Podstawy Projektowania Inżynierskiego Sprzęgła i hamulce P o l i t e c h n i k a O p o l s k a Wydział Zarządzania i Inżynierii Produkcji Instytut Inżynierii Produkcji Podstawy Projektowania Inżynierskiego Sprzęgła i hamulce Prowadzący: dr inż. Piotr Chwastyk e-mail: p.chwastyk@po.opole.pl www.chwastyk.po.opole.pl

Zastosowanie sprzęgieł: upraszczają rozwiązania konstrukcyjne; Sprzęgła Sprzęgłem – nazywamy zespół układu napędowego, przeznaczony do łączenia wałów i przekazywania momentu obrotowego z wału czynnego na bierny, bez zmiany kierunku ruchu obrotowego. Zastosowanie sprzęgieł: upraszczają rozwiązania konstrukcyjne; pozwalają na stosowanie uniwersalnych silników; zwiększają obciążenia skrętne wału; pozwalają rozłączać napęd; zabezpieczają przed przeciążeniami. PN wyodrębnia 36 rodzajów sprzęgieł (normy określają warunki pracy, wartość maksymalnych obciążeń, gabaryty, ciężar).

Sprzęgła Podstawowym zadaniem sprzęgieł jest przenoszenie momentu obrotowego oraz łączenie wałów, zwłaszcza wałów niedokładnie ustawionych względem siebie. W tym wypadku stosuje się sprzęgła nierozłączne sztywne lub samonastawne. Drugie zadanie to łagodzenie obciążeń dynamicznych w czasie nagłego włączenia napędu, uderzenia lub zmiany obciążenia. Tu wykorzystuje się sprzęgła podatne. Inne zadanie to konieczność łączenia i rozłączania wałów w trakcie pracy, unieruchamiania zespołu roboczego bez zatrzymywania silnika, zmiana prędkości obrotowej lub kierunku obrotu. W tym celu stosuje się sprzęgła sterowane. W celu ochrony ważniejszych mechanizmów przed przeciążeniami stosuje się sprzęgła bezpieczeństwa (przeciążeniowe). Działanie tych sprzęgieł jako bezpiecznika polega na zasadzie niszczenia łącznika lub poprzez poślizg na wykładzinach ciernych. Pewne mechanizmy wymagają takiego połączenia wałów, aby wybrany wał obracał się tylko w jednym kierunku, nie przenosząc momentu obrotowego w przypadku przeciwnego kierunku obrotu. Takie zadania spełniają sprzęgła jednokierunkowe.

Sprzęgła Sprzęgło składa się z: członu czynnego; członu biernego; łącznika. Łącznik – określa sposób przenoszenia Mo i jednocześnie charakteryzuje dane sprzęgło (kołki, śruby, elementy podatne, ciecz). Oprócz przenoszenia Mo sprzęgła spełniają dodatkowe zadania: pozwalają na pewien uchyb współosiowości (sprzęgła luźne lub podatne); wiążą w jedną sztywną całość ogniwa napędu, przez co umożliwiają przeniesienie Ms (sprzęgła sztywne); łagodzą gwałtowne zmiany obciążeń (sprzęgła podatne); tłumią drgania skrętne (s. podatne); pozwalają łączyć wały ustawione pod znacznym i zmiennym kątem (s. wychylne); zabezpieczają mechanizmy napędu przed przekroczeniem granicznego obciążenia (s. bezpieczeństwa) i granicznej prędkości (s. odśrodkowe); umożliwiają przełączanie sprzęgieł (s. sterowane).

Normalizacja oraz dobór sprzęgieł Podstawowy parametr charakteryzujący sprzęgło to przenoszony Mo. Wyznaczamy go z wzoru liczbowego: gdzie: P – moc [kW], n – prędkość obrotowa [obr/min] Chcąc uwzględnić możliwość występowania przeciążeń w czasie pracy sprzęgła stosujemy współczynnik przeciążeń K i ustalamy maksymalny moment obrotowy. Mmax = M  K

Sprzęgła nierozłączne Sprzęgła nierozłączne – sprzęgła, w których człony czynny i bierny są połączone trwale. Dzielimy je na: sprzęgła sztywne – uniemożliwiają przesunięcia względne miedzy członami w czasie pracy. sprzęgła samonastawne – niewielkie przesunięcia wzdłużne i poprzeczne wałów; sprzęgła podatne – łącznikiem jest element sprężysty. Sprzęgła sztywne – wymagają współosiowości łączonych wałów. Dzielą się na: tulejowe, łubkowe, kołnierzowe.

Sprzęgła sztywne tulejowe Sprzęgło tulejowe kołkowe – tuleja jest członem czynnym i biernym a kołki i wpusty łącznikiem. Sprzęgło sztywne tulejowe z kołkami: 1 – wał czynny, 2 – wał bierny, 3 – tuleja, 4 - kołki

Sprzęgła sztywne tulejowe Rys. Sprzęgło sztywne tulejowe z wpustami: 1 – wał czynny, 2 – wał bierny, 3 – tuleja, 4 – wpusty, 5 – wkręt ustalający

Sprzęgła sztywne tulejowe Rys. Sprzęgło sztywne tulejowe z tuleją stożkową: 1 – wał czynny, 2 – wał bierny, 3 – tuleja sprzęgłowa z otworem stożkowym, 4 – tuleja cienkościenna ze stożkiem zewnętrznym, 5 – wkręty zamykające otwory doprowadzenia oleju przy rozłączaniu

Sprzęgła sztywne tulejowe Obliczenia sprowadza się do ustalenia wymiarów łącznika z warunków wytrzymałościowych. Kołki narażone są na ścinanie: gdzie: dk – średnica kołka; n – liczba przekrojów ścinanych. gdzie: d – średnica wału. Przy zastosowaniu wpustu – obliczenia na naciski. Osadzanie tulei na wale – pasowanie mieszane J8/h7 lub M8/h7. W połączeniach skurczowych – pasowanie ciasne U8/h7. Wymiary tulei: l = 3d, D = 2d. Wada tych sprzęgieł – konieczność znacznych przesunięć osiowych.

Sprzęgła łubkowe Sprzęgło łubkowe – składa się z dwóch łubków obejmujących końce łączonych wałów oraz elementy złączne. Pomiędzy łubkami pozostawiona jest szczelina (1 do 2 mm). Parametry sprzęgieł łubkowych: Mt – realizuje przenoszenie Mo. Wpust służy jako dodatkowe (przeciążeniowe) zabezpieczenie przed poślizgiem. Zakres średnic – 25  140 mm Maksymalny moment – 160  12500 Nm Masa elementu – 3  120 kg Zalety – łatwy montaż i demontaż. Wady – duże wymiary, masa, niemożność wyważenia (tylko do napędów wolnobieżnych).

Sprzęgła tarczowe (kołnierzowe) Dwie tarcze złączone śrubami, osadzamy na wałach przy pomocy wpustów. Aby zapewnić współosiowość wykonywane są wytoczenia środkujące na płaszczyznach czołowych. Rys. Sprzęgło sztywne tarczowe bez obrzeży ochronnych

Sprzęgła tarczowe (kołnierzowe) Rys.Sprzęgło sztywne tarczowe z obrzeżami ochronnymi

Sprzęgła tarczowe (kołnierzowe) Rys. Sprzęgło sztywne tarczowe z wkładką środkującą: 1 – tarcze, 2 - wkładka

Sprzęgła tarczowe (kołnierzowe) Sprzęgła stosujemy do łączenia wałów o: Zakresie średnic – 25  200 mm Maksymalny moment – 310  60000 Nm Masa elementu – 6  250 kg Oznaczenie sprzęgła kołnierzowego o średnicy otworu d = 60 mm: SPRZĘGŁO KOŁNIERZOWE 60 PN – 66 /M - 85251 Sprzęgła te wymagają przy demontażu rozsunięcia tarcz.

Sprzęgła samonastawne Sprzęgła samonastawne – umożliwiają niewielkie zmiany względnego położenia osi i wałów. Zmiany te mogą mieć charakter trwały lub wolno zmieniający się w czasie. Przemieszczenia względne wałów mogą być: poprzeczne; wzdłużne; kątowe (poprzeczne, wzdłużne, kątowe). Rys. Przemieszczenia osi wałów: a) poprzeczne, b) wzdłużne, c) kątowe Sprzęgła te mogą kompensować przemieszczenia jednego rodzaju lub złożone. Charakteryzują się luzami i możliwością ślizgania się współpracujących części po sobie. Małe obciążenia i wymiary – występ na powierzchni czołowej jednego z wałów jest wprowadzony w wycięcie drugiego z wału.

Sprzęgła kłowe Sprzęgła kłowe – przesunięcie wzdłużne wałów w granicach luzu osiowego. Łącznikiem są kły. Wymiary i liczby kłów – wg warunków wytrzymałościowych i technologicznych. Możliwość środkowania.

Sprzęgła kłowe Rys. Sprzęgło samonastawne kłowe: a) środkowane w otworze członu, b) środkowane za pomocą tulejki

Maksymalna wartość przesunięć x  0,1d oraz   4. Łączymy wały: Sprzęgła kłowe Sprzęgło OLDHAMA – przesunięcie poprzeczne x, oraz odchylenia kątowe  - kompensacja przemieszczeń. Tarcze osadzone na wałach – łącznikiem jest osobna tarcza współpracująca z kłami obu tarcz. Maksymalna wartość przesunięć x  0,1d oraz   4. Łączymy wały: d = 40  120 mm, M = 650  8000 Nm, nmax = 200 obr/min, dla wałów dużych nmax= 130 obr/min. Rys. Sprzęgło Oldhama: a) z kłami prostymi, b) z wkładką tekstolitową, c) z kłami o zarysie ewolwentowym.

Sprzęgła zębate, przegubowe Sprzęgła zębate – kompensują wszystkie rodzaje przemieszczeń. Tarcze uzębione osadzane są na wałach, współpracują z tulejkami o uzębieniu wewnętrznym. Obie tuleje połączone są śrubami. Sprzęgła zębate dzielimy na: jednostronne; dwustronne. Oba rodzaje mają jednakowe parametry: d = 20  280 mm; M = 630 Nm  160 kNm; n = 500  3000 obr/min. Uniwersalny charakter pracy tych sprzęgieł wynika ze specjalnych kształtów zębów oraz luzów międzyzębnych. Dla uzębień wewnętrznych stosuje się zęby niskie o wysokości głowy zęba ha = 0,8m a dla uzębień zewnętrznych zęby normalne. Rys. Zęby sprzęgieł: a) proste, b) łukowe

Sprzęgła zębate, przegubowe Sprzęgła przegubowe (Cardana) – służą do łączenia wałów, których osie przecinają się. Sprzęgła te nie kompensują innych odchyłek położenia osi. Chwilowy stosunek prędkości kątowych łączonych wałów nie jest stały – zależy od kąta  jaki tworzą osie wałów. Wadę tę wyeliminuje sprzęgło podwójne lub zdwojony przegub Cardana. Rys. Podwójny przegub Cardana z wałkiem pośrednim zapewniający równość prędkości kątowych wałka biernego i wałka czynnego: a) wały czynny i bierny o osiach równoległych przesuniętych, b) wały czynny i bierny o osiach tworzących kąt 2

Sprzęgła przegubowe kulowe Stałą prędkość kątową wału napędzanego zapewniają sprzęgła przegubowe – kulowe. Rys. Sprzęgło przegubowe kulowe synchroniczne: 1 – wał, 2 – trzpień prowadzący, 3 – koszyk, 4 – wał, 5 – główka wału, 6 – kulki, 7 – obudowa, 8 – koszyk, 9 – sprężyna, 10- trzpień

Sprzęgła podatne Sprzęgła podatne – podstawowym elementem jest łącznik podatny sprężysty, którego zadaniem jest umożliwienie chwilowego względnego obrotu wału biernego w stosunku do czynnego. Dzięki podatności łącznika możemy zmniejszyć obciążenie dynamiczne występujące w układzie napędowym, łagodzić drgania. Sprzęgła kabłąkowe (oponowe) – dwie tuleje z przyspawanymi tarczami, rolę łączników spełniają cztery taśmy gumowe przykręcone śrubami (łącznikiem może być opona gumowa). Sprzęgła tego typu mają średnicę zewnętrzną 180350 [mm] i przenoszą max. Mo=2503000[Nm]. Rys. Sprzęgło kabłąkowe

sprzęgła wkładkowe tulejkowe (palcowe); Sprzęgła podatne Rozróżniamy również: sprzęgła wkładkowe tulejkowe (palcowe); Rys. Sprzęgło podatne tarczowe sworzniowe z wkładkami gumowymi: 1,2 – człony sprzęgła, 3 – sworzeń, 4 – wkładka, 5,6 – podkładki, 7 – nakrętka, 8 – pierścień osadczy

sprzęgła z pakietami sprężyn płaskich; Sprzęgła podatne sprzęgła z pakietami sprężyn płaskich; Rys. Sprzęgło podatne z pakietami sprężyn płytkowych ustawionych promieniowo: 1,5 – człony sprzęgła, 2 – kołnierz, 3 – pierścień dystansowy, 4 – śruby łączące, 6 – uszczelnienie

sprzęgła ze sprężyną wężykową. Sprzęgła podatne sprzęgła ze sprężyną wężykową. Rys. Sprzęgło podatne ze sprężyną wężykową: 1,2 – człony sprzęgła, 3 – występy, 4 – sprężyna, 5,6 – połówki obejmy

Sprzęgła sterowane dzielimy na: Sprzęgła sterowalne Sprzęgła sterowane – są to sprzęgła wyposażone w urządzenia za pomocą, których można dokonywać łączenia i rozłączania napędu przenoszącego Mo. Sprzęgła sterowane dzielimy na: sprzęgła przełączalne synchroniczne (kształtowe); sprzęgła przełączalne asynchroniczne (cierne). Sprzęgła kłowe – składają się z dwóch tarcz, jednej spoczynkowej na wale napędowym, drugiej przesuwnej na wpuście lub wielowypuście na wale napędzanym. Sprzęgła zębate – dwie tarcze, jedna z uzębieniem zewnętrznym a druga z wewnętrznym. Podobnie jak w sprzęgłach kłowych zębom nadaje się kształty ułatwiające włączanie.

Różnice prędkości obu tarcz: Sprzęgła sterowalne Różnice prędkości obu tarcz: V2 – V1  0,7  0,8 m/s ( do 1500 obr/min) Przekrój kłów – zazwyczaj trapezowy z kątem przyporu 2  8 po stronie roboczej. Po stronie nieroboczej kąt 50  70 w celu łatwego wyłączenia sprzęgła Rys. Sprzęgło włączalne kłowe

Sprzęgła sterowalne Rozłącznie sprzęgła może odbywać się bez żadnych ograniczeń, natomiast sposób łączenia uzależniony jest od specyficznych jego cech konstrukcyjnych. Rodzaje kłów: trapezowe; trójkątne: symetryczne i niesymetryczne; z ułatwionym włączaniem; prostokątne. Rys. Sprzęgła kłowe: a, b) przekroje wzdłużne tarcz, c) rodzaje kłów

Sprzęgła sterowalne Rys. Sprzęgło zębate przełączalne: a) sprzęgło, b) kształty zębów, c) sprzęgło z synchronizatorem: 1 – uzębienie, 2 – łącznik, 3 – człon czynny (synchronizator), 4 – sprzęgiełko cierne stożkowe

Sprzęgła asynchroniczne Zasada działania – tarcze sprzęgieł są dociskane siłą wywołującą na powierzchniach ciernych siłę tarcia przenoszącą Mo z wału czynnego na bierny. Podstawowa cecha – możliwość włączenia przy różnych obrotach członów. Od włączenia do pełnej synchronizacji następuje poślizg – nagrzewanie i zużywanie tarcz. Poślizg – nagrzewanie i zużywanie tarcz. Żądane właściwości materiału na powierzchnie cierne: duże współczynnik tarcia (); duża wytrzymałość mechaniczna; dobre przewodnictwo cieplne; odporność na zużycie; brak skłonności do zatarć. Sprzęgła pracują: na sucho; ze smarowaniem – mniejsze zużycie, mniejszy współczynnik tarcia, możliwość przeniesienia większych nacisków powierzchniowych + chłodzenie.

Sprzęgła tarczowe Zabezpieczamy się przed szybkim zużyciem, przyjmując: MT  Mmax = M  K Wartość K przyjmujemy z poniższej tablicy. Orientacyjne wartości współczynnika przeciążenia K dla sprzęgieł Ponieważ T zależy od Fw (T = Fw  ) gdzie: T – siła tarcia. gdzie: Dm – średnia średnica tarcia; Fw – siła docisku.

Sprzęgła tarczowe Rys. Sprzęgło cierne tarczowe włączane mechanicznie firmy Ortlinghaus: 1 – tarcza cierna, 2 – tarcza dociskowa, 3 – piasta, 4 – dźwignia, 5 – pierścień dociskowy, 6 – tarcza zabierakowa Rys. Sprzęgło cierne tarczowe

Sprzęgła tarczowe Wymiary tarcz przyjmujemy wg zaleceń: Sprzęgła tarczowe: Dm = (4  6)d Sprzęgła wielopłytkowe: Dm = (2  4)d Sprzęgła stożkowe: Dm = (3  10)d gdzie: d – średnica wału pod sprzęgło Wartość nacisków powierzchniowych: Oznaczamy szerokość powierzchni ciernej jako b a pole powierzchni styku tarcz jako S:

Sprzęgła tarczowe Na podstawie powyższych zależności otrzymujemy warunek na naciski powierzchniowe: ko – z tablicy Zapewnić prawidłowy rozkład nacisków możemy poprzez przyjęcie: b = (0,150,3)Dm – sprzęgła tarczowe + sztywna konstrukcja tarczy. b = (0,1  0,25)Dm – sprzęgła wielopłytkowe + sztywna konstrukcja tarczy.

(p  v)rzecz  (p  v)dop [MN/(ms)] Sprzęgła tarczowe W sprzęgłach ciernych może ulec zamianie na ciepło do 50 % energii. Zapobiegamy temu przyjmując: MT  Mmax Nagrzewanie sprzęgieł zależy od: przewodności cieplnej materiałów ciernych; powierzchni odprowadzania ciepła; liczby włączeń (na godzinę). W obliczeniach uwzględniamy, że jednostkowa praca tarcia ( = const) jest proporcjonalna do (pv). Wartość v wyznaczamy na Dm. Ponieważ od jednostkowej pracy tarcia zależy ilość ciepła wyzwalającego się na jednostce powierzchni sprzęgła, możemy napisać warunek na rozgrzewanie: (p  v)rzecz  (p  v)dop [MN/(ms)] (p  v)dop – wg zaleceń

Sprzęgło cierne wielopłytkowe Tok obliczeń jest taki sam jak przy obliczaniu sprzęgieł tarczowych, ale uwzględniamy większą liczbę powierzchni ciernych. Jeżeli ilość płytek wynosi i, to ilość powierzchni ciernych i – 1. (p  v)dop – 2  4 razy mniejsze Rys. Sprzęgło cierne wielopłytkowe z włączaniem mechanicznym produkcji FUMO: 1 – człon sprzęgła (tuleja), 2 – człon sprzęgła (zabierak), 3 – dźwignia, 4 – pierścień włączający, 5 – nakrętka regulacyjna, 6 – płytka zewnętrzna, 7 – płytka wewnętrzna, 8 – płytka dociskowa

Sprzęgło cierne stożkowe Zaleta – możliwość uzyskania MT jak w sprzęgle tarczowym przy mniejszej Fw Rys. Sprzęgło cierne z dwiema tarczami stożkowymi firmy Lohman i Stolterhoft: 1 – tarcze cierne, 2 – dźwignia włączająca, 3 – sworzeń łączący tarcze cierne z członem

Sprzęgło cierne stożkowe Do obliczeń wprowadzamy siłę Fn wywołującą tarcie: gdzie: Fn – siła nacisku; Siła tarcia na powierzchniach ciernych  = 15  20 (zalecane) Podobnie jak przy obliczeniach tarcia w gwintach wprowadzamy pozorny współczynnik tarcia.

Sprzęgło cierne stożkowe MT obliczamy jak dla sprzęgła tarczowego uwzględniając : Na podstawie powyższych zależności: gdzie: p - wartośc nacisków powierzchniowych. I ostatecznie otrzymujemy warunek na naciski dla sprzęgieł tarczowych:

Sprzęgła samoczynne Sprzęgła samoczynne – umożliwiają łączenie lub rozłączanie wału bez obsługi. Najczęściej wykorzystujemy siłę bezwładności, zmianę kierunku ruchu obrotowego na zmianę Mo: Dzielimy je na: odśrodkowe; jednokierunkowe; bezpieczeństwa (przeciążeniowe). Rys. Sprzęgło odśrodkowe klockowe firmy SUCO: 1 – wirnik, 2 – klocki, 3 – sprężyny, 4 – nakładki cierne, 5 – pierścienie zabezpieczające, 6 – człon bierny Rys. Sprzęgło odśrodkowe cierne

Rys. Schemat sprzęgła jednokierunkowego zapadkowego Sprzęgła samoczynne Rys. Schemat sprzęgła jednokierunkowego zapadkowego Rys. Konstrukcja sprzęgła zapadkowego: 1 – zapadki, 2 – dźwigienki włączające Rys. Sprzęgło bezpieczeństwa kłowe: 1 – człon czynny, 2 – człon bierny, 3 – tuleja, 4 – sprężyna, 5 – nakrętka ustalająca, 6 – łożysko oporowe Rys. Sprzęgło bezpieczeństwa z łącznikiem trwałym

Hamulce Hamulce – to urządzenia służące do zatrzymywania, zwolnienia lub regulacji ruchu maszyn. Najczęściej spotykamy hamulce cierne. Hamulce te działają na podobnej zasadzie jak sprzęgła cierne, lecz ich działanie jest odwrotne, ponieważ zadaniem sprzęgieł ciernych jest nadanie ruchu obrotowego członowi biernemu poprzez cierne sprzęgnięcie go z obracającym się członem czynnym, natomiast zadaniem hamulca jest zatrzymanie części czynnej hamulca poprzez sprzęgnięcie jej z częścią nieruchomą. Rys. Hamulce: a) stożkowy, b) wielopłytkowy, c) jednoklockowy, d) cięgnowy

Hamulce Zależnie od rodzaju mechanizmu włączającego i wyłączającego rozróżniamy hamulce: cierne mechaniczne; hydrauliczne; pneumatyczne; elektromagnetyczne. Hamulce cierne mechaniczne dzielimy na: hamulce tarczowe – stożkowe i wielopłytkowe; klockowe (szczękowe); cięgnowe (taśmowe). Ze względu na charakter pracy dzielimy je na: luzowe; zaciskowe. Hamulce luzowe – są stale zaciśnięte na bębnie hamulcowym i luzowane przed uruchomieniem maszyny. Hamulce zaciskowe – są stale swobodne, tzn. że część stała i ruchoma są odłączone i współpracują ze sobą tylko w czasie hamowania.

Hamulce klockowe Hamulce klockowe – dzielimy je na jedno- lub dwuklockowe. Moment tarcia na bębnie hamulcowym ma zwrot przeciwny do zwrotu momentu obrotowego. W celu zahamowania bębna MT musi pokonać moment obrotowy i bezwładności hamowanego układu. MT = (1,75  2,5)Mo Większe MT przyjmujemy, gdy jest duża prędkość obrotowa układu hamowanego oraz gdy żądamy, aby czas hamowania był krótszy. Wartość nacisku siły klocka na bęben wynosi: Siłę Fn będziemy traktować jako siłę skupioną zastępującą obciążenie ciągłe wynikające z nacisku klocka na bęben.

F  l – Fn  a + T  e = 0 Hamulce klockowe Obliczanie hamulców jednoklockowych, polega na wyznaczeniu siły F, którą należy przyłożyć do dźwigni hamulca, aby zahamować bęben, na ustaleniu wymiarów szczęki hamulcowej z warunku na naciski powierzchniowe, oraz sprawdzenia hamulca na rozgrzewanie. Na elementy cierne hamulców stosujemy te same elementy co na sprzęgła cierne. W hamulcu jak na rysunku dźwignia hamulcowa jest zamocowana przegubowo w punkcie 0, a klocek jest połączony sztywno z dźwignią za pomocą dwóch sworzni. Na dźwignię działa siła Fn, siła F potrzebna do zahamowania bębna oraz siła tarcia T między klockiem a bębnem. Dla dźwigni zwrot siły tarcia T jest zgodny z kierunkiem Mo, a dla bębna przeciwny. Siły tworzą dowolny płaski układ – możemy więc wyznaczyć wartość siły F z warunku równowagi: F  l – Fn  a + T  e = 0

T = Fn   F  l – Fn ( a – e  ) = 0 Hamulce klockowe Podstawiając do wzoru wartość T otrzymamy: T = Fn   F  l – Fn ( a – e  ) = 0 Wprowadzając do wzoru wartość Fn otrzymujemy: Zakładam przeciwny kierunek ruchu obrotowego bębna niż na rysunku. Tak samo jak wyżej wyznaczamy F Z porównania obu wzorów, wynika, że hamulec ten nie nadaje się do pracy przy zmianie kierunku ruchu obrotowego, ponieważ należałoby regulować wartość siły F.

Hamulce klockowe Jeżeli kierunek ruchu obrotowego bębna ma być zmienny, można stosować konstrukcje jak na rysunku. Wygięcie dźwigni w ten sposób, aby jej punkt obrotu 0 leżał na linii działania siły tarcia T powoduje, że ramię tej siły e = 0 i wobec tego e   = 0. Wartość siły F koniecznej do zahamowania bębna wynosi wówczas: Nie zależy ona w tym przypadku od kierunku ruchu obrotowego.

Hamulce klockowe Taki sam efekt uzyskamy mocując klocek jak na rysunku poniżej. Siłę nacisku Fn traktujemy jako siłę działającą na sworzeń. Wprowadzamy w osi sworznia zerowy układ sił T, otrzymujemy siłę T działającą na sworzeń wzdłuż osi dźwigni oraz moment od pary sił T. Moment ten dąży do obrócenia klocka i nie wpływa na obliczenia dźwigni. Przy tej konstrukcji wartość siły F wyznaczymy wg poprzednio ustalonego wzoru. Obliczenia wymiarów klocka dokonujemy z warunku na naciski powierzchniowe: gdzie: t – długość klocka (mierzona po cięciwie łuku); b – szerokość klocka; ko – naciski dopuszczalne.

(p  v)rzecz  (p  v)dop [MN/ms] Hamulce klockowe Zakładamy konstrukcyjnie „D” i „b” Zalecenia: D = 120 [mm] i b = 40 [mm] (160 – 50, 200 – 55, 250 – 80, 320 – 100, 400 – 125, 500 – 160, 630 – 200, 710 – 220, 800 – 250). Szerokość bębna przyjmujemy o 10 mm większe od b, natomiast t: t = (0,52  0,78)D co odpowiada kątowi pokrycia  = 60  90. Hamulec sprawdzamy na rozgrzewanie wg wzoru: (p  v)rzecz  (p  v)dop [MN/ms] Hamulce jednoklockowe – średnica wału do 50 mm i przenoszenie niewielkich Mo. Hamulce dwuklockowe – siły Fn równoważą się i umożliwiają hamowanie przy mniejszych Fn.

Hamulce klockowe Rys. Schemat hamulca dwuklockowego z luzownikiem: 1 – klocki hamulcowe, 2  5 dźwignie, 6 – ciężar, 7 – luzownik Rys. Hamulec dwuklockowy zwierany sprężyną i zwalniany luzownikiem elektromagnetycznym

Hamulce szczękowe wewnętrzne W hamulcu takim szczęki umieszczone są wewnątrz hamulca. Są to hamulce zaciskowe – szczęki odsunięte od bębna dzięki sprężynom. Zadziałanie dzięki siłom włączającym działających na swobodne części szczęk – dociśnięcie szczęk do bębna. Gdy występują jednakowe siły włączające (W1 i W2) mamy rozwiązania w których wartości Fn1 i Fn2 są różne (rys. a) lub jednakowe (rys. b).

Hamulce cięgnowe Hamulce cięgnowe – charakteryzują się większą skutecznością hamowania stosujemy, gdy występują duże Mo. Prosta konstrukcja, zwarta budowa. Wada: zginanie wału pod wpływem naciągu cięgna. Cięgna – cienka taśma stalowa wyłożona materiałem ciernym. Gdy niewielkie MH – nie ma okładziny. Obliczanie tych hamulców polega na określeniu MT, niezbędnego do zahamowania bębna, obliczeniu wartości sił w cięgnie oraz obliczeniu siły F jaką należy przyłożyć do końca dźwigni. Wartość MT ustalamy z założenia: MT = (1,75  2,5)M Gdy będziemy mieli ustaloną średnicę bębna D ( z warunków konstrukcyjnych), możemy określić siłę tarcia T potrzebną do zahamowania bębna.

Rys. Hamulce cięgnowe: a) zwykły, b) różnicowy, c) sumowy

Hamulce cięgnowe Hamulec zwykły – cięgno współpracuje z bębnem na części jego obwodu (odpowiada to kątowi ). W cięgnie wyróżniamy: część czynną – nabiegającą na bęben – działa w niej siła F1; część bierną – działa w niej siła F2. Siła F1 > F2 ponieważ część czynna cięgna obciążona jest dodatkowo siłą tarcia T wywołaną momentem obrotowym. Z warunku równowagi: T = F1 – F2 Stosunek sił F1 i F2 określa zależność (wzór Eulera). Określa on stosunek napięć w cięgnach: F1 = F2  e    Przyjmujemy kąt opasania  = 180  270 (od  do 1,5 rad). Wynika z tego, że siła F1 jest znacznie wieksza od siły F2 – nawet kilkakrotnie.

Hamulce cięgnowe Wartość siły F potrzebnej do zahamowania wyznaczamy z warunku równowagi sił działających na dźwignię. Wyznaczać je będziemy względem punktu 0, przyjmując kierunek ruchu obrotowego jak na rysunku W hamulcu zwykłym część czynna cięgna zamocowana jest w punkcie obrotu dźwigni – na dźwignię działają siły: F2 oraz F Warunek równowagi przyjmie postać: Zalecane przełożenie dźwigni l/a = 3  6 Gdy zmienimy kierunek ruchu obrotowego, wówczas część czynna będzie pełnić funkcje części biernej i odwrotnie.

Hamulce cięgnowe Hamulec różnicowy Warunek równowagi dla hamulca różnicowego: F  l + F1  a1 – F2  a2 = 0 stąd: Po zmianie kierunku ruchu obrotowego: Jak widać z powyższych wzorów wartość siły F jest zależna od wartości a1 i a2. Jeżeli te odległości zostaną niewłaściwie dobrane, to można doprowadzić do sytuacji gdy siła F będzie równa lub mniejsza od 0. Doprowadzi to do samozakleszczenia się hamulca.

Warunek równowagi dla hamulca sumowego (a1 = a2 = a) Hamulce cięgnowe Hamulec sumowy Warunek równowagi dla hamulca sumowego (a1 = a2 = a) F  l – F1  a – F2  a = 0 stąd: Po zmianie kierunku ruchu obrotowego bębna (w stosunku do podanego na rysunku) wówczas częścią czynną cięgna będzie dotychczasowa część bierna i odwrotnie.

Na podstawie przeprowadzonej analizy hamulców: Hamulce cięgnowe Na podstawie przeprowadzonej analizy hamulców: Hamulec zwykły i różnicowy zastosujemy tam, gdzie jest stały kierunek ruchu obrotowego bębna i wału. W hamulcu różnicowym odpowiednio dobierając długości dźwigni a1 i a2 – regulujemy F (przy niewłaściwej długości tych dźwigni F = 0 lub F< 0 może nastąpić samozakleszczanie). Aby uniknąć samozakleszczenia spełniamy warunek: Hamulec sumowy (a1 = a2 = a) – siła obciążająca F jest jednakowa dla obydwu kierunków obrotu ale dość duża jej wartość przekreśla zastosowanie tego hamulca.

Hamulce tarczowe Hamulce tarczowe stosowane w samochodach. Płytki hamulca nie są w tym przypadku wykonywane jako tarcze, ale w postaci nakładek zajmujących część obwodu. Płytki hamulcowe, pokryte okładzinami ciernymi, dociskane są do tarczy hamulcowej wykonanej z żeliwa lub stali. Zaciskanie odbywa się za pomocą siłownika hydraulicznego. Ciśnienie w siłowniku wywołuje się za pomocą pompy napędzanej pedałem naciskanym przez kierowcę. W większości przypadków stosuje się wspomaganie, wykorzystując do napędu pompy podciśnienie występujące w rurze ssącej. Rys. Hamulec tarczowy samochodowy: 1 – strzemię, 2 – tarcza hamulcowa, 3 – nakładka cierna, 4 – tłoczek siłownika hydraulicznego, 5 – pokrywa, 6 – pierścień sprężynujący