Sprzęgło i reduktor pilarki

Sprzęgło pilarki przekazuje moment obrotowy z wału korbowego silnika na wał przekładni redukującej lub bezpośrednio – na kółko napędowe piły łańcucho-wej. Sprzęgło służy do odłączenia urządzenia tnącego od silnika przy małej prędko-ści obrotowej wału silnika. Przy nagłych wzrostach obciążenia sprzęgło wpada w poślizg i chroni tym samym silnik i urządzenie tnące od przeciążeń.

Przekładnia redukująca (reduktor) przeznaczona jest do zwiększenia momentu obrotowego przekazywanego od silnika na zębate kółko napędowe urządzenia tną-cego. Zwiększenie momentu (M) jest wynikiem zmniejszenia prędkości kątowej wałka kółka zębatego, bowiem przy stałej mocy (N) mamy: M = N/ω. Oprócz zmiany wartości wektora momentu obrotowego reduktor może zmienić kierunek tego wektora. Jest to konieczne, gdy oś wału silnika jest prostopadła do osi kółka napędowego (rys. 3.2e, f, g) i wtedy reduktor złożony jest z kół zębatych stożko-wych. Natomiast, gdy obie osie są równoległe w reduktorach jest przekładnia zło-żona z kół zębatych walcowych (rys. 3.2a–d).

Reduktor z kołami zębatymi stożkowymi pokazano na rysunku 6.2. Moment obrotowy od wału silnika przekazywany jest tu przez sprzęgło odśrodkowe, parę kół stożkowych do kółka napędowego.

Rys. 6.2. Reduktor pilarki „Drużba-4” [Poliszczuk 1970]: 1 – przewód olejowy smarowania piły, 2 – osada przewodu olejowego, 3 – ostroga, 4 – korpus reduktora, 5 – pokrywa reduktora, 6 – łożysko kulkowe, 7 – pokrywa kółka stożkowego napędowego (małego), 8 – kółko stożkowe

napędzane (duże), 9 – łożysko kulkowe, 10 – płytka ustalająca, 11 – szpilka, 12 – mimośród, 13 – pierścień uszczelniający tylny, 14 – bęben sprzęgła, 15 – pierścień smarujący, 16 – kółko

W pilarkach stosowane są samowłączalne sprzęgła cierne odśrodkowe. Pod-stawowe elementy sprzęgieł (rys. 6.3) to tarcza i bęben. Tarcza sprzęgła jest nakrę-cana na gwintowany czop wału korbowego i jest elementem napędzającym (czyn-nym) sprzęgła. Bęben sprzęgła jest osadzony na wale za pośrednictwem łożyska igiełkowego. Do bębna przymocowane jest kółko napędowe piły łańcuchowej. Kółko może być usytuowane na zewnątrz (przed tarczą sprzęgła) i takie sprzęgło nazywamy zamkniętym (rys. 6.3b) lub od wewnątrz (pomiędzy tarczą a korpusem silnika) i takie sprzęgło nazywamy otwartym (rys. 6.3a, c, d).

Rys. 6.3. Elementy sprzęgieł pilarek [instrukcja obsługi, Glantz 1978]: a – Husqvarna 254: 1 – tarcza kpl, 2 – bęben, 3 – łożysko igiełkowe, 4 – kółko napędowe, 5 – pokrywa kółka; b – Jobu LP: 1 – prowadnica szczęk, 2 – szczęka, 3 – sprężyna szczęki, 4 – pokrywa, 5 – bęben,

6 – łożysko, 7 – pierścień wewnętrzny, 8 – kółko napędowe, 9 – pokrywa kółka, 10 – nakrętka; c – Homelite: 1– pokrywa, 2 – pierścień wewnętrzny, 3 – łożysko, 4 – piła łańcuchowa, 5 – bęben

sprzęgła z kółkiem napędowym, 6 – szczęki, 7 – pokrywa kółka, 8 – wkręt pokrywy; d – Stihl 031: 1 – korpus, 2 – pokrywa, 3 – łożysko, 4 – bęben z kółkiem napędowym, 5 – sprężyna szczęk,

6 – kółko napędowe pompy olejowej, 7 – pokrywa, 8 – prowadnica szczęk, 9 – szczęka, 10 – pokrywa, 11 – nakrętka

Przeniesienie momentu obrotowego z wału silnika dokonuje się z tarczy na bę-ben sprzęgła. Tarcze sprzęgła mogą być jednoelementowe (rys. 6.3c) lub segmen-towe (rys. 6.3a, b, d, rys. 6.4) – składające się z kilku elementów roboczych (cier-nych). Tarcza jednoelementowa zbudowana jest z cienkich, sprężystych blach i na

przekroju poprzecznym jest zwinięta w kształcie litery „S” tak, że zewnętrzne po-wierzchnie fragmentów tarczy wpisują się w okrąg.

Tarcze segmentowe mają różną budowę, z uwagi na elementy cierne. Najczę-ściej są to tarcze szczękowe, rzadziej pierścieniowe. Przykład tarczy pierścieniowej pokazano na rysunku 6.4a. Tarcza taka składa się z tarczy właściwej z prowadni-cami pierścieni i sprężystych, przeciętych w jednym miejscu pierścieni. Tarcze segmentowe szczękowe mają elementy cierne w postaci masywnych szczęk, osa-dzonych ruchomo na prowadnikach. Z uwagi na liczbę szczęk tarcze mogą być dwuszczękowe (rys. 6.3a, b), trójszczękowe (rys. 6.3d, rys. 6.4b), cztero- i sze-ścioszczękowe (rys. 6.4c). Z uwagi na kształt i ukierunkowanie, prowadniki mogą być proste promieniowe (rys. 6.3a, b, d, rys. 6.4b, c), proste skośne (rys. 6.5a) i łukowe skośne (rys. 6.5b). Właściwością tarcz z prowadnikami skośnymi jest roz-łączanie sprzęgła podczas gwałtownego hamowania piły przy większej prędkości obrotowej (a więc wcześniej) niż przy prowadnikach prostych promieniowych; co jest korzystne z uwagi na bezpieczeństwo pracy pilarką. Przykład tarczy ze szczę-kami z kinematycznym zwiększeniem siły docisku pokazano na rys. 6.6.

Rys. 6.4. Tarcze sprzęgieł pilarek [Poliszczuk 1970]: a – tarcza z pierścieniami ciernymi: 1 – pierścienie cierne, 2 – tarcza z prowadnicami pierścieni; b – tarcza ze szczękami i ustawiony-mi proustawiony-mieniowo spiralnyustawiony-mi sprężynaustawiony-mi: 1 – tarcza, 2 – szczęka cierna, 3 – nakrętka, 4 – sprężyna szczęki, 5 – podkładka, 6 – prowadnik, 7 – zawleczka; c – tarcza ze szczękami i sprężyną spiralną

Rys. 6.5. Tarcze sprzęgieł [Poliszczuk 1970]: a – z prowadnikami prostymi, b – z prowadnikami łukowymi; 1 – szczęka, 2 – piasta, 3 – prowadnik, 4 – sprężyna

Rys. 6.6. Schemat sprzęgła z kinematycznym zwiększeniem siły docisku szczęki do bębna [Glantz 1978]: 1 – prowadnik szczęki, 2 – bęben sprzęgła, 3 – szczęka cierna, 4 – sprężyna

Szczęki są utrzymywane w zwartej pozycji za pomocą sprężyn. Podobną zwar-tość w sprzęgle z tarczą jednoelementową zapewniają siły sprężystości zwężonych fragmentów elementu. Sprężyny usytuowane mogą być popromieniowo – na osi prowadników prostych promieniowych (rys. 6.3b, 6.4b), w tarczach dwuszczęko-wych mogą być równoległe do osi prowadników (rys. 6.3a), mogą być połączone w układ trójkątny (rys. 6.3d), a przy większej liczbie szczęk mogą tworzyć zamknięty obwód położony w pobliżu zewnętrznej części szczęk (rys. 6.4c). Zależnie od ukła-du, sprężyny oddziaływają na szczęki całymi siłami odkształcenia sprężystego, albo częścią tych sił.

W czasie ruchu obrotowego wału silnika i tarczy sprzęgła, na zewnętrzne fragmenty tarczy jednoelementowej, na pierścienie cierne lub szczęki sprzęgła dzia-ła sidzia-ła odśrodkowa usiłująca odchylić je na zewnątrz, w stronę bębna. Masy i prze-kroje elementów roboczych oraz stałe sprężyste sprężyn dobrane są tak, by przy wolnych obrotach wału silnika (2500–3000 obr/min) siły odśrodkowe były

mniej-sze od sił sprężystości; aby elementy cierne nie dotykały wewnętrznych cylindrycz-nych powierzchni bębna i sprzęgło nie było włączone. Przy wzroście prędkości obrotowej wału odśrodkowe siły bezwładności pokonują siły sprężystości elemen-tów ciernych, elementy te są dociskane do wewnętrznej powierzchni bębna i trą o nie, wytwarzając na bębnie moment tarcia zależny od nacisku normalnego, współ-czynnika tarcia poślizgowego pomiędzy powierzchniami ciernymi (np. szczęk i bębna) i od promienia cylindrycznej wewnętrznej powierzchni bębna. W początko-wej, krótkiej fazie, szczęki ślizgają się po powierzchni wewnętrznej bębna. Z chwi-lą, gdy moment tarcia dorówna momentowi obrotowemu, poślizg ustaje i sprzęgło jest w pełni włączone. Zależnie od sprzęgła i silnika, powinno to nastąpić przy prędkości 3200–4500 obr/min. Przy ponownym zmniejszeniu prędkości obrotowej wału sprzęgło automatycznie się wyłącza. Tak więc można zaobserwować cztery stany pracy sprzęgła, zależne od prędkości obrotowej wału (n), prędkości obrotowej początka włączania sprzęgła (n₀) i prędkości końcowej włączania sprzęgła (n_k):

1. n < n₀ – stan biegu jałowego silnika; sprzęgło wyłączone i urządzenie tnące odłączone od napędu (k = 0),

2. n = n₀ – początek włączania sprzęgła,

3. n₀ < n < n_k – stan poślizgu sprzęgła (0 < k < 1),

4. n ≥ nk – stan roboczy, charakteryzujący się pełnym przekazaniem momentu obrotowego wału silnika (k ≥ 1)

Przykładową charakterystykę sprzęgła podano na rysunku 6.7. Współczynnik zapasu możliwości przenoszenia momentu obrotowego przez sprzęgło jest równy:

s sp

M

M

k=

(6.1)

Obliczenia sprzęgieł odśrodkowych zależne są od ich konstrukcji. Sprzęgła segmentowe bez kinematycznego wzmocnienia docisku, na przykład sprzęgło wie-loszczękowe z prostymi promieniowymi prowadnikami (rys. 6.8), oblicza się nastę-pująco:

Siła odśrodkowa działająca na szczękę o masie (m) przy prędkości kątowej ω

= πn/30 jest równa: 2 0 2 0 2

30 ^mrn

r

m

P

_n

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

=

= _ω π

(6.2)

1. Siłę promieniową sprężyny, przyciskającą szczękę do środka tarczy oblicza się zależnie od konstrukcji sprzęgła (sposobu ustawienia sprężyn). Przy od-dzielnych sprężynach dla każdej szczęki i ich promieniowym ustawieniu (rys. 6.8), siła sprężyny działająca wzdłuż osi prowadnika jest zależna od stałej sprężystej (k_s) i od wydłużenia (x) sprężyny, które w chwili dotknięcia szczęki powierzchnią cierną do bębna wynosi x_max=δ:

δ

k

F

x

k

F = → =

(6.3)

Rys. 6.7. Przykładowa charakterystyka sprzęgła ciernego odśrodkowego [Poliszczuk 1970]: Ms – średni moment obrotowy na wale silnika przy otwartej przepustnicy, Msp – moment obrotowy możliwy do przeniesienia przez sprzęgło, uwarunkowany tarciem, k – współczynnik

zapasu możliwości przenoszenia momentu przez sprzęgło, n0 i nk – prędkości obrotowe wału na początku i na końcu włączania sprzęgła, n_Nemax – prędkość obrotowa przy maksymalnej

efektywnej mocy silnika

Rys. 6.8. Elementy i wymiary sprzęgła odśrodkowego wieloszczękowego [Poliszczuk 1970]: 1 – prowadnik, 2 – bęben, 3 – szczęka cierna, 4 – sprężyny,

δ – odstęp między szczękami a bębnem

Na siłę F zużywana jest ta część odśrodkowej siły bezwładności P_n, która po-wstaje przy prędkości obrotowej n₀, znamiennej dla początkowej fazy włączania sprzęgła. Można, więc przyjąć, że dla rozpatrywanego przypadku:

2 0 0 2 1

30 ^mrn

P

F

_n

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

=

= π

(6.4)

W przypadku sprężyn ustawionych inaczej (na przykład w przybliżeniu w trój-kąt przy trójszczękowej tarczy – rys. 6.9) wypadkową siłę sprężyn działających na szczękę wzdłuż osi prowadnika (F₁) obliczyć można następująco:

− maksymalne wydłużenie każdej ze sprężyn:

2

cos

2

max

α

δ

=

x

(6.5)

− maksymalna siła napięcia sprężyny (przy x_max):

δ

α

s s

x k

k

F

2

cos

2

max max

= =

(6.6)

− siła działająca od sprężyn na szczękę wzdłuż prowadnika:

δ

α

s

k

F

2

cos

4

2 1

=

(6.7) (przy

α ≅60

o

F

₁

≈3k

_s

δ

)

2. Moment obrotowy, jaki może przekazać sprzęgło, z uwagi na tarcie szczęk o bęben, jest równy:

(P

_n

F) R

_k

i

M = −

₁

μ η

(6.8)

gdzie: i – liczba szczęk ciernych,

μ – współczynnik tarcia poślizgowego powierzchni ciernych szczęk o cylin-dryczną powierzchnię wewnętrzną bębna (uwzględniając ślady oleju), R – wewnętrzny promień bębna sprzęgła,

ηk – współczynnik kinetycznego wzmocnienia docisku szczęki równy:

1

1

F

B

B

k

−

Δ

+

=

η

(6.9)

gdzie: ΔB – wielkość kinematycznego wzmocnienia docisku szczęki przy danej sile odśrodkowej B i współczynniku tarcia μ.

Dla sprzęgieł zwykłych, z prostymi promieniowymi prowadnikami współ-czynnik ηk ≈ 1. Przy obliczeniach sprzęgieł z kinematycznym wzmocnieniem doci-sku η_k określa się zależnie od konstrukcji. Dla sprzęgła przedstawionego na rysun-ku 6.6 współczynnik ten jest równy:

α

μ

α

μ

η

ctg

ctg

k

⁼¹⁺1−

^(6.10)

Dodatkowy docisk szczęki tego sprzęgła wynika z tego, że na szczękę, obok si-ły odśrodkowej wynikającej z ruchu obrotowego z prędkością ω wokół osi O, dzia-ła sidzia-ła odśrodkowa wynikająca z obrotu wokół osi A z prędkością kątową ω1. Dla sprzęgieł o prostych promieniowych prowadnikach i oddzielnych sprężyn ustawio-nych promieniowo (rys. 6.8), z uwagi na zależność (6.4) wzór (6.8) na moment obrotowy zapisać można następująco:

( ) (

2 2

)

2

n

n

R

mr

i

R

P

P

i

M = − μ η = ⎜^{⎛ π} ⎟^⎞ μ η −

(6.11)

Sprzęgło odśrodkowe i jego charakterystyka powinno być dopasowane do typu pilarki (i innych narzędzi na bazie silnika pilarki) oraz do warunków eksploatacyj-nych sprzęgła. Powinny być spełnione następujące warunki:

1. We wszystkich przypadkach konieczne jest, by sprzęgło odłączało narzędzie robocze od silnika na biegu jałowym, tzn. by prędkość obrotowa włączania sprzęgła (n₀) była zawsze wyższa od minimalnej prędkości obrotowej ustalo-nego ruchu silnika na biegu jałowym (n_b). Ponieważ dla silników pilarek war-tości n₀ i n_b mają różne wartości, a n_b zależy od wyregulowania i stanu silni-ka, to rekomenduje się, by spełniona była nierówność:

(n

₀

−n

_b

)≥0,15n

_Nemax (6.12)

2. Sprzęgło powinno przekazywać pełny średni moment obrotowy silnika w ca-łym przedziale roboczych prędkości obrotowych. Dla pilarek przedział ten jest następujący:

max max

1,1

_Ne M

n n

n ≤ ≤

(6.13)

Przy tym współczynnik zapasu momentu sprzęgła k ≥ 1.

3. Przy ostrych hamowaniach (zakleszczeniach) urządzenia tnącego pilarki sprzęgło powinno ograniczać wielkość przekazywanego momentu obrotowe-go poprzez poślizg szczęk. Tak więc dla roboczeobrotowe-go przedziału prędkości sil-nika współczynnik (k) nie powinien być za duży. Dla n = n_Nemax współczyn-nik k powinien być w przedziale k = 1,5÷3,0 z przewagą wartości 2,0–2,5 [Poliszczuk 1970]. Trzeba więc umiejętnie pogodzić wzajemnie przeciwne wymagania 2 i 3, pamiętając przy tym, że zwiększanie okresów poślizgu po-woduje większe zużycie sprzęgła.

Rys. 6.9. Uproszczony schemat działania sprzęgła trójszczękowego ze sprężynami ustawionymi w trójkąt: P_n – siła odśrodkowa, F – napięcie sprężyny, F1 – siła działająca od sprężyn na szczękę,

W dokumencie Narzędzia i maszyny do głównych operacji pozyskiwania drewna : notatki autoryzowane (Stron 86-94)