Mechaniczne przenoszenie napędu

 

Przekładnie mechaniczne to mechanizmy służące do przenoszenia energii, co zazwyczaj połączone jest ze zmianą prędkości i odpowiednią modyfikacją sił lub momentów, a czasem również charakteru ruchu. Przekładnie najczęściej stosowane są do przenoszenia równomiernego ruchu obrotowego, który w napędach maszyn jest najpopularniejszy, ponieważ straty energii są przy nim najmniejsze.

Przekładnie mogą zmieniać ruch obrotowy na ruch obrotowy (najczęstszy przypadek), ruch obrotowy na liniowy lub odwrotnie – ruch liniowy na obrotowy. Biorąc pod uwagę rodzaj wykorzystywanych zjawisk fizycznych, przekładnie dzielą się na modele mechaniczne, hydrauliczne oraz pneumatyczne.

Przekładnia może być reduktorem (przekładnia redukująca), jeżeli człon napędzany obraca się lub porusza z prędkością mniejszą niż człon napędzający, lub multiplikatorem (przekładnia multiplikująca). W tym drugim przypadku człon napędzany obraca się lub porusza z większą prędkością niż człon napędzający. Przekładnia o bezstopniowym przełożeniu to wariator. Szczególny przypadek pracy przekładni stanowi sytuacja, w której prędkość na wejściu jest równa prędkości na wyjściu. Znajduje to zastosowanie, gdy chodzi tylko o zmianę kierunku wektora prędkości lub siły (momentu).

Przekładnie pasowe
Do przekładni cięgnowych zalicza się przekładnie zębate, liniowe i łańcuchowe. W przekładniach tych współpraca pomiędzy członem napędzającym i napędzanym odbywa się przez cięgno. Tym sposobem człony przekładni mogą być oddalone od siebie. Rozwiązanie takie zapewnia dobrą elastyczność w zakresie geometrii przekładni.

Przykładem przekładni cięgnowej jest przekładnia pasowa. Jej zaletą jest przede wszystkim cicha praca. Dzięki przekładni pasowej zyskuje się możliwość przenoszenia mocy na znaczne odległości. Istotna pozostaje przy tym odporność na niewielkie braki we współosiowości wałów. Na uwagę zasługuje również zdolność do łagodzenia gwałtownych zmian obciążenia oraz tłumienie drgań. Przekładnie pasowe są proste w budowie, tanie oraz łatwe w obsłudze. Ich zaletą jest także możliwość rozdziału mocy, a co za tym idzie – przenoszenia napędu z jednego wału na inne. Uwzględniając koła z wieloma rowkami o różnych średnicach, zyskuje się łatwą zmianę przełożenia.
Przy wyborze pasa należy wziąć pod uwagę moc napędu, obroty, przełożenie, przeznaczenie, otoczenie (zapylenie czy płyny, które mogą mieć styczność z pasem) oraz ułożenie napędu (poziome/pionowe). Równie ważne są odległości międzyosiowe, średnice kół, moment rozruchowy, a także liczba włączeń oraz czas i charakterystyka pracy.

Przekładnie linowe i łańcuchowe
W przekładniach linowych cięgnem jest lina. Układy przenoszenia napędu tego typu są używane przy przekazywaniu mocy na większe odległości z uwzględnieniem dużych obciążeń, ale niskich prędkości. Łańcuch z kolei jest cięgnem w przekładniach łańcuchowych. W takich przekładniach zęby kół łańcuchowych zazębiają się z elementami łańcucha, przenosząc w ten sposób napęd. Na rynku oferowane są łańcuchy pierścieniowe i drabinkowe.
Montując przekładnię z łańcuchem pierścieniowym, należy pamiętać o prawidłowym ułożeniu pierścieni w gniazdach koła. Przekładnie tego typu nie zdobyły dużego uznania z racji szeregu wad, takich jak chociażby nierównomierność pracy czy wysoki poziom hałasu. Spektrum ich zastosowań obejmuje bardzo mocno obciążone mechanizmy o niskiej prędkości pracy, takie jak na przykład wciągniki.

Większym uznaniem cieszą się przekładnie z łańcuchem drabinkowym. Dzięki zastosowaniu specjalnego łańcucha poziom hałasu znacznie obniżono. Tym samym przekładnia może pracować z większą prędkością.

Przekładnie cierne
Jako zalety przekładni ciernych wymienia się przede wszystkim ochronę w postaci sprzęgła przeciążeniowego w napędzie. Stąd też po przekroczeniu wartości maksymalnej obciążenia dla danej przekładni następuje pełny poślizg. Nie bez znaczenia pozostaje również prosta konstrukcja oraz brak luzów. Zwraca się uwagę na izolację dynamiczną przy gwałtownej zmianie momentu obciążenia. Tym sposobem uderzeniowa zmiana momentu jednego koła nie powoduje gwałtownej zmiany przyspieszenia drugiego koła. Jako zaletę wskazuje się również bardzo łatwą realizację konstrukcji zarówno przekładni zamieniających ruch obrotowy na liniowy i odwrotnie, jak i przekładni o nastawialnym przełożeniu.

Do budowy przekładni ciernych używa się różnych kombinacji materiałów. W przypadku kontaktu stali ze stalą w obu elementach współpracujących używa się hartowanej stali stopowej. Biorąc pod uwagę znaczny współczynnik sprężystości, powierzchnia zetknięcia elementów ciernych jest mała, przez co opory toczenia w przekładni są niewielkie. Ważne jest, aby powierzchnie współpracujące cechowała odpowiednia twardość. Kluczową rolę odgrywa również dokładna obróbka w postaci szlifowania i polerowania.

Bardzo często do wykonania elementów przekładni ciernych stosuje się stal i gumę. Takie rozwiązanie jest istotne w aplikacjach, które wymagają dużego współczynnika tarcia. W konstrukcjach bazujących na stali i gumie nie jest wymagany tak duży nacisk, jak w przypadku współpracy stali ze stalą. Niejednokrotnie zastosowanie znajduje również stal z kompozytem. Rozwiązanie takie łączy w sobie zalety wszystkich innych materiałów.

Przekładnie zębate
Przekładnie zębate mają wiele zalet, a do najważniejszych z nich należy łatwość wykonania, niewielkie gabaryty oraz cicha praca – oczywiście pod warunkiem zapewnienia odpowiedniego smarowania. Korzyścią wynikającą ze stosowania przekładni zębatych jest również równomierna praca i wysoki poziom sprawności. Mają one jednak też swoje wady, wśród których należy wymienić niskie przełożenie dla pojedynczego stopnia czy sztywną geometrię oraz brak naturalnego zabezpieczenia przed przeciążeniem.

W przekładniach zębatych napęd realizowany jest za pośrednictwem nawzajem zazębiających się kół zębatych. Wybierając przekładnię zębatą, należy brać pod uwagę przynajmniej kilka czynników. Oprócz parametrów związanych z mocą i prędkością istotną rolę odgrywa liczba stopni. W przypadku przekładni jednostopniowej występuje jedna para kół zębatych. Przekładnie zębate mogą mieć również konstrukcje wielostopniową. Takie rozwiązanie bazuje na szeregowo pracujących parach kół zębatych. Przełożenie całkowite przekładni wielostopniowej oblicza się jako iloczyn przełożeń poszczególnych stopni. Przy wyborze zwraca się też uwagę na zazębienie, które może być zewnętrzne lub wewnętrzne. Kluczową rolę ogrywa jednak rodzaj przenoszonego ruchu. Stąd też w przekładni obrotowej uczestniczą dwa koła zębate. W przekładni liniowej koło zębate współpracuje z listwą zębatą, która nazywana jest zębatką. Ruch obrotowy jest więc zamieniany w posuwisto-zwrotny lub odwrotnie.

W procesie projektowania aplikacji bazującej na przekładni zębatej uwzględnia się też wzajemne usytuowanie osi obrotu. Osie mogą być bowiem równoległe, przecinające się oraz wichrowate prostopadłe i nieprostopadłe.

Przekładnie ślimakowe
Przekładnie ślimakowe są specyficznym rodzajem przekładni zębatych. Rozwiązania tego typu cechują się osiami prostopadłymi leżącymi w dwóch różnych płaszczyznach. Ślimak jako element konstrukcyjny przekładni zębatej to wirnik śrubowy z gwintem trapezowym. Jako materiał do jego wykonania wykorzystuje się najczęściej stal hartowaną. Istotną rolę odgrywa również ślimacznica (nazywana kołem ślimakowym), czyli koło zębate z zębami śrubowymi, wklęsłe w przekroju wzdłużnym. Ślimacznice wykonuje się głównie z żeliwa lub brązu.

W pewnych warunkach przekładnia ślimakowa może być mechanizmem samohamownym. Właściwość ta stanowi zarówno wadę, jak i zaletę. Samohamowność może rosnąć np. w efekcie słabego smarowania. Cecha ta niejednokrotnie jest jednak pożądana, chociażby w dźwignikach ślimakowych. Pamiętać jednak należy, że samohamowność nie powinna zastępować hamulca – szczególnie w układach, gdzie liczy się bezpieczeństwo ludzi.

Motoreduktory
Mówiąc o przekładniach, warto również wspomnieć o motoreduktorach. Są to maszyny, których konstrukcja bazuje na zintegrowanym połączeniu napędu elektrycznego i przekładni mechanicznej. Niejednokrotnie zastosowanie znajdują w nich również urządzenia dodatkowe w postaci sprzęgła czy hamulca. Jako zalety motoreduktorów wymienia się przede wszystkim niewielkie rozmiary i kompaktową budowę. W przypadku przenoszenia dużych mocy ich wymiary znacznie jednak wzrastają. Podstawowe parametry doboru i eksploatacji motoreduktorów to obroty wału wyjściowego, moment wyjściowy, współczynnik przeciążenia oraz pozycja pracy. Producenci oferują przynajmniej kilka rodzajów urządzeń tego typu, w tym motoreduktory walcowe, płaskie, stożkowe, ślimakowe i planetarne.

Przy przenoszeniu mocy o znacznych wartościach i jednocześnie dużym przełożeniu motoreduktory osiągają bardzo duże rozmiary, dlatego w tych przypadkach lepiej zastosować konwencjonalny, rozproszony układ napędowy. Jest to główna wada motoreduktorów.

Korpusy jednoczęściowe
Obecne na rynku przekładnie napędowe bardzo często bazują na koncepcji korpusu jednoczęściowego. To właśnie w nim umieszcza się wszystkie gniazda łożyskowe. W nowoczesnych przekładniach projektanci stawiają na precyzyjną obróbkę korpusu bazującą na obrabiarkach sterowanych numerycznie. Jako zalety korpusów jednoczęściowych wymienia się – oprócz najwyższej dokładności wykonania – sztywność i wytrzymałość oraz wysoki poziom dokładności montażu współpracujących ze sobą elementów. Zwraca się też uwagę na zwartą budowę korpusu jednoczęściowego, uzyskaną dzięki optymalnemu rozplanowaniu położenia gniazd łożyskowych i osi wałów. Na trwałość przekładni w dużej mierze wpływa również uwzględnienie w konstrukcji dużych łożysk tocznych.


Damian Żabicki