UNIWERSYTET TECHNOLOGICZNO – PRZYRODNICZY

w BYDGOSZCZY

im. J. i J. Śniadeckich

WYDZIAŁ MECHANICZNY

Temat: Sprzęgło sztywne z bezpiecznikiem

Wykonał:

Studia dzienne magisterskie

Grupa: A Semestr: 5

Bydgoszcz, 2006/2007

1. Istota działania

Sprzęgło sztywne z bezpiecznikiem ma za zadanie samoczynne rozłączanie wałów przy wystąpieniu nadmiernego, niebezpiecznego dla elementów maszyny, obciążenia. W ten sposób chronią elementy maszyn przed zniszczeniem. Przeciążenia takie mogą wystąpić w procesie roboczym maszyny na skutek powstania nadmiernych oporów, szczególnie udarowego charakteru, przy rozruchu lub rozpędzaniu układów o dużej bezwładności, przy nagłym zahamowaniu członu roboczego na nieprzewidzianej przeszkodzie itp.

1. Dane ilościowe

• Przenoszona moc: 1 kW

• Obroty pracy sprzęgła: 3000 obr/min

• Rodzaj źródła napędu: silnik elektryczny

• Rozruch silnika: stopniowy (niegwałtowny)

• Praca silnika: ciągła

• Rodzaj maszyny napędzanej: pompa wodna

• Produkcja: masowa

1. Dane sytuacyjne

Sprzęgła sztywne służą do łączenia wałów sztywnych dokładnie wzajemnie ustawionych, przy których nie przewiduje się ani trudności ustalenia wzajemnego położenia osi, ani możliwości zmian tego położenia podczas pracy.

Sprzęgło z bezpiecznikiem rozłączają się po przekroczeniu maksymalnego momentu. Sprzęgło jest stale włączone, rozłączające się przy określonej wartości momentu. Moment maksymalny powinien być mniejszy od momentu niebezpiecznego dla maszyny i odpowiednio większy od momentu nominalnego, aby nie następowało niepotrzebne rozłączanie przy dopuszczalnych przekroczeniach wartości momentu nominalnego. Wskazane jest, aby istniała możliwość regulacji momentu rozłączania. Trudno bowiem w sposób obliczeniowy ustalić precyzyjnie wartość momentu rozłączającego. Ponadto może on ulegać zmianie w czasie eksploatacji.

1. Koncepcje konstrukcyjne

1. Sprzęgło sztywne, dzielone poprzecznie, z łącznikiem podlegającym zniszczeniu

Łączniki w tego typu sprzęgłach pracują na ścinanie pod wpływem momentu obciążającego sprzęgło i mają kształt cylindrycznych kołków, wkrętów lub karbowanych prętów. Łączniki te cechuje prostota konstrukcji, niezależna od stopnia złożoności samego sprzęgła. Sprzęgła z łącznikami podlegającymi zniszczeniu, mają charakter sprzęgieł niepodatnych skrętnie. Liczba łączników podlegających ścinaniu rozmieszczonych na obwodzie sprzęgła, w zależności od jego konstrukcji wynosi 1 lub 2. Na rysunku przedstawiono typowe sprzęgło z jednym wkrętem, w którym łącznikiem spełniającym funkcję bezpiecznika jest wkręt z naciętym karbem w płaszczyźnie styku obydwu członów: czynnego i biernego (płaszczyzna ścinania). Dokładne centrowanie go w sprzęgle zapewnia pasowane obydwu piast. Występujące przeciążenie maszyny roboczej spowoduje ścięcie wkrętu i rozłączenie sprzęgła.

Ze względu na charakter pracy, sprzęgła te, stosowane są w maszynie zaraz za organem roboczym, w celu ochrony mechanizmów maszyny przed szkodliwym działaniem przeciążeń. Wkręt powinien jest łatwy do wymiany, aby skrócić czas postoju maszyny. Wymiary jego powinny być takie aby w warunkach ruchu ustalonego lub dopuszczalnych przeciążeń przenosił (ze stosunkowo dużą dokładnością) moment nominalny sprzęgła. Wkręty wykonuje się ze stali St5 lub St6 hartując je powierzchniowo do twardości HRC 50 – 60.

1. Sprzęgło sztywne, niedzielone, tulejowe z kołkami

W sprzęgłach niedzielonych łącznikiem jest tuleja nasunięta na czopy łączonych wałów i połączona z nimi w dowolny sposób. Rzadziej stosuje się połączenia skurczowe lub za pomocą klinów, ze względu na trudny demontaż. Najczęściej stosuje się przy małych średnicach połączenie za pomocą kołków, przy większych za pomocą wpustów. W tym ostatnim przypadku stosuje się dodatkowo wkręt zabezpieczający przed osiowym przesunięciem tulei. Tuleje i wpusty wykonuje się zwykle ze stali St5 lub St6. Kołki wykonuje się ze stali 45 ulepszanej (HRC 46 do 50). Pasowanie tulei na wale zaleca się przyjmować J8/h7 lub M8/h7.

Łączniki w tego typu sprzęgłach pracują na ścinanie pod wpływem momentu obciążającego sprzęgło i mają kształt cylindrycznych kołków lub karbowanych prętów. Łączniki te cechuje prostota konstrukcji, niezależna od stopnia złożoności samego sprzęgła. Sprzęgła z łącznikami podlegającymi zniszczeniu, mają charakter sprzęgieł niepodatnych skrętnie. Liczba łączników podlegających ścinaniu rozmieszczonych na obwodzie sprzęgła, w zależności od jego konstrukcji wynosi 1 lub 2. Na rysunku przedstawiono typowe sprzęgło kołkowe, w którym łącznikiem spełniającym funkcję bezpiecznika jest kołek bez naciętego karbu w płaszczyźnie styku obydwu członów: czynnego i biernego (płaszczyzna ścinania). Dokładne centrowanie kołka w sprzęgle zapewnia pasowane tulejki. Występujące przeciążenie maszyny roboczej spowoduje ścięcie kołka i rozłączenie sprzęgła.

1. Sprzęgło sprężynowo – kształtowe

Sprzęgła tego typu stosowane są w napędach o małych prędkościach obwodowych, małych momentach przenoszonych i niewielkich momentach bezwładności elementów napędu. W konstrukcjach sprzęgieł z małym tarciem, współczynnik pewności zadziałania sprzęgła ₅ jest bliski jedności. Duży wpływ na jego wartość ma stabilność charakterystyki sprężyny dociskowej, twardość ząbków i ich dokładność oraz czystość powierzchni kontaktu. Sprzęgła sprężynowo – kształtowe mogą mieć odmiany konstrukcyjne o osiowy lub promieniowym działaniu. Najogólniej składają się z dwóch członów, które na powierzchniach czołowych mają wypusty i dociskane są do siebie sprężynami. Wypusty w przekroju normalnym mają kształt trapezów lub trójkątów. Powierzchnie robocze natomiast mogą mieć linię gwintową lub płaską. Powierzchnie te powinna cechować wysoka twardość, gładkość i wytrzymałość na obciążenie udarowe. Kły wykonane są ze stali 20H lub ze stali 40H i podlegają nawęglaniu i hartowaniu do wartości HRC 5560. Liczba wypustów w sprzęgle powinna być nieparzysta i wynosi 315.

5. Analiza koncepcyjna

Kryteria oceny poszczególnych koncepcji:

1. liczba elementów;

2. prostota konstrukcji;

3. koszt produkcji;

4. koszt wymiany zużytych elementów;

5. częstość wymiany zużytych elementów;

6. bezpieczeństwo obsługi.

Najlepsza ocena koncepcji wynosi: 3, średnia – 2, natomiast najgorsza – 1.

Numer koncepcji	a	b	c	d	e	f	Suma
1.	3	3	3	1	1	1	12
2.	2	2	1	2	1	2	11
3.	1	1	2	3	3	3	13

W świetle punktów koncepcyjnych oraz przyjętych kryteriów oceny koncepcji, stwierdzam, iż najkorzystniejszy jest koncepcja trzecia.

VI. Dobór cech konstrukcyjno – geometrycznych sprzęgła sprężynowo – kształtowego

1. Moment obrotowy jaki ma przenosić sprzęgło z silnika elektrycznego jest następujący:

2. Na podstawie powyższego momentu oraz tablic, wybieram sprzęgło o następujących wymiarach geometrycznych:

• długość sprzęgła L= 110 mm, długość wystającego członu czynnego sprzęgła z cylindra l = 25 mm, średnica zewnętrzna kłów D=70 mm, średnica wewnętrzna kłów D_w = 60 mm, średnica wewnętrzna członu czynnego d₁ = 25 mm, średnica wewnętrzna nakrętki d₂ =25 mm, średnica zewnętrzna członu czynnego d₃ = 45 mm;

• wymiary połączenia wielowypustowego: liczba wypustów Z = 6, średnica wewnętrzna d = 21 mm, średnica zewnętrzna D₁ = 25 mm, szerokość wypustu b wynosi 5 mm;

• wymiary sprężyny: średnica drutu sprężyny d_s = 4 mm, średnia średnica sprężyny D_s = 50 mm, wysokość sprężyny H = 100 mm;

Rys. 1. Siły działające w sprzęgle bezpieczeństwa sprężynowo – kształtowym

a) i b) rozkład sił w spoczynku, c) kształty wypustów

Rys. 2. Konstrukcja sprzęgła sprężynowo – kształtowego

1. Wymiary kła

szerokość kła:

długość kła:

1. Poprawność konstrukcji sprzęgła charakteryzuje jego wytrzymałość na zginanie oraz na nacisk powierzchniowy kłów. Materiałem części czynnej i biernej jest stal 20H. Powierzchnie kłów są nawęglone i ulepszone cieplnie do twardości 60 HRC.

Naprężenie dopuszczalne dla podanego materiału na zginanie oraz nacisk powierzchniowy wynoszą: k_g = 215 MPa, p_dop = 100 MPa.

• naprężenia zginające kła, na którym rozkład sił działających na sprzęgło pokazano na rys 1., wynoszą:

gdzie: W – wskaźnik wytrzymałości przekroju podstawy kła na zginanie; h – wysokość kła; z – liczba kłów; k – współczynnik dokładności rozdziału obciążenia pomiędzy kłami; x – współczynnik bezpieczeństwa

• naciski na powierzchni kłów, przy założeniu równomiernego obciążenia wszystkich kłów, wynoszą:

  1. Moment przenoszony przez sprzęgło powoduje powstanie na kłach siły obwodowej

  2. Siła wzdłużna jest określona następującym wzorem:

Przy włączaniu lub wyłączaniu pokonać należy także opór tarcia powstający przy przesuwaniu tarczy na wpustach lub wielowypustach. Biorąc pod uwagę siłę obwodową na obwodzie połączenia wał – piasta:

gdzie: d to średnica wału (lub średnia średnica wielowypustu), otrzymujemy na opór tarcia w połączeniu wał – piasta wzór:

gdzie: jest współczynnikiem tarcia między wałem i piastą. Sumując obie te siły otrzymujemy łączną siłę:

przy włączaniu:

przy wyłączaniu:

1. Obliczenie wymiarów nakrętki

Materiał nakrętki

Na podstawie PN-88/H-84020, dotyczącej stali niestopowej konstrukcyjnej ogólnego przeznaczenia, przyjmuję następujący materiał nakrętki: stal St6. Posiada ona wytrzymałość na rozciąganie R_m = 490 MPa oraz naprężenia dopuszczalne na rozciąganie k_r = 145 MPa, natomiast jednostronnie zmienne naprężenia dopuszczalne na rozciąganie k_rj = 80 MPa.

Przyjmuję następujący gwint na nakrętce: gwint metryczny drobnozwojny M90x2

Wysokość nakrętki

Ze względów konstrukcyjnych przyjmuję wysokość nakrętki H = 10 mm.

Sprawdzenie liczby czynnych zwojów nakrętki

Liczba czynnych zwojów nakrętki mieści się w zalecanych (510zwojów).

1. Jeżeli wartość siły F wypadnie ujemna (przy znakach minus), to sprzęgło nie jest samohamowane i powinno być utrzymywane w połączeniu włączonym siłą zewnętrzną wywieraną przez mechanizm włączający. Jeżeli siła ta wypadnie dodatnia, to połączenie jest samohamowane, utrzymuje się samo w połączeniu włączonym, a do rozłączenia konieczne jest użycie siły. Warunek samohamowności ma następującą postać:

przy włączaniu

przy wyłączaniu

1. Przy ustalonych wymiarach i wartościach współczynników tarcia o samohamowności decyduje kąt Powinien on spełniać warunek

Przy jednakowych współczynnikach tarcia oraz otrzymujemy

1. Kąt tarcia wylicza się ze wzoru

2. Dobór cech konstrukcyjno – geometrycznych sprężyny o następujących wymiarach: średnica drutu sprężyny d_s = 4 mm, średnia średnica sprężyny D_s = 50 mm, napięcie wstępne sprężyny F_p = 20 N, skok roboczy f_r = 20 mm wykonanej ze stali sprężynowej 50S2, dla której dopuszczalne naprężenia na skręcanie k_s = 400 MPa, a moduł sprężystości poprzecznej G = 83000 MPa.

Współczynnik kształtu

Współczynnik poprawkowy K

Luz osiowy między zwojami (przy maksymalnym obciążeniu)

Prześwit miedzy zwojami

Długość sprężyny w stanie swobodnym

Liczba czynnych zwojów sprężyny

Ugięcie jednego zwoju

Sztywność sprężyny

Skok zwoju w stanie swobodnym

Kąt wzniosu linii śrubowej zwoju

Całkowita długość drutu sprężyny

1. Dobór wpustu w czopie czynnym

Zakładam średnie warunki pracy. Przyjmuję materiał wpustu stal St5, dla którego dopuszczalne naprężenia ściskające k_c wynoszą 145 MPa.

Obliczam siłę działającą na wpust

Przyjmuję wpust o następujących wymiarach

Obliczam czynną długość wpustu z warunku na nacisk powierzchniowy

Dobieram wpust pryzmatyczny (PN-70/M-85005).

1. Sprawdzenie połączenia wielowypustowego na naciski powierzchniowe

Cechy konstrukcyjno – geometryczne połączenia wielowypustowego: liczba wypustów Z = 6, średnica wewnętrzna d = 21 mm, średnica zewnętrzna D₁ = 25 mm, szerokość jednego wypustu b = 5 mm, czynna długość styku wypustu z rowkiem l_o = 15 mm, materiałem jest stal 20N (normalizowana), dla której dopuszczalne naprężenia ściskające k_c wynoszą 125 MPa. Zakładam średnie warunki pracy.

Obliczam siłę działającą na wpust

Promieniowa wysokość powierzchni nacisku

Sprawdzam połączenie wielowypustowe ze względu na nacisk powierzchniowy

LITERATURA

1. Zbigniew Osiński „Sprzęgła i hamulce” Warszawa, PWN 1996

2. Sylwester Markusik „ Sprzęgła mechaniczne” Warszawa, WNT 1979

3. Tadeusz Dobrzański „Rysunek techniczny maszynowy” Warszawa, WNT 2004

4. Andrzej Rutkowski „Części maszyn” Warszawa, WSiP 1998

5. Andrzej Rutkowski, Anna Stępniewska „Zbiór zadań z części maszyn” Warszawa, WSiP 1998

6. PN-70/M-85005 Podstawowe wymiary do doboru wpustów pryzmatycznych

7. PN-EN ISO 6413:2001 Rysunek techniczny maszynowy. Przedstawienie wielowypustów i wielokarbów

8. PN-74/H-84032 Orientacyjne własności wytrzymałościowe gatunków stali sprężynowych

9. PN-81/M-01148 Sprężyny. Rysunki wykonawcze

10. PN-ISO 2162-2:1996 Rysunek techniczny maszynowy. Sprężyny. Przedstawienie danych dla sprężyn śrubowych naciskowych walcowych

11. PN-EN ISO 8826-1:1998 Łożyska toczne. Przedstawienie umowne ogólne

12. PN-EN ISO 8826-2:1997 Łożyska toczne. Przedstawienie umowne szczegółowe

13. EN 10083-1 Stal niestopowa do utwardzania powierzchniowego i ulepszania cieplnego

14. Sprzęgła sprężynowo – kształtowe