14. CUPLAJE

4.1. CARACTERIZARE. CLASIFICARE. DOMENII DE FOLOSIRE

Cuplajele realizează legătura permanentă sau intermitentă între două elemente consecutive ale unui lanţ cinematic, în scopul transmiterii momentului de torsiune şi a mişcării de rotaţie, fără a se modifica, de regulă, legea de transmitere.

În afara funcţiei principale de transmitere a sarcinii (moment de torsiune) şi a mişcării de rotaţie, cuplajele pot îndeplini şi o serie de funcţii suplimentare, precum:

compensarea abaterilor de poziţie a elementelor legate prin cuplaj, abateri datorate erorilor de execuţie şi montaj;

legarea unor arbori cu axe paralele sau concurente; protecţia transmisiei din care fac parte de şocuri şi vibraţii; limitarea sarcinii transmise; limitarea turaţiei; decuplarea transmiterii mişcării la schimbarea sensului de rotaţie; întreruperea comandată a legăturii dintre elemente.Datorită marii diversităţi de tipuri constructive de cuplaje existente în practică, o clasificare

general acceptată este dificil de realizat. Din acest motiv se apelează la criterii de clasificare ce prezintă un grad mare de generalitate, cum ar fi: procesul fizic de transmitere a sarcinii – mecanic (contact direct, frecare), hidraulic sau electric; continuitatea transmiterii sarcinii – permanente sau intermitente; posibilitatea preluării abaterilor la montarea cuplajului sau în timpul funcţionării – fixe sau mobile; forma suprafeţelor de frecare – plană, conică, cilindrică; modul de realizare a comenzilor; modul de limitare a sarcinii şi turaţiei; transmiterea unisens a mişcării etc.

Una din cele mai utilizate clasificări primare, la realizarea căreia au fost luate în considerare unele din criteriile mai sus enunţate, este prezentată în fig. 4.1.

Clasificarea cuplajelor în cuplaje mecanice, hidraulice şi electromagnetice consideră fenomenele care stau la baza transmiterii sarcinii.

Cuplajele permanente realizează o legătură permanentă între arborii pe care îi leagă. Întreruperea legăturii se poate face doar prin demontarea cuplajului. Cuplajele permanente fixe realizează legătura dintre doi arbori coaxiali, fără a putea compensa abaterile de poziţie ale acestora şi fără a amortiza şocurile şi vibraţiile din transmisie. Cuplajele permanente mobile îndeplinesc funcţia suplimentară de a compensa abaterile de poziţie ale arborilor sau de a lega arbori cu axe paralele sau concurente. Cuplajele pemanente mobile rigide nu amortizează şocurile sau vibraţiile, în timp ce cuplajele permanente elastice îndeplinesc şi acestă funcţie suplimentară.

Cuplajele intermitente realizează o legătură între doi arbori, care poate fi întreruptă cu ajutorul unei comenzi exterioare (cuplaje intermitente comandate) sau automat - la apariţia unei suprasarcini (cuplaje de siguranţă), la scăderea turaţiei (cuplaje centrifugale) sau la schimbarea sensului de rotaţie (cuplaje unisens).

Pentru orice transmisie, oricât de complexă ar fi, se poate alege un cuplaj simplu corespunzător sau se poate realiza un cuplaj combinat, care să răspundă tuturor condiţiilor funcţionale impuse transmisiei.

Fig

. 4.1

Cla

sifi

care

a cu

plaj

elor

- 2 -

4.2. SARCINA DE CALCUL

În timpul funcţionării, asupra cuplajului acţionează un sistem complex de sarcini. În afara momentului de torsiune care trebuie transmis, asupra cuplajului mai acţionează:

sarcini datorate inerţiei elementelor transmisiei; sarcini de şoc sau vibratorii, datorate condiţiilor de funcţionare ale transmisiei; suprasarcini datorate deformării forţate ale elementelor cuplajului, ca urmare a abaterilor de

poziţie ale arborilor; sarcini suplimentare datorate frecărilor dintre elementele mobile ale cuplajului. Dependenţa acestor sarcini suplimentare de un sistem complex de factori face foarte dificilă

stabilirea pe cale analitică a momentului de torsiune cu care trebuie dimensionat cuplajul.În fig. 4.2 este prezentată variaţia generală a momentului de torsiune într-o transmisie, pe

parcursul funcţionării. Punctele şi zonele caracteristice variaţiei momentului de torsiune sunt: a – şocul la pornire; b – trecerea in regim staţionar; c – regimul staţionar; d – şocul la oprire.

În practica proiectării cuplajelor, momentul de torsiune utilizat pentru dimensionarea acestora este denumit moment de torsiune de calcul Mtc şi se stabileşte cu relaţia

(4.1)

în care Ks este un coeficient supraunitar, numit coeficient de siguranţă sau de suprasarcină, iar Mtn

reprezintă momentul de torsiune nominal de transmis, determinat în funcţie de puterea motorului electric P, în kW, şi de turaţia nominală de funcţionare a cuplajului n, în rot/min, cu relaţia

(4.2)

Coeficientul Ks este determinat pe baza datelor experimentale şi se obţine, de regulă, ca produs de factori, pentru care valorile sunt precizate în standarde sau cataloagele firmelor producătoare de cuplaje [99, 100, 103, 104, 105, 106], factori care iau în considerare tipul maşinii motoare, tipul şi condiţiile de lucru ale maşinii antrenate şi regimul de funcţionare al transmisiei.

Cuplajele se pot alege din standarde sau din cataloagele firmelor specializate în producerea de cuplaje, în funcţie de momentul de torsiune Mtcatalog precizat în acestea, cu condiţia Mtcatalog Mtc.

4.3. CUPLAJE PERMANENTE

4.3.1. Cuplaje permanente fixe

Cuplajele permanente fixe au rolul de a realiza o legătură permanentă şi rigidă a arborilor coaxiali pentru a transmite între aceştia un moment de torsiune şi mişcarea de rotaţie. Abaterea de la coaxialitate a arborilor nu trebuie să depăşească 0,002…0,05mm [8, 14], astfel încât cuplarea lor să

- 3 -

Fig. 4.2 Variaţia generală a momentului de torsiune transmis

nu creeze suprasolicitări în arbori şi lagărele pe care aceştia se sprijină. Astfel de cuplaje se utilizează pentru legarea arborilor lungi, formaţi din tronsoane, care lucrează la turaţii mici ( n < 250 rot/min) şi la transmisii al căror regim de funcţionare impune momente de inerţie cât mai mici ale cuplajelor.

4.3.1.1. Cuplaje cu manşon

Cuplajele cu manşon se pot realiza în construcţii cu manşon dintr-o bucată sau din două bucăţi.

Cuplajele cu manşon monobloc sunt realizate sub forma unei bucşe asamblată pe cele două capete de arbori. Asamblările se pot realiza prin ştifturi cilindrice (fig. 4.3, a), ştifturi conice (fig. 4.3, b), pene paralele (fig. 4.3, c), pene disc sau caneluri (fig. 4.3, d). La asamblările prin pene longitudinale sau prin caneluri, bucşa trebuie fixată axial în unul dintre arbori, soluţia cea mai utilizată fiind cu ştift filetat (v. fig. 4.3, c şi d).

- 4 -

Calculul acestor cuplaje constă în dimensionarea asamblărilor bucşă-capete de arbori şi în verificarea manşonului la torsiune, calculul efectuându-se la momentul de torsiune de calcul.

Relaţia de verificare la torsiune a manşonului este

, (4.3)

unde D şi d sunt diametrele caracteristice ale manşonului (v. fig. 4.3), iar at - tensiunea admisibilă la torsiune a materialului manşonului [3]. Diametrul exterior al manşonului D se adoptă constructiv

[3, 32] în funcţie de diametrul capătului de arbore D = (1,4…1,8)d. Valorile superioare ale intervalului sunt recomandate pentru manşoane executate din fontă, iar valorile inferioare pentru manşoane executate din oţel.

- 5 -

c d

Fig. 4.3 Cuplaje cu manşon monobloc

a b

Cuplajele cu manşon monobloc se folosesc rar datorită gabaritului relativ mare în lungime şi montajului incomod, necesitând deplasări axiale ale cel puţin unui arbore.

Cuplajele cu manşon din două bucăţi sunt asemănătoare cu cele cu manşon monobloc, deosebirea fiind secţionarea manşonului cu un plan axial. Cele două părţi ale manşonului secţionat sunt asamblate cu şuruburi pe capetele de arbori. Sarcina se transmite prin frecarea dintre manşon şi capetele de arbori, dar sunt prevăzute, de regulă, şi asamblări prin pene longitudinale între capetele de arbori şi cele două semimanşoane. Standardele [99] prevăd două variante constructive de cuplaje cu manşon secţionat: pentru arbori orizontali (fig. 4.4, a) şi pentru arbori verticali (fig. 4.4, b) - caz în care penele paralele, utilizate pentru siguranţă, sunt prevăzute cu cep.

Calculul acestor cuplaje constă în verificarea şuruburilor montate cu strângere, după ce dimensiunile constructive ale cuplajului sunt alese din standarde [99].

Utilizarea acestor cuplaje nu este mai largă decât a cuplajelor cu manşon monobloc, deşi nu necesită deplasarea arborilor la montaj.

4.3.1.2. Cuplaje cu flanşe

Cuplajele cu flanşe sunt formate din două semicuplaje sub formă de flanşe asamblate fiecare pe câte un capăt de arbore prin pene paralele şi între ele prin şuruburi.

Aceste cuplaje se execută în două variante: cu şuruburi montate cu joc şi cu şuruburi montate fără joc.

- 6 -

a b

Fig. 4.4 Cuplaje cu manşon din două bucăţi

Cuplajul cu flanşe şi şuruburi montate cu joc (fig. 4.5) transmite momentul de torsiune prin frecarea dintre semicuplaje. Forţa de apăsare necesară transmiterii sarcinii prin frecare este realizată

prin strângerea şuruburilor la montaj. Condiţia ca momentul de torsiune de calcul Mtc să fie transmis prin frecarea dintre flanşe este

, (4.4)

forţa F0 care presează flanşele, corespunzătoare fiecărui şurub rezultând

(4.5)

În relaţiile (4.4) şi (4.5) Mf reprezintă momentul de frecare dintre flanşe, - coeficientul de frecare dintre flanşe, cu valori = 0,2…0,3, z - numărul de şuruburi, D - diametrul de dispunere a şuruburilor.

Forţa F0 solicită şurubul la tracţiune. Deoarece, la montaj şurubul este solicitat şi la torsiune, de către momentul de înşurubare, dimensionarea şuruburilor se face cu relaţia

, (4.6)

în care d1 reprezintă diametrul interior necesar al filetului şuruburilor, at - rezistenţa admisibilă la tracţiune.

Pentru descărcarea şuruburilor de solicitare acestea se pot monta în bucşe, care la rândul lor sunt montate fără joc între flanşe, calculul acestora efectuându-se ca şi la construcţia cu şuruburi montate fără joc.

Cuplajul cu flanşe şi şuruburi montate fără joc (fig. 4.6) utilizează, pentru legarea flanşelor, şuruburi de păsuire, găurile de trecere din cele două flanşe fiind precise, la fel ca şi tija nefiletată îngroşată a şuruburilor.

Sarcina se transmite prin contact direct între flanşe şi tija nefiletată a şuruburilor. Forţa care revine fiecărui şurub este

- 7 -

Fig. 4.5 Cuplaj cu flanşe şi şuruburi montate cu joc

Fig. 4.6 Cuplaj cu flanşe şi şuruburi montate fără joc

, (4.7)

unde z reprezintă numărul de şuruburi, iar D - diametrul de dispunere al acestora.Şuruburile de păsuire se verifică la forfecare, cu relaţia

(4.8)

verificarea la strivire efectuându-se cu relaţia

(4.9)

În relaţiile (4.8) şi (4.9) s-au utilizat notaţiile: D0 - diametrul tijei nefiletate; lmin = min (l1, l2) - v. fig. 4.6 - lungimea minimă de contact dintre şuruburi şi flanşe. Calculul corespunde celui al asamblărilor prin şuruburi montate fără joc, solicitate transversal, prezentat în subcap. 2.1.5.3.

4.3.2. Cuplaje permanente mobile rigide

Denumirea acestor cuplaje provine de la elementul intermediar rigid care face legătura dintre semicuplaje. Aceste cuplaje sunt destinate compensării abaterilor de poziţie ale arborilor, fără a avea posibilitatea amortizării şocurilor şi vibraţiilor. Abaterile de poziţie reprezintă diferenţele faţă de poziţia reciprocă normală a capetelor de arbori (fig. 4.7, a) şi pot fi: axiale (fig. 4.7, b), radiale

- 8 -

Fig. 4.7 Abateri de poziţie

(fig. 4.7, c), unghiulare (fig. 4.7, d) sau combinate (fig. 4.7, e). Cuplajele permanente mobile rigide se clasifică în funcţie de tipul abaterilor de poziţie care pot fi compensate.

4.3.2.1. Cuplaje permanente mobile rigide pentru compensarea abaterilor axiale

Cuplajul cu gheară (fig. 4.8) se utilizează pentru transmiterea de momente de torsiune mici, la pompe de ungere şi la dispozitive acţionate manual.

Cuplajul cu ştift transversal se execută în una din cele două variante prezentate în fig. 4.9. Calculul acestor cuplaje constă în verificarea ştiftului la forfecare şi strivire.

Cuplajul cu gheare, prezentat în fig. 4.10, este format din semicuplaje identice 1 şi 2, centrate pe un inel de centrare 3. Sarcina se transmite prin contact între gheare solicitându-le la strivire,

- 9 -

Fig. 4.11 Cuplaj Oldham

forfecare şi încovoiere. Acest cuplaj transmite momente de torsiune mari, pentru diametre de arbori d = 30…140 mm şi compensează abateri axiale l = 16…24 mm [3, 14].

4.3.2.2. Cuplaje permanente mobile rigide pentru compensarea abaterilor radiale

Cuplajul Oldham (fig. 4.11) este tipul cel mai cunoscut din această categorie de cuplaje. Acest cuplaj are diverse soluţii constructive, diferind prin forma elementelor componente. Semicuplajele 1 şi 2 sunt identice, iar elementul intermediar 3 face legătura dintre cele două semicuplaje prin forme conjugate. În timpul funcţionării, la abateri radiale ale poziţiei arborilor, elementul intermediar execută o mişcare planetară. Abaterile radiale care pot fi preluate sunt R = 0,04D [3, 14].

Suprafeţele funcţionale sunt solicitate la strivire.

4.3.2.3. Cuplaje permanente mobile rigide pentru compensarea abaterilor unghiulare

- 10 -

Fig. 4.8 Cuplaj cu gheară

Fig. 4.10 Cuplaj cu gheare

Fig. 4.9 Cuplaje cu ştift transversal

a

b

Această categorie de cuplaje cuprinde aşa-numitele cuplaje cardanice, cuplaje care realizează legătura între arbori a căror poziţie este variabilă. Elementul principal al cuplajului este cupla cardanică (fig. 4.12), care face legătura dintre doi arbori concurenţi. Aceasta este formată din furcile 1 şi 2 - asamblate pe capetele de arbori - legate între ele prin elementul intermediar 3 - sub formă de cruce în cazul soluţiei constructive prezentate în fig. 4.12.

Pentru legarea arborilor paraleli se utilizează două cuplaje cardanice (fig. 4.13) legate între ele printr-un arbore, denumit arbore cardanic, cu lungime variabilă. Modificarea lungimii arborelui cardanic din fig. 4.13 se obţine datorită construcţiei acestuia din două bucăţi, asamblate prin caneluri.

Calculul cuplajelor cardanice se efectuează pentru furci, crucea cardanică, lagărele (rulmenţi sau cuzineţi) dintre furci şi crucea cardanică şi asamblările prin şuruburi de fixare.

Soluţii avansate de cuplaje din această categorie sunt cuplajele Weiss şi Rzeppa [1, 3] la care se utilizează elemente de rulare, prin care se asigură transmiterea sincronă a mişcării.

4.3.2.4. Cuplaje permanente mobile rigide pentru compensarea abaterilor combinate

În această categorie de cuplaje se încadrează cele care au posibilitatea compensării tuturor tipuri de abateri (axiale, radiale şi unghiulare) separat sau combinat.

Cuplajele dinţate sunt specifice acestei categorii. În fig. 4.14 este prezentat un cuplaj dinţat format din două semicuplaje identice 1 - sub formă de butuci cu dantură exterioară - şi două manşoane identice 2 - prevăzute cu dantură interioară - asamblate între ele prin şuruburile 3 şi centrate unul faţă de cealălalt prin inelul 4. Centrarea butucilor 1 faţă de manşoanele 2 se realizează prin praguri de centrare. Pentru micşorarea uzurilor, cuplajul funcţionează cu ungere. Etanşarea se realizează prin inele “O” montate între capacul manşoanelor 2 şi butucii 1.

- 11 -

Fig. 4.12 Cuplă cardanică

Fig. 4.13 Arbore cardanic

Sarcina se transmite prin contact pe flancul dinţilor, de la butuc la manşon şi în continuare la celălalt butuc. Compensarea abaterilor axiale se realizează prin deplasarea axială a butucilor faţă de manşoanele conjugate (în măsura spaţiului axial permis de construcţie, şi în special de lăţimea danturilor de pe manşoane). Compensarea abaterilor unghiulare şi radiale se realizează prin înclinarea butucilor faţă de manşoane, în sensuri opuse pentru compensarea abaterilor unghiulare şi în acelaşi sens pentru compensarea abaterilor radiale.

Forma danturii influenţează atât capacitatea de transmitere a sarcinii cât şi pe cea de compensare a abaterilor. Pentru o mai bună capacitate de compensare a abaterilor, dinţii se realizează cu bombare, atât pe flanc cât şi pe lungime (fig. 4.15).

Ungerea cuplajului, necesară micşorării uzării flancurilor şi prin aceasta măririi durabilităţii, se poate realiza în următoarele variante:

ungerea cu unsoare consistentă - care asigură ungerea încă de la pornire şi nu complică construcţia - este utilizată la turaţii mici şi momente de torsiune mari;

ungerea cu baie de ulei - care asigură o ungere corespunzătoare începând cu o anumită turaţie, când uleiul este centrifugat în zona danturii - se recomandă la diametre Dd relativ mici şi la temperaturi de funcţionare mici;

ungerea cu circulaţie de ulei se recomandă la temperaturi mari şi la turaţii foarte mari, când ungerea prin baie proprie de ulei ar duce la presarea centrifugală a uleiului pe feţele interioare ale manşoanelor.

Cuplajele dinţate ce aleg din standarde sau din cataloagele firmelor producătoare. În acestea se găsesc informaţiile care să ajute la stabilirea momentului de torsiune capabil al cuplajelor dinţate în funcţie de înclinarea dintre butuci şi manşoane necesare prelucrării abaterilor.

Calculul de verificare al cuplajului dinţat constă în compararea tensiunilor de contact - de pe flancul dinţilor - şi a tesiunilor de încovoiere - la baza dinţilor - cu tensiunile admisibile, relaţiile de calcul prezentate în [3, 14], ţinând seama de caracterul de oboseală al ambelor solicitări.

Soluţiile constructive ale cuplajelor dinţate sunt foarte variate, având posibilităţi largi de adaptare la cerinţele impuse transmisiei [3, 9].

- 12 -

Fig. 4.14 Cuplaj dinţat

Fig. 4.15 Forma dinţilor

Prag decentrare Etanşare

(inel O)

4.3.3. Cuplaje permanente mobile elastice

4.3.3.1. Caracterizare, funcţii îndeplinite

Aceste cuplaje sunt denumite, în mod curent, cuplaje elastice.Elementul intermediar elastic al acestor cuplaje poate fi metalic sau nemetalic. Acesta participă

la transmiterea momentului de torsiune între semicuplaje determinând proprietăţile cuplajului: amortizarea şocurilor şi vibraţiilor; compensarea elastică a abaterilor de poziţie ale arborilor; modificarea frecvenţei proprii a sistemului mecanic din care fac parte, în scopul evitării

vibraţiilor de rezonanţă.Funcţiile îndeplinite de cuplajele permanente mobile cu elemente intermediare elastice se

bazează pe elementele caracteristice ale acestora.

Caracteristica elastică a acestor cuplaje este definită prin dependenţa unghiului de rotire relativă a celor două semicuplaje de momentul de torsiune transmis de cuplaj. Rigiditatea cuplajului este dată de relaţia

(4.10)

Caracteristica elastică (fig. 4.16, a) poate fi liniară - cuplaje cu rigiditate constantă - sau neliniară - cuplaje cu rigiditate variabilă.

Gradul de amortizare relativă d este o caracteristică a acestor cuplaje, prin care este influenţată capacitatea de amortizare a şocurilor. Amortizarea apare în cazul în care între caracteristica elastică de încărcare şi caracteristica elastică de descărcare a cuplajului există o diferenţă (fig. 4.16, b). Preluarea şocurilor are loc prin deformarea elementului intermediar elastic, care transformă energia şocului în lucru mecanic de deformare Le (aria de sub caracteristica de încărcare). O parte din această energie (aria cuprinsă între caracteristica de încărcare şi cea de descărcare) este transformată în căldură, reprezentând lucrul mecanic de frecare Lf din cuplaj. În acest fel, doar o parte din energia şocului este restituită sistemului. Gradul de amortizare relativă este definit prin relaţia

(4.11)

şi este direct proporţional cu capacitatea cuplajului de amortizare a şocurilor.Valorile mari ale capacităţii de amortizare a şocurilor conduc la funcţionarea liniştită a

transmisiilor echipate cu astfel de cuplaje, chiar la solicitări oscilatorii.La cuplajele elastice cu amortizare se îmbunătăţeşte şi comportarea în regimuri vibratorii.

Pentru acestea, în fig. 4.17 este prezentată variaţia amplitudinii vibraţiilor a în funcţie de frecvenţa acestora , ambele raportate la valorile de rezonanţă a0, respectiv 0. Se observă că amplitudinea vibraţiilor, în cazul cuplajelor cu amortizare, este limitată. La creşterea frecvenţei excitatoare ,

- 13 -

Fără amortizare Cu amortizare

a b

Fig. 4.16 Caracteristici elastice

amplitudinea vibraţiilor a creşte pe curba MAB, scade brusc din punctul B în punctul C şi continuă să scadă pe curba CN. La descreşterea frecvenţei excitatoare , amplitudinea vibraţiilor creşte pe curba NCD şi apoi brusc din punctul D în punctul A, de unde începe să scadă pe curba AM.

Deoarece mărirea gradului de amortizare relativă duce la mărirea lucrului mecanic transformat în căldură, trebuie avută în vedere limitarea funcţionării acestor cuplaje la şocuri foarte dese şi pe durate lungi în domeniul de rezonanţă, datorită încălzirii elementului elastic.

Deformabilitatea elementului elastic determină capacitatea cuplajului de a prelua abateri de poziţie. Deformabilitatea elementului elastic depinde de construcţia cuplajului şi de materialul din care este confecţionat elementul elastic. Durabilitatea cuplajului este influenţată de mărimea abaterilor de poziţie preluate, deformarea elementului elastic introducând forţe suplimentare în elementele cuplajului, pe arbori şi pe reazemele acestora.

4.3.3.2. Cuplaje elastice cu elemente intermediare nemetalice

Elementele intermediare nemetalice se realizează, de regulă, din cauciuc. Cauciucul este recomandat prin proprietăţile sale: elasticitate mare, capacitate mare de amortizare, simplitate constructivă, preţ redus. Elementele intermediare nemetalice conduc la izolarea electrică a arborilor legaţi, dar comparativ cu elementele intermediare metalice conferă cuplajului o durabilitate mai scăzută, momentele de torsiune transmise fiind limitate la valori mici - medii.

Cuplajul elastic cu bolţuri se execută în două variante standardizate [100]: varianta N - normală (fig. 4.18, a) şi varianta B - cu bucşe distanţiere (fig. 4.18, b). În componenţa acestor cuplaje intră: două semicuplaje identice; bolţuri montate alternativ în cele două semicuplaje şi

- 14 -

Fig. 4.17 Caracteristica de rezonanţă

a b

Fig. 4.18 Cuplaje elastice cu bolţuri

Zonă de instabilitate

sprijinite, prin intermdiul unor manşoane din cauciuc, în semicuplajul conjugat. Cuplajele elastice cu bolţuri permit compensarea abaterilor radiale R = 0,3…0,6 mm, abaterilor unghiulare 10 şi a abaterilor axiale l în limitele menţinerii contactului dintre manşoanele din cauciuc şi semicuplajul în care se montează.

Sarcina se transmite prin contact direct între semicuplaje, bolţuri şi manşoanele din cauciuc.Calculul cuplajelor elastice cu bolţuri se efectuează în ipoteza distribuţiei uniforme a sarcinii pe

cele z bolţuri.Sarcina care revine fiecărui bolţ este

(4.12)

unde D1 este diametrul de dispunere a bolţurilor.Se efectuează calculele de verificare a bolţului la încovoiere - considerându-l încastrat în

semicuplaj, sarcina aplicându-se cu braţul maxim - cu relaţia

(4.13)

şi de verificare a manşonului elastic la strivire - la contactul cu bolţul - cu relaţia

(4.14)

Notaţiile utilizate în relaţiile (4.13) şi (4.14) sunt: db - diametrul bolţului; lb - lăţimea manşonului; ai - tensiunea admisibilă la încovoiere a blţului, ai = (0,25…0,4) 02 [3, 14]; as - tensiunea admisibilă la strivire a cauciucului, as = 5…7 MPa [3, 14].

Cuplajul elastic de tip Periflex (fig. 4.19) este unul dintre numeroasele tipuri de cuplaje elastice cu bandaj de cauciuc. Cuplajul Periflex are în componenţă semicuplajele identice 1 şi 2, bandajul de cauciuc cu inserţii textile 3, montat pe acestea prin şuruburi prin intermediul discurilor 4.

Acest cuplaj se utilizează pentru compensarea baterilor axiale l = 3…6 mm, abaterilor radiale R = 2…6 mm şi abaterilor unghiulare = 2…60 [3, 9]. Volumul mare al elementului intermediar din cauciuc îi conferă capacitate mare de amortizare a şocurilor şi vibraţiilor.

Momentul de torsiune se transmite prin frecarea dintre bandajul de cauciuc, pe de o parte, şi semicuplaje şi discuri, de cealaltă parte. Forţa de apăsare, necesară transmiterii prin frecare a sarcinii, este realizată prin strângerea şuruburilor. Condiţia de transmitere a sarcinii prin frecare este

- 15 -

Fig. 4.19 Cuplaj Periflex

(4.15)

unde reprezintă coeficientul de frecare dintre bandaj şi semicuplaj sau disc; D1 şi D2 - diametrele suprafeţei de frecare; z - numărul de şuruburi; F01 - forţa de prestrângere a fiecărui şurub; i - numărul de perechi de suprafeţe de frecare (i = 2, pentru soluţia constructivă din fig. 4.19).

Din relaţia (4.15) rezultă forţa necesară de prestrângere a şuruburilor

(4.16)

Şuruburile se verifică la tracţiune, cu o forţă majorată egală cu 1,3F01, pentru a se ţine seama de solicitarea de torsiune - de la montaj - produsă de momentul de înşurubare, cu relaţia

(4.17)

în care d1 este diametrul interior al filetului şurubului.Bandajul din cauciuc se verifică la strivire, cu relaţia

(4.18)

şi la forfecare, în secţiunea corespunzătoare diametrului D2, cu relaţia

(4.19)

În relaţiile (4.18) şi (4.19) s-au notat cu: h - grosimea bandajului; as - tensiunea admisibilă la strivire a cauciucului, as = 5…7 MPa [3, 14]; af - tensiunea admisibilă la forfecare a cauciucului, af = 0,3…0,5 MPa [3, 14].

Datorită centrifugării, bandajul din cauciuc este solicitat suplimentar la tracţiune, motiv pentru viteza periferică de funcţionare trebuie limitată la valori admisibile va = 17,5…20 m/s, astfel încât să nu se depăşească tensiunea admisibilă la tracţiune at = 0,5 MPa [3, 14].

Alte construcţii de cuplaje elastice cu elemente intermediare nemetalice sunt prezentate în fig. 4.20:a - cuplaj cu bolţuri şi disc elastic (tip Hardy), caracterizat prin elasticitate torsională şi

deformabilitate mari;b - cuplaj Vulkan, cu bandaj secţionat, mai uşor de executat şi cu capacitate de transmitere a

sarcinii mai mare decât a cuplajului Periflex;c - variantă a cuplajului Periflex;

- 16 -

d - cuplaj cu element de cauciuc solicitat la torsiune, cu capacitate mare de încărcare, dar nerecomandat la preluarea de sarcini variabile ciclice şi la funcţionarea la temperaturi mari, când rezistenţa îmbinării elementului elastic scade.

4.3.3.3. Cuplaje elastice cu elemente intermediare metalice

Elementele intermediare elastice se execută din oţel de arc, în diverse forme constructive: arcuri bară, arcuri lamelare, arcuri elicoidale, arcuri manşon. Materialul metalic al elementelor intermediare conduce, comparativ cu cuplajele cu elemente intermediare nemetalice, la durabilitate mai mare, rezistenţă la coroziune mai ridicată, dar şi amortizare mai redusă. Cuplajele elastice cu elemente intermediare metalice se utilizează în transmisiile de puteri mari.

Cuplajul cu arcuri elicoidale de tip Cardeflex (fig. 4.21) este format din două semicuplaje identice 1 şi 2, pe care sunt montaţi, alternativ, segmenţii 3, prin intermediul bolţurilor 4. Legătura dintre semicuplaje se realizează prin intermediul arcurilor elicoidale de compresiune 5, montate

- 17 -

a b

c Fig. 4.20 d

a b

pretensionat între segmenţi şi centrate pe aceştia prin ştifturile 6, care au şi rolul de a limita comprimarea arcurilor. Cuplajul Cardeflex transmite momentul de torsiune în ambele sensuri, acesta producând comprimarea suplimentară a arcurilor aflate de o parte şi destinderea arcurilor aflate de cealaltă parte a fiecărui segment. Între semicuplaje apare o rotire relativă ( 100), segmenţii având la rândul lor o rotire în jurul bolţurilor, fapt pentru care se recomandă ungerea cuplei segment-bolţ.

Cuplajul Cardeflex permite compensarea abaterilor combinate[3, 14]: axiale, l = 0,05D; radiale, R = 0,01D; unghiulare, = 200, D reprezentând diametrul exterior al cuplajului.

Caracteristica elastică a cuplajului Cardeflex este prezentată în fig. 4.22. Se remarcă existenţa unor zone specifice acestei caracteristici:

I - zona de funcţionare la momente de torsiune mici (Mt Mt1), în care arcurile din faţa segmenţilor de pe semicuplajul conducător (în sensul mişcării) se comprimă, iar arcurile din spate se destind;

II - zona corespunzătoare momentelor de torsiune medii (Mt1 < Mt < Mtc), în care lucrează doar arcurile din faţa segmenţilor, celelalte fiind destinse complet.

La momente de torsiune mai mari decât momentul de torsiune de calcul Mtc, ştifturile 6 intră în contact, iar cuplajul devine rigid.

Calculul constă în dimensionarea arcurilor şi verificarea bolţurilor la încovoiere şi forfecare, din condiţia de transmitere a momentului de torsiune de calcul Mtc.

Cuplajul cu arc şerpuit de tip Bibby (fig. 4.23) este format din semicuplajele identice 1 şi 2 cu dantură exterioară, printre dinţii cărora este montat arcul şerpuit 3, realizat din bandă de oţel de arc. Cuplajul este protejat prin carcasele asamblate 4 şi 5 în interiorul cărora se introduce unsoare consistentă pentru reducerea uzurilor elementelor şi pentru micşorarea zgomotului din funcţionare.

Sarcina se transmite între cele două semicuplaje prin contactul danturilor exterioare cu arcul şerpuit. Deformarea arcului permite compensarea unor abateri combinate: axiale, l = 4…20 mm; radiale, R = 0,5…3 mm şi unghiulare, = 10.

- 18 -

Fig. 4.22 Caracteristica elastică a cuplajului Cardeflex

a b

Fig. 4.23 Cuplaj cu arc şerpuit, tip Bibby

Caracteristica elastică a cuplajului cu arc şerpuit poate fi liniară sau neliniară în funcţie de forma dinţilor pe lungime – caracteristică liniară, la dinţi cu flancuri rectilinii pe lungime şi caracteristică neliniară la dinţi cu flancuri curbe pe lungime.

Calculul acestor cuplaje depinde de forma flancurilor dinţilor, dimensionarea arcului efectuându-se din condiţia de rezistenţă la încovoiere a acestuia.

4.4. CUPLAJE INTERMITENTE

Principala caracteristică a cuplajelor intermitente este aceea că dau posibilitatea desfacerii legăturii dintre arbori, la comandă sau automat, în funcţie de variaţia unui parametru al transmisiei. Cerinţele de bază pe care trebuie să le îndeplinească cuplajele intermitente sunt:

capacitate de transmitere a momentului de torsiune; cuplare şi decuplare sigură, la comandă sau automat; dimensiuni, greutate şi moment de inerţie minime; durabilitate corespunzătoare; construcţie simplă; întreţinere uşoară; cost redus.

4.4.1. Cuplaje intermitente comandateCuplajele intermitente comandate permit cuplarea sau decuplarea transmiterii sarcinii şi

mişcării de rotaţie, în funcţionare sau în repaus, cu ajutorul unor sisteme de comandă. Aceste cuplaje se utilizează pe scară largă la sistemele mecanice care necesită cuplări şi decuplări repetate, modificarea regimurilor de funcţionare, schimbarea sensului de mişcare – autovehicule, maşini unelte etc. O clasificare a cuplajelor intermitente comandate este prezentată în fig. 4.24.

- 19 -

Unul dintre cele mai răspândite cuplaje

intermitente comandate este ambreiajul principal al

automobilelor, un exemplu de ambreiaj monodisc fiind

prezentat în fig. 4.25. Acest ambreiaj se încadrează în

categoria cuplajelor intermitente comandate mecanic,

cu fricţiune pe suprafeţe plane. Discul de fricţiune 1,

montat pe caneluri pe arborele de intrare în cutia de

viteze, este strâns între placa de presiune 2 şi volantul 3

al motorului. Forţa de apăsare este asigurată prin

montarea cu prestrângere a arcului diafragmă 4,

articulat la carcasa ambreiajului 5. Arcurile 6, montate

între elementele discului 1, au rolul de a amortiza

vibraţiile torsionale care apar in timpul cuplărilor şi

decuplărilor. Discul de fricţiune este prevăzut cu

garnituri de fricţiune, montate elastic pe discul suport,

astfel încât să se asigure cuplarea progresivă şi

distrubuţia uniformă a sarcinii pe suprafeţele de frecare,

chiar şi după începutul uzării garniturilor.

- 20 -

Fig. 4.24 Clasificarea cuplajelor intermitente comandate

Fig. 4.25 Ambreiaj monodisc

În funcţionare normală ambreiajul este cuplat. Decuplarea se realizează prin deplasarea axială a rulmentului de presiune 7, care apasă pe pârghiile arcului diafragmă 4, destinzându-l şi oprind apăsarea discului de fricţiune, care se eliberează.

4.4.2. Cuplaje de siguranţă

4.4.2.1. Consideraţii generale

Denumirea de cuplaje de siguranţă este atribuită cuplajelor intermitente automate limitatoare de sarcină (v. fig. 4.1).

Fig. 4.26 Clasificarea cuplajelor de siguranţă

Cuplajele de siguranţă îndeplinesc - pe lângă funcţia de trasmitere a momentului de torsiune şi a mişcării de rotaţie între două elemente consecutive ale unui lanţ cinematic - şi funcţia de limitare a momentului de torsiune transmis, în cazul apariţiei unor suprasarcini în funcţionare. Se evită, astfel, suprasolicitarea elementelor lanţului cinematic şi deteriorarea acestora.

Suprasarcinile - care apar în transmisie datorită unor cauze cum sunt pornirea sau oprirea maşinii, trecerea prin zona de rezonanţă, încărcări prea mari ale mecanismului executor - pot fi dinamice (de şoc), cu acţiune foarte scurtă sau cvasistatice, cu acţiune îndelungată.

Suprasarcinile dinamice pot apărea ocazional sau periodic, mai ales la mecanismele rapide, prin accelerări sau decelerări de mase mari de inerţie sau prin blocarea unui mecanism. La mecanismele lente, pericolul apariţiei suprasarcinilor dinamice este redus, datorită energiei cinetice mici a sistemului.

- 21 -

Suprasarcinile statice apar datorită încărcării prea mari a maşinii antrenate (erori de deservire, griparea unui lagăr etc.), atât la mecanismele rapide cât şi la mecanismele lente.

Indiferent de tipul suprasarcinilor, acestea pot duce la deteriorarea maşinii şi la scoaterea acesteia din funcţiune. Luarea în considerare a suprasarcinilor, în totalitate, în calculul transmisiei ar duce la o supradimensionare excesivă a acesteia, care nu poate fi acceptată. Dacă în lanţul cinematic al transmisiei mecanice se montează un cuplaj de siguranţă, atunci se pot utiliza la maxim proprietăţile mecanice ale materialelor folosite la construcţia elementelor componente ale transmisiei.

Cuplajele de siguranţă trebuie să fie caracterizate de: fiabilitate şi funcţionare sigură; precizie de limitare, la o anumită valoare impusă, a momentului de torsiune transmis; sensibilitate la decuplare; posibilitatea reglării momentului de torsiune transmis; capacitatea de restabilire automată a fluxului cinematic, după încetarea acţiunii suprasarcinii.

Se recomandă utilizarea cuplajelor de siguranţă în următoarele situaţii : în transmisiile maşinilor la care sarcina acţionează cu şoc sau unde există mase inerţiale

mari, ca urmare a imposibilităţii determinării precise a suprasarcinilor; în transmisiile maşinilor care prelucrează medii neomogene (excavatoare, maşini agricole etc.); în transmisiile maşinilor automate, ca urmare a lipsei unui control permanent al funcţionării; în lanţurile cinematice cu mai multe ramuri (maşini unelte etc.), ca urmare a imposibilităţii

de protejare a transmisiei de către motorul electric; în toate transmisiile unde costul supradimensionării, pentru a rezista suprasarcinilor, este

mai mare decât costul unui cuplaj de siguranţă fiabil.Cuplajele de siguranţă se execută într-o mare diversitate de soluţii constructive, pentru a

satisface cerinţele impuse de o bună funcţionare a transmisiilor mecanice în care se încorporează. Clasificarea cuplajelor de siguranţă, urmărind principalele criterii constructive şi funcţionale ale acestora, este prezentată în fig. 4.26.

4.4.2.2. Situaţiile de funcţionare ale cuplajelor de siguranţă

Pentru a-şi îndeplini atât rolul principal, de transmitere a momentului de torsiune, cât şi cel specific, de limitare a valorii acestui moment, în funcţionarea cuplajelor de siguranţă se întâlnesc trei situaţii funcţionale distincte. Aceste situaţii sunt definite de mărimea momentului de torsiune ce trebuie transmis de cuplaj şi de mărimea suprasarcinilor. Pentru cele trei grupe de cuplaje, care răspund criteriului de clasificare legat de continuitatea transmiterii sarcinii (v.fig. 4.26), variaţia momentului de torsiune Mt transmis de cuplaj este prezentată în fig.4.27 1, 3, comentariul privind această variaţie şi explicarea notaţiilor din diagrame fiind prezentate în continuare.

Funcţionarea complet cuplat corespunde situaţiei în care momentul de torsiune din transmisie Mt tr , necesar a fi transmis de cuplaj, este mai mic decât momentul de torsiune maxim Mt 0 , posibil a fi transmis de cuplaj, în această situaţie de funcţionare: Mt = Mt tr Mt 0.

Procesul de decuplare corespunde situaţiei în care, în urma creşterii momentului de torsiune din transmisie Mt tr , la depăşirea valorii momentului Mt 0, apare o mişcare de rotaţie relativă între semicuplaje, începând acest proces. Variaţia momentului Mt = Mtd în acest proces este funcţie de tipul cuplajului de siguranţă care echipează transmisia.

La cuplajele de siguranţă cu întreruperea transmiterii momentului de torsiune (cuplaje cu ştifturi de rupere) variaţia momentului Mtd este prezentată în fig. 4.27, a. Curba de variaţie a momentului Mt tr în timpul de reacţie la suprasarcină, va avea diverse forme, funcţie de caracteristicile dinamice ale transmisiei şi ale cuplajului. La valoarea Mtd = Mt 0, se produce, aproape instantaneu, decuplarea legăturii între cele două semicuplaje (de exemplu, la ruperea ştifturilor) şi de la momentul Mt tr = Mt 0 se ajunge, la semicuplajul condus, la Mtd = Mtr = 0, unde Mtr

reprezintă momentul de torsiune remanent, transmis de cuplaj la sfârşitul procesului de decuplare.La cuplajele de siguranţă cu transmiterea intermitentă a momentului de torsiune (cuplaje cu

craboţi, cu galeţi, cu bile etc.), variaţia momentului Mtd este prezentată în fig. 4.27, b. Din momentul

- 22 -

în care Mt tr = Mt 0 şi până în momentul atingerii valorii maxime a momentului Mtd, există o zonă de instabilitate, în care pot apărea cuplări şi decuplări incomplete. După depăşirea acestei zone, momentul de torsiune Mtd scade la valoarea Mtr, valoare care se menţine până la o nouă cuplare (după un timp egal cu cel necesar rotirii relative între cele două semicuplaje până când galeţii sau bilele pătrund în locaşurile active următoare celor din care au ieşit, forţat, la decuplare).

Forma optimă de variaţie a momentului Mtd transmis de un cuplaj de siguranţă este cea caracteristică cuplajelor cu transmiterea continuã a momentului de torsiune (transmiterea momentului se realizează prin frecare) şi este prezentată în fig. 4.27, c. După parcurgerea zonei definită de timpul de reacţie la suprasarcină, momentul Mtd scade, continuu, de la Mt 0 la Mtr , unde se stabilizează. Forma curbei de variaţie a momentului de torsiune transmis de cuplaj, până la Mt tr = Mt 0, este funcţie de caracteristicile construcitve ale cuplajului (sistemul de apăsare, materialele de fricţiune etc.). Valoarea relativ mare a momentului Mtr explică utilizarea, pe scară largă, a acestor cuplaje în construcţia de maşini.

Legile de variaţie Mt = Mt (t), prezentate în fig. 4.27, sunt teoretice. Momentul de torsiune Mttr

nu are o valoare constantă, existând un domeniu de variaţie al acestuia, prezentat haşurat în fig. 4.27, datorat caracteristicilor dinamice ale maşinii motoare şi a celei antrenate.

Procesul de cuplare reprezintă situaţia în care, datorită micşorării momentului de torsiune din transmisie, se obţine egalizarea vitezelor unghiulare dintre semicuplaje - în cazul cuplajelor de siguranţă cu fricţiune - respectiv elementele active nu mai părăsesc locaşurile din semicuplaje - în cazul cuplajelor cu transmiterea intermitentă a momentului de torsiune (cuplaje de siguranţă cu galeţi sau cu bile). În ambele cazuri, la sfârşitul procesului de cuplare se obţine, din nou, situaţia de funcţionare complet cuplat.

În cazul cuplajelor de siguranţă cu ştifturi de rupere, restabilirea legăturii dintre arbori se obţine prin înlocuirea ştiftului rupt.

Utilizarea raţională a maşinii antrenate impune ca în transmisie să se asigure un nivel minim al sarcinii transmise de către cuplajul de siguranţă, fără ca acesta să se decupleze. Acest nivel se stabileşte în funcţie de suprasarcinile care apar la mecanismul executor al maşinii antrenate şi care devine moment de torsiune de calcul Mtc pentru cuplajul de siguranţă, moment ce se determină cu relaţia (4.1).

În cazul în care cuplajele de siguranţă se proiectează astfel încât momentul maxim pe care îl transmit, fără să se producă decuplarea, să fie egal cu Mtc, funcţionarea cuplajului în zona valorilor

- 23 -

a b c

Fig. 4.27 Variaţia momentului de torsiune transmis în timpul decuplării

apropiate de Mtc devine instabilă, cu frecvente decuplări şi recuplări. În consecinţă, nu se asigură în permanenţă nivelul minim al sarcinii în transmisie, care să permită utilizarea raţională a maşinii antrenate. În acest mod se explică proiectarea cuplajelor de siguranţă la un moment de torsiune limită [1, 3] determinat cu relaţia

(4.19)

4.4.2.3 Cuplaje de siguranţă cu ştifturi de forfecare

Aceste cuplaje sunt simple constructiv şi au gabarit redus, fiind folosite destul de frecvent în transmisiile mecanice, cu toate că pentru repunerea lor în funcţiune este necesară înlocuirea ştiftului rupt.

- 24 -

Soluţiile constructive existente pot realiza legătura între capatele a doi arbori (fig. 4.28,a) sau între o roată dinţată, de curea, de lanţ etc. şi arborele pe care aceasta este montată (fig. 4.28,b).

- 25 -

a b

Fig. 4.28 Cuplaje de siguranţă cu ştifturi de forfecarea

b

c

de

f

Ştifturile, executate din oţel cu conţinut mediu de carbon, pot fi lise (v. fig.4.28, a şi b), crestate (fig.4.29 ,a…d) sau crestate cu mai multe tronsoane (fig.4.29, e şi f), fiind montate, longitudinal sau radial, în bucşe călite la 50...60 HRC, pentru a evita solicitarea de încovoiere. La ştifturile lise, deoarece prin poziţia relativă a bucşelor se stabileşte locul de forfecare al ştiftului, acestea se montează cu strângere, fără joc între ele (v.fig.4.28); la ştifturile crestate, deoarece zona de forfecare este definită prin forma ştiftului, între bucşe poate exista un mic joc (v.fig.4.29).

În funcţie de mărimea sarcinii necesar a fi transmisă, de precizia şi sensibilitatea necesare la decuplare, se pot folosi soluţii constructive diverse, cu unul sau mai multe ştifturi lise sau crestate.

Precizia de decuplare a cuplajului se măreşte prin utilizarea unui singur ştift, dar apare dezavantajul dezechilibrării cuplajului. Prin utilizarea unor ştifturi crestate, se măreşte precizia de decuplare, comparativ cu situaţia utilizării ştifturilor lise.

Pentru calculul cuplajelor de siguranţă cu ştifturi de forfecare, se pune condiţia ca la atingerea valorii momentului de torsiune Mt lim ştifturile să se rupă prin forfecare. Relaţiile de calcul, ce vor fi stabilite în continuare, vor ţine seama de forma constructivă şi de condiţiile de funcţionare ale cuplajului.

Pentru cuplajele care realizează legătura între capetele a doi arbori (v. fig.4.28), rezultă

(4.20)

unde: z reprezintă numărul de ştifturi; d1 – diametrul ştifturilor; rf = r – tensiunea de rupere prin forfecare; r – tensiunea de rupere la tracţiune a materialului ştiftului; – coeficientul tensiunii de rupere prin forfecare [1, 3], ales în funcţie de diametrul ştifturilor, alungirea materialului şi forma suprafeţei (ştifturi lise sau ştifturi cu canal V).

Pentru dimensionare, din relaţia (4.20), rezultă

(4.21)

şi apoi, pentru z = 1, 2, 3 sau 4, se determină d1, în final alegându-se varianta optimă, ţinând seama de precizia de decuplare dorită şi de turaţia de funcţionare a cuplajului.

- 26 -

4.4.2.4. Cuplaje de siguranţă cu bile

Aceste cuplaje se utilizează pe scară largă în construcţia de maşini unelte, maşini unelte automate, maşini agricole etc. fiind simple constructiv şi având o mare fiabilitate. Funcţionarea acestora în situaţia de funcţionare complet cuplat şi în procesul decuplării corespunde diagramei din fig. 4.27,b.

- 27 -

Fig.4.31 Forme de locaşuri pentru cuplajele de siguranţă cu bile

Marea diversitate de soluţii constructive se deosebesc între ele prin forma constructivă a locaşurilor pentru bile, prin dispunerea bilelor frontal sau radial şi prin realizarea sistemului de apăsare cu un arc central sau cu arcuri individuale, pe fiecare bilă.Cele mai des întâlnite soluţii constructive sunt prezentate în fig. 4.31 (a – cu contacte punctiforme bilă – bilă dispuse frontal; b – cu locaşuri trapezoidale dispuse frontal; c – cu locaşuri trapezoidale dispuse radial, la exterior sau la interior; d – cu locaşuri tronconice, dispuse frontal; e – cu locaşuri cilindrice, dispuse frontal; f – cu locaşuri cilindrice, dispus radial, la exterior; g – cu locaşuri cilindrice duble, dispuse frontal; h – cu locaşuri sferice dispuse frontal într–un singur semicuplaj; j – cu locaşuri sferice dispuse frontal în ambele semicuplaje.

Cele mai utilizate soluţii constructive de cuplaje de siguranţă cu bile sunt cele cu locaşuri trapezoidale, tronconice şi sferice.

În fig. 4.32 este prezentată o soluţie constructivă de cuplaj de siguranţa cu bile şi canale trapezoidale dispuse frontal. Acest cuplaj realizează legătura între o roată dinţată şi arborele pe care aceasta este montată. Bilele 2, montate în semicuplajul 1, sunt în contact cu suprafeţele laterale ale locaşurilor trapezoidale dispuse frontal, din semicuplajul 3. Forţa de apăsare este realizată pe fiecare bilă, de către arcurile 4. Reglarea forţei de apăsare se efectuează concomitent, prin deplasarea axială a flanşei 5, cu ajutorul piuliţei canelate 6. Asemenea cuplaje pot fi utilizate şi pentru realizarea legăturii între capetele a doi arbori.

- 28 -

Fig. 4.32 Cuplaj de siguranţă cu bile şi canale trapezoidale dispuse frontal

Cuplajele de siguranţă cu bile şi locaşuri tronconice dispuse frontal sunt utilizate, cu precădere, la limitarea momentelor de torsiune în transmisiile cu roţi dinţate. Două astfel de soluţii constructive sunt prezentate în fig. 4.33.

Cuplajul de siguranţă prezentat în fig. 4.33, a are canalele tronconice dispuse într-o roată dinţată conică, realizând legătura între aceasta şi o roată dinţată cilindrică. Cuplajul prezentat în fig. 4.33, b, cu arcuri dispuse periferic, ce acţionează simultan pe două bile, este montat într-o roată melcată. Această variantă constructivă reprezintă, de fapt, două cuplaje legate în paralel, mărindu-se astfel momentul de torsiune transmis. La ambele soluţii constructive, momentul de torsiune transmis de cuplaj se poate regla numai în trepte, prin schimbarea arcurilor de apăsare. Soluţiile constructive prezentate în fig. 4.33, c diferă între ele prin forma constructivă a elementelor lanţului cinematic legat prin cuplaj (varianta I – între un capăt de arbore şi o flanşă cu găuri dispuse la diametrul D0; varianta II – între două flanşe cu găurile de prindere dispuse la diametrul D0, respectiv d0).

- 29 -

Fig.4.33 Forme constructive de cuplaje de siguranţă cu bile

a

b c

Forma sferică a locaşurilor dintr-un semicuplaj are avantajul unui contact pe suprafaţă cu bilele, atât în funcţionarea complet cuplat cât şi la sfârşitul procesului de cuplare, micşorându-se astfel presiunea de strivire între elementele active.

Schema de calcul a cuplajului cu bile şi locaşuri trapezoidale dispuse frontal este prezentată în fig.4.34, considerând situaţia limită când, ca urmare a tendinţei bilei de a se deplasa axial, apar forţele de frecare care se opun deplasării acesteia. Din condiţia de echilibru axial al bilei, rezultă:

, (4.25)

unde: μ0 reprezintă coeficientul de frecare statică dintre elementele cuplajului în mişcare relativă; F1arc = c1δ1 – forţa de montaj a arcului; c1 – rigiditatea arcului; δ1 – săgeata iniţială de montaj a arcului.

Momentul de torsiune transmis de cuplaj în situaţia de funcţionare complet cuplat, la limita începerii procesului de decuplare, se determină cu relaţia (v.fig.4.34 şi fig.4.32)

, (4.26)

unde z reprezintă numărul de bile, iar Ft1 s-a determinat din ecuaţia (4.25) ţinând seama că

, respectiv – unghiul de frecare.

În procesul decuplării, comparativ cu situaţia de funcţionare complet cuplat, unii parametri funcţionali se modifică. Pentru cuplajul de siguranţă cu bile şi locaşuri trapezoidale dispuse frontal, în procesul decuplării, se micşorează coeficientul de frecare în mişcare μ faţă de cel static μ0, iar forţa din arc se măreşte ca urmare a comprimării suplimentare a arcului prin deplasarea bilei în direcţie axială.

Momentul de torsiune transmis de cuplaj în procesul decuplării, la un moment dat, se determină cu relaţia

- 30 -

Fig. 4.34 Schema de calcul a cuplajului cu bile şi locaşuri trapezoidale dispuse frontal

, (4.27)

în care x reprezintă deplasarea curentă a bilei în direcţie axială, iar – unghiul de frecare în mişcare.

Valoarea maximă a momentului de torsiune transmis de cuplaj în procesul decuplării apare când bila s-a deplasat axial pe distanţa h1; în continuare, datorită razei de racordare a profilului locaşului trapezoidal, cu toate că săgeata arcului continuă să se mărească, momentul de torsiune transmis de cuplaj scade.

Relaţia de determinare a momentului maxim transmis de cuplaj în procesul decuplării este:

. (4.28)

4.4.2.5. Cuplaje de siguranţă cu fricţiune

Cuplajele de siguranţă cu transmiterea continuă a momentului de torsiune, pentru care modul de transmitere a momentului la apariţia suprasarcinilor este prezentat în fig.4.27, c, funcţionează pe principiul frecării. Aceste cuplaje au o largă utilizare în construcţia de maşini, datorită avantajelor pe care le prezintă: transmiterea unor momente de torsiune mari; gabarite reduse; durabilitate ridicată; posibilitatea funcţionării uscate sau cu ungere; posibilitatea schimbării garniturilor de fricţiune, în cazul uzării acestora.

Folosirea acestui tip de cuplaj se recomandă în cazul unor suprasarcini repetate, de scurtă durată, şi în cazul suprasarcinilor cu caracter de şoc, la viteze unghiulare însemnate. În procesul decuplării, cuplajul absoarbe, prin frecare, energia mecanică suplimentară, transformând-o în energie calorică şi încălzind cuplajul. Procesul de decuplare are loc la depăşirea valorii momentului de torsiune limită Mt lim, când cuplajul patinează, evitându-se astfel deteriorarea unor elemente importante ale sistemului mecanic în care este încorporat cuplajul.

Cuplajele de siguranţă cu funcţionare uscată au o stabilitate mai mare la intrarea în funcţiune, comparativ cu cele care funcţionează cu ungere, deoarece domeniul valorilor momentelor de torsiune la care începe patinarea este mult mai mic. Se recomandă, însă, a fi utilizate doar în cazul în care este exclusă pătrunderea lubrifiantului în zona suprafeţelor de frecare.

Materialele folosite pentru garniturile de fricţiune, prin calităţile pe care le posedă, determină dimensiunile de gabarit ale cuplajelor. Dintre aceste calităţi, două sunt deosebit de importante: valorile mari ale coeficientului de frecare static şi durabilitatea ridicată. Coeficientul de frecare static trebuie să fie cât mai mare şi mai stabil, în domenii largi de variaţie a condiţiilor de funcţionare, pentru mărirea preciziei şi sensibilităţii la decuplare. Rezistenţa la uzare a elementelor de fricţiune trebuie să fie cât mai mare, pentru a asigura o durabilitate ridicată a cuplajului.

Unul dintre elementele de fricţiune se execută din oţel călit sau fontă, iar celălalt poate fi din acelaşi material sau poate avea aplicat, pe suprafeţele de frecare, bronz sinterizat, ferodou, materiale metalo-ceramice etc.

Valorile coeficienţilor de frecare statici şi a presiunilor admisibile, pentru principalele cupluri de materiale de fricţiune utilizate la cuplajele de siguranţă cu fricţiune, pentru funcţionarea uscată sau cu ungere, sunt prezentate în literatura de specialitate.

Constructiv, cuplajele de siguranţă cu fricţiune se deosebesc prin forma suprafeţelor de frecare, care pot fi: plane (discuri de fricţiune), conice, cilindrice sau combinate (conice şi cilindrice) şi prin tipul, modul de dispunere şi numărul arcurilor, care reprezintă sistemul de apăsare. Dintre tipurile de cuplaje de siguranţă cu fricţiune amintite, cel mai mult se utilizează cuplajele de siguranţă cu discuri de fricţiune.

- 31 -

Cuplajele de siguranţă cu discuri de fricţiune sunt executate într-o gamă largă de variante constructive. Se recomandă la turaţii şi momente de torsiune mari, în cazul acţionării unor suprasarcini de scurtă durată şi frecvenţă ridicată sau în cazul suprasarcinilor dinamice.

În fig. 4.35 se prezintă cuplajul de siguranţă cu discuri de fricţiune şi arc central de tip Stromag, compus din semicuplajul 1, canelat la interior şi semicuplajul 2, canelat la exterior, şi din discurile de fricţiune canelate la exterior 3 şi solidarizate de semicuplajul 1, respectiv discurile de fricţiune canelate la interior 4 şi solidarizate de semicuplajul 2. Apăsarea discurilor se realizează cu ajutorul arcului central 5, a cărui săgeată poate fi reglată cu ajutorul piuliţei secţionate 6, asigurată împotriva autodesfacerii prin şurubul 7.

Cuplajele de siguranţă cu discuri de fricţiune şi arcuri periferice, prezentate în fig. 4.36, în două variante, se folosesc la transmiterea de momente de torsiune mai mari decât cele prezentate anterior, forţa de apăsare fiind asigurată de mai multe arcuri dispuse periferic. Reglarea săgeţii arcurilor, respectiv a forţei dezvoltată de acestea, se realizează pentru fiecare arc în parte, cu ajutorul şuruburilor 6. Varianta a prezintă un număr mare de suprafeţe de frecare – discurile canelate la exterior 3 şi cele canelate la interior 4, montate pe semicuplajele 1, respectiv 2 – şi funcţionează cu ungere. Varianta b, cu discurile 4 placate cu material de fricţiune, funcţionează uscat.

Elemente de calcul şi proiectare. Momentul de torsiune se transmite prin frecarea dintre suprafeţele discurilor de fricţiune, iar atunci când depăşeşte valoarea

- 32 -

Fig. 4.35 Cuplaj de siguranţă cu discuri de fricţiune şi arc central

Fig. 4.36 Cuplaj de siguranţă cu discuri de fricţiune şi arcuri periferice

momentului de torsiune limită Mtlim, discurile patinează – surplusul de moment se transformă, prin frecarea dintre discuri, în căldură – evitându-se deteriorarea transmisiei în care este încorporat cuplajul.

Calculul cuplajelor de siguranţă prin fricţiune urmăreşte dimensionarea unei construcţii noi sau verificarea unei variante aleasă din catalogul de firmă sau existentă.

La proiectarea unei construcţii noi, se stabilesc valorile principalelor dimensiuni ale cuplajului, numărul perechilor de suprafeţe de frecare, numărul discurilor conducătoare şi conduse şi forţa necesară de apăsare, cu care se dimensionează sistemul de apăsare.

Pentru un cuplaj existent sau adoptat după catalogul de firmă, se determină momentul de torsiune capabil, valoarea acestuia trebuind să fie cel puţin egală cu momentul de torsiune limită Mtlim.

Calculul cuplajelor de siguranţă prin fricţiune se poate efectua pe baza a două ipoteze: ipoteza distribuţiei uniforme a presiunii pe suprafeţele de frecare şi ipoteza uzării uniforme a acestora.

Ipoteza distribuţiei uniforme a presiunii este valabilă pentru suprafeţe de frecare în stare nouă. Pentru cuplajele la care elementele de fricţiune sunt rigide, pe măsura exploatării acestora, distribuţia presiunii se modifică, de la cea uniformă spre cea corespunzătoare uzării uniforme. Din acest motiv, proiectarea cuplajelor de siguranţă prin fricţiune în ipoteza distribuţiei uniforme a presiunii poate duce la deteriorarea rapidă a suprafeţelor de frecare, datorită depăşirii presiunii admisibile, în anumite zone de contact, în cazul în care această ipoteză nu corespunde fenomenelor reale.

Ipoteza uzării uniforme a suprafeţelor în contact este mai apropiată de fenomenele reale, fiind acoperitoare. În cazul în care distribuţia presiunii ar fi uniformă, abaterea care rezultă constă într-o supradimensionare în ceea ce priveşte presiunea efectivă, deci o uzare mai redusă, şi o subdimensionare de valoare redusă în ceea ce priveşte momentul capabil, acoperită de coeficientul de siguranţă întrebuinţat uzual.

Deşi ipoteza uzării uniforme este acoperitoare şi apare raţional ca dimensionarea cuplajelor de siguranţă să se facă pe baza acestei ipoteze, se vor prezenta, în continuare, relaţiile de calcul pe baza ambelor ipoteze.

Pentru stabilirea re-laţiilor referitoare la capacitatea de transmitere a momentului de torsiune de către cuplajele cu suprafeţe de frecare plane, se utilizează schema de calcul din fig. 4.37.

În ipoteza distribuţiei uniforme a presiunii pe suprafeţele de frecare, p = const., momentul de torsiune capabil a fi transmis de către cuplaj este

(4.29)

unde i reprezentând numărul de perechi de suprafeţe de frecare şi μ coeficientul de frecare dintre suprafeţe.

Forţa maximă de apăsare a discurilor, determinată din condiţia limitării presiunii, în scopul micşorării încălzirii acestora, este

(4.31)

În ipoteza uzării uniforme, se ţine seama de relaţia de calcul a uzurii

- 33 -

Fig. 4.37 Schema de calcul a cuplajelor cu discuri de fricţiune

(4.32)

în care: k este un coeficient de proporţionalitate; v – viteza relativă dintre suprafeţe; ω – viteza unghiulară relativă.

Din relaţia (4.32), pentru k şi ω constante, rezultă pr = const. şi deci

(4.33)

Momentul de torsiune capabil a fi transmis de cuplaj şi forţa maximă de apăsare a discurilor, în ipoteza uzării uniforme, sunt (v. fig. 4.37 şi relaţiile (4.30) şi (4.31)):

(4.34)

(4.35)

La dimensionarea acestor cuplaje, de regulă se cunosc: momentul de torsiune limită Mt lim ; coeficientul de frecare static μ şi presiunea admisibilă pe suprafeţele de frecare pa, alese în funcţie de cuplul de materiale de fricţiune; diametrul interior al suprafeţelor de frecare Di, stabilit în funcţie de diametrele capetelor de arbori pe care se montează semicuplajele şi de dimensiunile canelurii de pe semicuplajul interior. Diametrul De al suprafeţelor de frecare se alege astfel încât raportul Di /De să se încadreze în anumite intervale [1, 3] şi în funcţie de canelurile standardizate care pot fi alese pentru discurilor de fricţiune canelate la exterior. La dimensionare, din relaţia (4.29), respectiv (4.34) (considerând Mt cap = Mt lim), se determină numărul perechilor de suprafeţe de frecare

, (4.36)

în ipoteza distribuţiei uniforme a presiunii şi, respectiv,

, (4.37)

în ipoteza uzării uniforme. Numărul de perechi de suprafeţe de frecare se adoptă număr par.În funcţie de numărul perechilor de suprafeţe de frecare adoptat, se stabileşte numărul de

discuri de pe fiecare semicuplaj, z1 şi z2 (z1 = şi z2 = +1). Se calculează forţa necesară de precomprimare a arcului (arcurilor) Farc, utilă pentru dimensionarea acestuia (acestora). În cazul cuplajelor cu mai multe arcuri dispuse periferic, forţa ce revine unui arc rezultă prin împărţirea forţei Farc la numărul de arcuri.

, (4.37)

- 34 -

pentru distribuţie uniformă a presiunii,

, (4.38)

pentru distribuţie uniformă a uzurii.

La verificarea unei soluţii de cuplaj de siguranţă cu discuri de fricţiune aleasă din catalogul de firmă sau existentă, se determină: momentul de torsiune capabil Mt cap, care trebuie să fie cel puţin egal cu momentul de torsiune limită Mt lim, şi presiunea maximă pe discuri pmax, care nu trebuie să depăşească presiunea admisibilă pa.

- 35 -