Sklopke so elementi, ki omogočajo poleg prenosa vrtilnega momenta s pogonske na gnano gred med obratovanjem tudi ustavljanje oz. vključevanje gnane gredi.
To pomeni, da med obratovanjem ni potrebno ustavljati ali zaganjati pogonskega motorja. Sklopke imajo lahko več funkcij, omogočajo lahko vrtenje samo v eno smer (enosmerne sklopke), varujejo elemente pred preobremenitvijo (varnostne sklopke) ali pa omogočajo postopen zagon pri visokih močeh (zagonske sklopke). V splošnem ločimo tri vrste sklopk: sklopke za vklapljanje, sklopke za prosti tek in momentne sklopke.
Sklopke za vklapljanje
Sklopke za vklapljanje omogočajo hitro vzpostavitev ali prekinitev zveze med pogonskim motorjem in gnanim delom, običajno pa jih uporabljamo, kadar mora elektromotor izmenično poganjati več agregatov ali kadar moramo izmenično vključevati različne zobniške pare ali druge elemente za nadaljnji prenos moči. Vklapljanje in izklapljanje se lahko vrši neposredno preko ustreznih mehanskih elementov ali posredno preko hidravličnih, pnevmatskih ali elektromagnetnih naprav, ki zagotavljajo potrebno silo za pomik delov sklopke (uporabljamo pri centralno krmiljenih strojnih napravah). Glede na način prenašanja sil ločimo sklopke za vklapljanje z obliko – oblikovne sklopke za vklapljanje in torne sklopke za vklapljanje, ki vrtilni moment prenašajo s trenjem.
Oblikovne sklopke za vklapljanje
Sklopke za vklapljanje z obliko oz. oblikovne sklopke vklapljamo tedaj, kadar pogonski in gnani del mirujeta, med obratovanjem pa le ko sklopka ni obremenjena in imata pogonski in gnani del sklopke enako vrtilno hitrost.
Zobniška sklopka
Zobniška sklopka za vklapljanje prenaša vrtilno gibanje s pogonske na gnano gred preko valjastih zobnikov, kot je prikazano na Sliki 1. V nepomičnem pestu, ki je pritrjen na gnani del sklopke, sta nameščeni 2 kroglici, ki ju pritiska vzmeti proti žlebu v pomičnem zobniku z zunanjim ozobjem, s tem pa je pomični zobnik fiksiran na pesto in se sam od sebe ne more premakniti v aksialni smeri. V utoru na pomičnem zobniku se nahaja mehanizem za vklapljanje, ki poskrbi, da se pomični zobnik lahko aksialno premika tako, da pride v pozicijo, ko se zobje na sklopki stikajo in sklopka deluje.
Čelna zobata sklopka
Čelna zobata sklopka za vklapljanje, ki je po obliki podobna delovanju parkljaste gredne vezi, s to razliko, da je kolut na gnani gredi pomičen, je ena izmed najenostavnejših izvedb sklopk. Zobje na čelni zobati sklopki so kaljeni in različnih možnih oblik. Profili zob so lahko trapezne, žagaste, pravokotne ali trikotne oblike. Pri trapeznem, pravokotnem in trikotnem profilu zob so sklopke primerne za vrtenje v obe smeri, pri žagastem profilu je sklopka primerna le za vrtljaje v eni smeri. Čelne zobate sklopke se lahko vklapljajo mehansko, hidravlično, pnevmatsko ali elektromagnetno. Na Sliki 2 je prikazan princip delovanja sklopke z elektromagnetnim vklopom.
Na sklopki se ozobje nahaja na čelu nepomičnega pogonskega in pomičnega gnanega koluta. Kotveno ploščo aksialno premaknemo z elektromagnetom in vzmetjo. Kadar magnet privlači ploščo, so zobje v oprijemu, kadar pa prekinemo dotok električnega toka na magnet, vzmeti odmaknejo kotveno ploščo, vprijem zob pa se prekine.
Torne sklopke za vklapljanje
Torne sklopke uporabljamo, kadar je potrebno sklopko vklapljati in izklapljati v obremenjenem stanju, kar se pojavi takrat, ko se gredi vrtita z različnima vrtilnima hitrostima.
Vrtilni moment se s pogonskega na gnani del prenaša s trenjem, ki nastane na dotikajočih se površinah.
Da je doseženo zadostno trenje, mora na dele, preko katerih se obremenitev prenaša, delovati dovolj visoka pravokotna pritisna sila, ki jo dosežemo mehansko, pnevmatsko, hidravlično ali elektromagnetno. Torne površine so lahko izdelane iz najrazličnejših materialov, pomembno je le, da so te površine odporne proti obrabi ter da dobro prevajajo toploto, ki se generira ob trenju.
Torne sklopke torej uporabljamo, kadar želimo torno sklopko vklapljati in izklapljati med samim obratovanjem stroja, uporabljamo pa jih tudi kot varnostne sklopke – v primeru preobremenitve se lahko torne sklopke izključijo. Glede na obliko tornih površin ločimo lamelne in stožčaste torne sklopke, ki so lahko suhe ali mazane. Z mazanjem sicer zmanjšamo koeficient trenja, hkrati pa tudi zmanjšamo obrabo in sunkovitost pri vklapljanju.
Lamelna sklopka
Pri lamelnih sklopkah se vrtilni moment prenaša s pogonske na gnano gred preko ene ali več lamel. Tako med seboj ločimo enolamelne in večlamelne torne sklopke. Enolamelne torne sklopke imajo torne površine običajno suhe in so primerne za prenos manjših vrtilnih momentov, pogosto so uporabljene v avtomobilski industriji. Pri večlamelnih tornih sklopkah, ki jih uporabljamo za prenos višjih vrtilnih momentov, pa so torne površine pogosto mazane, uporabljamo jih pri težjih vozilih, kot so bagri in buldožerji.
Na Sliki 3 je prikazana enolamelna torna sklopka, katere pritisno silo dosežemo z elektromagnetnim vklapljanjem. Pri vklopu elektromagnetno polje pritegne kotvo, ki stisne lamele z zahtevano normalno silo. Pri avtomobilu je enolamelna sklopka vgrajena med motorjem in menjalnikom. Normalno silo zagotavlja prednapeta krožnikasta vzmet. Ko pritisnemo na pedal, razbremenimo pritisk vzmeti in prekinemo prenos momenta iz motorja na kolesa. Ko gred menjalnika ni obremenjena lahko z oblikovno sklopko povežemo željeni zobnik z gnano gredjo. V prostem teku pa so zobniki na gnani gredi menjalnika prosto vrtljivi.
Vrtilni moment (moment trenja), ki se lahko prenaša preko lamelne sklopke je odvisen od pritisne (normalne) sile, koeficienta trenja μ, števila lamel i in srednjega radija rsr, na katerem nalegajo lamele.
[latex]T_{tr}=T_s=2\cdot F_n\cdot\mu\cdot r_{sr}\cdot i[/latex]
Stožčasta torna sklopka
Stožčasta torna sklopka je lahko enojna ali dvojna. Enojna stožčasta torna sklopka je sestavljena iz dveh delov, ki se stikata na stožčasti površini. Preko le-te se prenaša vrtilni moment s pogonske na gnano gred, pri tem pa že pri nizki vklopni sili F dosežemo dovolj visoko pritisno silo FN, ki je osnova za trenje (Slika 4). Kadar sklopka deluje, zaradi stožčaste površine stalno deluje aksialna sila, kar povzroči trajno obremenjenost ležajev in vklopnih mehanizmov, kar pomeni tudi krajšo življenjsko dobo. Da se tej stalni obremenitvi vklopnega mehanizma in ležajev izognemo, v praksi uporabljamo tudi dvojne stožčaste torne sklopke, ki aksialno silo izravnajo, saj so vgrajene tako, kot bi sestavili dve enojni stožčasti sklopki eno stran od druge.
Sklopke za prosti tek
Sklopke za prosti tek so samodejne sklopke, ki prenašajo vrtilni moment samo v eni smeri, v nasprotni smeri pa delujejo kot zapora gibanja.
Glede na to, ali gnani del sklopke miruje ali se vrti, ločimo zapore, pri katerih gnani del miruje, ter enosmerne sklopke, pri katerih se gnani del sklopke lahko vrti. Zapore nadalje ločimo glede na to, ali se vrtilno gibanje prenaša z obliko (zobate zapore) ali s silo (torne zapore).
Zobate zapore
Zobate zapore so najenostavnejša izvedba sklopke za prosti tek (Slika 5). Sestavljene so iz zapornega kolesa z zobmi in zaskočke, ki je vrtljiva okoli čepa na ohišju. Zaskočka dovoljuje vrtenje gredi, na kateri je pritrjeno zaporno kolo samo v eno smer – takrat zaskočka zobe preskakuje, v nasprotni smeri pa jim gibanje prepreči. Kadar je gibanje preprečeno, se obremenitev z zapornega kolesa prek zaskočke in čepa prenese na nepomično ohišje.
Torne zapore
Torne zapore se lahko vrtijo samo v eno smer zaradi sile trenja med torno ploščo in nihalko (Slika 6). Torna zapora vrtenja nastane takrat, kadar deluje sila F v smeri čepa zaskočke, hkrati pa mora biti obodna sila Ft manjša od sile trenja Ftr.
Enosmerna sklopka z valjčki
Lastnost enosmernih sklopk je, da vrtilni moment prenašajo samo v eni smeri vrtenja, čeprav prenašajo gibanje v obeh smereh. Moment se prenaša samo, kadar je kotna hitrost gnanega dela sklopke proti pogonski kotni hitrosti sklopke nižja ali enaka. Nasprotno, kadar je kotna hitrost gnanega dela proti kotni hitrosti pogonskega dela sklopke višja, se le-ta prosto vrti (Slika 8), vendar ne prenaša vrtilnega momenta. Enosmerne sklopke delujejo na osnovi trenja. Zveza med pogonskim in gnanim delom je ustvarjena prek valjčkov.
Momentne sklopke
Momentne sklopke uporabljamo v postrojenjih, pri katerih želimo, da ima sklopka sposobnost vklopa ali izklopa v odvisnosti od vrtilnega momenta ali kotne hitrosti. Ločimo varnostne in zagonske momentne sklopke. Varnostne sklopke se izklapljajo v odvisnosti od vrtilnega momenta, zagonske sklopke pa se vklapljajo in izklapljajo odvisno od kotne hitrosti.
Varnostne sklopke
Vloga varnostnih sklopk je, da strojne dele varujejo pred trenutno preobremenitvijo, ki lahko nastane med zagonom ali med obratovanjem. Tako se v trenutku, ko dejanski vrtilni moment prekorači v sklopki nastavljeno velikost, prekine zveza med pogonskim in gnanim delom sklopke.
Ta prekinitev zveze je lahko trajna (varnostna sklopka s strižnim čepom), pri tem pa se posamezni povezani deli porušijo in jih je potrebno zamenjati. Zveza se lahko prekine tudi z izmikanjem veznih delov (torna varnostna sklopka) ali pa preobremenitev onemogočimo z drsenjem (oblikovna varnostna sklopa s kroglicami).
Najpreprostejša izvedba varnostne sklopke, varnostna sklopka s strižnim čepom, je prikazana na Sliki 9. Zveza se pri tej vrsti sklopke prekine tako, da se porušijo strižni čepi, ki povezujejo pogonski in gnani del sklopke na mestu, ki je določeno z obliko kaljenih puš. To vrsto sklopke uporabljamo predvsem pri konstruiranju obdelovalnih strojev, saj prekoračitev maksimalnega dovoljenega momenta pomeni zaustavitev postrojenja in izpad proizvodnje. Ob vsaki prekinitvi je potrebno zamenjati vse strižne čepe, ki so nameščeni po obodu sklopke. Slaba lastnost varnostnih sklopk s strižnim čepom je, da so te sklopke izdelane za en maksimalni moment, ki ga sklopka lahko prenaša. Vrednosti maksimalnega momenta se pri tej obliki žal ne da regulirati.
Zagonske sklopke
Osnovna funkcija zagonskih sklopk je zmanjševanje sunkov pri zagonu oz. pospeševanju vztrajnostnih mas.
Pri delovnih strojih za pogon zelo pogosto uporabljamo asinhronske elektromotorje, katerih lastnost je, da nimajo možnosti postopne regulacije vrtilnega momenta. Zaradi pospeševanja vztrajnostnih mas je pri zagonu potreben večji vrtilni moment od imenskega vrtilnega momenta pri obratovanju. Če bi motor izbrali glede na maksimalni moment (motor večje moči), bi bil med obratovanjem slabo izkoriščen. V takšnih primerih rajši uporabimo motorje nižjih moči, pri zagonu pa si pomagamo z zagonskimi sklopkami. Na sliki spodaj vidimo, da je pri togi sklopki električno omrežje obremenjeno, motor pa predimenzioniran. Nasprotno je pri uporabi zagonske sklopke električno omrežje manj obremenjeno, za zagon pa lahko izberemo manjši elektromotor.
Najenostavnejša izvedba zagonske sklopke je čeljustna zagonska sklopka, ki je prikazana na Sliki 12. Sklopka deluje na centrifugalnem principu.
Legenda:
- Gnani del sklopke
- Gonilni del sklopke
- Čeljust
- Torna obloga
- Vzmet
Sila trenja Ftr med čeljustjo in gnanim delom je produkt centrifugalne sile Fc in koeficienta trenja μ. Centrifugalna sila je odvisna od mase čeljusti mč, radija na katerem so nameščene čeljusti r in kotne hitrosti gonilnega dela sklopke ωm.
[latex]F_{tr}=m_č\cdot r\cdot\omega^2_m[/latex]
Vrtilni moment (moment trenja), ki se lahko prenaša preko sklopke, imenujemo moment sklopke Ts. Odvisen od sile trenja Ftr, števila čeljusti i in radija R, na katerem drsijo čeljusti.
[latex]T_{tr}=T_s=F_{tr}\cdot R\cdot i[/latex]
Čas od vklopa motorja do izenačitve hitrosti imenujemo čas zagona, to je čas, ko sklopka drsi. Čas zagona je daljši, če je moment sklopke manjši. Vedno pa mora biti večji od imenskega vrtilnega momenta na gnanem delu sklopke.