Sprzęgła samonastawne

Stronę tą wyświetlono już: 1412 razy

Sprzęgła samonastawne umożliwiają połączenie wałów, których osie nie pokrywają się, lub położenie końcówki jednego z wałów zmienia się w pewnym niewielkim zakresie.

Typy przesunięć osi wałów
Rys. 1
Typy przesunięć osi wałów: a) osiowe; b) promieniowe; c) kątowe.

Sprzęgło kłowe

Sprzęgło kłowe przeznaczone do pracy z przesunięciami osiowymi. Najczęściej chodzi tutaj o przesunięcia związane z rozszerzalnością cieplną wału.

Budowa i zasada działania sprzęgła kłowego
Rys. 2
Budowa i zasada działania sprzęgła kłowego: 1, 2 wał napędowy i napędzany; 3 tarcze z kłami; 4 tuleja; 5 wpusty

Sprzęgło Oldhama

Jednym z najstarszych sprzęgieł umożliwiających przenoszenie momentu obrotowego wałów przemieszczonych promieniowo jest sprzęgło Oldhama. Składa się ono z trzech głównych elementów, którymi są dwie tarcze z rowkami wpustowymi i jedna tarcza wewnętrzna (najczęściej wykonana z tworzywa sztucznego) z wypustami (tak jak pokazano to na rysunku poniżej). Zakres mimośrodu jest ograniczony i zależy od indywidualnej konstrukcji, w przypadku konstrukcji z poniższej ilustracji maksymalny dopuszczalny mimośród Mmax jest równy połowie średnicy D.

Budowa sprzęgła Oldhama
Rys. 3
Budowa sprzęgła Oldhama: 1; 2 wał napędowy i napędzany; 3 tarcze mocowane na wale; 4 tarcza wewnętrzna; 5 wpusty.

Ponieważ tarcza wewnętrzna nie jest w żaden sposób zamocowana, sprzęgła te podczas pracy przy dużych wychyleniach mogą wypadać lub ulegać drastycznemu uszkodzeniu. Mając to na uwadze wewnętrzna tacza jest wykonywana z materiału o mniejszej wytrzymałości, aby nie doprowadzać do uszkodzenia droższych elementów lub całego sprzęgła. Pomiędzy wpustami powinien być luz rzędu 0,1-0,2[mm] co zapewnić ma płynną pracę układu.

Animacja sprzęgła Oldhama.
Rys. 4
Animacja sprzęgła Oldhama.
Źródło:

Sprzęgło Cardana

Sprzęgło Cardana jest jednym z najczęściej stosowanych sprzęgieł umożliwiających przenoszenie momentu obrotowego wałów umieszczonych względem siebie pod pewnym kątem β. Wadą tego układu jest nierównomierne przenoszenie prędkości, co zwłaszcza przy dużych wartościach kąta β i wyższych prędkościach obrotowych objawia się wzrostem drgań oraz oporów ruchu. Maksymalne wychylenie β wynosi 30°.

Animacja pokazująca zasadę działania <b>sprzęgła Cardana</b>.
Rys. 5
Animacja pokazująca zasadę działania sprzęgła Cardana.
Źródło:

Prędkość kątowa ω2 wału napędzanego nie jest jednakowa jak prędkość kątowa ω1 wału napędzającego i zależy ona od przemieszczenia kątowego α1 wału napędzającego oraz kąta pochylenia osi β. Kąt obrotu wału napędzanego α2 w funkcji kątów α1 i β wyraża następujący wzór:

Z kolei zmianę przełożenia i również w funkcji zależności od kąta obrotu wału napędzającego α1 i kąta pochylenia osi wałów β przyjmuje postać następującą:

Powyższy wzór w łatwy sposób można przekształcić tak, aby uzyskać funkcję prędkości kątowej wału napędzanego ω2 w zależności od prędkości kątowej wału napędzającego ω1, kąta obrotu wału napędzającego α1 oraz kąta nachylenia osi wałów β.

Sprzęgło Cardana
Rys. 6
Sprzęgło Cardana: a) budowa: 1, 2 wał napędowy i napędzany; 3 obejmy; 4 osłona gumowa (stosowana opcjonalnie); 5) krzyżak pośredniczący w przenoszeniu momentu obrotowego; 6 tuleja łożyska panwiowego (w tym przypadku mocowana na wcisk z zagnieceniem obrzeży obejmy w celu zapobiegnięcia wypadaniu); 7 kołek mocujący na wale; b) widok sprzęgła Cardana bez przekroju dla kąta β=0°; c) widok przegubu Cardana dla kąta β = 15°.

Warto rzucić też łaskawym okiem na poniższy wykres, pokazujący jak drastycznie zmienia się chwilowa prędkość kątowa wału napędzanego ω2 w zależności od kąta wychylenia β i kąta położenia wału napędzającego α1.

Rys. 7
Wykres zmienności prędkości kątowej wału napędzanego ω2 w zależności od kąta obrotu wału α1 i dla przyjętej prędkości kątowej ω1 = 1 [obr/min].

Powyższy wykres wygenerowany został za pomocą programu wxMaxima do pliku svg za pomocą następującego kodu:

Listing 1
  1. omega1 : 1;
  2. plot2d([cos(0*%pi/180)/(1-sin(alpha1)^2*sin(0*%pi/180)^2)*omega1, cos(15*%pi/180)/(1-sin(alpha1)^2*sin(15*%pi/180)^2)*omega1,cos(30*%pi/180)/(1-sin(alpha1)^2*sin(30*%pi/180)^2)*omega1,cos(60*%pi/180)/(1-sin(alpha1)^2*sin(60*%pi/180)^2)*omega1],[alpha1,0, 2*%pi],[legend,"bata=0[deg]","beta=15[deg]", "beta=30[deg]", "bera=60[deg]"],[gnuplot_term, "svg size 500,400"], [gnuplot_out_file, "C:Predkosc_srednia.svg"]);

Z kolei plik svg został edytowany w programie Inkscape.

Jak wynika z powyższego wykresu dla kąta wychylenia β=60° wał napędowy drastycznie przyspiesza i równie drastycznie zwalnia a to tylko dla przyjętej prędkości kątowej ω1 = 1 [obr/min]. W celu częściowego wyeliminowania tego zjawiska stosuje się podwójne układy sprzęgła Cardana pokazanego na rysunku poniżej.

Przykład podwójnego sprzęgła Cardana.
Rys. 8
Przykład podwójnego sprzęgła Cardana.

W układach takich dąży się do minimalizowania długości wewnętrznej tulei sprzęgła Cardana by zmniejszyć skutki drgań powstałych przy dużych kątach β2. Poniżej pokazane zostały animacje tego typu elementów w trakcie pracy.

Animacja pokazująca zasadę działania podwójnego sprzęgła Cardana z stałym ramieniemAnimacja pokazująca zasadę działania podwójnego sprzęgła Cardana z wysuwnym ramieniem
Rys. 9
Animacja pokazująca zasadę działania podwójnego sprzęgła Cardana: a) z stałym ramieniem; b) z wysuwnym ramieniem.
Źródło:

Sprzęgło Rzeppa

Sprzęgło przenosi moment obrotowy za pośrednictwem sześciu kul poruszających się w specjalnie wykonanych w kielichu korpusu oraz w piaście rowkach. Konstrukcja ta ma wiele wad takie jak duże opory ruchu nawet przy małych wychyleniach osi co powoduje nagrzewania się mechanizmu i utratę energii, brak możliwości przenoszenia sił poosiowych - układ rozłącza się gdy zostanie obciążony siłą działającą prostopadle do osi obrotu. Układ ten przenosi równomiernie moment obrotowy z wału napędowego na wał napędzany w przeciwieństwie do pojedynczego sprzęgła Cardana, oznacza to, że wał napędowy jak i wał napędzany cały czas obracają się z taką samą prędkością kątową (dlatego sprzęgło to jest sprzęgłem synchronicznym). Dużą wadą tej konstrukcji jest niska jej trwałość.

Budowa sprzęgła Rzeppa
Rys. 10
Budowa sprzęgła Rzeppa: 1 korpus sprzęgła wraz z kielichem; 2 wał napędzany; 3 wianek utrzymujący kulki w odpowiednim położeniu; 4 piasta; 5 czasza korygująca położenie wianka a tym samym i kulek; 6 dźwignia wodząca sprzężona z czaszą; 7 kulki; 8 sprężyna; 9 łożysko panwiowe dźwigni wodzącej.

Sprzęgło Weissera

W lutym 1927 roku pan C. W. Weiss opatentował swoją własną koncepcję przegubu homokinetycznego wykorzystującego do przenoszenia momentu obrotowego cztery kule przytrzymywane przez specjalnie ukształtowane w tym celu końcówki wałów. Koncepcja z poniższego rysunku została narysowana przeze mnie na podstawie patentowych ilustracji z strony google patenst.

Budowa sprzęgła Weiiss-a
Rys. 11
Budowa sprzęgła Weiiss-a: 1 wał z wielowypustem; 2 wał z końcówką stożkową (dość dziwna koncepcja mocowania); 3, 4 widełki sprzęgła; 5 wkręcany w wał element podtrzymujący kulki; 6 kulki; 7 tuleja mocująca wał; 8 podkładka oporowa; 9 tuleja panewki ślizgowej.

Koncepcja mocowania wału 2 z powyższej ilustracji jest dość dziwaczna i w zasadzie w nowszych konstrukcjach stosuje się połączenia wielowypustowe.

Sprzęgło trójramienne

Sprzęgła tego typu charakteryzują się podobnymi cechami do cech sprzęgła Rzeppa, aczkolwiek są one o wiele trwalsze od tamtych. Różnica w konstrukcji jest jednak zasadnicza, chociaż zasada przenoszenia momentu obrotowego jest ta sama co w sprzęgłach Rzeppa, to w tym przypadku moment obrotowy przenosi trójramienne cięgno z ułożyskowanymi tulejkami o kulistej powierzchni zewnętrznej. Tuleje te pracują w kanałach wyżłobionych w kielichu wału napędowego. Sprzęgło to tak jak sprzęgło Rzeppa przenosi równomiernie moment obrotowy i tak jak sprzęgło Rzeppa przy wychyleniach osi wałów opory ruchu mimo wszystko rosną. Sprzęgło to nie jest w stanie przenosić obciążeń wzdłuż osi wałów.

Sprzęgło trójramienne
Rys. 12
Sprzęgło trójramienne: 1 wał napędzany; 2 kielich z wałem napędowym; 3 trójramiennik; 4 tuleja z sferyczną powierzchnią zewnętrzną; 5 podkładka płaska; 6 pierścień osadczy Segera; 7 łożysko igiełkowe (sam koszyk z wałeczkami).

Sprzęgło zębate

Tego typu sprzęgła umożliwiają kompensację wszystkich możliwych niewspółosiowości na raz wraz z zachowaniem pełnego przełożenia momentu obrotowego. Pod tym więc względem są one lepsze od wcześniej omawianych, jednakże nie mają one aż tak dużych możliwości wychylnych co sprzęgło Cardana. Moment obrotowy jest przenoszony za pośrednictwem zazębiających się kół zębatych jak pokazane zostało to na poniższej ilustracji a jego wartość maksymalna może zawierać się w przedziałach od 630Nm do 160kNm. Średnice wałów łączonych przez te sprzęgła zawierają się w zakresie od 20 do 280mm.

Rys. 13
Sprzęgło zębate: 1, 2 wał napędowy i napędzany; 3 tuleja z kołem zębatym; 4 korpus z kołem zębatym wewnętrznym; 5 śruba z podkładką sprężystą i nakrętką skręcająca korpus sprzęgła; 6 uszczelka; 7 wpust.

Komentarze