Sprzęgło to podstawowy element układów napędowych – bez niego nie da się sensownie połączyć silnika z maszyną czy skrzynią biegów, ani zabezpieczyć układu przed przeciążeniem.

Sprzęgła dzielimy głównie na nierozłączne, rozłączne (stałe i sterowane) oraz samoczynne, a ze względu na sztywność połączenia na sztywne, podatne i samonastawne. Ich zadaniem jest łączenie wałów w celu przekazywania momentu obrotowego w maszynach i pojazdach.

Podział sprzęgieł – rodzaje, budowa i zastosowanie mechanizmów

Co to jest sprzęgło i jak naprawdę działa?

Sprzęgło to mechanizm łączący wał napędzający z wałem napędzanym, który umożliwia ich połączenie, rozłączenie lub kontrolowane „poślizgi”. Takie rozwiązanie pozwala przenosić moment obrotowy, tłumić drgania, chronić układ przed przeciążeniem i ułatwiać rozruch maszyn.

Każde sprzęgło – niezależnie od konstrukcji – można opisać trzema podstawowymi elementami: człon czynny, łącznik, człon bierny. Człon czynny jest sztywno połączony z wałem napędzającym (np. wałem silnika), człon bierny z wałem napędzanym (np. wałem skrzyni biegów), a między nimi znajduje się łącznik, który fizycznie przekazuje moment obrotowy.

Łącznikiem może być element mechaniczny (np. zęby, kły, wkładka gumowa, sprężyna), powierzchnie cierne (tarcze, stożki) albo ciecz robocza w sprzęgłach hydrokinetycznych. To sposób wykonania i własności łącznika decydują o tym, czy sprzęgło jest sztywne, elastyczne, samoczynne czy sterowane.

Jak wygląda poprawna praca sprzęgła w samochodzie z manualną skrzynią biegów? Po puszczeniu pedału sprzęgła docisk zaciska tarczę między kołem zamachowym a dociskiem – układ się łączy (zasprzęgla), a moment obrotowy płynie z silnika do skrzyni. Po wciśnięciu pedału sprzęgła docisk odsuwa się, tarcza przestaje być dociskana i napęd zostaje rozłączony (wysprzęglenie). Dzięki temu można zmienić bieg bez zgrzytów.

Przy doborze sprzęgła bardzo istotny jest moment obrotowy, który musi ono przenieść. Najpierw oblicza się moment obliczeniowy ze wzoru:

M = 9550 · P / n

gdzie: M – moment w N·m, P – moc w kW, n – prędkość obrotowa w obr/min. Następnie wprowadza się współczynnik przeciążeń K i wyznacza maksymalny moment obrotowy sprzęgła ze wzoru:

Mmax = M · K

Dopiero na tej podstawie dobiera się typ, rozmiar i wykonanie sprzęgła, aby przy realnych obciążeniach nie doszło do poślizgu, uszkodzeń lub zbyt dużych drgań w układzie.

Kompleksowy podział sprzęgieł

Sprzęgła w budowie maszyn klasyfikuje się według kilku kryteriów. Najbardziej przejrzysty jest podział według możliwości rozłączenia, sztywności połączenia oraz postaci łącznika.

Podział sprzęgieł ze względu na możliwość rozłączenia

Ten podział opisuje, czy i w jaki sposób można rozdzielić człon czynny i bierny, czyli czy wały da się odłączyć bez demontażu całego zespołu.

• sprzęgła nierozłączne – człony są trwale połączone, a rozłączenie wymaga zniszczenia połączenia (np. zgrzewane, klejone połączenia tulejowe),
• sprzęgła rozłączne stałe – zapewniają sztywne połączenie wałów, ale można je rozebrać tylko kluczem, poprzez odkręcenie śrub lub zdjęcie tulei (np. sprzęgło kołnierzowe, tulejowe, łubkowe),
• sprzęgła rozłączne sterowane – konstrukcja pozwala na wielokrotne włączanie i wyłączanie sprzęgła w trakcie pracy, za pomocą mechanizmu sterującego (np. sprzęgła elektromagnetyczne, pneumatyczne, cierne tarczowe),
• sprzęgła samoczynne – łączą lub rozłączają napęd bez udziału operatora, reagując na prędkość obrotową, kierunek obrotu czy przeciążenie (np. sprzęgła odśrodkowe, jednokierunkowe, przeciążeniowe).

Podział sprzęgieł ze względu na sztywność połączenia

W tym ujęciu istotne jest, czy sprzęgło dopuszcza przemieszczenia między osiami wałów oraz czy wprowadza sprężystość do układu.

• sprzęgła sztywne – nie kompensują przemieszczeń osiowych, promieniowych ani kątowych; wymagają współosiowości wałów, przenoszą duże momenty, ale nie tłumią drgań (np. tulejowe, kołnierzowe, łubkowe),
• sprzęgła podatne (elastyczne) – mają łącznik sprężysty (guma, sprężyny, tworzywo), który dopuszcza niewielkie przemieszczenia i tłumi drgania, zmniejszając obciążenia dynamiczne (np. sprzęgła z wkładką gumową, sprężynowe, oponowe),
• sprzęgła samonastawne – konstrukcja pozwala na kompensowanie przesunięć poprzecznych, wzdłużnych i kątowych między wałami, często poprzez przeguby lub specjalne prowadzenia (np. przegub Cardana, sprzęgło Oldhama, sprzęgła kłowe o konstrukcji samonastawnej).

Podział sprzęgieł ze względu na postać łącznika

Łącznik decyduje o sposobie przekazywania momentu – czy dzieje się to przez zazębienie, tarcie, odkształcenie sprężyste czy przepływ cieczy.

• sprzęgła mechaniczne – moment obrotowy przenoszą elementy kształtowe lub dociskowe, takie jak zęby, kły, kołki czy tarcze (np. sprzęgła zębate, kołkowe, tarczowe, łubkowe),
• sprzęgła cierne – wykorzystują siłę tarcia między powierzchniami współpracującymi; umożliwiają płynne załączanie oraz kontrolowany poślizg (np. sprzęgła tarczowe jednotarczowe i wielotarczowe, sprzęgła stożkowe),
• sprzęgła hydrokinetyczne (hydrodynamiczne) – moment przenosi strumień cieczy roboczej pomiędzy wirnikami, bez sztywnego połączenia mechanicznego (np. klasyczne sprzęgła hydrodynamiczne stosowane w automatycznych skrzyniach biegów).

Wybrane grupy sprzęgieł i ich zastosowanie

Dla lepszego uporządkowania wiedzy warto zestawić najpopularniejsze typy sprzęgieł stosowane w budowie maszyn oraz podać ich typowe obszary zastosowań.

Rodzaje sprzęgieł w samochodach

W motoryzacji używa się tych samych zasad konstrukcyjnych, ale w praktyce dominują konkretne typy sprzęgieł dobrane do charakteru pracy pojazdu. Można tu wyróżnić kilka głównych grup.

Sprzęgła cierne tarczowe w samochodach

Najczęściej spotykanym rozwiązaniem w autach z manualną skrzynią biegów jest sprzęgło cierne tarczowe jednotarczowe. Składa się ono z tarczy sprzęgłowej z okładzinami ciernymi, docisku, koła zamachowego i mechanizmu sterującego (dźwigienki, sprężyny talerzowe) oraz układu wysprzęglającego.

W pojazdach o większej mocy lub sportowych stosuje się często sprzęgła dwutarczowe. Dzięki dwóm tarczom ciernym można przenieść większy moment obrotowy przy podobnej średnicy, a jednocześnie poprawić odporność na przegrzewanie i poślizg. Takie sprzęgła są też popularne w pojazdach użytkowych i motorsporcie.

Sprzęgła hydrokinetyczne w automatycznych skrzyniach

W klasycznych automatycznych skrzyniach biegów zamiast mechanicznego sprzęgła ciernego między silnikiem a przekładnią stosuje się sprzęgło hydrodynamiczne (konwerter momentu). Moment obrotowy jest przekazywany przez przepływ cieczy między pompą a turbiną, dzięki czemu rozruch pojazdu jest bardzo płynny, a skrzynia może sama dobierać przełożenia bez rozłączania napędu pedałem.

Konwerter momentu umożliwia też chwilowe zwielokrotnienie momentu przy ruszaniu, co ułatwia start ciężkich pojazdów. W nowoczesnych rozwiązaniach stosuje się sprzęgło blokujące (lock-up), które przy wyższych prędkościach łączy wirniki „na sztywno”, aby ograniczyć straty energii na poślizg.

Sprzęgła jednokierunkowe w motoryzacji

Sprzęgła jednokierunkowe to typ sprzęgła samoczynnego, które przenosi moment tylko w jednym kierunku obrotu. W przeciwną stronę element bierny obraca się swobodnie. Nie stosuje się ich w rozrządzie silnika, lecz w innych podzespołach.

Najczęściej sprzęgła jednokierunkowe spotyka się w:

• rozrusznikach (tzw. bendiks) – sprzęgło jednokierunkowe umożliwia przekazanie momentu z rozrusznika na wieniec koła zamachowego podczas rozruchu oraz rozłączenie po uruchomieniu silnika, aby nie „ciągnąć” rozrusznika przy wysokich obrotach,
• alternatorach (wolne koło alternatora) – sprzęgło jednokierunkowe pozwala alternatorowi odłączyć się chwilowo przy nagłych zmianach prędkości obrotowej wału korbowego, co zmniejsza drgania i odciąża pasek osprzętu,
• automatycznych skrzyniach biegów – jako elementy pozwalające na samoczynne załączanie danego stopnia przy określonym kierunku i prędkości obrotu.

Podział sprzęgieł samochodowych według sposobu sterowania

W pojazdach stosuje się kilka rozwiązań z punktu widzenia sposobu przeniesienia ruchu od pedału lub sterownika do samego sprzęgła.

• sprzęgła mechaniczne – pedał sprzęgła połączony jest z mechanizmem wysprzęglającym za pomocą linki lub układu dźwigni; rozwiązanie proste, tanie, ale wymagające regulacji i bardziej wrażliwe na zużycie,
• sprzęgła hydrauliczne – ruch pedału przenosi płyn hydrauliczny w cylindrze głównym na wysprzęglik przy sprzęgle; układ sam kompensuje zużycie okładzin i zapewnia bardziej powtarzalną pracę,
• sprzęgła sterowane elektronicznie – stosowane w skrzyniach zautomatyzowanych i dwusprzęgłowych; sterownik silnika i skrzyni biegów zarządzają pracą sprzęgieł poprzez siłowniki elektrohydrauliczne lub elektryczne, bez pedału sprzęgła w kabinie.

Jak wykorzystać podział sprzęgieł w praktyce?

Inżynier projektujący napęd musi dobrać sprzęgło tak, aby spełniało wymagania co do momentu obrotowego, prędkości, dokładności współosiowości i dopuszczalnych drgań. Właśnie dlatego podział na sprzęgła nierozłączne, rozłączne, sztywne, podatne, samonastawne, cierne czy hydrokinetyczne nie jest suchą teorią, ale realnym narzędziem doboru.

Dobierając sprzęgło, uwzględnia się nie tylko wzór Mmax = M · K, lecz także takie parametry jak: częstotliwość włączeń na godzinę, dopuszczalny poślizg, charakter obciążenia (stałe, udarowe), wymaganą żywotność, masę oraz wymiary montażowe. Od właściwego wyboru zależy trwałość całego napędu oraz bezpieczeństwo pracy maszyny lub pojazdu.