ΤΟΥ ΓΙΩΡΓΟΥ ΜΑΛΙΩΤΗ
Οι συμπλέκτες συνιστούν μηχανισμούς ζεύξης ατράκτων. Η ζεύξη δύο ατράκτων μπορεί να είναι διακοπτόμενη ή μη. Οι μη διακοπτόμενες ξεύξεις διακρίνονται σε άκαμπτες ζεύξεις, σε ζεύξεις διαστολής και σε ζεύξεις αντιστάθμισης. Οι άκαμπτες ξεύξεις συνδέουν κατά μήκος δύο ήδη ευθυγραμμισμένες ατράκτους και διαβιβάζουν τη ροπή στρέψης. Οι άκαμπτες ζεύξεις συνδέουν συνήθως άξονες μετάδοσης κίνησης και σπανιότατα ατράκτους κινητήρων, ή άλλων μηχανών παραγωγής έργου.
Οι ζέυξεις διαστολής είναι μηχανισμοί με τέτοιο σχεδιασμό, ώστε να μπορούν να αντισταθμίσουν τις κατά μήκος διαστολές των ατράκτων. Η αντιστάθμιση των διαστολών επιτυγχάνεται με την ώθηση μέρους των δύο ζευγνυόμενων τμημάτων το ένα μέσα στο άλλο. Ένας συνήθης τύπος ζεύξης που επιτρέπει αυτή την αμοιβαία εισώθηση των δύο συμπλεκόμενων μερών, είναι η ζεύξη μέσω σιαγόνων. Λόγω του ιδιαίτερου σχεδιασμού του οι ζεύξεις διαστολής κατορθώνουν παράλληλα να οδηγούν τις ατράκτους και αξονικά και ακτινικά.
Οι ζεύξεις αντιστάθμισης επιλέγονται σε περιπτώσεις που επιθυμούμε την καλύτερη δυνατή ευθυγράμμιση των συνδεόμενων αξόνων και η οποία συχνά δεν επιτυγχάνεται για λόγους συναρμολόγησης. Για το σκοπό αυτό χρησιμοποιούνται συμπλέκτες που αντισταθμίζουν ακτινικές, γωνιώδεις ακόμη και αξονικές μετατοπίσεις. Μια συνηθισμένη τέτοια ζεύξη είναι η ζεύξη με τοξοειδείς οδόντες. Ωστόσο σε αυτήν την κατηγορία ζεύξεων υπάγονται και οι αρθρωτές συνδέσεις ατράκτων με χαρακτηριστικότερη περίπτωση τη σταυρωτή άρθρωση ή ζεύξη Kardan.
Όταν τα προβλήματα ευθυγράμμισης δύο συνδεόμενων ατράκτων οφείλονται σε μετατοπίσεις της έδρασης των ατράκτων, τότε η επιζητούμενη αντιστάθμιση των μετατοπίσεων αυτών γίνεται με ελαστικές ζεύξεις αντιστάθμισης. Συνήθεις αιτίες τέτοιων μετατοπίσεων είναι κατασκευαστικές ανοχές ή μικρές διαστασιακές αστοχίες κατά τη συναρμολόγηση. Μπορούν όμως να είναι και αστάθμητοι παράγοντες όπως καθιζήσεις θεμελίων. Οι ελαστικές ζεύξεις που αντισταθμίζουν αυτά τα προβλήματα συχνά περιλαμβάνουν μεταξύ των ημίσεων των συνδέσμων κρίκους ελαστικούς που μπορούν να παραλάβουν καταπονήσεις κάμψης ή στρέψης. Οι κρίκοι αυτοί μπορούν να είναι κατασκευασμένοι από ελαστικό, από δέρμα, από συνθετική ύλη καθώς και από ελατήρια διαφόρων τύπων είτε υφασμάτινα, είτε ελαστικά, είτε χαλύβδινα.
Διακοπτόμενες ζεύξεις
Εκτός από τις σταθερές ζεύξεις ατράκτων έχουμε και τις διακοπτόμενες ζεύξεις. Σε αυτούς τους συμπλέκτες η εμπλοκή των δύο συνδεόμενων ατράκτων διακόπτεται στιγμιαία και ενώ ο κινούμενος μηχανισμός παραμένει σε λειτουργία και αποκαθίσταται διαφοροποιημένη μετά από ελάχιστο χρόνο. Η διαφοροποίηση της ζεύξης των συνδεόμενων ατράκτων συνήθως αφορά, είτε στην αλλαγή της σχέσης μετάδοσης σε έναν συγκεκριμένο μηχανισμό, είτε στην διακοπή της μετάδοσης κίνησης σε ένα μηχανισμό και στην ενεργοποίηση της μετάδοσης κίνησης σε έναν άλλο μηχανισμό.
Οι διακοπτόμενες ζεύξεις χωρίζονται σε δύο μεγάλες κατηγορίες. Στην πρώτη κατηγορία ανήκουν οι ζεύξεις στις οποίες η απεμπλοκή και επανεμπλοκή των κινητηρίων ατράκτων επιτυγχάνεται χειροκίνητα. Στη δεύτερη κατηγορία υπάγονται οι συμπλέξεις ατράκτων, οι οποίες διακόπτονται και επανενεργοποιούνται όχι με τη μυική δύναμη ενός χειριστή αλλά με δυνάμεις που αναπτύσσονται μέσω υδροπνευματικών ή ηλεκτρομαγνητικών διατάξεων. Η δεύτερη κατηγορία συμπλεκτών επιτρέπει την απεμπλοκή και επανεμπλοκή των κινητηρίων ατράκτων μέσω κατάλληλου σήματος είτε αυτό είναι ηλεκτρικό, είτε πνευματικό είτε ακόμα και υδραυλικό. Για το λόγο αυτό οι αντίστοιχοι συμπλέκτες μπορούν να είναι τηλεχειριζόμενοι.
Χειροκίνητοι συμπλέκτες
Η κλασσική έννοια του συμπλέκτη όπως έχει κατοχυρωθεί στην αντίληψη του μέσου ανθρώπου παραπέμπει στις διακοπτόμενες ζεύξεις ατράκτων και μάλιστα στις χειροκίνητες. Στις περιπτώσεις αυτές με το χειρισμό ενός μοχλού επιτυγχάνεται η σύνδεση ή αποσύνδεση ατράκτων ή μηχανισμών που εδράζονται πάνω σε ατράκτους, όπως γρανάζια, τροχαλίες ιμάντων κ.λ.π. Οι χειρισμοί αυτοί είναι απαραίτητοι σε διάφορες εφαρμογές. Μια από αυτές αφορά στην αλλαγή του αριθμού στροφών σε μηχανισμούς μετάδοσης κίνησης που βρίσκονται ήδη σε λειτουργία.
Για να επιτευχθεί η αλλαγή αυτή πρέπει να γίνει εν κινήσει του συνολικού μηχανισμού καταρχήν η αποσύνδεση του αρχικού ζεύγους γραναζιών μετάδοσης των στροφών και στη συνέχεια η εμπλοκή ενός διαφορετικού κατάλληλου γραναζιού με το κινητήριο γρανάζι για να επιτύχουμε τις επιθυμητές στροφές του συνολικού μηχανισμού. Αυτός ο τύπος συμπλέκτη παραπέμπει στο γνωστότερο στο ευρύ κοινό συμπλέκτη που δεν είναι άλλος από το συμπλέκτη των αυτοκινήτων.
Μια άλλη αρκετά διαδεδομένη εφαρμογή των χειροκίνητων συμπλεκτών αφορά στην εναλλάξ ενεργοποίηση διαφόρων μηχανισμών (ή ακόμα και συγκροτημάτων) από τον ίδιο κινητήρα. Οι βασικοί τύποι διακοπτόμενων ζεύξεων που χρησιμοποιούνται στους χειροκίνητους συμπλέκτες είναι οι ζεύξεις μέσω σιαγόνων, μέσω οδοντωτών δίσκων και μέσω ενός ή πολλαπλών δίσκων.
Χειροκίνητες ζεύξεις σχήματος
Στις ζεύξεις μέσω σιαγόνων και μέσω γραναζιών η εμπλοκή των ατράκτων επιτυγχάνεται με τη βοήθεια του σχήματος των δύο συμπλεκόμενων μερών. Το σχήμα των δύο πλευρών του συμπλέκτη είναι έτσι σχεδιασμένο, ώστε οι δύο συμπλεκόμενες πλευρές, όταν προσεγγίσουν η μια την άλλη να εφαρμόσει μηχανικά η μια επί της άλλης. Οι συμπλέκτες που συνιστούν διακοπτόμενες ζεύξεις σχήματος επιτυγχάνουν αποσύμπλεξη και επανασύμπλεξη είτε όταν τα συμπλεκόμενα μέρη τους είναι ακίνητα, είτε όταν έχουμε συγχρονισμένη κίνηση των συμπλεκόμενων μερών τους. Οι διακοπτόμενες ζεύξεις μέσω σιαγόνων μοιάζουν με τις αντίστοιχες σταθερές γιατί και στις δύο περιπτώσεις η αμοιβαία εισώθηση των συμπλεκόμενων μερών επιτυγχάνεται λόγω του κατάλληλου σχήματος τους. Ωστόσο στις διακοπτόμενες ζεύξεις μέσω σιαγόνων το ένα συμπλεκόμενο μέρος είναι αξονικά κινούμενο επί της ατράκτου.
Οι διακοπτόμενες ζεύξεις μέσω γραναζιών από την άλλη πλευρά είναι ο τύπος ζεύξεων σχήματος που προσφέρει τις περισσότερες δυνατότητες γιατί μπορεί να αξιοποιήσει διάφορους τύπους γραναζιών. Αν τα γρανάζια του συμπλέκτη είναι τραπεζοειδή τότε η σύμπλεξη των ατράκτων επιτυγχάνεται και για τις δύο κατευθύνσεις περιστροφής, ενώ αν η οδόντωση τους είναι πριονοειδής τότε η σύμπλεξη επιτυγχάνεται για μια κατεύθυνση περιστροφής. Από την άλλη πλευρά η γεωμετρία των γραναζιών του συμπλέκτη μπορεί να είναι τέτοια που είτε να επιτρέπει μέχρι και την πλήρη αμοιβαία εισώθηση των δύο συμπλεκόμενων μερών, είτε να μην επιτρέπει καμία περαιτέρω εισώθηση πέραν της αρχικής εφαρμογής του ενός συμπλεκόμενου μέρους επί του άλλου. Η επιλογή καθενός από τους δύο τελευταίους τύπους συμπλεκτών συσχετίζεται αφενός μεν με το κριτήριο της παραλαβής τάσεων διαστολής κατά τη λειτουργία του συνολικού μηχανισμού (και όχι κατά τη διακοπή της ζεύξης), αφετέρου δε με το κριτήριο των επιτρεπτών ανοχών του συνολικού μηχανισμού κατά τη λειτουργία του.
Χειροκίνητες ζεύξεις τριβής
Οι συμπλέκτες των οποίων τα συμπλεκόμενα μέρη είναι ένας ή πολλαπλοί δίσκοι συνιστούν διακοπτόμενες ζεύξεις που επιτυγχάνονται μέσω των αναπτυσσόμενων δυνάμεων τριβής κατά τη συμπίεση του ενός δίσκου επί του άλλου. Σε αυτές τις διατάξεις σύμπλεξης το ακίνητος συμπλεκόμενο μέρος ενεργοποιείται βαθμιαία κι όχι άμεσα όπως συμβαίνει με τις συμπλέξεις σχήματος από το κινούμενο συμπλεκόμενο μέρος καθώς αυτό συμπιέζεται επ’ αυτού. Αυτό οφείλεται στο ότι η μέγιστη δύναμη τριβής (η οποία θα υποχρεώσει τον παραλαμβάνοντα την κινητήρια περιστροφή δίσκο να μετακινηθεί), αναπτύσσεται μόνο όταν η γωνιακή ταχύτητα του κινητήριου μέρους λάβει την οριστική και μέγιστη τιμή της. Ωστόσο αυτός ο τύπος συμπλέκτη επιτρέπει την απεμπλοκή και επανεμπλοκή εν κινήσει του συνολικού μηχανισμού χωρίς κανένα περιορισμό.
Είναι φανερό ότι ο σχεδιασμός αυτού του τύπου συμπλεκτών είναι πιο σύνθετος γιατί η μετάδοση της κίνησης μεταξύ των συμπλεκόμενων μερών δεν εφαρμόζεται άμεσα, αλλά εξαρτάται από μια σειρά παραμέτρων όπως o συντελεστής τριβής ολίσθησης των δύο δίσκων σαν συνάρτηση της πίεσης που τους συμπιέζει μεταξύ τους (δηλαδή σαν συνάρτηση της δύναμης συμπίεσης αλλά και της επιφάνειας επαφής τους), αλλά και η ταχύτητα συμπίεσης σαν μέτρο για την ικανότητα φόρτισης του δίσκου που παραλαμβάνει την κινητήρια περιστροφή.
Στις διατάξεις χειροκίνητων ζεύξεων κατά περίπτωση, είτε χρησιμοποιούνται πολλαπλά και διαφόρων μηχανικών ιδιοτήτων ελάσματα, είτε ζεύξεις τροχαλιών με δύο επιφάνειες τριβής. Καθοριστικό ρόλο σε πολλές εφαρμογές τέτοιου τύπου συμπλεκτών παίζουν οι οπλισμοί τριβής, οι οποίοι μπορεί να κατασκευάζονται είτε από πεπιεσμένο βαμβακερό ύφασμα, είτε από αμίαντο και να περιλαμβάνουν κατά περίπτωση τεχνητές ή συμπιεστές συνθετικές ρητίνες.
Μη χειροκίνητοι συμπλέκτες
Σε αυτή την κατηγορία των διακοπτόμενων ζεύξεων υπάγονται τρεις τύποι συμπλεκτών στους οποίους η δύναμη διακοπής κι επαναφοράς της ζεύξης δεν προέρχεται από ανθρώπινο χέρι, αλλά από ένα σύστημα που λειτουργεί είτε με τη βοήθεια ενός ηλεκτρομαγνητικού πεδίου, είτε με τη βοήθεια υδραυλικής πίεσης σε μια διάταξη σωλήνωσης γεμάτη με λάδι, είτε με τη βοήθεια πεπιεσμένου αέρα σε μια πνευματική διάταξη. Οι παραπάνω διατάξεις έχουν τη δυνατότητα να παρέχουν μεγάλη γκάμα δυνάμεων και πιέσεων και για το λόγο αυτό στην πλειοψηφία των εφαρμογών τους επιβάλλουν τη διακοπή και επανενεργοποίηση της σύμπλεξης σε ζεύξεις τριβής. Ωστόσο όπως καταδείχτηκε παραπάνω οι ζεύξεις τριβής απαιτούν ιδιαίτερο σχεδιασμό και διάφορους υπολογισμούς.
Καθώς η δύναμη αποσύμπλεξης δεν ασκείται από άνθρωπο οι ηλεκτρομαγνητικές και υδροπνευματικές διατάξεις πρέπει να έχουν σχεδιαστεί κατάλληλα, ώστε να επιτυγχάνουν την ανάπτυξη των αναγκαίων για τη διακοπτόμενη ζεύξη δυνάμεων και ροπών, αλλά και την παροχή της αναγκαίας ισχύος τριβής. Εδώ πρέπει να σημειωθεί ότι η στρεπτική ροπή ζεύξης είναι η ροπή της τριβής ολίσθησης μεταξύ των συμπλεκόμενων μερών κι επομένως συνδέεται άμεσα με τη δύναμη που θα αναπτύξει στο σημείο της ζεύξης η υδροπνευματική ή ηλεκτρομαγνητική διάταξη ζεύξης.
Η δε ισχύς τριβής, η οποία αφενός μεν είναι ανάλογη με μεγέθη όπως η γωνιακή ταχύτητα και η (ελαττωθείσα) ροπή αδράνειας των μετατοπιζόμενων μερών, αφετέρου δε συναρτάται και με τη στρεπτική ροπή ζεύξης, συνδέεται κι αυτή έμμεσα με την παρεχόμενη από την υδροπνευματική ή ηλεκτρομαγνητική διάταξη ισχύ. Από τα παραπάνω προκύπτει ότι η μελέτη της δυναμικής του συστήματος σύμπλεξης είναι απόλυτα απαραίτητη για τον επαρκή σχεδιασμό των μη χειροκίνητων υδροπνευματικών ή ηλεκτρομαγνητικών συμπλεκτών.
Ηλεκτρομαγνητικοί συμπλέκτες
Στους συμπλέκτες αυτούς ο μαγνήτης είναι το ένα συμπλεκόμενο μέρος και ο οπλισμός το άλλο. Ο οπλισμός συνιστά και το φορέα άσκησης της δύναμης στο δίσκο τριβής. Ένας αρκετά διαδεδομένος τύπος συμπλεκτών χρησιμοποιεί περιστροφικούς δακτύλιους πάνω στο μαγνήτη για να αναπτυχθεί στο πηνίο συνεχές ρεύμα. Η απεμπλοκή του συμπλέκτη επιτυγχάνεται όταν με τη διακοπή της τροφοδοσίας του πηνίου με συνεχές ρεύμα κατάλληλη διάταξη ελατηρίου επαναφέρει τον οπλισμό στην αρχική του θέση.
Ένας ειδικός τύπος του ηλεκτρομαγνητικού συμπλέκτη με περιστρεφόμενους δακτυλίους επιτυγχάνει ηλεκτρομαγνητική ζεύξη με τη βοήθεια μιας δέσμης ελασμάτων. Η δέσμη των ελασμάτων βρίσκεται ανάμεσα στο μαγνήτη και στον οπλισμό και έτσι υποχρεώνει τη μαγνητική ροή που αναπτύσσεται να διαρρεύσει μέσα από τη δέσμη αυτή. Αυτός ο ειδικός τύπος ηλεκτρομαγνητικού συμπλέκτη είναι μεν μικρότερος γιατί εξοικονομεί χώρο, αλλά σχετικά μεγάλες ροπές άνευ φορτίου. Δεν έχει ευρεία εφαρμογή, προτιμάται ωστόσο σε μηχανισμούς κίνησης εργαλειομηχανών, στους οποίους επιταχύνονται μικρές μάζες και οι οποίοι έχουν μικρούς χρόνους νεκρής λειτουργίας.
Τέλος ένας ενδιαφέρων τύπος ηλεκτρομαγνητικών συμπλεκτών είναι αυτός που επιτυγχάνει αντιστροφή της διεύθυνσης περιστροφής της ατράκτου. Αποτελείται από δύο μαγνήτες που περιστρέφονται διαρκώς σε αντίθετη κατεύθυνση, οι οποίοι ενεργοποιούνται είτε από γρανάζια, είτε από τροχαλίες και φέρουν εξωτερικά δίσκους τριβής. Οι δύο μαγνήτες έλκονται προς τον ίδιο οπλισμό και συμπιέζοντας το δίσκο τριβής μεταφέρουν στο συμπλεκόμενο μέρος μια περιστροφή της ίδιας φοράς με αυτήν που έχει ο κάθε μαγνήτης. Έτσι λοιπόν κάθε μαγνήτης επιτυγχάνει ζεύξη διαφορετικής φοράς Μια κλασσική εφαρμογή αυτού του τύπου συμπλέκτη είναι η αντιστροφή της κίνησης του τραπεζιού της πλάνης.
Υδραυλικοί συμπλέκτες
Αυτοί περιλαμβάνουν προφανώς όσα προβλέπονται σε μια διάταξη πεπιεσμένου λαδιού, δηλαδή υδραυλικό κύλινδρο με αντίστοιχο έμβολο , αντλία λαδιού, σωλήνα μεταφοράς του λαδιού και ρυθμιζόμενη βαλβίδα του θαλάμου του κυλίνδρου. Και σ’ αυτόν τον τύπο συμπλέκτη υπάρχει μια δέσμη ελασμάτων, η οποία συμπιέζεται από το έμβολο Όταν αντιστραφεί η ρύθμιση της βαλβίδας αδειάζει ο κύλινδρος και έτσι πέφτει η υδραυλική πίεση με συνέπεια τα ελατήρια επιστροφής να τείνουν να επαναφέρουν το έμβολο στην αρχική του θέση.
Ωστόσο μέσα στον κύλινδρο εξακολουθεί να υπάρχει το λάδι που περίσσεψε (το οποίο είναι ασυμπίεστο) και το οποίο ασκεί δια των φυγόκεντρων δυνάμεων αξονική δύναμη επί του εμβόλου. Μόλις αυτή ξεπεράσει την τάση των ελατηρίων τότε ο συμπλέκτης επιτυγχάνει ζεύξη του αφ’ εαυτού του.
