Rodzaje i charakterystyka sprzęgieł
Sprzęgłem nazywamy zespół układu napędowego maszyn, przeznaczony do łączenia wałów i przekazywania momentu obrotowego z wału czynnego ( napędzanego ) 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 maszyn i urządzeń, a następnie łączyć je w całość podczas montażu. Stosowanie różnych sprzęgieł umożliwia również spełnienie wielu innych zadań, które bez użycia tych sprzęgieł wymagałoby bardziej skomplikowanej konstrukcji maszyn lub nawet byłyby niemożliwe do realizowania.
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 jego osi lub np. wydłużenia pod wpływem wzrostu temperatury. Sprzęgła samonastawne przegubowe umożliwiają łączenie wałów, których osi przecinają się pod katem 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 powinno nastąpić rozłączenie wałów – sprzęgła bezpieczeństwa. Często są również stosowane sprzęgła sterowane, umożliwiające rozłączenie wałów bez zatrzymania 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 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.
Norma PN-71/M-85250 zawiera kwalifikacje według cech funkcjonalno – konstrukcyjnych.
Rys. 1. Podział sprzęgieł według cech funkcjonalno – konstrukcyjnych
Podejmując decyzje o wyborze odpowiedniego sprzęgła należy opierać się na Polskich Normach oraz na katalogach wytwórni a dobór sprzęgieł lub projektowanie nowych konstrukcji należy poprzedzać dokładną analizą żądanych ich cech i parametrów.
Normalizacja i zasada doboru sprzęgieł
Sprzęgła są zespołami, które ze względu na szerokie zastosowanie najczęściej są produkowane niezależnie od maszyn i urządzeń. Wiele sprzęgieł podlega normalizacji i wówczas parametry ich budowy są podane w Polskich Normach. Niektóre rodzaje sprzęgieł są stosowane w węższym zakresie i wówczas są produkowane według rozwiązań ustalonych przez zakłady wytwórcze w uzgodnieniu z odbiorcami. Zakres parametrów produkowanych sprzęgieł jest wtedy podawany w katalogach zakładowych lub branżowych.
Podstawowym parametrem charakteryzującym pracę sprzęgła jest przenoszony moment obrotowy, zależny od przenoszonej mocy i prędkości obrotowej wg wzoru
M = ( M – w N · m, P – w W, ω – w rad/s )
lub według wzoru liczbowego
M = 9550 N · m ( P – moc w kW, n – prędkość obrotowa w obr/min. )
W celu zastosowania właściwego sprzęgła należy na podstawie zadań, jakie ma ono spełniać, określić rodzaj sprzęgła i – jeśli będzie to sprzęgło znormalizowane – dobrać z katalogu odpowiednią jego wielkość, zależną od przenoszonego momentu. W czasie pracy sprzęgło może podlegać chwilowym przeciążeniom. Ponieważ nie wszystkie przyczyny przeciążeń mogą być przewidywane w czasie projektowania, uwzględnia się je w postaci współczynnika przeciążenia K ustalonego doświadczalnie. Moment obrotowy maksymalny wynosi wówczas
Mmax = K · M
Orientacyjne wartości współczynnika przeciążenia dla sprzęgieł przy czym mniejsze wartości stosuje się dla sprzęgieł podatnych, większe zaś – mało podatnych.
Doboru sprzęgieł z norm i katalogów dokonuje się w zasadzie na podstawie Mmax , należy jednak zawsze i dokładnie zapoznać się z zaleceniami podanymi w normie, ponieważ dla niektórych konstrukcji normy dopuszczają nawet 2 ÷ 5 krotne chwilowe przekroczenie momentu nominalnego ( Mnom ).
Jeżeli w pracy sprzęgła przewiduje się wyłącznie przeciążenia chwilowe, można dobrać sprzęgło na podstawie momentu M. Jeżeli potrzebny rodzaj sprzęgła nie jest znormalizowany, projektuje się sprzęgło dostosowane do danej maszyny lub urządzenia.
Charakterystyka sprzęgieł: liniowa sprzęgła sztywnego i podatnego
Sprzęgła nierozłączne
Sprzęgłami nierozłącznymi nazywa się sprzęgła, w których człony czynny i bierny są połączone trwale, tzn. nie można ich rozłączyć w czasie pracy. Sprzęgła te stosuje się w przypadkach, gdy rozłączenie członów następuje jedynie przy demontażu maszyny. Sprzęgła nierozłączne dzieli się na :
· sprzęgła sztywne, uniemożliwiające przesunięcie względne między członami w czasie eksploatacji;
· sprzęgła samonastawne, pozwalające na niewielkie przesunięcie wzdłużne i poprzeczne wałów;
· sprzęgła podatne, w których łącznikiem są elementy sprężyste.
Sprzęgła sztywne – do tych sprzęgieł zalicza się sprzęgła tulejowe, łubkowe i kołnierzowe. Sprzęgła te wymagają zachowania dokładnej współosiowości łączonych wałów.
Sprzęgło tulejowe kołkowe 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.
Rys. 2 Sprzęgło tulejowe kołkowe
Przy osadzaniu tulei na wale stosuje się pasowania mieszane: Js8/h7 lub M8/h7 a w połączeniu skurczowym – pasowanie ciasne U8/h7.
Rys. 3
Podstawowe rodzaje sprzęgieł sztywnych stosowanych w budowie maszyn : a) sprzęgła tulejowe z klinami, b) tulejowe z kołkami, c) łubkowe śrubowe, d) Selera, e) kołnierzowe nakładane, f) krzyżowe Oldhama, g) zębate jednostronne i dwustronne
Wymiary tulei przyjmuje się orientacyjnie: l ≈ 3d oraz D ≈ 2d ( gdzie: d – średnica wału,
D – średnica zewnętrzna tulei ). Obliczanie sprzęgła tulejowego polega na ustaleniu wymiarów łącznika na podstawie warunków wytrzymałościowych.
Kołki oblicza się na ścianie wg wzoru
τ = t
w którym:
dk – średnica kołka,
n – liczba przekrojów ścinanych w kołkach łączących jeden z wałów z tuleją.
Wartość siły F wyznacza się na podstawie momentu obrotowego maksymalnego
F =
gdzie d – średnica wału
Gdy łącznikiem jest wpust, oblicza się go z warunku na naciski powierzchniowe.
Wadą sprzęgieł tulejowych jest m.in. konieczność znacznych przesunięć osiowych tulei lub wału podczas montażu i demontażu sprzęgła.
Sprzęgło łubkowe składa się z dwóch łubków, które są zaciskane na wałach za pomocą śrub. Sprzęgło przenosi moment obrotowy dzięki istnieniu sił tarcia między łubkami a wałem. Uzyskanie odpowiedniego docisku łubków 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 przeciążeniach. Wymiary i parametry sprzęgieł łubkowych są ujęte w normie PN-66/M-85252.
Rys. 4a Podstawowe części sprzęgła: 1,2 – łubki, 3 – śruba, 4 – nakrętka, 5 - podkładka
Według normy stosuje się je do łączenia wałów o średnicach 25 ÷ 140 mm, przy czym zakres przenoszonych momentów maksymalnych wynosi odpowiednio 160 ÷ 12 500 N · m. Łubki wykonuje się z żeliwa Zl 200 lub rzadziej ze staliwa. Orientacyjna masa sprzęgła w zależności od jego wymiarów wynosi wg normy od 3 do 100 kg.
Ponieważ sprzęgło przenosi moment dzięki siłom tarcia, powinien być spełniony warunek
MT ≥ Mmax = K · M N · m
Wartość momentu tarcia między czopem wału i łubkami wyznacza się przy założeniu równomiernego rozkładu nacisku pomiędzy współpracującymi powierzchniami.
MT = p ·π · d · · µ · MN · m
gdzie:
p – nacisk wywołany dociskiem śrub, w MPa,
d, L – średnica otworu ( wału ) i długość łubków, w m,
µ - współczynnik tarcia ( µ - 0,1 ÷ 0,2 ).
Rys. 4b
Sprzęgło sztywne łubkowe śrubowe
Zaletą sprzęgieł łubkowych jest dość łatwy ich montaż i demontaż. Do wad zalicza się duże wymiary, znaczną masę oraz trudność wyrównoważenia sprzęgła. Ze względu na podane wady sprzęgła łubkowe znajdują zastosowanie tylko w napędach wolnobieżnych.
Sprzęgła kołnierzowe składają się z dwóch tarcz złączonych śrubami. Znormalizowane odmiany sprzęgieł kołnierzowych znajdują się na rysunku nr. 5 i nr 6. Tarcze osadza się na wałach najczęściej za pomocą wpustów. W celu zapewnienia współosiowego ustawienia członów ( tarcz ) sprzęgła wykonuje się wytoczenia środkujące na płaszczyznach czołowych. Parametry obu rodzajów sprzęgieł, podane w normach PN-66/M-85251 ( rys. 5 ) i PN-66/M-85252 ( rys. 6 ) są podobne. Sprzęgła są stosowane do łączenia wałów o średnicach 25 ÷ 200 mm; zakres przenoszonych momentów obrotowych wynosi od 320 N · m do 60 kN · m, a masa od 6 do 250 kg. W wykonaniu według normy śruby są ciasno pasowane w otworach. W ty, przypadku moment obrotowy jest przenoszony przez śruby. Oblicza się je na ścinanie wg wzoru:
d1 – średnica śruby w przekroju narażonym na ścinanie,
D2 – średnica rozstawienia śrub,
n – liczba śrub.
W innej wersji konstrukcyjnej stosuje się śruby luźno osadzone w otworach. W tym przypadku sprzęgło przenosi moment obrotowy przez tarcie, wywołane dociskiem tarcz przez śruby. Siła tarcia musi być co najmniej równa sile wynikającej z przenoszonego momentu obrotowego. Zakłada się przy tym, że działa ona na średnicy rozstawienia śrub.
Sprzęgła kołnierzowe są dobierane wg wartości podanych w normach, a po sprawdzeniu naprężeń rozciągających w śrubach ustala się rodzaj materiału na śruby.
Omawiane sprzęgła wymagają przy demontażu rozsunięcia tarcz. Jeżeli jest to niedogodne, wówczas zamiast wytoczeń w tarczach stosuje się dwudzielną przekładkę środkującą ( rys. 7 ).
Rzadziej stosuje się kołnierze stanowiące jedną całość z wałem, przy czym mogą być one odkute ( rys. 8 ), przyspawane lub osadzone skurczowo na wale.
Sprzęgło kołnierzowe
Rys. 7 Z przekładką środkującą Rys. 8 Stanowiące całość z wałem
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. 9 ). 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.
Wkładkowe tulejkowe - inny rodzaj sprzęgieł podatnych z łącznikiem gumowym stanowią sprzęgła wkładkowe tulejkowe ( rys. 10 ), których parametry 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. Sprzęgła mogą łączyć wały o średnicach 12 ÷ 280 mm i przenosić momenty obrotowe w zakresie od 55 N · m do
80 kN · m.
Sprzęgło ze sprężyną wężykową tzw. sprzęgło Bibby ( rys. 12 ), jest dość często stosowane. Sprężyna wężykowa ( esowa ) jest nawinięta między zębami o specjalnym kształcie. Zęby są umieszczone naprzemianlegle na obu tarczach sprzęgła ( rys. 13 ). 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 ).
Rys.9 Sprzęgło kabłąkowe oponowe
Rys. 10 Sprzęgło wkładkowe tulejowe
Rys. 11 Sprzęgło podatne z pakietami sprężyn płaskich
Sprzęgło ze sprężyną esową
Rys. 12 Sprzęgło Rys. 13 Zasada działania sprężyny
Sprzęgło podatne z pakietami sprężyn płaskich, osadzonymi promieniowo ( rys. 11 ), 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.
Poza podstawowymi zadaniami sprzęgieł podatnych, wynikających 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.
ElNinio8