Rodzaje sprzęgieł

1. 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.

2. 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 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 wałów o osiach przecinających się pod kątem ostrym. Sprzęgła te są sztywne skrętnie, 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.

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 ze sterowanym napełnieniem lub też sprzęgła elektromagnetycznego ze sterowanym wzbudzeniem.

Następną grupą są sprzęgła rozłączne samoczynne. W sterowaniu tego rodzaju sprzęgłami wykorzystuje się: siły bezwładności, najczęściej siły odśrodkowe; zmiany momentu obrotowego przenoszonego przez sprzęgło; zmiany kierunku napędu.

Sprzęgła sztywne
Istnieje wiele odmian sprzęgieł sztywnych. Ich podstawowe zalety to między innymi zwartość konstrukcji, łatwość montażu i demontażu całego sprzęgła czy też poszczególnych odcinków wału, możliwość osadzania na dalszych częściach wału wielu niedzielonych elementów, łatwość wyważania, brak luzów w sprzęgle – co umożliwia przenoszenie nierównomiernych momentów obrotowych, obrotowe części bez wystających kształtów zapewniające bezpieczeństwo obsługi. Brak którejś z wymienionych cech można uważać za wadę konstrukcji sprzęgła.

Pod względem wytrzymałości i sztywności sprzęgło sztywne powinno odpowiadać wałowi w miejscu łączenia.
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. W tego rodzaju sprzęgłach kołnierze są łączone za pomocą śrub. Gdy śruby są założone z luzem, sprzęgło pracuje na zasadzie tarcia wywołanego silnym dociskiem obydwu połówek sprzęgła przez wysokie wstępne napięcie śrub. Dla zwiększenia momentu tarcia celowe jest umieszczenie powierzchni styku jak najbliżej zewnętrznego obwodu sprzęgła.

Sprzęgła luźne proste
Sprzęgła te pozwalają kompensować błędy współosiowości wałów, mogą dopuszczać pewne ruchy wzdłużne, poprzeczne, odchylenia od osi czy też kombinacje tych czynników. Jest to możliwe dzięki względnym ruchom wewnętrznym części tych sprzęgieł. Charakteryzują je luzy pomiędzy częściami przenoszącymi obciążenia i ślizganie 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.

Sprzęgła luźne przegubowe
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
W budowie maszyn możemy spotkać wiele odmian konstrukcyjnych sprzęgieł podatnych skrętnie. Różnią się one przede wszystkim konstrukcją elementów podatnych, ich tworzywem, kształtem czy sposobem zamocowania. 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.

Sprzęgła rozłączne ze sprzężeniem kształtowym (kształtowe)
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: promieniowy, osiowy i obwodowy. Kształt powierzchni ciernych może być płaski, walcowy lub stożkowy. Sprzęgła stożkowe pozwalają na zasadzie działania klina na uzyskanie większych docisków przy tej samej sile sprzęgającej niż w innych sprzęgłach. O wyborze typu sprzęgła decyduje średnia moc tarcia odniesiona do godziny pracy sprzęgła, pożądana żywotność, wartość potrzebnego momentu tarcia, wartość pracy potrzebnej do włączania oraz miejsce do dyspozycji. Duży wpływ na własności sprzęgła ma materiał powierzchni ciernych. 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.

Sprzęgła rozłączne sterowane momentem obrotowym (bezpieczeństwa)
Sprzęgła bezpieczeństwa chronią elementy mechanizmu przed przeciążeniem. Reagują na wartość przenoszonego momentu skręcającego. 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 lub tarcia. W sprzęgłach jednokierunkowych kształtowych jednokierunkowość działania siły zapewniają np. zapadki. Kiedy część napędowa sprzęgła ma mniejszą prędkość kątową od części napędzanej zapadki przestają chwytać i zostają wciśnięte w swoje gniazda. W sytuacji odwrotnej zapadki pod wpływem działania siły odśrodkowej wysuwają się i wywierają nacisk na część napędzaną. W sprzęgłach jednokierunkowych ciernych pomiędzy część napędową a napędzaną są wprowadzane elementy pośredniczące, które są między nimi zakleszczane gdy prędkość kątowa części napędowej jest większa od prędkości kątowej części napędzanej. Jeśli jest przeciwnie, zakleszczenie znika. W wyniku zakleszczenia na powierzchni styku elementów pośredniczących powstają naciski i siły tarcia, które są w stanie zrównoważyć przenoszoną siłę obwodową. Sprzęgła jednokierunkowe znajdują zastosowanie w pojazdach mechanicznych jako tzw. sprzęgła wolnego biegu, zapobiegające przenoszeniu momentu obrotowego z kół jezdnych na źródło napędu, w napędach dmuchaw i wentylatorów dla umożliwienia im swobodnego wybiegu w chwili zatrzymania silnika napędowego, w silnikach spalinowych i turbinach gazowych do podłączenia silnika rozruchowego, do równoległego łączenia silników lub turbin.

Sprzęgła poślizgowe
Gdy mowa o sprzęgłach przez poślizg rozumiemy różnicę prędkości obrotowych lub kątowych części napędowej i napędzanej sprzęgła. Przenoszenie momentu obrotowego z trwałym poślizgiem może mieć miejsce w sprzęgle ciernym. Regulację wartości poślizgu można osiągnąć przez regulację docisku powierzchni ciernych. Sprzęgło poślizgowe cierne może być użyte do trwałego ruchu jeśli zabezpieczy się je przed nadmiernym rozgrzewaniem stosując sztuczne chłodzenie oraz przed nadmiernym zużyciem przez ograniczenia nacisków powierzchniowych, dobór materiałów odpornych na zużycie oraz przez smarowanie. Sprzęgło spełnia wtedy rolę bezstopniowej przekładni obrotów. Jednak ze względu na duże straty tarcia sprawność takiego sprzęgła jest niewielka. Znacznie lepsze jest pod tym względem sprzęgło poślizgowe hydrauliczne, praktycznie pozbawione zużycia, bardziej niezawodne i łatwe w obsłudze. Jego konstrukcja wygląda tak, że wał napędowy napędza pompę hydrauliczną, która zasila turbinę osadzoną na wale napędzanym. Jako cieczy wypełniającej sprzęgło najczęściej używa się oleju mineralnego, który służy równocześnie do smarowania łożysk, przekładni zębatej itp. Buduje się również sprzęgła poślizgowe elektrodynamiczne. Układ jest podobny do silnika indukcyjnego z tą różnicą, że wirujące pole magnetyczne wytworzone jest przez elektromagnesy wirujące razem z częścią napędową wału. Zasilane są prądem stałym poprzez pierścienie ślizgowe. Sprzęgieł tych używa się między innymi w napędach okrętowych, jako sprzęgieł rozłącznych, łagodzące i oddzielające, przy pracy dwóch silników na wspólny wał śrubowy.