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