191
21. SPRZĘGŁA
Sprzęgło jest zespołem służącym do łączenia wałów i przekazywania momentu obrotowego. Dzięki łączeniu za pomocą sprzęgieł można oddzielnie wykonać silniki, zespoły napędowe i mechanizmy robocze i łączyć je sprzęgłami (rys.21.1).
Rys.21.1. Schemat układu napędowego
21.1. Rodzaje sprzęgieł
Ogólny podział sprzęgieł wynika z funkcji, jakie mają one spełniać w układach napędowych.
Jeżeli w trakcie montażu można dokładnie ustawić wały względem siebie i ustawienie ich nie zmienia się podczas eksploatacji maszyny, to połączenie może być dokonane w sposób sztywny. Sprzęgła służące do takiego połączenia noszą nazwę sprzęgieł sztywnych.
W przypadku braku możliwości zapewnienia współosiowości łączonych wałów, konieczne jest stosowanie sprzęgieł samonastawnych. Trudności w zapewnieniu pokrywania się osi wynikać mogą z odkształceń i zużycia, jak też niedokładności montażu. Sprzęgła samonastawne pozwalają na uniknięcie szkodliwych następstw braku wyosiowania łączonych wałów.
Względne ruchy zespołów, powodujące stałe przemieszczanie się wałów względem siebie wynikające bądź z warunków pracy maszyny, bądź z małej sztywności elementów maszyny lub fundamentu, wymagają stosowania sprzęgieł zezwalających na wzajemne przemieszczanie. Tak na przykład w układzie napędowym samochodu silnik drga poruszając się względem ramy, koła jezdne wykonują ruchy w stosunku do ramy, tym samym wszystkie elementy - silnik, wał napędowy, przekładnie, koła wykonują ruchy względne. Względne przemieszczenia czopów wałów mogą być osiowe, promieniowe i kątowe.
Dynamika przenoszenia momentu obrotowego między mechanizmem roboczym a silnikiem, nagłe włączenia obciążenia (uderzenie) lub periodyczna zmienność obciążenia na którymś z członów napędu przenosi się na inne zespoły. Połączenie zespołów sprzęgłami umożliwiającymi sprężyste odkształcenie skrętne wałów względem siebie pozwala przy właściwym doborze podatności na zmniejszenie i złagodzenie obciążeń dynamicznych. Zadanie takie spełniają sprzęgła podatne.
W niektórych urządzeniach występuje konieczność rozłączania i łączenia zespołów w trakcie ich pracy. Umożliwia to unieruchomienie zespołu roboczego bez zatrzymania silnika, przełączenie mechanizmu na inną prędkość obrotową, zmianę kierunku obrotów itp. W wielu przypadkach możliwość uruchomienia maszyny o dużej bezwładności przy pracującym silniku wymaga płynnego łączenia wałów. Taka konieczność istnieje np. w pojazdach samochodowych. Funkcje opisane wyżej spełniają sprzęgła włączalne.
W pewnych przypadkach istnieje konieczność takiego połączenia wałów, aby jeden z nich obracał się tylko w jednym kierunku. Stosuje się w tym przypadku sprzęgła jednokierunkowe.
Dla ochrony niektórych mechanizmów przed przeciążeniem stosuje się sprzęgła bezpieczeństwa. Po przekroczeniu granicznej wartości momentu następuje rozłączenie wałów.
Sprzęgła ułatwiające (lub umożliwiające) rozruch silnika przez rozłączenie jego wału i wału maszyny roboczej w czasie rozruchu noszą nazwę sprzęgieł rozruchowych.
Powyższy przegląd wskazuje na różnorodność zadań, jakie występują przy łączeniu wałów sprzęgłami. Sprzęgła mogą być różnorodnej konstrukcji, toteż liczba możliwych kombinacji jest duża. Pod względem czynnika przenoszącego napęd, sprzęgła dzielimy na mechaniczne, hydrauliczne i elektryczne. Dalszy podział może być dokonany według zasad działania, rozwiązania konstrukcyjnego, zastosowania materiałów, realizacji włączania itp.
21.2 Obciążenie sprzęgieł
W analizie obciążenia sprzęgieł, interesują nas przede wszystkim wartości maksymalne, występujące na ogół przy rozruchu zespołu ze sprzęgłem lub w czasie pracy, gdy występuje duża nierównomierność przenoszonego momentu.
Obliczenia wytrzymałościowe czy dobór sprzęgła i jego elementów przeprowadza się z uwzględnieniem momentu obliczeniowego Mo, za który przyjmuje się maksymalną wartość momentu występującego się w ciągu całego cyklu pracy sprzęgła.
Mo = K M (21.1)
gdzie: M - moment nominalny,
K - współczynnik przeciążenia.
Wartość nominalnego momentu obrotowego M, dla danej przenoszonej mocy N w koniach mechanicznych [kM] lub w kilowatach [kW] i prędkości obrotowej n w [obr/min] wynosi odpowiednio
M = 7300× [Nm] = 9920 [Nm] (21.1)
Wartość współczynnika przeciążenia K zależy od rodzaju silnika napędowego, ujętego współczynnikiem , oraz rodzaju maszyny napędzanej przez ten silnik, określonego współczynnikiem :
K = + (21.2)
Podane w tablicy 21.1 współczynniki odnoszą się do wszystkich typów sprzęgieł, przy czym mniejsze wartości przyjmuje się dla sprzęgieł podatnych, większe dla sprzęgieł niepodatnych.
Tablica 21.1
Współczynniki przeciążenia i dla sprzęgieł sztywnych.
Silnik
Silnik elektryczny
0,25
Turbina parowa, gazowa
0,30
Turbina wodna
0,50
Maszyna parowa tłokowa
0,75
Silniki spalinowe o stopniu niejednostajności ruchu < 1/100, mające:
- 6 cylindrów
0,40
- 4 cylindry
- 3 cylindry
0,60
- 2 cylindry
0,80
- 1 cylinder
1,20
Lp
Maszyna robocza
1
Przyśpieszane b. małe masy, bieg jednostajny: wentylatory, generatory elektryczne, pompy wirowe, dmuchawy rotacyjne, małe obrabiarki o ruchu obrotowym, podnośniki rzadko włączane itp.
0,9 - 1,0
2
Przyśpieszane małe masy, bieg jednostajny: sprężarki wirnikowe, duże wentylatory, pompy tłokowe o stopniu niejednostajności <1/100, transportery taśmowe, podnośniki do 120 włączeń / h, mechanizmy obrotu żurawi, maszyny tekstylne, lekkie obrabiarki do drewna i metali o ruchu obrotowym
1,1 - 1,2
3
Przyśpieszane masy średnie, bieg jednostajny: wstrząsarki, maszyny pralnicze, mieszarki, przenośniki łańcuchowe, prasy, nożyce, windy towarowe, szlifierki, dźwigi i wciągarki do 300 włączeń / h
1,3 - 1,2
4
Przyśpieszane średnie masy, silne uderzenia: odśrodkowe młoty, generatory spawalnicze, maszyny przędzalnicze, prasy do cegieł, strugarki do metali, wentylatory kopalniane, piece obrotowe, betoniarki, młoty, dźwigi i wciągarki ponad 300 włączeń / h
1,5 - 1,6
5
Przyśpieszane duże masy, silne uderzenia: brykieciarki, prasy kuźnicze, kalandry i maszyny papiernicze, pompy tłokowe z lekkim kołem zamachowym, napędy pogłębiarek czerpakowych, kruszarki kamieni, windy osobowe, młyny do cementu
2,0 - 2,5
6
Przyśpieszane duże masy, b. silne uderzenia: młyny kulowe i rurowe przemysłu cementowego, walcarki do gumy, sprężarki tłokowe bez koła zamachowego, ciężkie walcarki do metali, ciężkie urządzenia wiertnicze
2,8 - 3,5
Rys.21.2. Sprzęgło tarczowe ze śrubami luźnymi Rys.21.3. Sprzęgło kołnierzowe
21.3. Sprzęgła sztywne
Sprzęgła sztywne służą do łączenia wałów sztywnych o pokrywających się i zachowujących stałe położenie osiach geometrycznych. Nie umożliwiają przemieszczeń względnych łączonych wałów. Połączenie elementów sprzęgła między sobą oraz z wałem jest połączeniem ciernym lub cierno-kształtowym uzyskanym przez docisk elementów. Stosowane są najczęściej sprzęgła tarczowe i tulejowe.
21.3.1 Sprzęgła tarczowe
Sprzęgło tarczowe składa się z dwóch tarcz umieszczonych na czopach wałów i dociśniętych do siebie płaszczyznami czołowymi (rys.21.2). Tarcze osadzone są na wałach: skurczowo, na stożek, za pomocą klinów, wpustów lub wielowypustów. Dla środkowania tarcz stosuje się wytoczenia na czołowych płaszczyznach tarcz.
Sprzęgła tarczowe różnią się tylko sposobem połączenia kołnierzy z czopami. Kołnierze są łączone za pomocy śrub. W przypadku śrub założonych luzem (rys.21.2), moment skręcający przenoszony jest przez siły tarcia pomiędzy tarczami, a w przypadku śrub pasowanych (rys.21.3) - siły ścinania śrub. Sprzęgła tarczowe są znormalizowane (PN-66/M-85251/2). Obliczenia wytrzymałościowe sprowadzają się do wyznaczenia średnicy śrub oraz długości wpustu z warunku na naciski.
Dla śrub pasowanych, podlegających ścinaniu
(21.3)
dla śrub luźnych, obciążonych siła rozrywającą:
...
nicks0n