Transcript PPI - wyk 11 - bluefish.foxnet.pl

Politechnika Opolska
Wydział Zarządzania i Inżynierii Produkcji
Instytut Inżynierii Produkcji
Podstawy Projektowania Inżynierskiego
Sprzęgła i hamulce
Prowadzący: dr inż. Piotr Chwastyk
e-mail: [email protected]
www.chwastyk.po.opole.pl
Sprzęgła i hamulce
Sprzęgła
Sprzęgłem – nazywamy zespół układu napędowego, przeznaczony do łączenia
wałów i przekazywania momentu obrotowego z wału czynnego na bierny, bez
zmiany kierunku ruchu obrotowego.
Zastosowanie sprzęgieł:
• upraszczają rozwiązania konstrukcyjne;
• pozwalają na stosowanie uniwersalnych silników;
• zwiększają obciążenia skrętne wału;
• pozwalają rozłączać napęd;
• zabezpieczają przed przeciążeniami.
PN wyodrębnia 36 rodzajów sprzęgieł (normy określają warunki pracy,
wartość maksymalnych obciążeń, gabaryty, ciężar).
dr inż. Piotr Chwastyk
Sprzęgła i hamulce – nr 2
Sprzęgła i hamulce
Sprzęgła
Podstawowym zadaniem sprzęgieł jest przenoszenie momentu obrotowego oraz
łączenie wałów, zwłaszcza wałów niedokładnie ustawionych względem siebie. W
tym wypadku stosuje się sprzęgła nierozłączne sztywne lub samonastawne.
Drugie zadanie to łagodzenie obciążeń dynamicznych w czasie nagłego włączenia
napędu, uderzenia lub zmiany obciążenia. Tu wykorzystuje się sprzęgła podatne.
Inne zadanie to konieczność łączenia i rozłączania wałów w trakcie pracy,
unieruchamiania zespołu roboczego bez zatrzymywania silnika, zmiana prędkości
obrotowej lub kierunku obrotu. W tym celu stosuje się sprzęgła sterowane.
W celu ochrony ważniejszych mechanizmów przed przeciążeniami stosuje się
sprzęgła bezpieczeństwa (przeciążeniowe). Działanie tych sprzęgieł jako
bezpiecznika polega na zasadzie niszczenia łącznika lub poprzez poślizg na
wykładzinach ciernych.
Pewne mechanizmy wymagają takiego połączenia wałów, aby wybrany wał obracał
się tylko w jednym kierunku, nie przenosząc momentu obrotowego w przypadku
przeciwnego kierunku obrotu. Takie zadania spełniają sprzęgła jednokierunkowe.
dr inż. Piotr Chwastyk
Sprzęgła i hamulce – nr 3
Sprzęgła i hamulce
Sprzęgła
Sprzęgło składa się z:
• członu czynnego;
• członu biernego;
• łącznika.
Łącznik – określa sposób przenoszenia Mo i jednocześnie charakteryzuje dane
sprzęgło (kołki, śruby, elementy podatne, ciecz).
Oprócz przenoszenia Mo sprzęgła spełniają dodatkowe zadania:
• pozwalają na pewien uchyb współosiowości (sprzęgła luźne lub podatne);
• wiążą w jedną sztywną całość ogniwa napędu, przez co umożliwiają
przeniesienie Ms (sprzęgła sztywne);
• łagodzą gwałtowne zmiany obciążeń (sprzęgła podatne);
• tłumią drgania skrętne (s. podatne);
• pozwalają łączyć wały ustawione pod znacznym i zmiennym kątem (s.
wychylne);
• zabezpieczają mechanizmy napędu przed przekroczeniem granicznego
obciążenia (s. bezpieczeństwa) i granicznej prędkości (s. odśrodkowe);
• umożliwiają przełączanie sprzęgieł (s. sterowane).
dr inż. Piotr Chwastyk
Sprzęgła i hamulce – nr 4
Sprzęgła i hamulce
Normalizacja oraz dobór sprzęgieł
Podstawowy parametr charakteryzujący sprzęgło to przenoszony Mo.
Wyznaczamy go z wzoru liczbowego:
P
M  9550
[ Nm]
n
gdzie:
P – moc [kW],
n – prędkość obrotowa [obr/min]
Chcąc uwzględnić możliwość występowania przeciążeń w czasie pracy
sprzęgła stosujemy współczynnik przeciążeń K i ustalamy maksymalny
moment obrotowy.
Mmax = M  K
dr inż. Piotr Chwastyk
Sprzęgła i hamulce – nr 5
Sprzęgła i hamulce
Sprzęgła nierozłączne
Sprzęgła nierozłączne – sprzęgła, w których człony czynny i bierny są
połączone trwale. Dzielimy je na:
• sprzęgła sztywne – uniemożliwiają przesunięcia względne miedzy
członami w czasie pracy.
• sprzęgła samonastawne – niewielkie przesunięcia wzdłużne i
poprzeczne wałów;
• sprzęgła podatne – łącznikiem jest element sprężysty.
Sprzęgła sztywne – wymagają współosiowości łączonych wałów. Dzielą się
na: tulejowe, łubkowe, kołnierzowe.
dr inż. Piotr Chwastyk
Sprzęgła i hamulce – nr 6
Sprzęgła i hamulce
Sprzęgła sztywne tulejowe
Sprzęgło tulejowe kołkowe – tuleja jest członem czynnym i biernym a kołki i wpusty
łącznikiem.
Sprzęgło sztywne tulejowe z kołkami: 1 – wał czynny, 2 – wał bierny, 3 – tuleja, 4 - kołki
dr inż. Piotr Chwastyk
Sprzęgła i hamulce – nr 7
Sprzęgła i hamulce
Sprzęgła sztywne tulejowe
Rys. Sprzęgło sztywne tulejowe z wpustami: 1 – wał czynny, 2 – wał bierny, 3 – tuleja, 4 – wpusty, 5 –
wkręt ustalający
dr inż. Piotr Chwastyk
Sprzęgła i hamulce – nr 8
Sprzęgła i hamulce
Sprzęgła sztywne tulejowe
Obliczenia sprowadza się do ustalenia wymiarów łącznika z warunków
wytrzymałościowych.
Kołki narażone są na ścinanie:
4 F
t 
 kt
2
  dk  n
gdzie:
dk – średnica kołka;
n – liczba przekrojów ścinanych.
2  M max 2  M  K
F

d
d
gdzie:
d – średnica wału.
Przy zastosowaniu wpustu – obliczenia na naciski.
Osadzanie tulei na wale – pasowanie mieszane J8/h7 lub M8/h7.
W połączeniach skurczowych – pasowanie ciasne U8/h7.
Wymiary tulei: l = 3d, D = 2d.
Wada tych sprzęgieł – konieczność znacznych przesunięć osiowych.
dr inż. Piotr Chwastyk
Sprzęgła i hamulce – nr 10
Sprzęgła i hamulce
Sprzęgła łubkowe
Sprzęgło łubkowe – składa się z dwóch łubków obejmujących końce łączonych
wałów oraz elementy złączne. Pomiędzy łubkami pozostawiona jest szczelina (1 do 2
mm).
Parametry sprzęgieł łubkowych:
Mt – realizuje przenoszenie Mo. Wpust służy jako dodatkowe (przeciążeniowe)
zabezpieczenie przed poślizgiem.
Zakres średnic – 25  140 mm
Maksymalny moment – 160  12500 Nm
Masa elementu – 3  120 kg
Zalety – łatwy montaż i demontaż.
Wady – duże wymiary, masa, niemożność wyważenia (tylko do napędów
wolnobieżnych).
dr inż. Piotr Chwastyk
Sprzęgła i hamulce – nr 11
Sprzęgła i hamulce
Sprzęgła tarczowe (kołnierzowe)
Dwie tarcze złączone śrubami, osadzamy na wałach przy pomocy wpustów.
Aby zapewnić współosiowość wykonywane są wytoczenia środkujące na
płaszczyznach czołowych.
Rys. Sprzęgło sztywne tarczowe bez obrzeży ochronnych
dr inż. Piotr Chwastyk
Sprzęgła i hamulce – nr 12
Sprzęgła i hamulce
Sprzęgła tarczowe (kołnierzowe)
Rys.Sprzęgło sztywne tarczowe z obrzeżami ochronnymi
dr inż. Piotr Chwastyk
Sprzęgła i hamulce – nr 13
Sprzęgła i hamulce
Sprzęgła tarczowe (kołnierzowe)
Rys. Sprzęgło sztywne tarczowe z wkładką środkującą: 1 – tarcze, 2 - wkładka
dr inż. Piotr Chwastyk
Sprzęgła i hamulce – nr 14
Sprzęgła i hamulce
Sprzęgła tarczowe (kołnierzowe)
Sprzęgła stosujemy do łączenia wałów o:
Zakresie średnic – 25  200 mm
Maksymalny moment – 310  60000 Nm
Masa elementu – 6  250 kg
Oznaczenie sprzęgła kołnierzowego o średnicy otworu d = 60 mm:
SPRZĘGŁO KOŁNIERZOWE 60 PN – 66 /M - 85251
Sprzęgła te wymagają przy demontażu rozsunięcia tarcz.
dr inż. Piotr Chwastyk
Sprzęgła i hamulce – nr 15
Sprzęgła i hamulce
Sprzęgła samonastawne
Sprzęgła samonastawne – umożliwiają niewielkie zmiany względnego położenia
osi i wałów. Zmiany te mogą mieć charakter trwały lub wolno zmieniający się w
czasie. Przemieszczenia względne wałów mogą być:
• poprzeczne;
• wzdłużne;
• kątowe (poprzeczne, wzdłużne, kątowe).
Rys. Przemieszczenia osi wałów: a) poprzeczne, b) wzdłużne, c) kątowe
Sprzęgła te mogą kompensować przemieszczenia jednego rodzaju lub złożone.
Charakteryzują się luzami i możliwością ślizgania się współpracujących części po sobie.
Małe obciążenia i wymiary – występ na powierzchni czołowej jednego z wałów jest
wprowadzony w wycięcie drugiego z wału.
dr inż. Piotr Chwastyk
Sprzęgła i hamulce – nr 16
Sprzęgła i hamulce
Sprzęgła kłowe
Sprzęgła kłowe – przesunięcie wzdłużne wałów w granicach luzu osiowego.
Łącznikiem są kły. Wymiary i liczby kłów – wg warunków wytrzymałościowych i
technologicznych. Możliwość środkowania.
dr inż. Piotr Chwastyk
Sprzęgła i hamulce – nr 17
Sprzęgła i hamulce
Sprzęgła kłowe
Rys. Sprzęgło samonastawne kłowe: a) środkowane w otworze członu, b) środkowane za
pomocą tulejki
dr inż. Piotr Chwastyk
Sprzęgła i hamulce – nr 18
Sprzęgła i hamulce
Sprzęgła kłowe
Sprzęgło OLDHAMA – przesunięcie
poprzeczne x, oraz odchylenia kątowe  kompensacja przemieszczeń.
Tarcze osadzone na wałach –
łącznikiem
jest
osobna
tarcza
współpracująca z kłami obu tarcz.
Maksymalna wartość przesunięć
x  0,1d oraz   4.
Łączymy wały:
d = 40  120 mm,
M = 650  8000 Nm,
nmax = 200 obr/min,
dla wałów dużych nmax= 130 obr/min.
dr inż. Piotr Chwastyk
Rys. Sprzęgło Oldhama: a) z kłami
prostymi, b) z wkładką tekstolitową,
c) z kłami o zarysie ewolwentowym.
Sprzęgła i hamulce – nr 19
Sprzęgła i hamulce
Sprzęgła zębate, przegubowe
Sprzęgła zębate – kompensują wszystkie rodzaje przemieszczeń. Tarcze
uzębione osadzane są na wałach, współpracują z tulejkami o uzębieniu
wewnętrznym. Obie tuleje połączone są śrubami.
Sprzęgła zębate dzielimy na:
• jednostronne;
• dwustronne.
Oba rodzaje mają jednakowe parametry:
d = 20  280 mm;
Rys. Zęby sprzęgieł: a) proste, b) łukowe
M = 630 Nm  160 kNm;
n = 500  3000 obr/min.
Uniwersalny charakter pracy tych sprzęgieł wynika ze specjalnych
kształtów zębów oraz luzów międzyzębnych. Dla uzębień wewnętrznych
stosuje się zęby niskie o wysokości głowy zęba ha = 0,8m a dla uzębień
zewnętrznych zęby normalne.
dr inż. Piotr Chwastyk
Sprzęgła i hamulce – nr 20
Sprzęgła i hamulce
Sprzęgła zębate, przegubowe
Sprzęgła przegubowe (Cardana) – służą do łączenia wałów, których osie przecinają się.
Sprzęgła te nie kompensują innych odchyłek położenia osi.
Chwilowy stosunek prędkości kątowych łączonych wałów nie jest stały – zależy od kąta 
jaki tworzą osie wałów. Wadę tę wyeliminuje sprzęgło podwójne lub zdwojony przegub
Cardana.
Rys. Podwójny przegub Cardana z wałkiem pośrednim zapewniający równość prędkości kątowych wałka
biernego i wałka czynnego: a) wały czynny i bierny o osiach równoległych przesuniętych, b) wały czynny i
bierny o osiach tworzących kąt 2
dr inż. Piotr Chwastyk
Sprzęgła i hamulce – nr 21
Sprzęgła i hamulce
Sprzęgła przegubowe kulowe
Stałą prędkość kątową wału napędzanego zapewniają sprzęgła przegubowe –
kulowe.
Rys. Sprzęgło przegubowe kulowe synchroniczne: 1 – wał, 2 – trzpień prowadzący, 3 –
koszyk, 4 – wał, 5 – główka wału, 6 – kulki, 7 – obudowa, 8 – koszyk, 9 – sprężyna, 10trzpień
dr inż. Piotr Chwastyk
Sprzęgła i hamulce – nr 22
Sprzęgła i hamulce
Sprzęgła podatne
Sprzęgła podatne – podstawowym elementem jest łącznik podatny sprężysty, którego
zadaniem jest umożliwienie chwilowego względnego obrotu wału biernego w stosunku
do czynnego.
Dzięki podatności łącznika możemy zmniejszyć obciążenie dynamiczne występujące w
układzie napędowym, łagodzić drgania.
Sprzęgła kabłąkowe (oponowe) –
dwie tuleje z przyspawanymi
tarczami, rolę łączników spełniają
cztery taśmy gumowe przykręcone
śrubami (łącznikiem może być opona
gumowa). Sprzęgła tego typu mają
średnicę zewnętrzną 180350 [mm] i
przenoszą max. Mo=2503000[Nm].
Rys. Sprzęgło kabłąkowe
dr inż. Piotr Chwastyk
Sprzęgła i hamulce – nr 23
Sprzęgła i hamulce
Sprzęgła podatne
Rozróżniamy również:
• sprzęgła wkładkowe tulejkowe (palcowe);
Rys. Sprzęgło podatne tarczowe sworzniowe z wkładkami gumowymi: 1,2 – człony
sprzęgła, 3 – sworzeń, 4 – wkładka, 5,6 – podkładki, 7 – nakrętka, 8 – pierścień osadczy
dr inż. Piotr Chwastyk
Sprzęgła i hamulce – nr 24
Sprzęgła i hamulce
Sprzęgła podatne
• sprzęgła z pakietami sprężyn płaskich;
Rys. Sprzęgło podatne z pakietami sprężyn płytkowych ustawionych
promieniowo: 1,5 – człony sprzęgła, 2 – kołnierz, 3 – pierścień
dystansowy, 4 – śruby łączące, 6 – uszczelnienie
dr inż. Piotr Chwastyk
Sprzęgła i hamulce – nr 25
Sprzęgła i hamulce
Sprzęgła podatne
• sprzęgła ze sprężyną wężykową.
Rys. Sprzęgło podatne ze sprężyną wężykową: 1,2 – człony sprzęgła, 3 – występy,
4 – sprężyna, 5,6 – połówki obejmy
dr inż. Piotr Chwastyk
Sprzęgła i hamulce – nr 26
Sprzęgła i hamulce
Sprzęgła sterowalne
Sprzęgła sterowane – są to sprzęgła wyposażone w urządzenia za pomocą,
których można dokonywać łączenia i rozłączania napędu przenoszącego Mo.
Sprzęgła sterowane dzielimy na:
• sprzęgła przełączalne synchroniczne (kształtowe);
• sprzęgła przełączalne asynchroniczne (cierne).
Sprzęgła kłowe – składają się z dwóch tarcz, jednej spoczynkowej na wale
napędowym, drugiej przesuwnej na wpuście lub wielowypuście na wale
napędzanym.
Sprzęgła zębate – dwie tarcze, jedna z uzębieniem zewnętrznym a druga z
wewnętrznym. Podobnie jak w sprzęgłach kłowych zębom nadaje się
kształty ułatwiające włączanie.
dr inż. Piotr Chwastyk
Sprzęgła i hamulce – nr 27
Sprzęgła i hamulce
Sprzęgła sterowalne
Różnice prędkości obu tarcz:
V2 – V1  0,7  0,8 m/s ( do 1500 obr/min)
Przekrój kłów – zazwyczaj trapezowy z kątem przyporu 2  8 po stronie
roboczej.
Po stronie nieroboczej kąt 50  70 w celu łatwego wyłączenia sprzęgła
Rys. Sprzęgło włączalne kłowe
dr inż. Piotr Chwastyk
Sprzęgła i hamulce – nr 28
Sprzęgła i hamulce
Sprzęgła sterowalne
Rozłącznie sprzęgła może odbywać się bez żadnych ograniczeń, natomiast sposób
łączenia uzależniony jest od specyficznych jego cech konstrukcyjnych.
Rodzaje kłów:
• trapezowe;
• trójkątne: symetryczne i niesymetryczne;
• z ułatwionym włączaniem;
• prostokątne.
Rys. Sprzęgła kłowe: a, b) przekroje wzdłużne tarcz, c) rodzaje kłów
dr inż. Piotr Chwastyk
Sprzęgła i hamulce – nr 29
Sprzęgła i hamulce
Sprzęgła sterowalne
Rys. Sprzęgło zębate przełączalne: a) sprzęgło, b) kształty zębów, c) sprzęgło z
synchronizatorem: 1 – uzębienie, 2 – łącznik, 3 – człon czynny (synchronizator),
4 – sprzęgiełko cierne stożkowe
dr inż. Piotr Chwastyk
Sprzęgła i hamulce – nr 30
Sprzęgła i hamulce
Sprzęgła asynchroniczne
Zasada działania – tarcze sprzęgieł są dociskane siłą wywołującą na
powierzchniach ciernych siłę tarcia przenoszącą Mo z wału czynnego na bierny.
Podstawowa cecha – możliwość włączenia przy różnych obrotach członów. Od
włączenia do pełnej synchronizacji następuje poślizg – nagrzewanie i zużywanie
tarcz.
Poślizg – nagrzewanie i zużywanie tarcz.
Żądane właściwości materiału na powierzchnie cierne:
• duże współczynnik tarcia ();
• duża wytrzymałość mechaniczna;
• dobre przewodnictwo cieplne;
• odporność na zużycie;
• brak skłonności do zatarć.
Sprzęgła pracują:
• na sucho;
• ze smarowaniem – mniejsze zużycie, mniejszy współczynnik tarcia,
możliwość przeniesienia
większych nacisków powierzchniowych +
chłodzenie.
dr inż. Piotr Chwastyk
Sprzęgła i hamulce – nr 31
Sprzęgła i hamulce
Sprzęgła tarczowe
Zabezpieczamy się przed szybkim zużyciem, przyjmując:
MT  Mmax = M  K
Wartość K przyjmujemy z poniższej tablicy.
Orientacyjne wartości współczynnika przeciążenia K dla sprzęgieł
Ponieważ T zależy od Fw (T = Fw  )
gdzie:
T – siła tarcia.
M T  Fw    0,5  Dm
Dz  Dw
Dm 
2
gdzie:
Dm – średnia średnica tarcia;
Fw – siła docisku.
dr inż. Piotr Chwastyk
Sprzęgła i hamulce – nr 32
Sprzęgła i hamulce
Sprzęgła tarczowe
Rys. Sprzęgło cierne tarczowe
dr inż. Piotr Chwastyk
Rys. Sprzęgło cierne tarczowe włączane
mechanicznie firmy Ortlinghaus: 1 – tarcza
cierna, 2 – tarcza dociskowa, 3 – piasta, 4 –
dźwignia, 5 – pierścień dociskowy, 6 –
tarcza zabierakowa
Sprzęgła i hamulce – nr 33
Sprzęgła i hamulce
Sprzęgła tarczowe
Wymiary tarcz przyjmujemy wg zaleceń:
Sprzęgła tarczowe: Dm = (4  6)d
Sprzęgła wielopłytkowe: Dm = (2  4)d
Sprzęgła stożkowe: Dm = (3  10)d
gdzie:
d – średnica wału pod sprzęgło
Wartość nacisków powierzchniowych:
Fw
Fw
p

S  D2  D2
z
w
4


Oznaczamy szerokość powierzchni ciernej jako b a pole powierzchni styku tarcz jako S:
S
dr inż. Piotr Chwastyk


D
4
2
z

D 
2
w

4
2 Dm  2b    Dm  b
Sprzęgła i hamulce – nr 34
Sprzęgła i hamulce
Sprzęgła tarczowe
Na
podstawie
powyższych
zależności otrzymujemy warunek na
naciski powierzchniowe:
2 Mt
p

k
o
2
b  Dm    
ko – z tablicy
Zapewnić prawidłowy rozkład nacisków możemy poprzez przyjęcie:
b = (0,150,3)Dm – sprzęgła tarczowe + sztywna konstrukcja tarczy.
b = (0,1  0,25)Dm – sprzęgła wielopłytkowe + sztywna konstrukcja tarczy.
dr inż. Piotr Chwastyk
Sprzęgła i hamulce – nr 35
Sprzęgła i hamulce
Sprzęgła tarczowe
W sprzęgłach ciernych może ulec zamianie na ciepło do 50 % energii.
Zapobiegamy temu przyjmując:
MT  Mmax
Nagrzewanie sprzęgieł zależy od:
• przewodności cieplnej materiałów ciernych;
• powierzchni odprowadzania ciepła;
• liczby włączeń (na godzinę).
W obliczeniach uwzględniamy, że jednostkowa praca tarcia ( = const) jest
proporcjonalna do (pv). Wartość v wyznaczamy na Dm.
Ponieważ od jednostkowej pracy tarcia zależy ilość ciepła wyzwalającego się
na jednostce powierzchni sprzęgła, możemy napisać warunek na
rozgrzewanie:
(p  v)rzecz  (p  v)dop
[MN/(ms)]
(p  v)dop – wg zaleceń
dr inż. Piotr Chwastyk
Sprzęgła i hamulce – nr 36
Sprzęgła i hamulce
Sprzęgło cierne wielopłytkowe
Tok obliczeń jest taki sam jak przy obliczaniu sprzęgieł tarczowych, ale uwzględniamy
większą liczbę powierzchni ciernych. Jeżeli ilość płytek wynosi i, to ilość powierzchni
ciernych i – 1.
2 Mt
p
 ko
2
b  Dm     (i  1)
(p  v)dop – 2  4 razy mniejsze
Rys. Sprzęgło cierne wielopłytkowe z włączaniem mechanicznym produkcji FUMO: 1 – człon sprzęgła
(tuleja), 2 – człon sprzęgła (zabierak), 3 – dźwignia, 4 – pierścień włączający, 5 – nakrętka regulacyjna, 6 –
płytka zewnętrzna, 7 – płytka wewnętrzna, 8 – płytka dociskowa
dr inż. Piotr Chwastyk
Sprzęgła i hamulce – nr 37
Sprzęgła i hamulce
Sprzęgło cierne stożkowe
Zaleta – możliwość uzyskania MT jak w sprzęgle tarczowym przy mniejszej Fw
Rys. Sprzęgło cierne z dwiema tarczami stożkowymi firmy Lohman i Stolterhoft:
1 – tarcze cierne, 2 – dźwignia włączająca, 3 – sworzeń łączący tarcze cierne z
członem
dr inż. Piotr Chwastyk
Sprzęgła i hamulce – nr 38
Sprzęgła i hamulce
Sprzęgło cierne stożkowe
Do obliczeń wprowadzamy siłę Fn wywołującą tarcie:
Fw
Fn 
sin 
gdzie:
Fn – siła nacisku;
Siła tarcia na powierzchniach ciernych
T  Fn   
Fw  
sin 
 = 15  20 (zalecane)
Podobnie jak przy obliczeniach tarcia w gwintach
wprowadzamy pozorny współczynnik tarcia.

'
sin 
dr inż. Piotr Chwastyk
Sprzęgła i hamulce – nr 39
Sprzęgła i hamulce
Sprzęgło cierne stożkowe
MT obliczamy jak dla sprzęgła tarczowego uwzględniając :
Fw  Dm  
MT 
 0,5  Fw  Dm   '
2 sin 
Na podstawie powyższych zależności:
Fn
Fw
p

 ko
  Dm  b   Dm  b  sin 
gdzie:
p - wartośc nacisków powierzchniowych.
I ostatecznie otrzymujemy warunek na naciski dla sprzęgieł tarczowych:
2  M T  sin 
2  MT
p

 ko
2
Dm      Dm  b  sin      Dm  b
dr inż. Piotr Chwastyk
Sprzęgła i hamulce – nr 40
Sprzęgła i hamulce
Sprzęgła samoczynne
Sprzęgła samoczynne – umożliwiają łączenie lub rozłączanie wału bez obsługi.
Najczęściej wykorzystujemy siłę bezwładności, zmianę kierunku ruchu obrotowego na
zmianę Mo:
Dzielimy je na:
• odśrodkowe;
• jednokierunkowe;
• bezpieczeństwa (przeciążeniowe).
Rys. Sprzęgło odśrodkowe cierne
dr inż. Piotr Chwastyk
Rys. Sprzęgło odśrodkowe klockowe firmy SUCO:
1 – wirnik, 2 – klocki, 3 – sprężyny, 4 – nakładki
cierne, 5 – pierścienie zabezpieczające, 6 – człon
bierny
Sprzęgła i hamulce – nr 41
Sprzęgła i hamulce
Sprzęgła samoczynne
Rys. Schemat sprzęgła
jednokierunkowego zapadkowego
Rys. Sprzęgło bezpieczeństwa z łącznikiem trwałym
dr inż. Piotr Chwastyk
Rys. Konstrukcja sprzęgła zapadkowego: 1 –
zapadki, 2 – dźwigienki włączające
Rys. Sprzęgło bezpieczeństwa kłowe: 1 – człon
czynny, 2 – człon bierny, 3 – tuleja, 4 – sprężyna, 5 –
nakrętka ustalająca, 6 – łożysko oporowe
Sprzęgła i hamulce – nr 42
Sprzęgła i hamulce
Hamulce
Hamulce – to urządzenia służące do zatrzymywania, zwolnienia lub regulacji
ruchu maszyn.
Najczęściej spotykamy hamulce cierne. Hamulce te działają na podobnej zasadzie jak
sprzęgła cierne, lecz ich działanie jest odwrotne, ponieważ zadaniem sprzęgieł ciernych
jest nadanie ruchu obrotowego członowi biernemu poprzez cierne sprzęgnięcie go z
obracającym się członem czynnym, natomiast zadaniem hamulca jest zatrzymanie części
czynnej hamulca poprzez sprzęgnięcie jej z częścią nieruchomą.
Rys. Hamulce: a) stożkowy, b) wielopłytkowy, c) jednoklockowy, d) cięgnowy
dr inż. Piotr Chwastyk
Sprzęgła i hamulce – nr 43
Sprzęgła i hamulce
Hamulce
Zależnie od rodzaju mechanizmu włączającego i wyłączającego rozróżniamy hamulce:
• cierne mechaniczne;
• hydrauliczne;
• pneumatyczne;
• elektromagnetyczne.
Hamulce cierne mechaniczne dzielimy na:
• hamulce tarczowe – stożkowe i wielopłytkowe;
• klockowe (szczękowe);
• cięgnowe (taśmowe).
Ze względu na charakter pracy dzielimy je na:
• luzowe;
• zaciskowe.
Hamulce luzowe – są stale zaciśnięte na bębnie hamulcowym i luzowane przed
uruchomieniem maszyny.
Hamulce zaciskowe – są stale swobodne, tzn. że część stała i ruchoma są odłączone i
współpracują ze sobą tylko w czasie hamowania.
dr inż. Piotr Chwastyk
Sprzęgła i hamulce – nr 44
Sprzęgła i hamulce
Hamulce klockowe
Hamulce klockowe – dzielimy je na jedno- lub dwuklockowe. Moment tarcia na bębnie
hamulcowym ma zwrot przeciwny do zwrotu momentu obrotowego. W celu zahamowania
bębna MT musi pokonać moment obrotowy i bezwładności hamowanego układu.
MT = (1,75  2,5)Mo
Większe MT przyjmujemy, gdy jest duża prędkość obrotowa układu hamowanego oraz
gdy żądamy, aby czas hamowania był krótszy.
Wartość nacisku siły klocka na bęben wynosi:
D
D
M T  T   Fn   
2
2
2 MT
Fn 
D
Siłę Fn będziemy traktować jako siłę skupioną zastępującą obciążenie ciągłe wynikające
z nacisku klocka na bęben.
dr inż. Piotr Chwastyk
Sprzęgła i hamulce – nr 45
Sprzęgła i hamulce
Hamulce klockowe
Obliczanie hamulców jednoklockowych, polega na wyznaczeniu siły F, którą należy
przyłożyć do dźwigni hamulca, aby zahamować bęben, na ustaleniu wymiarów szczęki
hamulcowej z warunku na naciski powierzchniowe, oraz sprawdzenia hamulca na
rozgrzewanie. Na elementy cierne hamulców stosujemy te same elementy co na sprzęgła
cierne.
W hamulcu jak na rysunku dźwignia
hamulcowa jest zamocowana przegubowo w
punkcie 0, a klocek jest połączony sztywno z
dźwignią za pomocą dwóch sworzni. Na
dźwignię działa siła Fn, siła F potrzebna do
zahamowania bębna oraz siła tarcia T
między klockiem a bębnem.
Dla dźwigni zwrot siły tarcia T jest zgodny z kierunkiem Mo, a dla bębna przeciwny.
Siły tworzą dowolny płaski układ – możemy więc wyznaczyć wartość siły F z warunku
równowagi:
F  l – Fn  a + T  e = 0
dr inż. Piotr Chwastyk
Sprzęgła i hamulce – nr 46
Sprzęgła i hamulce
Hamulce klockowe
Podstawiając do wzoru wartość T otrzymamy:
T = Fn  
F  l – F n ( a – e  ) = 0
Wprowadzając do wzoru wartość Fn otrzymujemy:
2  MT
Fn 
D
a  e   2  MT a  e  
F  Fn 


l
D
l
Zakładam przeciwny kierunek ruchu obrotowego bębna niż na rysunku.
Tak samo jak wyżej wyznaczamy F
a  e   2  MT a  e  
F  Fn 


l
D
l
Z porównania obu wzorów, wynika, że hamulec ten nie nadaje się do pracy przy zmianie
kierunku ruchu obrotowego, ponieważ należałoby regulować wartość siły F.
dr inż. Piotr Chwastyk
Sprzęgła i hamulce – nr 47
Sprzęgła i hamulce
Hamulce klockowe
Jeżeli kierunek ruchu obrotowego bębna ma być zmienny, można stosować konstrukcje jak
na rysunku.
Wygięcie dźwigni w ten sposób, aby jej punkt obrotu 0 leżał na linii działania siły tarcia
T powoduje, że ramię tej siły e = 0 i wobec tego e   = 0.
Wartość siły F koniecznej do zahamowania bębna wynosi wówczas:
a 2M T  a
F  Fn  
l D   l
Nie zależy ona w tym przypadku od kierunku ruchu obrotowego.
dr inż. Piotr Chwastyk
Sprzęgła i hamulce – nr 48
Sprzęgła i hamulce
Hamulce klockowe
Taki sam efekt uzyskamy mocując klocek jak na rysunku poniżej.
Siłę nacisku Fn traktujemy jako siłę działającą
na sworzeń. Wprowadzamy w osi sworznia
zerowy układ sił T, otrzymujemy siłę T
działającą na sworzeń wzdłuż osi dźwigni oraz
moment od pary sił T.
Moment ten dąży do obrócenia klocka i nie
wpływa na obliczenia dźwigni. Przy tej
konstrukcji wartość siły F wyznaczymy wg
poprzednio ustalonego wzoru.
Obliczenia wymiarów klocka dokonujemy z warunku na naciski powierzchniowe:
Fn
p
 ko
t b
gdzie:
t – długość klocka (mierzona po cięciwie łuku);
b – szerokość klocka;
ko – naciski dopuszczalne.
dr inż. Piotr Chwastyk
Sprzęgła i hamulce – nr 49
Sprzęgła i hamulce
Hamulce klockowe
Zakładamy konstrukcyjnie „D” i „b”
Zalecenia:
D = 120 [mm] i b = 40 [mm] (160 – 50, 200 – 55, 250 – 80, 320 – 100, 400 –
125, 500 – 160, 630 – 200, 710 – 220, 800 – 250).
Szerokość bębna przyjmujemy o 10 mm większe od b, natomiast t:
t = (0,52  0,78)D
co odpowiada kątowi pokrycia  = 60  90.
Hamulec sprawdzamy na rozgrzewanie wg wzoru:
(p  v)rzecz  (p  v)dop
[MN/ms]
Hamulce jednoklockowe – średnica wału do 50 mm i przenoszenie
niewielkich Mo.
Hamulce dwuklockowe – siły Fn równoważą się i umożliwiają hamowanie
przy mniejszych Fn.
dr inż. Piotr Chwastyk
Sprzęgła i hamulce – nr 50
Sprzęgła i hamulce
Hamulce klockowe
Rys. Schemat hamulca
dwuklockowego z luzownikiem: 1 –
klocki hamulcowe, 2  5 dźwignie, 6 –
ciężar, 7 – luzownik
Rys. Hamulec dwuklockowy zwierany sprężyną i zwalniany luzownikiem elektromagnetycznym
dr inż. Piotr Chwastyk
Sprzęgła i hamulce – nr 51
Sprzęgła i hamulce
Hamulce szczękowe wewnętrzne
W hamulcu takim szczęki umieszczone są wewnątrz hamulca. Są to hamulce
zaciskowe – szczęki odsunięte od bębna dzięki sprężynom.
Zadziałanie dzięki siłom włączającym działających na swobodne części szczęk –
dociśnięcie szczęk do bębna. Gdy występują jednakowe siły włączające (W1 i W2) mamy
rozwiązania w których wartości Fn1 i Fn2 są różne (rys. a) lub jednakowe (rys. b).
dr inż. Piotr Chwastyk
Sprzęgła i hamulce – nr 52
Sprzęgła i hamulce
Hamulce cięgnowe
Hamulce cięgnowe – charakteryzują się większą skutecznością hamowania
stosujemy, gdy występują duże Mo. Prosta konstrukcja, zwarta budowa.
Wada: zginanie wału pod wpływem naciągu cięgna.
Cięgna – cienka taśma stalowa wyłożona materiałem ciernym. Gdy niewielkie
MH – nie ma okładziny.
Obliczanie tych hamulców polega na określeniu MT, niezbędnego do
zahamowania bębna, obliczeniu wartości sił w cięgnie oraz obliczeniu siły F jaką
należy przyłożyć do końca dźwigni.
Wartość MT ustalamy z założenia:
MT = (1,75  2,5)M
Gdy będziemy mieli ustaloną średnicę bębna D ( z warunków
konstrukcyjnych), możemy określić siłę tarcia T potrzebną do zahamowania bębna.
2M T
T
D
dr inż. Piotr Chwastyk
Sprzęgła i hamulce – nr 53
Sprzęgła i hamulce
Hamulce cięgnowe
Rys. Hamulce cięgnowe: a) zwykły, b) różnicowy, c) sumowy
dr inż. Piotr Chwastyk
Sprzęgła i hamulce – nr 54
Sprzęgła i hamulce
Hamulce cięgnowe
Hamulec zwykły – cięgno współpracuje z
bębnem na części jego obwodu (odpowiada to
kątowi ).
W cięgnie wyróżniamy:
część czynną – nabiegającą na bęben – działa w
niej siła F1;
część bierną – działa w niej siła F2.
Siła F1 > F2 ponieważ część czynna cięgna
obciążona jest dodatkowo siłą tarcia T wywołaną
momentem obrotowym.
Z warunku równowagi:
T = F1 – F2
Stosunek sił F1 i F2 określa zależność (wzór Eulera). Określa on stosunek napięć w
cięgnach:
F 1 = F2  e   
Przyjmujemy kąt opasania  = 180  270 (od  do 1,5 rad). Wynika z tego, że siła F1
jest znacznie wieksza od siły F2 – nawet kilkakrotnie.
dr inż. Piotr Chwastyk
Sprzęgła i hamulce – nr 55
Sprzęgła i hamulce
Hamulce cięgnowe
Wartość siły F potrzebnej do zahamowania
wyznaczamy z warunku równowagi sił działających
na dźwignię. Wyznaczać je będziemy względem
punktu 0, przyjmując kierunek ruchu obrotowego jak
na rysunku
W hamulcu zwykłym część czynna cięgna
zamocowana jest w punkcie obrotu dźwigni – na
dźwignię działają siły: F2 oraz F
Warunek równowagi przyjmie postać:
F  l  F2  a  0
a
F  F2
l
Zalecane przełożenie dźwigni l/a = 3  6
Gdy zmienimy kierunek ruchu obrotowego, wówczas część czynna będzie pełnić
funkcje części biernej i odwrotnie.
a
F  F1 
l
dr inż. Piotr Chwastyk
Sprzęgła i hamulce – nr 56
Sprzęgła i hamulce
Hamulce cięgnowe
Hamulec różnicowy
Warunek równowagi dla hamulca różnicowego:
F  l + F1  a 1 – F2  a 2 = 0
stąd:
F2  a2  F1  a1
F
l
Po zmianie kierunku ruchu obrotowego:
F1  a2  F2  a1
F
l
Jak widać z powyższych wzorów wartość siły F jest zależna od wartości a1 i
a2. Jeżeli te odległości zostaną niewłaściwie dobrane, to można doprowadzić
do sytuacji gdy siła F będzie równa lub mniejsza od 0. Doprowadzi to do
samozakleszczenia się hamulca.
dr inż. Piotr Chwastyk
Sprzęgła i hamulce – nr 57
Sprzęgła i hamulce
Hamulce cięgnowe
Hamulec sumowy
Warunek równowagi dla
hamulca sumowego (a1 = a2 = a)
F  l – F1  a – F2  a = 0
stąd:
aF1  F2 
F
l
Po zmianie kierunku ruchu obrotowego bębna (w stosunku do podanego na
rysunku) wówczas częścią czynną cięgna będzie dotychczasowa część bierna
i odwrotnie.
a
F  F1  F2 
l
dr inż. Piotr Chwastyk
Sprzęgła i hamulce – nr 58
Sprzęgła i hamulce
Hamulce cięgnowe
Na podstawie przeprowadzonej analizy hamulców:
1. Hamulec zwykły i różnicowy zastosujemy tam, gdzie jest stały kierunek
ruchu obrotowego bębna i wału.
2. W hamulcu różnicowym odpowiednio dobierając długości dźwigni a1 i a2
– regulujemy F (przy niewłaściwej długości tych dźwigni F = 0 lub F< 0
może nastąpić samozakleszczanie).
Aby uniknąć samozakleszczenia spełniamy warunek:
a2
 
e
a1
3. Hamulec sumowy (a1 = a2 = a) – siła obciążająca F jest jednakowa dla
obydwu kierunków obrotu ale dość duża jej wartość przekreśla
zastosowanie tego hamulca.
dr inż. Piotr Chwastyk
Sprzęgła i hamulce – nr 59