Klasyfikacja i charakterystyka hamulców.

Hamulce – to urządzenia mające na celu zatrzymywanie, zwalnianie lub regulację ruchu maszyn i innych mechanizmów. Zadaniem hamulców jest przekształcanie energii kinetycznej poruszających się elementów na inny rodzaj energii. Najczęściej spotykane są hamulce cierne wykorzystujące tarcie zamieniając energię kinetyczną na ciepło, co pozwala na kontrolowanie prędkości oraz zatrzymywanie ruchu. Dzięki temu możliwa jest również regulacja działania maszyn, zwiększenie bezpieczeństwa użytkowników (np. w samochodach) oraz ograniczenie zużycia innych elementów układu napędowego.

Hamulce można podzielić na wiele różnych typów, zależnie od ich konstrukcji i sposobu działania.

Cierne mechaniczne – wykorzystują tarcie do zatrzymania ruchu.

Hydrauliczne – siła hamowania jest generowana dzięki ciśnieniu płynu hydraulicznego.

Pneumatyczne, gdzie za działanie hamulca odpowiada sprężone powietrze.

Elektromagnetyczne – wykorzystują siły generowane przez pole magnetyczne i elektryczne, które zatrzymują ruchome elementy. Na przykład składowa magnetyczna siły Lorentza – siła elektrodynamiczna

Podział ze względu na charakter pracy:

Luzowe – działają, gdy mechanizm jest zwolniony (luźny), umożliwiając płynne zatrzymywanie ruchu.

Zaciskowe – wymagają siły zewnętrznej do wytworzenia tarcia. Stosowane tam gdzie wymagane jest zatrzymanie elementów precyzyjnie i szybko.

Podział hamulców ciernych mechanicznych:

Hamulce tarczowe – obejmują dwie główne kategorie:

Stożkowe, charakteryzujące się powierzchnią cierną o geometrii stożka.

Wielopłytkowe – hamulce wielopłytkowe składają się z kilku tarcz zwiększających powierzchnię tarcia i tym samym efektywność hamowania. Im więcej powierzchni trących tym szybciej oddawana energia.

Hamulce klockowe (szczękowe) – posiadają klocki lub inaczej szczęki dociskane do powierzchni ciernej, np. tarczy lub bębna.

Hamulce cięgnowe (taśmowe) –W tych hamulcach otacza element ruchomy (np. bęben), a dociskanie taśmy powoduje hamowanie.

 Hamulce: a) stożkowy, b) wielopłytkowy, c) jednoklockowy, d) cięgnowy

Hamulce szczękowe wewnętrzne

Hamulce zaciskowe, znane również jako hamulce szczękowe, to typ hamulców, w których szczęki umieszczone są wewnątrz bębna hamulcowego. W stanie spoczynku, dzięki zastosowanym sprężynom, szczęki pozostają odsunięte od powierzchni bębna, co minimalizuje tarcie i zużycie elementów. Podczas hamowania siły aktywujące, działające na końce szczęk, powodują ich dociskanie do wewnętrznej powierzchni bębna, co generuje tarcie niezbędne do zatrzymania lub spowolnienia ruchu obrotowego.

Sprężyny powrotne odpowiadają za odsunięcie szczęk od bębna po zwolnieniu hamulca.

Zasada działania
W momencie aktywacji hamulca (np. przez naciśnięcie pedału hamulca), układ włączający generuje siłę docisku na szczęki.
Konstrukcja układu pozwala na różne konfiguracje rozkładu sił między szczękami:

Przy jednakowych siłach włączających (W1 i W2), wartości sił normalnych (Fn1 i Fn2), które szczęki wywierają na bęben, mogą być różne lub równe, w zależności od geometrii układu i sił tarcia.

Gdy szczęki dociśnięte są do bębna, tarcie między okładziną szczękową a bębnem powoduje zatrzymanie lub spowolnienie ruchu bębna.

Rys.4.7 Schematy  hamulców szczękowych wewnętrznych

Rys.4.8 Hamulec stożkowy, stosowany w obrabiarkach: 1 – część nieruchoma hamulca z okładziną cierną,

2 – część ruchoma hamulca, 3 – korpus obrabiarki, 4 – przełącznik, 5 – sprzęgło cierne wielopłytkowe

Hamulce klockowe

Hamulce klockowe to rodzaj hamulców ciernych, w których za generowanie siły hamowania odpowiadają jeden lub dwa klocki dociskane do powierzchni bębna hamulcowego. Wyróżniamy dwa główne rodzaje hamulców klockowych.

• Hamulce jednoklockowe – Wyposażone w jeden klocek, który dociskany jest do bębna hamulcowego. Są prostsze w konstrukcji, ale mogą oferować mniejszą efektywność hamowania.
  • Zalecane gry średnica wału wynosi do 50 mm i narażony jest na działanie niewielkich momentów obrotowych Mo.

Hamulce dwuklockowe – 

• Hamulce dwuklockowe – Posiadają dwa klocki, które działają symetrycznie lub asymetrycznie na powierzchnię bębna. Zapewniają lepsze rozłożenie siły hamowania i większą skuteczność.
  • Zalecane gdy siły nacisku Fn równoważą się. W takim przypadku umożliwiają hamowanie przy mniejszych siłach nacisku (z uwagi na większe pole powierzchni hamowania).

Zasada działania hamulców klockowych

Podczas hamowania klocki cierne są dociskane do powierzchni bębna hamulcowego, co generuje siłę tarcia. Ta siła działa w kierunku przeciwnym do ruchu obrotowego bębna, wytwarzając moment tarcia
Aby skutecznie zatrzymać bęben, moment tarcia musi być na tyle duży, aby pokonać:

• Moment obrotowy bębna wynikający z działania zewnętrznych sił napędowych.
• Moment bezwładności układu, który jest związany z masą obracających się elementów i ich prędkością kątową.

Wartość Momentu Tarcia MT możemy założyć :

MT = (1,75 ÷ 2,5)M

Wartość siły nacisku klocka na bęben wynosi:

Siłę Fn będziemy traktować jako siłę skupioną zastępującą obciążenie ciągłe wynikające z nacisku klocka na bęben.

gdzie:
MT – moment tarcia generowany przez hamulec.
T – siła tarcia miedzy bębnem a klockiem.
D – średnica bębna.
Fn – siła nacisku klocka na bęben.
μ – współczynnik tarcia między powierzchnią klocka a bębnem.

Przykład hamulca dwuklockowego

Przykład hamulców jednoklockowych

Schemat obliczeniowy hamulców klockowych

Obliczenia hamulców jednoklockowych obejmują kolejno 3 etapy

1. Określenie wymaganej siły F do zahamowania bębna.
2. Wyznaczenie wymiarów klocka na podstawie dopuszczalnych nacisków powierzchniowych.
3. Analizę termiczną hamulca, aby upewnić się, że system wytrzymuje generowane ciepło.

Określenie wymaganej siły F do zahamowania bębna

W przedstawionym układzie hamulca dźwignia hamulcowa jest zamocowana przegubowo w punkcie 0, co pozwala jej obracać się wokół tego punktu. Konstrukcja dźwigni umożliwia przeniesienie siły zewnętrznej, którą należy przyłożyć na klocek cierny, dociskając go do bębna hamulcowego. Koła napędowe zazwyczaj są zamontowane na wale lub osi, osadzone na łożyskach w celu zmniejszenia tarcia w wyniku obrotu.

e – odległość prostopadła od punktu 0 do punktu działania siły Fn

Dźwignia jest sztywno połączona z klockiem hamulcowym, co pozwala na przekazywanie siły nacisku na klocek, który generuje siłę tarcia.

Siła przyłożona na dźwignię przez operatora lub układ sterujący powoduje obrót dźwigni i docisk klocka do bębna. Siła tarcia powstaje między klockiem a powierzchnią bębna i jest odpowiedzialna za wytworzenie momentu tarcia, który przeciwdziała obrotowi bębna. Jest proporcjonalna do siły nacisku klocka na bęben i współczynnika tarcia.

Moment tarcia generowany na bębnie zależy od siły tarcia oraz średnicy bębna.

Możemy wyznaczyć wartość siły F z warunku równowagi sił:

F ⋅ l – Fn ⋅ a + T ⋅ e = 0

Podstawiając do wzoru siłę tarcia T = Fn ⋅ μ otrzymamy:

F ⋅ l – Fn ( a – e ⋅ μ) = 0

Wprowadzając do wzoru wartość siły nacisku Fn otrzymujemy:

Zakładając przeciwny kierunek ruchu obrotowego bębna niż na rysunku siłę F możemy wyznaczyć w podobny sposób jak wyżej

Jak widzimy  (człon (a+e⋅μ)) potrzebujemy większej siły aby zatrzymać koło obracające się w drugą stronę. Oznacza to że wymagany jest większy docisk przy zmianie kierunku ruchu obrotowego.

Jeżeli kierunek ruchu obrotowego bębna ma być zmienny, można stosować konstrukcję jak na rysunku poniżej

Wygięcie dźwigni w taki sposób, aby punkt obrotu 0 znajdował się na linii działania siły tarcia T, sprawia, że ramię tej siły wynosi e=0. W efekcie moment siły tarcia względem punktu obrotu, wyrażony jako e⋅T, również jest równy zero.

Oznacza to, że siła tarcia T nie generuje momentu, który wpływałby na równowagę dźwigni. Dzięki temu siła tarcia nie zakłóca działania mechanizmu, a dźwignia działa jednakowo w jedną i w drugą stronę . Jest to korzystne rozwiązanie konstrukcyjne, które upraszcza obliczenia oraz zmniejsza obciążenia w punkcie obrotu.

Wartość siły F koniecznej do zahamowania bębna wynosi

Wyznaczanie wymiarów klocka hamulca klockowego z warunku na naciski powierzchniowe

Wzór opisujący zależność między siłą nacisku Fn a wymiarami klocka t i b  oraz dopuszczalnym naciskiem ko. 

Rzeczywisty nacisk powierzchniowy p nie może przekraczać dopuszczalnej wartości ko. Przekroczenie tej wartości mogłoby prowadzić do uszkodzenia klocka lub jego przyspieszonego zużycia. Na podstawie wzoru można ustalić odpowiednią grubość t i szerokość b

gdzie:

t – długość klocka (mierzona po cięciwie łuku);

b – szerokość klocka;

ko – naciski dopuszczalne.

Zalecenia wyboru rozmiarów szerokości tarczy i grubości klocka D-b –  (160 – 50, 200 – 55, 250 – 80, 320 – 100, 400 – 125, 500 – 160, 630 – 200, 710 – 220, 800 – 250).

Szerokość bębna przyjmujemy o 10 mm większą od szerokości klocka b, natomiast długość klocka dobieramy tak aby wynosiła:

t = (0,52 ÷ 0,78)D

co odpowiada kątowi pokrycia ϕ od 60° do 90°.

Analiza termiczna hamulca klockowego

Podczas pracy hamulca generowane jest ciepło. Ilość ciepła określa wzór:

Q = M_T⋅ω⋅t

gdzie:

Q –  ilość ciepła generowanego w układzie hamulcowym [J]

M_T – moment tarcia,  generowany przez układ hamulcowy

ω – prędkość kątowa elementu hamowanego (rad/s)

t – czas trwania hamowania

Należy upewnić się, że układ hamulcowy jest w stanie odprowadzić wygenerowane ciepło, np. dzięki odpowiedniej wentylacji czy materiałom.

Hamulce Cięgnowe

Hamulce cięgnowe – Typ hamulca, którego elementem przejmującym moment jest cienka taśma stalowa (zazwyczaj zbudowana z większej ilości materiałów), zwana cięgnem, wyłożona materiałem ciernym. Materiał cierny zwiększa efektywność hamowania, szczególnie w przypadku wyższych momentów hamowania (M_H). W sytuacjach, gdzie moment hamowania jest niewielki, taśma stalowa może być stosowana bez dodatkowej okładziny ciernej.

Wady hamulców cięgnowych  – zginanie wału pod wpływem siły naciągu cięgna, co może prowadzić do dodatkowych obciążeń mechanicznych i przyspieszonego zużycia układu. Mimo to są one często stosowane tam, gdzie wymagane jest efektywne hamowanie przy prostocie konstrukcji.

Zalety hamulców cięgnowych – Wyróżniają się prostą konstrukcją i zwartą budową, tym samym łatwością w montażu i eksploatacji. Charakteryzują się dużą skutecznością hamowania, dzięki czemu znajdują zastosowanie w sytuacjach, gdzie występują wysokie momenty obrotowe (Mo).

Wartość Momentu Tarcia MT możemy założyć:

MT = (1,75 ÷ 2,5)M

Gdy średnica bębna D jest ustalona na podstawie warunków konstrukcyjnych, możemy obliczyć siłę tarcia, niezbędną do zahamowania bębna. Siła tarcia jest związana z momentem tarcia oraz średnicą bębna według zależności

Hamulce cięgnowe: a) zwykły, b) różnicowy, c) sumowy

Hamulec cięgnowy zwykły

To rodzaj hamulca cięgnowego, w którym cięgno przylega do bębna tylko na części jego obwodu, odpowiadającej kątowi α. Oznacza to, że kontakt między cięgnem a bębnem jest ograniczony, co wpływa na siłę tarcia generowaną w układzie.

W cięgnie wyróżniamy:

• część czynną – nabiegającą na bęben. Działa w niej siła F1;
• część bierną – działa w niej siła F2.

siła F1 > F2

ponieważ część czynna cięgna obciążona jest dodatkowo siłą tarcia wywołaną momentem obrotowym T. 

Z warunku równowagi:

T = F1 – F2 [I]

Stosunek sił F1 i F2 określa zależność (wzór Eulera). Określa on stosunek napięć w cięgnach:

F1 = F2 ⋅ m gdzie

Przyjmujemy α = 180° ÷ 270° (od π do 1,5π  rad)

gdzie:

Kąt opasania α

To kąt , który określa, jak duża część obwodu bębna jest objęta przez cięgno (taśmę). Wpływa na siłę tarcia i skuteczność hamowania.

• Powierzchnia kontaktu: Większy kąt opasania oznacza, że większa powierzchnia cięgna styka się z bębnem, co zwiększa siłę tarcia i skuteczność hamowania.
• Rozkład nacisku: Przy większym kącie opasania nacisk cięgna na bęben jest bardziej równomiernie rozłożony, co zmniejsza zużycie elementów ciernych.
• Siła tarcia: Zależność siły tarcia od kąta opasania można opisać za pomocą prawa tarcia suchego, które uwzględnia wpływ kąta na zwiększenie siły hamującej

F1 = F2 ⋅ e^μ​α

F_1 – siła w cięgnie po stronie „ciągnącej”,
F_2 – siła w cięgnie po stronie „luźnej”,
μ – współczynnik tarcia między cięgnem a bębnem,
α – kąt opasania w radianach,
e – podstawa logarytmu naturalnego.

Im większy kątα wym większa skuteczność hamowania, ponieważ siła tarcia rośnie wykładniczo wraz z kątem.

Wprowadzamy zależność między siłą tarcia T a F1 i F2.

Siła tarcia w zależności od F_1

Siła tarcia w zależności od F_2

T = F2 ( m – 1) 

Wartość siły F potrzebnej do zahamowania wyznaczamy z warunku równowagi sił działających na dźwignię. Wyznaczać je będziemy względem punktu 0, przyjmując kierunek ruchu obrotowego jak na rysunku

W hamulcu zwykłym  część czynna cięgna zamocowana w punkcie obrotu dźwigni – na dźwignię działają siły: F2 oraz F

Warunek równowagi przyjmie postać:

F ⋅ l – F2 ⋅ a = 0 [IV]

Zalecane przełożenie dźwigni: l/a = 3 ÷ 6

Gdy zmienimy kierunek ruchu obrotowego, wówczas część czynna będzie pełnić funkcje części biernej i odwrotnie.

Hamulec cięgnowy różnicowy 

Jest to rodzaj hamulca cięgnowego, w którym siła hamowania jest zależna od różnicy sił na cięgnach

Warunek równowagi dla hamulca różnicowego:

F ⋅ l + F1 ⋅ a1 – F2 ⋅ a2 = 0

stąd:

Po zmianie kierunku ruchu obrotowego:

Hamulec cięgnowy sumowy 

Jest to rodzaj hamulca cięgnowego, w którym siła hamowania zależna jest od sumy sił na cięgnach 

Warunek równowagi dla hamulca sumowego (a1 = a2 = a)

F ⋅ l – F1 ⋅ a – F2 ⋅ a = 0

stąd:

Po zmianie kierunku ruchu obrotowego bębna (w stosunku do podanego na rysunku c) wówczas częścią czynną cięgna będzie dotychczasowa część bierna i odwrotnie. 

Na podstawie przeprowadzonej analizy hamulców: 

1. Hamulec zwykły i różnicowy zastosujemy tam, gdzie jest stały kierunek ruchu obrotowego bębna i wału.
2. W hamulcu różnicowym odpowiednio dobierając długości dźwigni a1 i a2 – regulujemy F (przy niewłaściwej długości tych dźwigni F = 0 lub F< 0 (samo zakleszczanie).

Aby uniknąć samo zakleszczenia spełniamy warunek:

1. Hamulec sumowy (a1 = a2 = a) – siła obciążająca F jest jednakowa dla obydwu kierunków obrotu ale dość duża jej wartość przekreśla zastosowanie tego hamulca.
2. Przy ruchu dwukierunkowym – hamulec dwuklockowy.