Spojky jsou strojní součásti, které trvale nebo dočasně spojují hnací a hnaný hřídel, a tím přenášejí krouticí moment z hnacího stroje na hnaný, nebo chrání hnací stroj před přetížením.
Části spojek se vyrábějí odléváním (ocel na odlitky, šedá litina) nebo zápustkovým kováním.
Při návrhu spojky je nutné brát v úvahu především požadavek na snadnou rozebíratelnost spojky, její minimální hmotnost a spojku umísťovat co nejblíže k ložisku (čímž se zabrání průhybu hřídele). Z bezpečnostních důvodů musí být rotující a vyčnívající části spojky zakryty.
Spojky dále plní následující funkce:
tlumí rázy a chvění
vyrovnávají nesouosost hřídelí a umožňují jejich axiální posuv
spojují dlouhé hřídele, které z hlediska výroby, montáže, či použití nelze vyrobit z jednoho kusu
zajišťují plynulý rozběh zařízení.
Základní schéma spojky:
Obr. 1 Základní schéma spojky
Spojovacím členem mohou být šrouby, čepy, pružiny, ozubení, může být nahrazen třením, kapalinou či magnetickým polem.
Rozdělení hřídelových spojek
mechanicky neovládané – trvalé spojení dvou hřídelí (neumožňují rozpojení za klidu ani za provozu mechanismu).
nepružné
pevné
spojení hřídele se spojkou je silovým stykem, krouticí moment se přenáší jen vyvozeným třením, konstrukčně jednoduché a levné
použití v případech, kdy je zaručená souosost, za provozu nedochází ke
chvění a osovému posuvu
základní druhy: trubková, korýtková, přírubová, s čelními zuby (Hirthova)
vyrovnávací
použití v případech, kdy není zajištěna dokonalá souosost hřídelí, umožňují
jejich vzájemný pohyb
základní druhy: axiální (trubková), radiální (s křížovým kotoučem), kloubová, univerzální (zubová).
pružné – obsahují pružný člen, který umožňuje vyrovnávat úhlové vychýlení, radiální i axiální (osové) posunutí hřídelí, tlumí rázy a chvění. Materiálem pružných členů je pryž, kov, kůže nebo plasty.
Základní druhy: s pryžovým kotoučem, s nekovovými pouzdry (čepová), polygonová (Hardyho), obručová (Periflex), s hadovými pružinami (Bibi)
mechanicky ovládané – dle konstrukce umožňují rozpojení hřídelí za klidu i za provozu zařízení (při plném zatížení)
výsuvné – ozubcová, třecí (u motorových vozidel), lamelová
pojistné – chrání stroj před přetížením, pokud je přenášený Mk vyšší, než je dovolená hodnota, dojde k rozpojení částí spojky.
Základní typy: se střižným kolíkem, prokluzovací, kuličková vysmekávací.
rozběhové – pracují na principu odstředivé síly, ke spojení spojky dojde až po dosažení určeného počtu otáček. Kdyby se hnací stroj spojil s hnaným při nízkých otáčkách, musel by být dimenzován na výkon při rozběhu a při provozních otáčkách by nebyl plně využit. Záběr je plynulý, spojení se silovým stykem.
volnoběžné – použití tam, kde hnaná část může předběhnout hnací – spojka se stane volnoběhem. Mění spojení hnací a hnané části při otáčení v jednom smyslu.
hydraulické – využívají pohybovou energii kapaliny (oleje). Podstatou je hydrodynamický účinek v lopatkových kolech (čerpadlovém a turbínovém).
elektrické spojky – využívají účinku elektromagnetického pole
magnetické – slouží pro bezkontaktní přenos krouticího momentu i přes stěny všeho druhu (kromě železných). Zabraňují přenášení vibrací od motoru. Téměř bezúdržbové. Sestávají ze dvou protilehlých nábojů osazených magnety. Krouticí moment působící na náboj je přes vzduchovou mezeru přenesen na druhý náboj. Velikost krouticího momentu lze regulovat velikostí vzduchové mezery (nepřímá úměra). Při překročení maximální hodnoty krouticího momentu dochází k prokluzu. Rovná konstrukce spojky umožňuje vyosení v úhlu až 3° a v radiálním směru až 6 mm.
Obr. 2 Princip činnosti magnetické spojky *1)
Obr. 3 Vyosení magnetické spojky *2)
Použití:
čerpadla, kompresory nebo míchače uzavřené v zásobníku kapaliny, ventilátory v uzavřených zásobnících plynů nebo par
potravinářský a farmaceutický průmysl
v případech, kdy je nutná ochrana dílů prokluzem spojky.
Obr. 4 Magnetická spojka *3)
Mechanicky neovládané spojky
Nepružné pevné spojky
Trubková
nejjednodušší, levné
jen pro spojení hřídelů stejného průměru, nutná souosost hřídelů, přenášejí menší krouticí momenty (pro spojení pomaluběžných hřídelů)
na konce hřídelů se nasune trubka s hladkým vnitřním povrchem a vlastní spojení se provede pomocí klínů s nosem, per, kolíků nebo šroubů, z bezpečnostních důvodů se nosy klínů zakryjí.
Obr. 5 Trubková spojka
Korýtková
obě poloviny spojky (dvě litinová korýtka) jsou na hřídelích stejného průměru spojeny 4 až 8 šrouby
pero je jen v jedné polovině spojky
snadná demontáž, nutné souosé hřídele o stejném průměru
spojení delších hřídelí stejného průměru a s klidným zatížením, např. u jeřábů.
Obr. 6 Korýtková spojka
Přírubová
konce hřídelů jsou vykovány do tvaru příruby a spojeny pomocí šroubů, příruby mohou být i přivařeny nebo nalisovány
krouticí moment se přenáší třením ve stykové ploše obou přírub, ale také přes dříky šroubu.
Obr. 7 Přírubová spojka
Kotoučová
dva náboje s kotouči jsou nasazeny na koncích hřídelů a jsou zajištěny pery, klíny apod. a spolu spojeny šrouby
pro velké výkony, možné spojení hřídelů různých průměrů
krouticí moment se přenáší třením na čelech spojky nebo lícovanými šrouby
obtížná demontáž.
Obr. 8 Nepružná kotoučová spojka
S čelními zuby (Hirthova)
zuby jsou na čelních plochách obou částí spojky stáhnutých šroubem.
Obr. 9 Nepružná pevná spojka s čelními zuby
Nepružné vyrovnávací spojky
Axiální trubková
jednoduché, hřídel je uložen v otvoru hnaného hřídele s malou vůlí, krouticí moment přenáší kolík, který je pevně uložen v hnací hřídeli a volně v trubce, spojení s tvarovým stykem
v drážce zhotovené v rozšířené části hnaného hřídele je kolík uložen volně – umožněn axiální posuv hřídele
pro přenos malých krouticích momentů (u čerpadel a zařízení s tepelnou dilatací hřídelů).
Obr. 10 Axiální trubková spojka
Radiální s křížovým kotoučem (Křížová spojka, Oldhamova)
skládá se ze dvou stejných kotoučů a ze středícího křížového kotouče, ten zapadá svými výstupky do vybrání obou dílů spojky, spojka umožňuje axiální posuv i malý radiální posuv (připouští nesouosost hřídelů, může sloužit jako dilatační)
pro přenos velkých a středních výkonů
pro malé výkony bývá křížový kus zhotoven z plastu, a potom spojka tlumí chvění a rázy
vysoká náročnost na přesnost výroby a montáže
spojení s tvarovým stykem.
Obr. 11 Radiální s křížovým kotoučem
Obr. 12 Spojka OLDHAM *4)
Kloubová čepová (kardán)
dvě stejné poloviny jsou upevněny kuželovými kolíky na hřídelích, mezi nimi je křížový kus tvaru kvádru
ke spojení různoběžných nebo rovnoběžných nesouosých hřídelů nebo tam, kde je nutné, aby se při neměnné vzdálenosti umožnila středům kloubových spojek změna výšky
provedení – jednoduchá (obr. a), dvojitá (obr. b) a buď kulová, nebo křížová
nutné intenzivní mazání styčných ploch čepů
u obráběcích strojů, automobilů, nehodí se pro vysoké otáčky.
Obr. 13 Kloubová čepová spojka
Obr. 14 Výsuvný kloubový hřídel s kluzným uložením, TYP G *5)
Ochranné měchy kloubových hřídelů - chrání klouby před nečistotami. Pokud dojde k naplnění měchu mazacím tukem, vzniká samočinné mazání. Bývají vyrobeny ze speciálního neoprenu odolného proti působení kyselin, olejů, mazacích tuků, prachu a vlhkosti.
Obr. 15 Ochranný měch kloubového hřídele *6)
Univerzální zubová
tvořena dvěma náboji s vnějším ozubením (boky zubů jsou soudečkové), uloženými na hřídelích pomocí per a dvěma objímkami s vnitřním ozubením. Náboje a objímka jsou do sebe středěné a sešroubované.
spojení je s tvarovým stykem – objímky svým ozubením zapadají do ozubení nábojů
umožňuje současně úhlové výchylky a osový posuv (dilataci) i nesouosost hřídelí
malé rozměry, velké výkony, použití u válcovacích stolic a jeřábů.
Obr. 16 Univerzální zubová spojka
Obr. 17 Univerzální zubová spojka
Pružné spojky
S pryžovým kotoučem
tvořena dvěma přírubami spojenými čepy, mezi kterými je pryžový kotouč
konstrukce velmi jednoduchá, dovoluje velká axiální posunutí
každý z obou kotoučů může být hnací nebo hnaný
vhodná pro spojení menších elektromotorů s hnaným strojem.
tvořena dvěma kotouči spojenými šrouby, na spojovacích šroubech jsou navlečena pryžová nebo polyamidová pouzdra
jednoduchá konstrukce, tichý chod, schopnost tlumit rázy i kmity
časté použití, vhodné pro přenos malých a středních krouticích momentů.
Obr. 19 Pružná spojka s nekovovými pouzdry
Polygonová (Hardyho)
na koncích hřídelí jsou nasazeny dva stejné, nejčastěji tříramenné unášeče. Jsou spojeny pružným kotoučem pomocí šroubů.
Obr. 20 Polygonová spojka
Obručová (Periflex)
skládá se ze dvou kotoučů nasazených na hřídelích (zajištěných čepy) a z pryžové obruče
s tkaninovou vložkou nebo s ocelovými drátky
jednoduchá konstrukce, snadná montáž i demontáž i při nedostatku místa
umožňuje úhlovou výchylku, vyosení hřídelů a axiální posuv
pryžový kotouč je namáhán tahem (odstředivou silou), smykem (přenášeným krouticím momentem) a otlačením (v místě připojení).
Obr. 21 Obručová spojka (Periflex)
S hadovými pružinami (Bibi)
spojka je tvořena dvěma stejnými náboji s přírubami a ocelovým pásem hadovitě vinutým v drážkách obou přírub (tvoří pružinu), oba díly spojky s tvarovým stykem. Při zatížení a přetížení se spojka deformuje.
vhodná pro použití za nejnepříznivějších provozních podmínek, jako jsou např. kolísavý krouticí moment, časté obracení chodu, např. u válcovacích stolic
dovoluje menší nesouosost hřídelů, malou dilataci v axiálním směru, tlumí rázy a kmity, snižuje nerovnoměrnost chodu
velká životnost, pro zmenšení opotřebení se pružina maže.
Obr. 22 Spojka s hadovými pružinami
Jehlová
tvořena dvěma kotouči spojenými jehlami z pružinové oceli
spojení s tvarovým stykem
velikost přenášeného krouticího momentu lze volit volbou počtu drátků nebo volbou poloměru, na kterém jsou umístěny
drátky jsou proti vypadnutí zajištěny bočními víky, přišroubovanými ke kotoučům.
Obr. 23 Jehlová spojka
Se šroubovitými pružinami
pružiny jsou vloženy mezi zuby na vnějším povrchu jedné části spojky a vnitřním povrchu na druhé, kombinované spojení (se silovým a tvarovým stykem)
pružiny jsou uloženy s předpětím, proto nedojde při malých hodnotách Mk k úhlovému natočení obou dílů spojky. Obě poloviny spojky se vůči sobě začnou otáčet až v okamžiku, kdy krouticí moment dosáhne svojí jmenovité hodnoty. Při překročení jmenovité hodnoty dosednou pružiny na sebe a spojka začne pracovat jako nepružná.
malé rozměry, snadná montáž i demontáž
vyrovnává montážní výchylky vzniklé přesazením nebo vychýlením os hřídelí, tlumí rázy při náhlé změně hnací síly, brání torznímu kmitání
použití při konstrukci obráběcích a textilních strojů.
Obr. 24 Spojka se šroubovitými pružinami
S hranoly
v drážkách na obou částech spojky jsou umístěny pryžové díly (mohou to být válečky, hranoly, koule,…), pomocí kterých je přenášen krouticí moment z hnací části na hnanou
spojení s tvarovým stykem
tlumí rázy a torzní kmity, energie rázů se mění na tepelnou energii
použití pro přenos menších a středních krouticích momentů.
Obr. 25 Spojka s hranoly
Spirálová
univerzální použití pro bezvůlové přenášení krouticího momentu a tlumení vibrací
vyrovnávají nesouosost hřídelí
vyrobeny z jednoho kusu, vysoká tuhost v krutu.
Obr. 26 Spirálová spojka *7)
Obr. 27 Spirálová spojka se svěrným nábojem *8)
Vlnovcová
umožňují bezvůlový úhlově synchronní přenos krouticího momentu
vyrovnávají nesouosost hřídelí
tlumí vibrace
vysoká tuhost v krutu.
Obr. 28 Vlnovcová spojka *9)
Obr. 29 Vlnovcová spojka *10)
Mechanicky ovládané spojky
Dle funkce dělíme:
výsuvné
pojistné
rozběhové
volnoběžné
Výsuvné spojky
ovládání:
mechanické
hydraulické
pneumatické
elektrické
Ozubcová
pro spojování a rozpojování hřídelí, které jsou v klidu, nebo konají velmi malé otáčky, při zapínání spojky za chodu vznikají rázy
chod bez skluzu, malé rozměry, jednoduchá výroba
nutné přesné vyrovnání hřídelí a dobré mazání styčných ploch
krouticí moment je přenášen pomocí boků zubů, které zapadají do výřezů v druhé části spojky – tvarový styk.
Obr. 30 Ozubcová spojka
Třecí kotoučová
přenáší krouticí moment pouze třením mezi hnacím a hnaným kotoučem – spojka se silovým stykem
při zapojování vlivem prokluzu pozvolný a plynulý záběr
použití u motorových vozidel
přítlačná síla může být vyvolána např. několika šroubovými válcovými pružinami nebo centrální talířovou pružinou.
Obr. 31 Třecí kotoučová spojka
Popis funkce vyobrazené třecí kotoučové spojky v automobilu:
Krouticí moment je z hnacího setrvačníku 1 přenášen pomocí oboustranně obložené lamely 2 na hnanou hřídel 3. Když dojde ke zmáčknutí spojkového pedálu automobilu, přítlačný kotouč 4 se odtáhne od lamely pomocí pák 6 a krouticí moment se přestane přenášet. Pokud je spojkový pedál puštěn, přitlačí pružiny 5 kotouč 4 zpátky na lamelu 2.
Lamelová
Krouticí moment je přenášen z hnací hřídele 1 přes těleso 3 na vnější lamely 6. Lamely
na vnější části jsou uloženy střídavě s lamelami na hnané části 5. Ty jsou k hnacím lamelám 6 přitlačovány kroužkem 5 pomocí přítlačných pák 9 (rovnoměrně uložených po obvodu spojky). Páky jsou ovládány posuvem objímky 13. Velikost přítlačné síly je nastavena maticí 12, pojištěnou pojistkou 10 ovládanou páčkou 11. Při stlačení a vzájemném kontaktu lamel vznikají třecí síly. Díky nim je přenesen krouticí moment přes hnané těleso 4 na hnanou hřídel 2. Pokud spojka pracuje v olejové lázni, jsou stykové plochy lamel ocelové. Pokud nejsou lamely mazány, používá se na výrobu lamel Ferdo nebo kovokeramické materiály.
Obr. 32 Lamelová spojka
Pojistné spojky
Při přetížení stroje jsou jeho součásti značně namáhány, pak může dojít k jejich trvalé deformaci nebo i porušení, popř. spálení vinutí motoru. Pojistné spojky by tomuto měly zabránit. Nejsou schopny přenášet zvýšený krouticí moment, při přetížení dojde k jejich poškození nebo k vzájemnému prokluzu hnací a hnané části spojky.
Se střižným kolíkem
hnací a hnanou část spojky spojuje kolík, který se při přetížení přestřihne, pro opětovné použití spojky se přestřižený kolík nahradí novým
kolíky jsou ocelové, zřídka litinové, jsou vsazeny do kalených pouzder (zabránění otlačení materiálu kotoučů spojky)
nevýhodou jsou ztrátové časy při výměně kolíků
pro přenos malých i velkých krouticích momentů – záleží na materiálu, rozměru, umístění a počtu kolíků.
mez pevnosti materiálu kolíku ve střihu
roztečný průměr kolíku [mm]
průměr kolíku
Prokluzovací lamelová
princip činnosti jako u lamelových výsuvných spojek, jen ovládání vzájemného
přitlačování lamel 3 není vnější silou, ale pružinou 5 přes přítlačnou desku 4. Předpětí pružiny
je nastavitelné pomocí šroubu 6. V okamžiku překročení nastaveného krouticího momentu
začnou lamely prokluzovat a hnací (1) a hnaná (2) část spojky se rozpojí.
třecí plochy mazány olejem, hřídele musí být souosé
použití u strojů, kde se předpokládá časté, krátkodobé přetížení.
Obr. 34 Prokluzovací lamelová spojka
Kuličková vysmekávací
krouticí moment přenášejí kuličky, při překročení přípustného krouticího momentu překoná osová síla kuliček tlak pružin a dojde k protočení obou částí spojky
kuličky jsou kalené, umístěné v kaleném a cementovaném vybrání
tlak pružiny lze nastavit stavitelným kroužkem se závitem
snadná údržba, použití pro menší a střední krouticí momenty.
Obr. 35 Pojistná spojka kuličková vysmekávací
Rozběhové spojky
S neřízeným záběrem
Základní části spojky tvoří hnací člen 1, spojovací člen 2 a hnaný člen 3. Po obvodu hnacího členu jsou vyrobeny zuby, hnaný člen je hladký. Spojovací segmenty jsou vloženy v prostoru mezi zuby. Když se začne hnací člen otáčet, vznikne odstředivá síla. Velikost této odstředivé síly se zvyšuje se zvyšujícím se počtem otáček. Vlivem odstředivé síly dojde k přitlačování spojovacích segmentů na vnitřní plochu hnaného členu, následkem čehož vznikne ve stykové ploše síla třecí. Velikost třecí síly tedy závisí na velikosti síly odstředivé.
V okamžiku, kdy třecí síla překoná odpor zatěžujícího krouticího momentu, dojde k roztočení hnaného členu. Při snížení počtu otáček se spojka opět rozpojí. Tuto spojku lze využít i jako pojistnou.
Obr. 36 Základní části rozběhové spojky s neřízeným záběrem
Obr. 37 Rozběhová spojka s neřízeným záběrem
S řízeným záběrem
Funkce rozběhové spojky s řízeným záběrem je obdobná jako u spojky se záběrem neřízeným. Rozdíl spočívá v tom, že k sepnutí spojky je nutné překonat předpětí plochých pružin, které třecím segmentům brání v okamžitém záběru s hnaným členem. Předpětí pružin lze určit stavěcím šroubem, což umožňuje nastavit počátek záběru spojky.
Obr. 38 Rozběhová spojka s řízeným záběrem
Volnoběžné spojky
U některých druhů zařízení může dojít k tomu, že by mohla hnaná část vlivem setrvačných sil předběhnout část hnací. V tomto případě bude hnací část působit jako brzda a mohlo by dojít k poškození hnacího zařízení. Tento jev je patrný například při jízdě na jízdním kole z kopce. V počátku svojí existence měla jízdní kola šlapátka napevno spojená s kolem a při jízdě z kopce se tedy také otáčela, čemuž musel odpovídat i pohyb nohou. Použitím volnoběžné spojky se tento problém vyřešil. Volnoběžné spojky přenášejí krouticí moment jen jedním směrem – z hnací části do hnané, opačně ne.
Nejjednodušším typem tohoto druhu spojky je spojka kuličková:
Vlivem tvarované konstrukce vnitřního hnacího členu a vnějšího hnaného členu válcového tvaru vznikají mezi těmito částmi klínové mezery, kde jsou umístěny spojovací elementy (kuličky nebo válečky). Když se začne hnací člen otáčet, spojovací elementy se v klínové mezeře vzepřou mezi hnacím a hnaným členem, vzniká tření a dojde k přenosu krouticího momentu. Pokud se hnaný člen začne otáček rychleji, spojovací členy se uvolní a dojde k rozpojení spojky.
Obr. 39 Kuličková rozběhová spojka
Obr. 40 Volnoběžná kuličková spojka *11)
Hydraulické spojky
K přenosu krouticího momentu jako spojovacího členu využívají kapalinu. Ke spojení hnacího a hnaného členu dochází díky vnitřnímu tření v oleji.
Hydraulických spojek rozeznáváme dva druhy:
hydrostatické
hydrodynamické
Základními stavebními částmi hydrodynamické spojky je čerpadlové kolo (čerpadlo) 3 a turbínové kolo (turbína) 4. Obě části mají lopatky, v nichž je olej. Otáčením hnací hřídele 1 a čerpadlového kola dostává olej odstředivou silou patřičnou rychlost a celý objem oleje pak získává kinetickou energii. Tuto energii předává turbínovému kolu a dále je přes hnaný hřídel 2 vedena k hnanému stroji. Kapalina obíhá z čerpadla do turbíny a zpět.
Při plném běhu je mezi otáčkami n1 a n2 jen zcela malý rozdíl, tzv. skluz. Hydrodynamická spojka umožňuje plynulý rozběh hnaného stroje.