osadzone na jednym członie (np. czynnym), a zapadki na elemencie współpracującym. Przy ruchu obrotowym koła uzębionego w prawo następuje przeniesienie momentu obrotowego, natomiast przy przeciwnym zapadki ślizgają się po zębach. Zależnie od konstrukcji sprzęgła koło uzębione i zapadki są umieszczone na zewnątrz lub wewnątrz tarczy, a liczba zapadek wynosi 1 -:- 4. Sprzęgła cierne przenoszą moment obrotowy w wyniku działania sił tarcia. Przy ruchu obrotowym tarczy w prawo następuje zaciśnięcie wałków między tarczą kształtową i pierścieniem. Zaciskanie ułatwia docisk sprężynek. Przy zmianie kierunku ruchu obrotowego wałki pokonują opór sprężynek i spoczywają swobodnie między tarczą i pierścieniem, nie przenosząc momentu obrotowego. Sprzęgła bezpieczeństwa stanowią trzecią grupę sprzęgieł samoczynnych. Ich działanie polega na samoczynnym wyłączeniu sprzęgła po przekroczeniu założonego momentu obrotowego. Istnieją dwa podstawowe rodzaje sprzęgieł bezpieczeństwa: z łącznikiem podlegającym zniszczeniu z łącznikiem trwałym Przykładem sprzęgła z łącznikiem podlegającym zniszczeniu jest sprzęgło sztywne tulejowe kołkowe (rys.2). Przy identycznej konstrukcji różnica polega na tym, że w sprzęgle bezpieczeństwa należy zastosować kołki o mniejszej średnicy lub wykonane z materiału o niższej wytrzymałości, które po przekroczeniu założonego momentu obrotowego ulegną zniszczeniu. Zasadę działania sprzęgieł bezpieczeństwa z łącznikiem trwałym przedstawiono na rys. 13. Założony moment obrotowy jest przenoszony przez siły docisku między wałeczkami umieszczonymi we wgłębieniach obu pierścieni (czynnego i biernego). Gdy założony moment zostaje przekroczony, wałeczki osadzone na sprężynach są wciskane i następuje ich przemieszczenie w sąsiednie położenia. Wymiary sprzęgła powinny być odpowiednio dobrane. Zmiana położenia (wejście między inne wałeczki członu współpracującego) musi następować z oporem tak ustalonym, aby sprzęgło rozłączało się chwilowo dopiero przy od po wi ed nie j wa rtości momentu obrotowego.