Hamulec klockowy
Oblicz hamulec jednoklockowy przedstawiony na rys. 7.1. Do obliczeń należy przyjąć następujące wymiary charakterystyczne (oznaczenia zgodnie z rys. 7.1): średnica bębna hamulcowego d = 280 mm, grubość klocka g = 40 mm. Odległości punktów zamocowań dźwigni od kierunków poszczególnych sił wynoszą odpowiednio: a = 950 mm, b = 280 mm, h = 40 mm. Moment obrotowy bębna MO = 40 N ⋅ m, a prędkość obrotowa bębna n = 300 obr/min. Dodatkowo należy sprawdzić, czy hamulec nie jest narażony na nadmierne rozgrzewanie.
Rys. 7.1. Rysunek poglądowy hamulca jednoklockowego − zaznaczono wielkości występujące w zadaniu
Uwagi wstępne
Hamulce klockowe stanowią jeden z kluczowych elementów często spotykanych w praktyce inżynierskiej układów mechanicznych. Mechanizm tego rodzaju hamulca przedstawiono na rys. 7.2. Dla hamulca z klockiem mocowanym sztywno zakłada się,
że moment tarcia MT ma przeciwny zwrot aniżeli moment obrotowy bębna MO (rys. 7.1). Aby zahamować bęben, moment tarcia musi pokonać bezwładność bębna oraz napęd pochodzący od silnika, jeżeli silnik w tej samej chwili jest włączony.
Rys. 7.2. Mechanizm hamulca jednoklockowego1
Do obliczeń przyjmuje się
Większe wartości MT przyjmuje się dla dużych prędkości obrotowych bębna oraz wymaganego krótkiego czasu hamowania.
Wartość siły nacisku klocka na bęben Pn oblicza się na podstawie siły tarcia T, współczynnika tarcia μ oraz średnicy bębna d. Ponieważ siłę tarcia T definiujemy jako
oraz
więc siłę nacisku klocka na bęben Pn można zapisać w następującej postaci
Siła skupiona Pn zastępuje obciążenie ciągłe powstałe w wyniku nacisku klocka na bęben.
Prace obliczeniowe hamulca jednoklockowego zazwyczaj obejmują:
♦ obliczenie sił P, którą należy przyłożyć do hamulca, żeby zahamować bęben,
♦ ustalenie wymiarów klocka hamulcowego z warunku na naciski powierzchniowe,
♦ sprawdzenie hamulca z warunku na rozgrzewanie.
Odpowiednie wartości:
♦ współczynnika tarcia μ,
♦ dopuszczalnej temperatury pracy elementów trących się, tzn. klocka i bębna,
♦ dopuszczalnych nacisków powierzchniowych pdop,
♦ dopuszczalną wartość iloczynu (pν) nacisków powierzchniowych p i prędkości obwodowej bębna ν przyjmuje się odpowiednio do zastosowanych materiałów wg tabl. 7.1.
W przypadku projektowania hamulców dodatkowo należy uwzględnić warunek na rozgrzewanie
Siły działające na dźwignię tworzą dowolny płaski układ sił, i są to:
♦ siła nacisku Pn,
♦ siła P przykładana na końcu dźwigni oraz siła działająca na sworzeń w punkcie A, będące reakcjami od siły nacisku Pn,
♦ siła tarcia T.
W celu wyznaczenia siły P (stosownie do oznaczeń na rys. 7.1) rozpatruje się warunek równowagi dźwigni względem punktu A, będącego punktem obrotu dźwigni
Tablica 7.1. Charakterystyka wybranych materiałów ciernych
| Materiały pary ciernej | Współczynnik tarcia μ na sucho |
Współczynnik tarcia μ z olejem |
Dopuszczalna temperatura tdop [°C] trwale |
Dopuszczalna temperatura tdop [°C] krótko |
Nacisk dopuszczalny pdop [MPa] |
Iloczyn (pν)dop [MN/(m s)] |
|
| żeliwo, staliwo lub stal |
żywica fenolowa | 0,25 | 0,1−0,15 | 100 | 150 | 0,05−0,7 | 0,3−0,5 |
| żeliwo, staliwo lub stal |
tkanina bawełniana nasycona sztuczną żywicą |
0,4−0,65 | 0,1−0,2 | 100 | 150 | 0,05−1,2 | 0,5−2 |
| żeliwo, staliwo lub stal |
tekstolit, wełna metalowa sprasowana z syntetyczną gumą |
0,4−0,65 | 0,1−0,2 | 250 | 300 | 0,05−8,0 | 0,3−0,5 |
| stal | węgiel grafityzowany |
0,25 | 0,05−0,1 | 300 | 500 | 0,05−2 | 1,0−2,0 |
| żeliwo, staliwo lub stal |
drewno skóra korek |
0,2−0,35 0,3−0,6 0,3−0,5 |
0,10−0,15 0,12−0,15 0,15−0,25 |
100 100 100 |
160 | 0,05−0,5 0,05−0,3 0,05−0,1 |
0,4−2,0 0,3−1,0 0,6−0,8 |
| stal hartowana z przepływem bez przepływu oleju |
stal hartowana lub spiek metalowy |
0,12−0,17 0,08−0,12 |
100 100 |
0,5−3,0 0,5−4,0 |
2−4 4−6 |
||
| żeliwo żeliwo |
stal żeliwo |
0,15−0,2 0,15−0,25 |
0,03−0,06 0,02−0,1 |
200 200 |
300 300 |
0,8−1,4 1,0−1,8 |
2−4 1,3−3 |
Źródło: Z. Osiński, W. Bajon, T. Szucki, Podstawy konstrukcji maszyn. Warszawa, PWN 1975; A. Rutkowski, Części maszyn, WSiP S. A. Warszawa 1986.
Średnicę bębna hamulcowego d oraz grubość klocka g zakłada się konstrukcyjnie. Najczęściej przyjmowane wartości zamieszczono w tabl. 7.2. Szerokość bębna hamulcowego przyjmuje się najczęściej większą o 10 mm od szerokości klocka. Długość klocka c powinna się zawierać w granicach (0,52−0,78)d, co odpowiada kątowi pokrycia w granicach 60−90°.
Tablica 7.2. Najczęściej przyjmowane wartości średnicy bębna d oraz grubości klocka g
| Średnica bębna d [mm] | Grubość klocka g [mm] | Średnica bębna d [mm] | Grubość klocka g [mm] |
| 120 | 40 | 400 | 125 |
| 160 | 50 | 500 | 160 |
| 200 | 65 | 630 | 200 |
| 250 | 80 | 710 | 220 |
| 320 | 100 | 800 | 250 |
Źródło: A. Rutkowski, Części maszyn, WSiP S.A. Warszawa 1986.
Sprawdzenia dopuszczalnej wartość iloczynu pν (równanie (7.5)), czyli warunku na rozgrzewanie dokonuje się na podstawie tabl. 7.1.
Rozwiązanie zadania
1. Określenie wartości momentu tarcia
Wykorzystując równanie 7.1 należy obliczyć wartość momentu tarcia. Z dostępnego przedziału współczynnika (1,75−2,5) przyjęto wartość 2,0.
2. Dobór niezbędnych parametrów
Korzystając z tablicy 7.1 (materiał pary ciernej: stal−węgiel grafityzowany) dobrano parametry niezbędne w dalszym toku obliczeniowym:
♦ współczynnik tarcia μ = 0,25,
♦ dopuszczalna temperatura pracy hamulca tdop = 300−500°C,
♦ nacisk dopuszczalny pdop między bębnem a klockiem hamulcowym powinien zawierać się w granicach 0,05−2 MPa,
♦ iloczyn (pν)dop dobiera się z przedziału 1−2 MN/(m ⋅ s).
3. Wyznaczenie długości klocka oraz wartości nacisków powierzchniowych
Długość klocka mierzoną po cięciwie oblicza się z następującej zależności:
Fragment pochodzi z książki "Podstawy konstrukcji maszyn”, Autorzy: Ryszard Knosala, Aleksander Gwiazda, Andrzej Baier, Piotr Gendarz, Rok wydania 2018, Wydawnictwo Naukowe PWN
