Podstawy budowy i eksploatacji pojazdów i maszyn Jerzy Napiórkowski, Przemysław Drożyner, Paweł Mikołajczak, Arkadiusz Rychlik, Piotr Szczyglak,

Transkrypt

1 Podstawy budowy i eksploatacji pojazdów i maszyn Jerzy Napiórkowski, Przemysław Drożyner, Paweł Mikołajczak, Arkadiusz Rychlik, Piotr Szczyglak, Krzysztof Ligier Olsztyn 2013

2 Podstawy budowy i eksploatacji pojazdów i maszyn

3 Publikacja współfinansowana przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego Projekt pn. Wzmocnienie potencjału dydaktycznego UWM w Olsztynie Człowiek najlepsza inwestycja Publikacja bezpłatna

4 Uniwersytet Warmińsko-Mazurski w Olsztynie Jerzy Napiórkowski, Przemysław Drożyner, Paweł Mikołajczak, Arkadiusz Rychlik, Piotr Szczyglak, Krzysztof Ligier Podstawy budowy i eksploatacji pojazdów i maszyn Olsztyn 2013

5 Wydawca: EXPOL, P. Rybiński, J. Dąbek, sp.j. Zespół autorów: Jerzy Napiórkowski rozdz. 3 i 4 Przemysław Drożyner rozdz. 2, 6, 9, 10 Paweł Mikołajczak rozdz. 10.3, 1 Arkadiusz Rychlik rozdz. 1 Pior Szczyglak rozdz. 5 Krzysztof Ligier rozdz. 2.4, 8, 10.4 Recenzent: prof. dr. hab. inż. Bogdan Żółtowski prof. zw. Uniwersytet Warmińsko-Mazurski w Olsztynie, 2013 Projekt okładki: Magdalena Sakwa Łamanie tekstów: Joanna Podgórska Skład, druk i oprawa: EXPOL, P. Rybiński, J. Dąbek, sp.j. ul. Brzeska 4, Włocławek tel , sekretariat@expol.home.pl ISBN

6 Spis treści Wprowadzenie Podstawy maszynoznawstwa Połączenia nierozłączne i rozłączne Połączenia spawane Połączenia lutowane/klejone Połączenia zgrzewane Połączenia wtłaczane/skurczowe Połączenia nitowane Połączenia klinowe Połączenia wpustowe i wielowypustowe Połączenia sworzniowe Połączenia kołkowe Połączenia gwintowe Połączenia rurowe Wały i osie Przekładnie Przekładnie cierne Przekładnie cięgnowe Przekładnie zębate Sprzęgła Hamulce Łożyska Układy hydrauliczne Układy pneumatyczne Silniki cieplne Pompy Sprężarki i wentylatory Silnik elektryczny Budowa pojazdu samochodowego Charakterystyka materiałów konstrukcyjnych Literatura PODSTAWY EKSPLOATACJI MASZYN I URZĄDZEŃ Definicja eksploatacji

7 2.2. Budowa systemu eksploatacji Zarządzanie eksploatacją w zakładach funkcje Charakterystyka procesu użytkowania i obsługiwania Charakterystyka procesu użytkowania Charakterystyka procesu obsługiwania Dobre praktyki eksploatacyjne Literatura TRWAŁOŚĆ I NIEZAWODNOŚĆ Podstawowe pojęcia Rodzaje uszkodzeń Wskaźniki niezawodności Niezawodność obiektów nieodnawialnych Niezawodność obiektów odnawialnych Niezawodność układów złożonych Metody zwiększania niezawodności Literatura PODSTAWY PROCESÓW ZUŻYCIOWYCH Podstawowe pojęcia z tribologii Charakterystyka warstwy wierzchniej Procesy zużycia Charakterystyka procesów zużywania Literatura MATERIAŁY EKSPLOATACYJNE Paliwa Środki smarne Płyny do układów chłodzenia Płyny do układów hamulcowych Opony pneumatyczne Literatura DIAGNOZOWANIE STANU TECHNICZNEGO MASZYN I URZĄDZEŃ Informacje wstępne Ważniejsze metody badań stanu maszyn Metody wizualne

8 Metody penetracyjne Metody magnetyczno-proszkowe Metody radiacyjne Metody ultradźwiękowe Diagnostyka termograficzna Badania produktów zużycia Diagnostyka wibroakustyczna (WA) Literatura TECHNOLOGIA NAPRAW Wprowadzenie i podstawowe definicje Proces technologiczny naprawy Przyjęcie do naprawy Przechowywanie Czyszczenie i mycie zewnętrzne Demontaż Mycie i czyszczenie części Weryfikacja części Regeneracja części Montaż Badania oraz odbiór maszyn i urządzeń po naprawie Literatura LOGISTYKA W UTRZYMANIU MASZYN Definicja logistyki Logistyka części zamiennych Klasyfikacja części zamiennych i materiałów eksploatacyjnych w aspekcie logistyki Podstawy sterowania zapasami Struktura zapasów Koszty zapasów Podstawowe modele sterowania zapasami Podstawowe techniki zarządzania łańcuchem dostaw części zamiennych i materiałów eksploatacyjnych Podsumowanie Literatura

9 9. BEZPIECZEŃSTWO TECHNICZNE Podstawowe pojęcia Analiza ryzyka w procesie eksploatacji obiektów technicznych Aspekty prawne i normatywne w budowie i eksploatacji maszyn i urządzeń Wprowadzanie na rynek wyrobów nowych Eksploatacja i utrzymanie bezpieczeństwa Literatura ZARZĄDZANIE EKSPLOATACJĄ Strategie eksploatacji maszyn i urządzeń Strategia do uszkodzenia (wg niezawodności) Strategia planowo-zapobiegawcza (wg ilości wykonanej pracy) Strategia wg stanu technicznego Strategia wg efektywności ekonomicznej Autoryzowana strategia obsługi Holistyczne strategie eksploatacji (przykłady) Wybór strategii eksploatacji Efektywność eksploatacji Wskaźniki efektywności Ocena efektywności eksploatacji wg metody OEE (Overall Equipment Effectivness) Pomiary efektywności eksploatacji wg standardu Maintenance Key Performance Indicator Zarządzanie eksploatacją Narzędzia wspierające procesy podejmowania decyzji eksploatacyjnych Statystyczna kontrola procesów Narzędzia heurystyczne Narzędzia matematyczne Systemy informatyczne wspomagające utrzymanie maszyn i urządzeń Klasyfikacja systemów informatycznych zarządzania Systemy CMMS podstawowe informacje Podstawowe funkcje systemów CMMS Czy wprowadzanie systemu CMMS jest konieczne? Podsumowanie Literatura

10 Wprowadzenie Podstawowym zadaniem procesów przemysłowych jest produkcja, która polega na przetwarzaniu dóbr przyrody w celu zaspokojenia potrzeb społeczeństwa. Produkcja odbywa się w przedsiębiorstwie, które, wykorzystując środki produkcji, posiadane technologie oraz odpowiednią kadrę, dokonuje przetworzenia zasobów na finalny produkt. Celem tych działań jest zaspokojenie potrzeb związanych z życiem i rozwojem społeczeństwa. Wytyczne do projektowania, konstrukcji i wytwarzania maszyn płyną głównie z zapotrzebowania szeroko rozumianego rynku oraz walorów eksploatacyjnych produktu. W cyklu życia maszyn czy, ujmując szerzej, obiektów technicznych, najczęściej wyróżnia się pięć faz ich istnienia. Chronologicznie są to: wartościowanie (generowanie potrzeby), konstruowanie, wytwarzanie, eksploatacja i likwidacja. W praktyce stosowanych jest wiele definicji maszyny czy też obiektu technicznego, których treści wraz ze zmianą gałęzi przemysłu mogą przybierać różne postacie. Ujednoliconą definicję maszyny wprowadziła unijna DYREKTYWA MASZYNOWA 2006/42/WE, w której za maszynę uważa się zbiór powiązanych ze sobą części lub zespołów, z których przynajmniej jedna(en) jest ruchoma(y), wraz z odpowiednimi elementami funkcjonalnymi, układami sterowania i zasilania zespolonymi w celu określonego zastosowania, w szczególności do przetwarzania, obrabiania, przemieszczania i pakowania materiałów, do napędu której wykorzystano bezpośrednio inne źródło energii niż siłę mięśni ludzkich lub zwierzęcych. W praktyce wyróżnia się następujący podział maszyn na: technologiczne wykorzystuje się je do przetwarzania surowców i półwyrobów poprzez zmianę kształtu, objętości, własności fizycznych lub chemicznych i wytworzenia w ten sposób gotowego wyrobu, np.: maszyny stolarskie, do obróbki metali, itd., transportowe służą do zmiany położenia ciał stałych, cieczy i gazów. Maszyny transportowe dzielimy na: maszyny o zasięgu nieograniczonym, maszyny o zasięgu ograniczonym. Do maszyn o zasięgu nieograniczonym zaliczamy pojazdy szynowe, pojazdy samochodowe, okręty, samoloty. Maszyny o zasięgu ograniczonym to dźwigi, przenośniki, podnośniki, windy, energetyczne wytwarzają z energii mechanicznej inne rodzaje energii, np.: prądnice, maszyny elektryczne, silniki itp., informatyczne maszyny kontrolno-sterujące oraz matematyczne; przetwarzają informacje, które na podstawie żądanego algorytmu dokonują niezbędnych operacji matematycznych, 9

11 cybernetyczne funkcjonują w oparciu o sztuczną inteligencję, np. roboty, zespoły nawigacji. Opracowanie stanowi podstawowy materiał do studiów przedmiotów: podstawy budowy i eksploatacji maszyn, niezawodność i bezpieczeństwo oraz utrzymanie ruchu na kierunku zarządzanie i inżynieria produkcji na pierwszym stopniu studiów. Jako uzupełniające może być także wykorzystane przez studentów techniki rolniczej i leśnej, mechaniki i budowy maszyn oraz inżynierii bezpieczeństwa. Autorzy mieli świadomość, że dla wielu studentów będzie to pierwszy kontakt z zagadnieniami technicznymi, w tym również terminologią techniczną. Stąd przy pisaniu zwrócono szczególną uwagę na stopniowe wdrażanie w zagadnienia podstawowych pojęć, zasad funkcjonowania podstawowych mechanizmów oraz podstaw eksploatacji. Przedstawione treści są próbą zgromadzenia i wyjaśnienia w możliwie prosty sposób pewnych zasad, metod i wytycznych postępowania w obszarze maszynoznawstwa, materiałów konstrukcyjnych oraz racjonalnej i bezpiecznej eksploatacji maszyn. Głównym zadaniem opracowania jest wykształcenie w studentach wiedzy i umiejętności w zakresie: interpretowania podstawowych pojęć z zakresu maszynoznawstwa, rozróżniania i oceny własności tworzyw konstrukcyjnych oraz eksploatacji obiektów technicznych. W podręczniku wyróżnić można dwa podstawowe aspekty działalności w inżynierii: maszynoznawstwo z materiałami konstrukcyjnymi oraz eksploatację maszyn. Maszynoznawstwo jest jedną z podstawowych dziedzin wiedzy, nauką o budowie i zasadach funkcjonowania mechanizmów. Przez mechanizm rozumiemy układ połączonych ze sobą części maszyn mogących wykonywać określony ruch w wyniku przetwarzania energii mechanicznej. Encyklopedyczna wiedza przedstawiona w tym rozdziale obejmuje charakterystykę rodzajów połączeń, podstawowych elementów konstrukcyjnych takich, jak: wały i osie, przekładnie i sprzęgła, hamulce i łożyska. W dalszej kolejności opisano układy hydrauliczne, silniki cieplne, pompy, sprężarki i wentylatory, silniki elektryczne oraz budowę klasycznego pojazdu samochodowego. Zwieńczeniem tego rozdziału są podstawowe charakterystyki materiałów tradycyjnych i tworzyw perspektywicznych w zakresie, który w zasadzie odpowiada prowadzonym zajęciom z procesów degradacji na kierunku inżynierskim w dziedzinie zarządzania i inżynierii produkcji. Jest to materiał pomocniczy w stosunku do obszernej literatury naukowej z dyscyplin wchodzących w skład tego przedmiotu (metaloznawstwo, nauki o polimerach, nanomateriałach, napoinach, materiałach ceramicznych oraz kompozytach itd.). Ma on ułatwić studentom opanowanie podstawowych informacji praktycznych z tego zakresu i nauczyć porównywania niektórych właściwości podstawowych materiałów konstrukcyjnych. Zdecydowana większość opracowania wypełniona jest treścią związaną z zagadnieniami eksploatacji maszyn. Pojęcie eksploatacji jest zagadnieniem 10

12 interdyscyplinarnym. Obejmuje ono organizacyjne, techniczne, ekologiczne, ekonomiczne i społeczne zagadnienia związane z działaniem ludzi i maszyn. W ujęciu inżynierskim eksploatacja to zespół czynności obejmujących planowanie, użytkowanie, obsługiwanie, diagnozowanie, przechowywanie i inne przedsięwzięcia mające na celu użyteczne i bezpieczne wykorzystanie maszyn. Podstawowe w eksploatacji są zagadnienia degradacji i niezawodności maszyn, które można kształtować poprzez poznanie mechanizmów ich powstawania i przeciwdziałanie na etapie konstruowania, produkcji i eksploatacji. Zakres przedstawionej w opracowaniu wiedzy obejmuje charakterystykę: podstawowych pojęć dotyczących eksploatacji maszyn, podstaw eksploatacji maszyn w ujęciu systemowym typowych podsystemów eksploatacji, metod badania i oceny niezawodności, jakości i trwałości maszyn, zasad analizy danych eksploatacyjnych, warstwy wierzchniej, przyczyn uszkodzeń oraz procesów zużyciowych, materiałów eksploatacyjnych, metod diagnozowania i rozpoznawania stanu technicznego maszyn, organizacji procesów obsługowych, procesów technologicznych napraw i regeneracji, działań logistycznych, w tym planowania zasobów części zamiennych, zagadnień bezpieczeństwa maszyn, strategii eksploatacji, zarządzania eksploatacją i oceny jej efektywności. Autorzy są świadomi kompromisu między formą, treścią i terminologią, jaki trzeba było zawrzeć przy tworzeniu tego opracowania. Kompromisu, który był niezbędny, aby w stosunkowo łatwy i przystępny sposób przekazać często trudne i skomplikowane zagadnienia i problemy techniczne. Dlatego też Autorzy będą wdzięczni za wszelkie uwagi, które pozwolą udoskonalić treść przedstawionego materiału w następnych wydaniach. Jerzy Napiórkowski 11

13 Niniejsza publikacja została przygotowana i wydana w ramach projektu pn. Wzmocnienie potencjału dydaktycznego UWM w Olsztynie współfinansowanego ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego w ramach Programu Operacyjnego Kapitał Ludzki, realizowanego przez Uniwersytet Warmińsko-Mazurski w Olsztynie. Prezentowane opracowanie zostało przygotowane w celu realizacji zajęć na nowym kierunku studiów Zarządzanie i Inżynieria Produkcji, specjalność Zarządzanie innowacjami, utworzonym w ramach ww. projektu na Wydziale Nauk Ekonomicznych

14 1. Podstawy maszynoznawstwa 1.1. Połączenia nierozłączne i rozłączne Każda maszyna, urządzenie lub mechanizm składa się z pewnej ściśle określonej liczby części składowych, które nazywamy częściami lub elementami maszyn. Wśród tych części składowych wyróżnić możemy całe grupy elementów, które stanowią zespoły połączeń, łożyskowań oraz napędów maszyn [6]. Połączenia części maszyn dzielimy na nierozłączne, w których części złączone lub łączone (łączniki) ulegają uszkodzeniu w wyniku rozłączenia, oraz rozłączne, które można rozłączyć i łączyć ponownie, bez uszkodzenia części łączonych i łączących. Do połączeń nierozłącznych zaliczamy połączenia: spawane, lutowane, klejone, zgrzewane, wtłaczane/skurczowe, nitowane. Z kolei do połączeń rozłącznych zaliczamy połączenia takie, jak: klinowe, wpustowe, sworzniowe, kołkowe, gwintowane, sprężyste, rurowe Połączenia spawane Spawaniem nazywany proces łączenia metali przez ich miejscowe stopienie z dodawaniem lub bez dodawania spoiwa. Spawanie jest jednym z najczęściej stosowanych sposobów łączenia metali. Ze względu na swoje zalety (łatwość realizacji procesu, duża wytrzymałość, niskie koszty itd.) wypiera ono w szybkim tempie inne łączenie, np. za pomocą nitów, z wszelkiego rodzaju konstrukcji. Rozróżnia się dwie metody spawania: spawanie gazowe (w płomieniu gazowym najczęściej acetylenowym o temperaturze płomienia do 3200 C), stosowane do łączenia blach stalowych o grubości 0,4 40 mm, 13

15 spawanie elektryczne (temp C) stosowanie do łączenia materiałów o grubości do 80 mm. W obu metodach spoiwem może być drut spawalniczy, który, w zależności od rodzaju spawania, zaopatrzony może być w specjalną otulinę (tzw. elektroda) lub gaz ochronny przeznaczony do ochrony wykonywanej spoiny. Spawanie gazowe Spawanie gazowe jest najstarszą metodą spawalniczą i nazywane jest spawaniem autogenicznym. Materiał stapiany jest płomieniem palnika (rys. 1.1) Materiał dodatkowy (spoiwo) doprowadza się oddzielnie. Do zasilania palnika spawalniczego w gaz służą przewody giętkie podłączone do reduktorów ciśnienia, zamontowane na butlach wypełnionych acetylenem i tlenem. W palniku za pomocą zaworu, ustawia się mieszaninę gazową. Dyszę palnika dobiera się w zależności od grubości łączonych blach. Prawidłowo ustawiony palnik tworzy ostry stożek płomienia. Rys Widok ogólny procesu spawania gazowego części. Spawanie łukowe Spawanie łukowe w osłonie gazów ochronnych (rys. 1.2) realizowane jest za pomocą prądu elektrycznego wytwarzającego łuk elektryczny, który stapia materiał. Stapiająca się elektroda jest automatycznie podawana do miejsca spawania. Elektroda stanowi biegun dodatni, natomiast spawany przedmiot, również połączony przewodem ze spawarką, biegun ujemy. W celu polepszenia jakości przetopu i estetyki spoiny stosuje się gaz ochronny. Łuk elektryczny i ciekły metal chronione są przed tlenem w powietrzu przez doprowadzony gaz ochrony, np. CO 2. Ta technika nazywa się spawaniem metali za pomocą gazu aktywnego metodą MAG, ponieważ gaz uczestniczy w procesie spawania. 14

16 Rys Spawanie łukowe metali w osłonie gazów ochronnych. Do spawania stali szlachetnych, aluminium i materiałów miedzianych stosowany jest gaz ochronny w postaci argonu. Ta metoda nazywa się spawaniem metali w ochronie gazu obojętnego (metodą MIG). Złącze spawane i spoina Spoina łączy części metalowe, tworząc złącze spawane. Przykładowe kształty spoiny oraz jej oznakowanie przedstawiono na rys Rys Kształty spoin oraz ich oznakowanie Połączenia lutowane/klejone Połączenie lutowane Połączenie lutowane jest bezpośrednim i nierozłącznym sposobem łączenia elementów. Stopiony materiał dodatkowy (lut) łączy części pozostające w stanie stałym. W praktyce stosuje się głównie lutowanie lutownicą wyposażoną w elektrycznie nagrzewany miedziany grot i lutowanie płomieniem, wykorzystujące płomień gazowy do rozgrzania łączonych elementów (rys. 1.4). 15

17 a) b) Rys Lutowanie lutownicą (a) i lutowanie płomieniem (b). Metody lutowania podzielone są wg temperatury lutu. Wyróżnia się: lutowanie miękkie odbywa się w temperaturze do 450ºC za pomocą specjalnych lutów i topników (np. kalafonia), dając szczelne połączenie oraz złącze o właściwościach elektrycznego przewodzenia; tego rodzaju metoda lutowania stosowana jest między innymi w elektrotechnice, instalacji rur miedzianych, blacharstwie itd., lutowanie twarde realizowane jest w temperaturze powyżej 450ºC, gdzie przy użyciu odpowiednich lutów i topników (np. związki boru) uzyskuje się złączeń o podwyższonej wytrzymałości mechanicznej; lutowanie twarde znajduje zastosowanie w lutowaniu płytek węglików spiekanych w narzędziach skrawających, łączeniu stali i jej stopów z miedzią, niklem i stopami niklu dla połączeń o dużych wymaganiach wytrzymałościowych i trwałościowych narażonych na działanie wysokich temperatur. Połączenia klejone Klejenie jest to połączenie metali za pomocą substancji zwanej klejem. Polega ono na rozprowadzeniu cienkiej warstwy substancji klejącej na uprzednio przygotowanej powierzchni. Klejenie jest nowoczesną technologią łączenia elementów maszyn. Rozwój tej technologii związany jest z produkcją nowych klejów o lepszych własnościach oraz z rozwojem badań wyjaśniających własności klejów i połączeń klejonych. Głównym procesem klejenia jest oczyszczenie powierzchni metodami chemicznymi lub mechanicznymi. Powierzchnie łączone powinny być wolne od zanieczyszczeń i dokładnie rozwinięte, aby szczelnie do siebie przystawały. Złe oczyszczenie znacznie zmniejsza wytrzymałość połączenia. Powierzchnie łączone przygotowuje się najpierw mechanicznie, a następnie chemiczne. Przygotowanie mechaniczne ma na celu usunięcie zanieczyszczeń znajdujących się na powierzchni łączonych materiałów, jak na przykład rdzy. Przygotowanie che- 16

18 miczne polega na wytrawieniu/odtłuszczeniu powierzchni łączonych, aby zwiększyć zwilżalność łączonych materiałów. Niektóre kleje są dwu lub więcej składnikowe, wówczas masę klejącą uzyskuje się przez wymieszanie ich w odpowiednich proporcjach. Z kolei w przypadku gdy mamy do czynienia z klejami termoutwardzalnymi, należy substancję ciekłą połączyć z utwardzaczem. Przygotowanie innych rodzajów klejów polega na rozpuszczeniu suchego kleju w rozpuszczalniku lub podgrzaniu go do temperatury, w której staje się ciekły. Zalety połączeń klejonych: wykorzystanie pełnej wytrzymałości materiałów łączonych, ponieważ warstwa kleju nie wywołuje naprężeń w materiale i nie osłabia części łączonych, uzyskanie zestawu elementów o nienaruszonej powierzchni (bez otworów), równomierne rozłożenie naprężeń na całej powierzchni złącza, odporność połączeń na korozję, zdolność tłumienia drgań, szczelność złącza klej odgrywa rolę uszczelki, możliwość łączenia dowolnych materiałów. Wady połączeń klejonych: możliwość rozwarstwienia połączenia pod wpływem obciążeń, względnie mała odporność klejów na zmiany temperatury, długi czas utwardzania większości klejów, spadek wytrzymałości połączenia wraz z upływem czasu, spowodowany starzeniem się kleju, stosunkowo mała wytrzymałość w porównaniu z innymi rodzajami połączeń nierozłącznych Połączenia zgrzewane Połączenia zgrzewane należą do grupy połączeń nierozłącznych i bezpośrednich. Zgrzewanie polega na doprowadzeniu łączonych fragmentów elementów do stanu plastyczności i ich mechanicznym dociśnięciu. Ogólnie metody zgrzewania można podzielić na dwie grupy. Zgrzewanie punktowe (RP) (rys. 1.5a) charakteryzuje się tym, że elektrody (1) do zgrzewania przenoszą prąd (4) (źródło ciepła) i siłę (docisk łączonych elementów). Prąd elektryczny w miejscu oporu (styku dwóch metali) zamienia się w ciepło podgrzewające materiał (2), a docisk powoduje jego zgrzanie (3) (trwałe połączenie). Zgrzewanie punktowe stosowane jest przy produkcji karoserii samochodowych, ram pojazdów, itd. Zgrzewanie tarciowe (FR) (rys. 1.5b) przedmiot obrabiany jest dociskany i obracany względem zamocowanego tak długo, aż wytworzone ciepło wystarczy 17

19 do powstania połączenia. W ten sposób łączone są elementy narażone na działanie wysokich temperatur, a połączenie ich metodami spawalniczymi nie jest możliwe. Zgrzewanie tarciowe stosowane jest np. do łączenia trzonka i grzybka zaworów wydechowych silników spalinowych. a) b) Rys Metody zgrzewania elementów maszyn: a) zgrzewanie punktowe, b) zgrzewanie tarciowe Połączenia wtłaczane/skurczowe Są to połączenia siłowe tylko warunkowo rozłączne. Ponieważ średnica otworu jest mniejsza niż wałka, jest to połączenie wtłaczane. Ze względu na tarcie statyczne występujące pomiędzy wałkiem i nałożoną na niego piastą, tego typu połączenia mogą przenosić duże siły osiowe i promieniowe. Ze względu na sposób przygotowania i przeprowadzenia połączenia, dzieli się je na następujące rodzaje: wtłaczane część wewnętrzna i zewnętrzna są łączone przez wtłaczania osiowe za pomocą młotka lub prasy; tego typu połączenie jest stosowane przy montażu tulei metalowo-gumowych w zawieszeniach pojazdów, osadzeniu łożysk tocznych na piastach lub w korpusach itd., połączenia na gorąco część zewnętrzna po podgrzaniu nasuwana jest na cześć wewnętrzną, ponieważ w wyniku podgrzania część zewnętrzna rozszerza się, zwiększając swoje wymiary; w wyniku takiego zjawiska nie jest wymagana duża siła do wtłoczenia (umieszczenia) części względem siebie, ponadto po ostygnięciu elementów uzyskuje się dużą wytrzymałość połączenia; części podgrzewane są za pomocą płyty grzejnej, palnika lub kąpieli olejowej; połączenie tego typu ma zastosowanie do łączenia wałka z piastą dla niedużych układów napędowych, np.: piasta napędu sprężarki klimatyzacji w pojazdach samochodowych, piasta pompy wody małej mocy itd., 18

20 połączenia przez oziębianie (połączenie skurczowe) w tym celu część wewnętrzna jest schładzana suchym lodem lub płynnym azotem, zatem nie występuje zjawisko utleniania powierzchni; połączenie przez oziębianie polega na zmianie (pomniejszeniu) wymiaru poprzez chłodzenie i jest stosowane np. do osadzania gniazd zaworowych (w pierścienicach gniazda zaworu) czy łożysk nośnych piasty koła. Jakkolwiek wyżej omawiane rodzaje połączeń zaliczane są do grupy połączeń nierozłącznych, to jednak w wielu przypadkach można je (zwłaszcza połączenia wtłaczane) rozłączać i łączyć kilkakrotnie, bez uszkodzenia części łączonych Połączenia nitowane Połączenie nitowane są nierozłączne. Nity wytwarza się ze stali, miedzi, mosiądzu i aluminium. Elementami łączącymi w tego typu połączeniach są nity, które składają się z łba, trzona (szyjki) i zakuwki. Nity stalowe o średnicy poniżej 10 mm zamyka się na zimno (zakuwa) i uzyskuje się w ten sposób połączenie kształtowe. Nity powyżej 10 mm są zamykane na gorąco, gdzie w wyniku stygnięcia powstaje skurcz temperaturowy powodujący, ogólnie mówiąc, zwiększenie wytrzymałości tego rodzaju połączenia. Zamykanie nita może odbywać się ręcznie (młotkami), półręcznie (za pomocą młotków pneumatycznych albo elektrycznie) lub maszynowo za pomocą nitownic hydraulicznych. Na rys 1.6 przedstawiono podstawowe rodzaje nitów stosowanych w budowie maszyn. Rys Przegląd podstawowych rodzajów nitów stosowanych w budowie maszyn [11]. 19

21 Połączenia klinowe Połączenia klinowe należą do połączeń rozłącznych spoczynkowych, tzn., że części połączone nie mogą zmieniać wzajemnego położenia. Połączenie klinowe polega na łączeniu części maszyn przy pomocy klinów. Klinami nazywamy części maszynowe posiadające dwie przeciwległe powierzchnie pochylone względem siebie pod pewnym kątem, zwanym kątem rozwarcia klina. Kliny dzielimy na wzdłużne, poprzeczne i nastawcze. Kliny wzdłużne (rys. 1.7a) służą głownie do łączenia piasty z wałem i mogą występować w wykonaniu ściętym (rys. 1.7b) lub zaokrąglonym (rys. 1.7c) oraz noskowe (rys. 1.7a). W połączeniach lekkich stosuje się niekiedy kliny płaskie (rys. 1.7g), a nawet wklęsłe (rys. 1.7h), zaś w połączeniach ciężkich, przenoszących znaczne momenty skręcające zmienne co do kierunku, należy stosować kliny styczne (rys. 1.7f). Kliny poprzeczne (rys. 1.7d) stosowane są zwykle do łączenia wałów przy pomocy tulei złącznej lub gniazda w jednym z wałów. Często spotyka się połączenie klinowe stożkowe, przedstawione na rys. 1.7d. Kliny nastawcze (rys. 1.7e) służą do ustalania wzajemnego położenia nastawnych części mechanizmów. Na rys 1.7 przedstawiono główne rodzaje połączeń klinowych. Rys Rodzaje połączeń klinowych: a) klin noskowy, b) klin wzdłużny wpuszczany ścięty, c) klin wzdłużny wpuszczany zaokrąglony, d) klin stożkowy, e) klin nastawczy, f) klin styczny, g) klin płaski, h) klin wklęsły [8] Połączenia wpustowe i wielowypustowe Połączenia wpustowe Wpustami nazywamy części łączące podobne do klinów wzdłużnych, lecz nieposiadających pochylenia (rys. 1.8). Służą one (tak jak kliny) głownie do łączenia wałów z piastami nakładanych na nie części. Wpusty osadzane są w rowkach 20

22 wałów ciasno i mogą być do wałów przymocowywane wkrętami (tzw. wpusty otworowe). Rys Połączenie dwóch wałów za pomocą wpustów z wykorzystaniem tulei łączącej. Najczęściej spotyka się następujące odmiany wpustów: a) wpusty pryzmatyczne ścięte, pełne lub otworowe, b) wpusty pryzmatyczne zaokrąglone (rys 1.8), pełne lub otworowe, c) wpusty czółenkowe (Woodruffa). Połączenia wielowypustowe Połączenie wielowypustowe (wielokarbowe) połączenie rozłączne ruchowe bez elementów pośredniczących, używane do osadzania piast na wałach. Ponieważ rowki pod wpusty osłabiają wał, coraz częściej stosowane są (nieposiadające tych wad) połączenia wielowypustowe. Z tego powodu stosowane są w bardziej odpowiedzialnych zastosowaniach. W połączeniu wielowpustowym na wałku nacięte są rowki, a piasta jest ukształtowana tak, by do nich pasowała. Połączenie wielowpustowe jest trudniejsze do wykonania niż wpustowe. W zależności od kształtu powierzchni czopa wyróżnia się następujące rodzaje połączeń: wielowypustowe (rys. 1.9a), wieloboczne (wielokarbowe) (rys. 1.9b). Na rys 1.9 przedstawiono piastę wielowypustową (rys 1.9a) i piastę-wał, łączoną za pomocą połączenia wielokarbowego (rys. 1.9b). 21

23 a) b) Rys Przykładowe rodzaje połączeń kształtowych: a) połączenie wielowypustowe, b) połączenie wielokarbowe Połączenia sworzniowe Sworznie są to krótkie wałki służące zwykle do tworzenia połączeń przegubowych (par kinematycznych). Sworzeń jest zwykle unieruchomiony w jednej z łączonych części przez wcisk lub zabezpieczony kołkiem albo zawleczką. Sworznie są wykonywane jako: walcowe (pełne i drążone) oraz kształtowe z łbem lub bez łba. Na rys przedstawiono typowe połączenie sworzniowe, tworzące przegub walcowy. Rys Połączenie sworzniowe tworzące przegub walcowy Połączenia kołkowe Połączenia kołkowe są to połączenia realizowane za pomocą elementów konstrukcyjnych o kształcie walca lub stożka nazywanych kołkami. Rozróżnia się: kołki złączne przeznaczone do łączenia części mechanicznych, kołki ustalające przeznaczone do ustalania wzajemnego położenia części mechanicznych, kołki prowadzące pełniące rolę elementów prowadzących w parach kinematycznych. 22

24 Na rys przedstawiono połączenie piasty z wałem za pomocą kołka złącznego. Rys Połączenia konstrukcyjne przy pomocy kołków złącznych Połączenia gwintowe Połączenie gwintowe połączenie rozłączne spoczynkowe, w którym elementem łączącym są gwintowane łączniki: śruba z nakrętką lub wkręt. W skład połączenia gwintowego wchodzą także elementy pomocnicze, takie jak podkładki i zawleczki. Zadaniem podkładek jest ochrona elementów złącza przed zadrapaniem w czasie dokręcania łącznika oraz niekiedy wraz z zawleczką zabezpieczanie przed samoczynnym odkręcaniem się nakrętki. Ze względu na rodzaj użytego łącznika, połączenia gwintowe dzielą się na połączenia śrubowe i wkrętowe. Połączenia śrubowe w tego rodzaju połączeniach (rys. 1.12) śruba (1) i nakrętka (2) łączą dwa lub więcej elementów (3). Elementy te w miejscu łączenia są przewiercane tak, by otwór mieścił śrubę z pasowaniem luźnym. Śruba w takim połączeniu może przenosić tylko obciążenia osiowe, np. jeżeli elementy połączenia są od siebie w sposób naturalny odciągane (pokrywa koła połączona z jego korpusem). Nakrętka w takim połączeniu dokręcana jest na tyle mocno, by zapewnić integralność połączenia, gdy nie jest ono obciążone. Rys Połączenie śrubowe: 1 śruba, 2 nakrętka, 3 łączone elementy. 23

25 Połączenie za pomocą wkrętu jest to łącznik w połączeniu gwintowym dociskowym. W wielu konstrukcjach zastępuje połączenia śrubowe (prostszy i tańszy w wykonaniu lecz o mniejszej wytrzymałości mechanicznej i trwałościowej). Wkręt w porównaniu do śruby różni się sposobem utwierdzenia, kształtem i typem łba (śruby nie posiadają nacięcia na łbach). Na rys przedstawiono kształty łbów przykładowych wkrętów. Rys Kształty łbów wkrętów: a) walcowy płaski, b) walcowy soczewkowy, c) stożkowy płaski, d) stożkowy soczewkowy, e) kulisty, f) bez łba. Nacięcie we łbie wkręta pod wkrętak może mieć kształt: g) prosty, h) krzyżowy (Phillips, Pozidriv), i) kwadratowy, j) sześciokątny (inbusowy), k) ośmiokątny [6]. Śruba jest jednym z elementów połączenia śrubowego. W budowie maszyn łączniki te znajdują różnorakie zastosowanie, dlatego też występują w wielu odmianach. Śruby różnią się między sobą wielkością, kształtem łba, trzpieniem oraz zakończeniem. Nakrętka łącznik w połączeniu śrubowym (rys. 1.14). Jest pierścieniem z naciętym na całej długości otworu gwintem. Nakręcana jest na wolny koniec trzonu śruby zgodnie z wymaganiami montażowymi. Rys Kształt i postacie nakrętek: a) sześciokątne, b) koronowe, c) czworokątne, d) okrągłe otworowe, e) okrągłe rowkowe, f) skrzydełkowe, g) radełkowe [6]. Gwint to śrubowe nacięcie na powierzchni walcowej, zewnętrznej lub wewnętrznej. Komplementarne gwinty, wewnętrzny i zewnętrzny, mają tak 24

26 dobrany kształt, że dokładnie pasują do siebie. Ruch obrotowy elementu z gwintem zewnętrznym powoduje przesuwanie się tego elementu względem elementu z gwintem wewnętrznym. Gwint może być interpretowany jako równia pochyła nawinięta na powierzchnię walcową. W związku z tym zjawiska zachodzące w połączeniu gwintowym są identyczne jak na równi pochyłej, dlatego też śrubę zalicza się wraz z równią pochyłą do maszyn prostych. Podstawowe parametry gwintu walcowego średnica gwintu d: jest to średnica okręgu opisanego na zewnętrznych wierzchołkach gwintu w prostopadłym przekroju poprzecznym śruby. Średnica ta odpowiada średnicy wewnętrznej D nakrętki, skok gwintu P: odległość pomiędzy wierzchołkami gwintu w przekroju wzdłużnym śruby lub nakrętki, zaokrąglenie szczytu i dna bruzdy gwintu R: w gwintach trójkątnych unika się pozostawiania zarówno ostrych krawędzi szczytu gwintu jak i bruzdy gwintu, gdyż powoduje to spiętrzenie naprężeń w obszarze takiego karbu. Zależnie do zarysu gwintu w płaszczyźnie przechodzącej prze jego oś rozróżniamy gwinty: trójkątne, trapezowe, okrągłe o skoku metrycznym lub calowym. Najczęściej spotykany jest gwint trójkątny. Gwint może być prawy lub lewy zależnie od kierunku przebiegu zwoju. Rys Wybrane parametry geometryczne gwintu metrycznego o zarysie trójkąty oraz trapezowym: P skok gwintu, d średnica gwintu Połączenia rurowe Połączenie rurowe przewody rurowe połączone łącznikami (złączki, kolanka, łuki, trójniki itd.) oraz zaworami, przez które przesyłany jest czynnik roboczy (ciecze, gazy, opary). Dzielimy je na (rys. 1.16): a) gwintowe stosowane są w przewodach wodnych, parowych i gazowych o niewielkiej średnicy i przy niskich i średnich ciśnieniach oraz w przewodach 25

27 wiertniczych. Ich uszczelnienie stanowią konopie owijane na gwincie i minia z pokostem lub taśma teflonowa. Gwinty zewnętrzne mogą być walcowe lub stożkowe, gwinty w otworach tylko walcowe. Należą do łatwo rozłączalnych, b) kielichowe są stosowane przy niskich ciśnieniach. Polegają na włożeniu końca jednej rury (czopa) do drugiej rury (kielicha). Uszczelnienie odbywa się przy pomocy sznura smołowego i smoły (przewody ściekowe) lub ołowiu obecnie do uszczelnienia wykorzystywana jest uszczelka gumowa lub silikonowa. Połączenie te nie mogą przenosić obciążeń wzdłużnych, c) kołnierzowe są stosowane przy wysokich ciśnieniach. Kołnierze mogą być stałe lub luźne, nakładane na występ wylotu rury. Materiałem uszczelniającym złącza, zależnie od rodzaju przewodzonej cieczy lub gazu, może być guma, tektura, tkaniny, miękkie metale, tworzywa sztuczne. a) b) c) Rys Powszechne połączenia rurowe: a) gwintowe, b) kielichowe, c) kołnierzowe Wały i osie Osią lub wałem nazywa się element maszyny podparty w łożyskach i podtrzymujący osadzone na nim części maszyn, które wykonują ruchy obrotowe lub wahadłowe (rys. 1.17). Głównym zadaniem wału jest przenoszenie momentu obrotowego, zatem wał narażony jest jednocześnie na skręcanie oraz pod wpływem sił poprzecznych na zginanie. W niektórych przypadkach wał może być narażony tylko na skręcanie. Oś nie przenosi momentu obrotowego i jest narażona tylko na zginanie. Oś może być nieruchoma, utwierdzona w miejscu podparcia lub ruchoma, osadzona w łożyskach. Oś nieruchomą mocuje się w podporach za pomocą połączeń wpustowych, gwintowych itp. Krótką oś nazywa się czasami sworzniem. Zarówno osie, jak i wały mogą być dodatkowo obciążone siłą poosiową, np. gdy elementami osadzonymi na nich są koła zębate skośne lub stożkowe. 26

28 Rys Schematy osi i wału: a,b) wału, c) osi nieruchomej, d) osi ruchomej [8]. Rodzaje osi i wałów Osie i wały sztywne są to pręty o przekroju okrągłym albo sześciokątnym, lub innym. Różnią się osie i wały gładkie o prawie niezmiennym przekroju na całej długości oraz schodkowe o zmiennych przekrojach, dostosowanych do obciążenia i funkcji osi lub wału. Osie z reguły są proste, natomiast wały mogą być proste lub wykorbione (rys. 1.17). W niektórych urządzeniach stosuje się wały giętkie, służące do przenoszenia napędu na elementy wykonujące ruchy przestrzenne względem źródła napędu. Zależnie od liczby łożysk, będących podporami wałów, rozróżnia się wały jedno, dwu i wielopodporowe. W zależności od spełnianych funkcji wału często stosuje się nazwy: wał główny pomocniczy rozrządczy itp. Wały mogą być pełne lub drążone. Wały drążone stosuje się w celu zmniejszenia ciężaru konstrukcji. Rys Rodzaje wałów i osi: a) wał gładki, b, c) wały schodkowe, d) wał wykorbiony, e) oś nieruchoma [8]. Czopami nazywa się odcinki osi lub wału, których powierzchnie stykają się ze współpracującymi elementami: łożyskami, kołami zębatymi itp. Rozróżnia się czopy ruchowe i spoczynkowe. Czopy ruchowe współpracują z panewkami łożysk ślizgowych, z kołami przesuwnymi lub obracającymi się względem nieruchomej osi, natomiast czopy spoczynkowe współpracują z elementami osadzonymi na stałe względem wału i obracającymi się wraz z nim. 27

29 1.3. Przekładnie Przekładnią nazywamy urządzenie służące do przenoszenia ruchu z silnika na maszynę roboczą. W każdym układzie przenoszenia napędu (momentu obrotowego) wyróżniamy pewne elementy, które decydują bezpośrednio o charakterze i wielkości przenoszonego ruchu. Zespół tych elementów nazywamy przekładnią, np.: koła pasowe połączone pasem, zazębiające się dwa koła zębate itd. Element przekładni, zwany napędzającym, przekazuje prędkość obrotową silnika w sposób bezpośredni lub pośredni elementowi napędzanemu. Rozróżnia się więc koła napędzające (czynne) i napędzane (bierne). Przełożeniem przekładni i nazywa się stosunek prędkości obrotowych n 2 koła napędzanego do prędkości n 1 koła napędzającego. W zależności od wartości przełożenia rozróżnia się następujące rodzaje przekładni: 1. reduktory (przekładnie zwalniające i>1), w których prędkość kątowa koła biernego jest mniejsza od prędkości kątowej koła czynnego, 2. multiplikatory (przekładnie przyspieszające, i<1), w których prędkość kątowa koła biernego jest większa od prędkości kątowej koła czynnego. W zależności od konstrukcji elementów roboczych przekładni wyróżnia się następujące rodzaje przekładni mechanicznych: cierne, pasowe, łańcuchowe, przekładnie zębate itd. (rys 1.19) Przekładnie cierne Przekładnie cierne przenoszą ruch obrotowy jednego koła na drugi dzięki sile tarcia, wywołującej dociskanie obu kół do siebie bezpośrednio lub przez część pośredniczącą. Rozróżnia się przekładnie cierne o stałym przełożeniu, zmiennym w sposób ciągły lub płynny. Sprawność takich przekładni waha się w granicach 85 92%. Mają one obecnie zastosowanie w drobnych urządzeniach AGD i drukarskich (mechanizm podajnika papieru do drukarki) Przekładnie cięgnowe Tego typu przekładnie charakteryzują się tym, że ruch przenoszony jest z jednego koła na drugi za pośrednictwem cięgna. W zależności od rodzaju cięgna, którym może być pas, lina lub łańcuch, rozróżniamy przekładnie: przekładnia pasowa ruch przenoszony jest z jednego koła na drugie dzięki tarciu pasa o koła. Ze względu na kształt pasa napędowego rozróżnia się pasy: płaskie, klinowe, zębate, rowkowe. Ponieważ pasy w wyniku eksploatacji rozciągają się, przekładnie tego typu posiadają koła napinające w celu niwelacji efektu wydłużenia pasa. Tego typu przekładnie stosowane są np.: do napędu 28

30 alternatora w silnikach spalinowych (pasek płaski lub klinowy), napędu wałka rozrządu (pasek zębaty) itd., przekładnie linowe ruch roboczy przekazywany jest za pomocą liny włókiennej lub stalowej, prowadzonej w rowkach kół. Tego typu przekładnie stosowane są głownie przy dużych odległościach kół napędowych, np.: windy, wyciągarki na stokach, przekładnie łańcuchowe jako cięgno tej przekładni stosowany jest łańcuch drabinkowy lub zębaty. Wielkość łańcucha określana jest podziałką odległości dwóch sąsiednich ogniw i wyrażona jest w calach. Konstrukcja zarysu zęba koła łańcuchowego uzależniona jest od przełożenia i podziałki łańcucha. Przekładnie tego typu stosuje się, gdy pożądana jest niezmienność przełożenia i gdy ze względu na duże odległości nie można zastosować przekładni zębatej. Tego typu przekładnia spotykana jest, np.: w układzie napędowym roweru, przenośnikach, w układach rozrządu silników spalinowych (układ silnika typu V). Rys Rodzaje przekładni mechanicznych: a) cierna, b) pasowa, c) łańcuchowa, d-g) przekładnie zębate (d walcowa, e stożkowa, f planetarna, g ślimakowa) [5]. 29

31 Przekładnie zębate Przekładnią zębatą pojedynczą nazywa się mechanizm utworzony z dwóch kół zębatych, mogących przenieść ruch dzięki wzajemnemu zazębieniu się ich zębów. Główne rodzaje przekładni zębatych przedstawiona na rys Przekładnie zębate nazywają się podobnie jak koła, z których się składają, np.: przekładnia stożkowa składa się z dwóch kół stożkowych itd. Rys Rodzaje przekładni zębatych: a-d) walcowa, e) zębatkowa, f-h) stożkowa, i) śrubowa, j) ślimakowa [8]. Przedstawione na rys 1.20 przekładnie są przekładniami pojedynczymi (jednostopniowymi). Z przekładni pojedynczych są tworzone przekładnie złożone. W zależności od ustawienia przekładni pojedynczych przekładnie złożone dzieli się na: wielostopniowe z szeregowym ustawieniem przekładni pojedynczych, wielorzędowe z równoległym ustawieniem przekładni pojedynczych. 30

32 Przekładnie zębate znajdują szerokie zastosowanie we wszystkich dziedzinach techniki i stanowią obecnie najliczniejszą i najbardziej rozpowszechnioną grupę przekładni mechanicznych. W stosunku do innych przekładni mechanicznych przekładnie zębate mają m.in. następujące zalety: stałość przełożenia, wysoką sprawność (95 99%), zwartą konstrukcję, trwałość i niezawodność w działaniu Sprzęgła Sprzęgłem nazywamy zespół elementów, służący do połączenia dwóch obrotowo niezależnie osadzonych elementów maszyny (najczęściej wałów): czynnego i biernego, tzn. napędzanego i napędzającego, o osiach leżących na wspólnej prostej (sprzęgła poste) lub przecinających się pod kątem ostrym (sprzęgła przegubowe), w celu przeniesienia momentu i ruchu obrotowego, przy zachowaniu równości średnich momentów obrotowych w elemencie czynnym i biernym. Na rys przedstawiono podział sprzęgieł wg cech funkcjonalno-konstrukcyjnych. Rys Klasyfikacja sprzęgieł wg cech funkcjonalno-konstrukcyjnych. W skład sprzęgieł wchodzi szereg prostszych elementów, jak różnego rodzaju połączenia czopa z piastą (wpusty, kliny, kołki), łączniki śrubowe, nity, sprężyny, zęby, łańcuchy itp. Przykładem sprzęgła sztywnego może być sprzęgło tarczowe. Poszczególne rodzaje sprzęgieł są używane do określonych celów. W przypadku, gdy nie ma potrzeby szybkiego złączania i rozłączania części czynnej i biernej sprzęgła, są stosowane sprzęgła nierozłączne. Sprzęgła sztywne (rys. 1.22) służą do łączenia dokładnie współosiowych wałów w jedną giętnie i skrętnie sztywną całość. Sprzęgła luźne proste służą do łączenia wałów przy nieznacznym braku współosiowości, kompensują poprzeczne i wzdłużne przemieszczenia się końców wałów i nieznaczne wychylenia ich osi lub kombinacje tych przemieszczeń. Sprzęgła luźne przegubowe umożliwiają łączenie 31

33 wałów o osiach przecinających się pod kątem ostrym. Sprzęgła te są sztywne skrętnie (brak luzu promieniowego), lecz nie mogą przenosić momentów gnących. Sprzęgła podatne skrętnie pozwalają na względnie ograniczony obrót końców łączonych wałów. Umożliwiają ruch wałów przy niewielkim braku współosiowości, służą do łagodzenia nierównomierności przenoszonego momentu obrotowego, tłumienia drgań skrętnych, zmiany częstości własnych drgań skrętnych układu czy do równoczesnego spełnienia kilku wymienionych wcześniej zadań. Rys Widok ogólny sprzęgła sztywnego produkcji SKF [10]. W razie potrzeby szybkiego złączania i rozłączania wałów czynnego i biernego stosuje się sprzęgła rozłączne, sterowane z zewnątrz przez obsługę. Jeśli włączenie odbywa się przy równych lub bardzo zbliżonych prędkościach kątowych wałów czynnego i biernego, używa się sprzęgieł rozłącznych ze sprzężeniem kształtowym. W przypadku gdy włączanie musi się odbywać przy znacznej różnicy prędkości wałów najczęściej używane są sprzęgła cierne. Można również używać w takich połączeniach sprzęgieł hydrokinetycznych rys. 1.23a (elementem pośrednim jest ciecz hydrauliczna) ze sterowanym napełnieniem lub też sprzęgła elektromagnetycznego rys. 1.23b (elementem pośrednim jest ciecz lub proszek magnetyczny, tj. zmieniający swoją lepkość i gęstość w polu magnetycznym) ze sterowanym wzbudzeniem. a) b) Rys Widok ogólny budowy sprzęgła hydrokinetycznego a) i sprzęgła elektromagnetycznego b). 32

34 Następną grupą są sprzęgła rozłączne samoczynne. W sterowaniu tego rodzaju sprzęgłami wykorzystuje się siły bezwładności (rys. 1.24). Mają one zastosowanie do przenoszenia momentu obrotowego w ręcznych maszynach ogrodniczych i leśnych (kosiarki spalinowe, pilarki itp.) Rys Widok mechanizmu sprzęgła odśrodkowego promieniowego pilarki spalinowej: 1 ciężarek, 2 sprężyna, 3 zabierak. Sprzęgła luźne proste (podatne) (rys. 1.25) sprzęgła te pozwalają kompensować błędy współosiowości wałów, mogą dopuszczać pewne luzy wzdłużne, poprzeczne oraz odchylenia od osi łączonych wałów, czy też kombinacje tych czynników. Jest to możliwe dzięki względnym ruchom wewnętrznym części tych sprzęgieł. Charakteryzują je luzy pomiędzy częściami przenoszącymi obciążenia i ślizganie się tych części po sobie. Sprzęgła luźne proste nie nadają się więc do przenoszenia momentów obrotowych o zmiennym kierunku, jak również do dużych obciążeń i prędkości. Powierzchnie ślizgowe tych sprzęgieł wymagają smarowania. Przykładem sprzęgła luźnego prostego jest sprzęgło kłowe. Rys Sprzęgła elastyczne typu elastomerowego zawierają ściśnięty wstępnie element kauczukowy, który zapewnia dodatkową wytrzymałość i długą trwałość. 33

35 Sprzęgła luźne przegubowe pozwalają na przenoszenie momentu skręcającego przy dużych kątach przecięcia się osi łączonych wałów. Przykładem sprzęgła przegubowego jest tzw. przegub Rzeppa, stosowany do napędu kół samochodowych. Sprzęgła podatne skrętnie spotyka się sprzęgła zwykłe o stałej sztywności lub progresywne, w których sztywność zwiększa się wraz ze zwiększaniem się kąta względnego obrotu części napędzającej i napędzanej sprzęgła. Innym podziałem tego rodzaju sprzęgieł jest podział na sprzęgła swobodne i tłumiące. Podstawowym zadaniem sprzęgieł swobodnych jest łagodzenie nierównomierności przenoszonego momentu obrotowego na zasadzie zmiany nadwyżek energii kinetycznej bezwładnego układu w energię sprężystego odkształcania elementów podatnych i oddawanie jej w chwilach niedoboru energii. Sprzęgła tłumiące stosuje się w przypadku niebezpieczeństwa występowania rezonansowych drgań skrętnych. Ich działanie polega na pochłanianiu i rozpraszaniu energii drgań. Przykład takiego sprzęgła można odnaleźć w układach napędowych współczesnych samochodów pod nazwą sprzęgło dwumasowe. Sprzęgła rozłączne ze sprzężeniem kształtowym (kształtowe, kłowe rys. 1.26) w sprzęgłach tych moment obrotowy jest przenoszony za pomocą zazębiających się systemów kłów lub zębów, umieszczonych na powierzchni czołowej lub obwodzie dwóch tarcz, lub piast sprzęgła. Jedna z nich jest umieszczona nieruchomo na końcu jednego z wałów, druga zaś przesuwnie poosiowo na końcu drugiego wału. Przy pomocy mechanizmu sterującego dosuwa się ją do tarczy nieruchomej powodując zazębienie. Wyłączanie sprzęgła może odbywać się bez ograniczeń, jeśli dysponujemy odpowiednią siłą wyłączania, a naciski występujące pod obciążeniem na powierzchniach roboczych kłów nie są zbyt wysokie. Włączanie natomiast jest możliwe tylko przy niewielkich różnicach prędkości obwodowych obydwu połówek sprzęgła. Zaletą tych sprzęgieł jest brak poślizgu i zwartość budowy. Aby uniknąć nadmiernego zużycia powierzchni roboczych, należy dbać o równomierny podział obciążenia na wszystkie kły oraz stosować materiały odporne na wysokie naciski. Odnosi się to szczególnie do sprzęgieł włączanych w ruchu. Sprzęgła cierne podstawowe typy sprzęgieł ciernych różnią się: kierunkiem i sposobem docisku, kształtem, liczbą i materiałem powierzchni ciernych. Najbardziej charakterystyczną cechą jest kierunek siły sprzęgającej powierzchnie cierne, tj.: promieniowy, osiowy i obwodowy. Kształt powierzchni ciernych może być płaski, walcowy lub stożkowy (rys. 1.27). Sprzęgła stożkowe pozwalają na zasadzie działania klina na uzyskanie większych docisków przy tej samej sile sprzęgającej niż w innych sprzęgłach. Materiał powinien mieć jak największy współczynnik tarcia, mało zależny od prędkości poślizgu, temperatury i obciążenia. Powinien być wytrzymały mechanicznie i termicznie, mieć dobrą przewodność cieplną i wykazywać odporność na zużycie przy jednoczesnym braku skłonności do zacierania. 34

36 Rys Sprzęgło kłowe GERWAH z wkładką elastomerową, ze śrubami zaciskowymi. Rys Sprzęgło cierne stożkowe: 1 wał napędzający, 2 wał napędzany, 3 okładziny cierne, 4 sprężyna. Sprzęgła rozłączne sterowane momentem obrotowym (bezpieczeństwa) sprzęgła bezpieczeństwa chronią elementy mechanizmu przed przeciążeniem. Reagują na wartość przenoszonego momentu obrotowego. Działają na dwóch zasadach: całkowitego rozłączenia z chwilą wzrostu przenoszonego momentu skręcającego ponad bezpieczną wartość graniczną lub na zasadzie ograniczenia wartości przenoszonego momentu do wartości zadanej. Do pierwszej grupy należą sprzęgła bezpieczeństwa kształtowe. W przykładowym sprzęgle tego typu najsłabszym elementem jest kołek lub kilka kołków, które zostają ścięte po przekroczeniu określonej wartości momentu skręcającego. Ponowny rozruch jest możliwy dopiero po wymianie kołków, co jest dość czasochłonne. Do drugiej grupy należą sprzęgła kształtowo-cierne i cierne. Ich zaletą jest możliwość regulacji wartości momentu skręcającego oraz łatwość ponownego włączenia. W ciernych sprzęgłach bezpieczeństwa nie występuje zanik przenoszonego momentu, jak w sprzęgłach kształtowych, ani jego silny spadek, jak w kształtowo-ciernych, lecz ograniczenie do zadanej wartości. W chwili jej przekroczenia w sprzęgle następuje poślizg. Sprzęgła rozłączne jednokierunkowe sprzęgła jednokierunkowe działają na zasadzie zachowania jednokierunkowości siły obwodowej jako siły nacisku 35