Fakulta strojního inženýrství VUT v Brně Ústav konstruování. KONSTRUOVÁNÍ STROJŮ strojní součásti. Přednáška 12

Fakulta strojního inženýrství VUT v Brně Ústav konstruování

KONSTRUOVÁNÍ STROJŮ strojní součásti Přednáška 12

Spojky a brzdy Tim was so learned that he could name a horse in nine languages; so ignorant that he bought a cow to ride on. BENJAMIN FRANKLIN

Obsah Spojky a brzdy

• Princip činnosti. • Rozdělení spojek a brzd. • Zubové spojky. • Třecí spojky (brzdy). • Volnoběžné spojky. • Magnetické spojky (brzdy). • Kapalinové spojky. • Výpočet axiální (kotoučové) třecí spojky. • Výpočet radiální (čelisťové) brzdy.

Přednáška 12 - Spojky a brzdy

Princip činnosti Spojky a brzdy jsou zařízení, která třením, hydraulicky, magneticky nebo mechanicky spojují dvě různé součásti v jeden celek. V případě spojek (clutches) obě spojené součásti rotují, zatímco u brzd (brakes) jedna součást stojí a druhá rotuje. Spojky umožňují přerušovaný přenos pohybu a kroutícího momentu z jednoho hřídele na druhý. Brzdy zpomalují nebo úplně zastavují rotační pohyb hřídele. Jedno a téže zařízení může být užito buď spojka nebo jako brzda. Při návrhu spojky nebo brzdy zajímá konstruktéra především velikost ovládací síly, přenášeného kroutícího momentu, energetických ztrát a teplotního nárůstu. spojka nebo brzda

Přednáška 12 - Spojky a brzdy

Rozdělení spojek a brzd čelní zubové (přímé) zubové

čelní zubové (vějířovité) zubové válcové axiální

mechanické

třecí

radiální kuželové

pneumatické hydraulické způsob ovládání

kuličkové volnoběžné

elektrické

se svěrnými tělísky pružinové práškové

automatické

magnetické

hysterezní s vířivými proudy

kapalinové

suché kapaliny hydraulické Přednáška 12 - Spojky a brzdy

Zubové spojky Přenos energie je u těchto spojek realizován tvarovým stykem dvou součástí (zubů), který je zpravidla bezskluzový. Podle tvaru a umístění zubů se zubové spojky dělí na čelní zubové a válcové. Obě spojky se používají pro relativně malé frekvence otáčení (max. 60 min-1 u čelních a 300 min-1 u válcových) a velké kroutící momenty. Jejich využití jako brzd není možné, protože nejsou schopny dissipovat velké množství energie. Čelní zubové spojky

Zubová válcová spojka

http://www.ktr.com/

Přednáška 12 - Spojky a brzdy

Třecí spojky (brzdy) Třecí spojky patří mezi nejpoužívanější druhy spojek. Princip jejich činnosti spočívá ve vyvození třecího momentu vzájemným přitlačováním jedné nebo více ploch působením normálové síly. Působí-li normálová síla v axiálním směru, užívají se rovinné (kotoučová nebo lamelová spojka) nebo kuželové (kuželová spojka) stykové plochy. Působí-li normálová síla v radiálním směru, mají stykové plochy tvar válce (bubnová spojka). Bubnová spojka

Kuželová spojka

Lamelová spojka

Přednáška 12 - Spojky a brzdy

Volnoběžné spojky Volnoběžné spojky umožňují spojení hnací a hnané části spojky pouze při otáčení v jednom smyslu. Předběhne-li hnaná část spojky hnací část, automaticky se přeruší jejich spojení. Volnoběžná spojka působí ve smyslu otáčení jako závora, proti smyslu otáčení jako volnoběh. Podle konstrukce se volnoběžné spojky mohou dělit na kuličkové, válečkové, se svěrnými tělísky a pružinové. Kuličková spojka

http://www.warnernet.com/

Spojka se svěrnými tělísky

http://www.renoldusa.com/ Přednáška 12 - Spojky a brzdy

Magnetické spojky (brzdy) U magnetických spojek a brzd nedochází k mechanickému styku částí spojky, takže nenastává jejich opotřebení. Práškové spojky mají mezeru mezi hnací a hnanou částí vyplněnou jemným kovovým práškem, který se působením magnetického pole zmagnetuje. Hysterezní spojky a spojky s vířivými proudy přenáší kroutící moment vzájemným působením magnetických polí hnací a hnané části spojky. Prášková spojka

http://www.placidindustries.com/

Hysterezní spojka

http://www.techna.biz/ Přednáška 12 - Spojky a brzdy

Kapalinové spojky Kapalinové spojky využívají pro přenos kroutícího momentu hydrodynamický účinek kapaliny, kterou bývá obvykle olej. Spojka sestává ze dvou lopatkových kol – čerpadlového poháněného hnacím strojem a turbínového spojeného s hnaným strojem. Kapalinové spojky umožňují plynulý rozběh hnacího stroje a absorbují rázy. Mají skluz, který se využívá k jejich regulaci.

http://www.howstuffworks.com/ Přednáška 12 - Spojky a brzdy

Axiální (kotoučové) třecí spojky S hnacím hřídelem je pevně spojen setrvačník A na který je pomocí přítlačné desky B přitlačován kotouč C pevně spojen s objímkou D. Objímka D je nasazena na drážkovém hnaném hřídeli E. Trvale zapnutá spojka se uvolňuje ovládacím kroužkem F. B A

C D F

E Přednáška 12 - Spojky a brzdy

Výpočet na rovnoměrný tlak Normálová (přítlačná) síla dF = p dS = p(2π rdr ) D2

F = ∫d 2 2 π pr dr =

πp 2 (D − d 2 ) 4

Stykový tlak p=

D d r N f F p T

vnější průměr disku vnitřní průměr disku poloměr třecí plochy počet třecích ploch součinitel tření normálová síla stykový tlak třecí moment

4F π (D 2 − d 2 )

Třecí moment dT = fr dF = pfr (2π rdr ) D2

T = ∫d 2 2πpfr 2 dr =

πfp 3 (D − d 3 ) 12

NFf D 3 − d 3 T= 3 D2 − d 2 Přednáška 12 - Spojky a brzdy

Výpočet na rovnoměrné opotřebení Objemový otěr V = pv = konst ., v = rω ,

Rovnoměrný tlak vs. opotřebení pr = pmax ri = K

Normálová (přítlačná) síla dF = p dS = p(2π rdr ) D2 r⎞ πp d ⎛ F = ∫d 2 2 π⎜ pmax i ⎟r dr = max ( D − d ) 2 r⎠ ⎝ Maximální stykový tlak 2F pmax = πd ( D − d )

Třecí moment dT = fr dF = pfr (2π rdr ) 2 D2 ri ⎞ πfp d ⎛ T = ∫d 2 2πpf ⎜ pmax ⎟ dr = max (D 2 − d 2 ) r⎠ 8 ⎝ NfF T= (D + d ) 4

Výpočet na rovnoměrné opotřebení dává větší stykovou plochu než výpočet na rovnoměrný tlak. Tento přístup je proto možno pokládat za bezpečnější. Přednáška 12 - Spojky a brzdy

Třecí materiály pro spojky a brzdy

Přednáška 12 - Spojky a brzdy

Kotoučové brzdy V podstatě není žádný zásadní rozdíl mezi kotoučovou spojkou a brzdou. U kotoučové brzdy se obvykle čelisti hydraulicky přitlačují k čelním plochám brzdného kotouče, který svírají z obou stran.

http://www.avidbike.com/ Přednáška 12 - Spojky a brzdy

Radiální (čelisťové) brzdy Čelisťové brzdy se vyrábí téměř vždy dvoučelisťové. Rozlišují se dvoučelisťové brzdy vnější a vnitřní. Vnitřní se používají u vozidel, kdy čelisti jsou uvnitř bubnu a na jejich plochách je nalepeno brzdové obložení.

válec

část nápravy

pružiny

brzdové obložení ovládací kabel

klíč k rozvírání čelistí

Přednáška 12 - Spojky a brzdy

Výpočet vnitřní čelisťové brzdy

Přednáška 12 - Spojky a brzdy

Výpočet vnitřní čelisťové brzdy h = 2 ⋅ r ⋅ sin (θ 2 ) h ⋅ Δφ = 2 ⋅ r ⋅ Δφ ⋅ sin (θ 2 ) h ⋅ Δφ ⋅ cos(θ 2) = 2 ⋅ r ⋅ Δφ ⋅ sin (θ 2 ) ⋅ cos(θ 2) h ⋅ Δφ ⋅ cos(θ 2) = r ⋅ Δφ ⋅ sin θ

p pa = sin θ sin θa

p=

pa ⋅ sin θ sin θa θ1 ≤ θ2 ≤ π 2

θ1 ≤ π 2 ≤ θ2 Přednáška 12 - Spojky a brzdy

Výpočet vnitřní čelisťové brzdy dN = p ⋅ b ⋅ r ⋅ dθ

dN =

pa ⋅ b ⋅ r ⋅ sinθ ⋅ dθ sinθa

Moment od tečných sil M t = ∫ f ⋅ dN ⋅ (r − a ⋅ cosθ )

f ⋅ pa ⋅ b ⋅ r θ Mt = sinθ ⋅ (r − a ⋅ cosθ ) ⋅ dθ sin θa θ∫ 2

1

Moment od normálových sil M n = ∫ dN ⋅ (a ⋅ sin θ )

pa ⋅ b ⋅ r ⋅ a θ Mn = sin 2θ ⋅ dθ ∫ sin θa θ 2

1

Brzdná síla F=

Mn − Mt c

Přednáška 12 - Spojky a brzdy

Výpočet vnitřní čelisťové brzdy Kroutící moment f ⋅ pa ⋅ b ⋅ r 2 θ T = ∫ f ⋅ r ⋅ dN = sinθ ⋅ dθ ∫ sin θa θ 2

1

f ⋅ pa ⋅ b ⋅ r 2 ⋅ (cosθ1 − cosθ2 ) T= sinθa

Reakční síly v čepu Rx = ∫ dN ⋅ cosθ − ∫ f ⋅ dN ⋅ sinθ − Fx Ry = ∫ dN ⋅ sinθ − ∫ f ⋅ dN ⋅ cosθ − Fy

Rx =

pa ⋅ b ⋅ r ( A ∓ f ⋅ B) − Fx sinθa

1

2

2

1

1

θ pa ⋅ b ⋅ r ⎛ θ ⎞ 2 Ry = ⎜ ∫ sin θ ⋅ dθ + f ⋅ ∫ sinθ ⋅ cosθ ⋅ dθ ⎟ − Fy sinθa ⎝ θ θ ⎠ 2

2

1

1

Ry = θ2

⎞ ⎛1 A = ∫ sinθ ⋅ cosθ ⋅ dθ = ⎜ sin 2θ ⎟ ⎠θ ⎝2 θ θ2

θ pa ⋅ b ⋅ r ⎛ θ ⎞ Rx = ⎜ ∫ sinθ ⋅ cosθ ⋅ dθ − f ⋅ ∫ sin 2θ ⋅ dθ ⎟ − Fx sinθa ⎝ θ θ ⎠

1

pa ⋅ b ⋅ r ( B ± f ⋅ A ) − Fy sinθa

⎞ ⎛θ 1 B = ∫ sin θ ⋅ dθ = ⎜ − sin2θ ⎟ ⎠θ ⎝2 4 θ

θ2

θ2

2

1

1

Přednáška 12 - Spojky a brzdy

Vlastnosti brzdového obložení

Přednáška 12 - Spojky a brzdy