Axlar och rotorer, axelkopplingar

Föreläsning 6

Vad är en axel och vad består den av?

En axel är en rund metallstång som snurrar och som används för att flytta kraft från en del av maskinen till en annan. På axeln sitter flera delar:

lager, som gör att axeln kan snurra lätt utan att ta skada, och till exempel ett kugghjul eller en remskiva, som tar kraften vidare till nästa maskindel. För att kugghjulet inte ska snurra löst sitter det fast med en kil eller liknande, och för att delarna inte ska glida i sidled används låsringar eller muttrar.

Vad är flexibel koppling och hur funkar den?

En flexibel koppling är en liten del som sitter mellan två snurrande axlar, till exempel mellan en motor och en pump, och den fungerar som en mjuk mellanbit.

När motorn snurrar skickar kopplingen snurrandet vidare till pumpen, men samtidigt kan den böja sig lite. Det är viktigt eftersom axlar i verkligheten nästan aldrig sitter helt rakt i linje, de kan vara lite sneda, lite förskjutna eller vibrera. Om man då skulle koppla dem helt stumt, skulle axlar och lager skadas. Den flexibla kopplingen löser detta genom att ha ett mjukt eller fjädrande material (t.ex. gummi) som tar upp små fel och vibrationer, men ändå låter kraften gå igenom.

Vad är en polhemsknut (kardankoppling) och hur funkar den?

En polhemsknut (kardankoppling) är en speciell typ av flexibel koppling som används när två axlar inte ligger rakt i linje, utan har en vinkel mellan sig, till exempel i drivaxlar. Den gör att rotation kan överföras även när axlarna är vinklade. Problemet är att en enda polhemsknut gör att rotationen inte blir jämn, utan axeln snurrar lite snabbare och långsammare hela tiden.

För att lösa detta använder man två polhemsknutar i rad, placerade rätt, så att felet från den första knuten tas bort av den andra. Då blir slutresultatet att den sista axeln snurrar jämnt, trots att axlarna är vinklade.

Vad är skillnaden mellan flexibel koppling och kardankoppling?

Det viktigaste skillnaden är hur stora fel i uppriktning de klarar.

En flexibel koppling är gjord för små fel, till exempel om axlarna är lite sneda, lite förskjutna eller vibrerar lite. Den fungerar som en mjuk mellanbit (ofta gummi eller fjäderliknande material) som dämpar vibrationer och skyddar lager, men den klarar inte stora vinklar.

En kardankoppling (polhemsknut) däremot används när axlarna har tydlig vinkel mellan sig, ibland ganska stor. Den kan överföra rotation även när axlarna inte alls ligger i linje, men en nackdel är att en ensam kardankoppling ger ojämn hastighet, därför används den oftast i par för att få jämn rotation.

Sammanfattning:

• Flexibel koppling → små snedheter, mjuk, skyddar maskinen

• Kardankoppling → stora vinklar mellan axlar

Varför är skarpa hörn och spår i en axel farliga?

Skarpa hörn och spår gör att spänningar samlas på ett litet område i axeln, vilket ökar risken för sprickor och brott. Mjuka rundningar minskar spänningskoncentrationen och gör axeln starkare.

Vad är kritiskt varvtal och vilken formel har den?

Formeln används för att uppskatta kritiskt varvtal för en enkel axel.

• Alla axlar kan svänga (vibrera).

• Vid ett visst varvtal börjar axeln svänga väldigt mycket.

• Det varvtalet kallas kritiskt varvtal.

• Där är axeln farlig att köra.

• Man ska inte köra maskinen där.

Vad står det olika symbolerna i formeln för?

• n_krit = Kritiskt varvtal, alltså det varvtal där axeln börjar svänga farligt mycket.

  • Enhet: Varv per minut (rpm).

• f = Nedböjning.

• Alltså hur mycket axeln böjer sig av lasten (tex en skiva på axeln).

  • Enhet: cm.

Viktigt tummregel:

• Stor nedböjning f → lågt kritiskt varvtal.

• Liten nedböjning f → högt kritiskt varvtal.

Exempel fråga:

Ett svänghjul med vikten 300kg är monterad på mitten på en axel med diameter 40 mm. Det är 300 mm mellan lagringspunkterna. Vad är det kritiska varvtalet om vi räknar med att lagringspunkterna kan anses motsvara löst inspända axeländar?

Exempel fråga:

a) Ett svänghjul som består av en plan stålskiva monterad på en axel roterar med 1450 rpm. Vid denna rotationshastighet finns en rörelseenergi på 500 kJ ”lagrad” i
svänghjulet. Skivan har tjockleken 50 mm. Drivaxelns bidrag till masströghetsmomentet kan försummas. Rotationen ska nu bromsas till stillastående med ett konstant bromsande vridmoment. Inbromsningen ska ske under 5 sekunder.

Fråga: Hur stortbehöver det bromsande momentet vara?

b) Svänghjulet enligt (a) är monterad mitt på en axel med längden 400mm som är lagrad i bägge ändar med spårkullager. Axeln har diametern 30 mm. Finns det någon risk att axeln besväras av kritiskt varvtal under drift eller start/inbromsning? Gör eventuella antaganden som behövs och motivera ditt svar med beräkningar.