Sztywność skrętna i tłumienie drgań

Sztywność skrętna i tłumienie drgań - wielkości, które należy uwzględnić dobierając sprzęgło.
Sztywność charakteryzuje odporność danego materiału na odkształcenia sprężyste. Przekazanie momentu obrotowego nie byłoby możliwe bez sztywności skrętnej, jednakże w trakcie przekazywania momentu obrotowego występują zjawiska, których transmisja jest niewskazana. Mowa tutaj głównie o chwilowych wzrostach momentu obrotowego i obciążeniach udarowych. Aby zminimalizować wpływ niekorzystnych zjawisk dynamicznych na dany układ, należy je wytłumić. Zadaniem konstruktorów sprzęgieł elastycznych jest znalezienie kompromisu pomiędzy niezawodnym przekazaniem momentu obrotowego i zniwelowaniem wpływu niekorzystnych zjawisk na zesprzęglony układ.

Sztywność charakteryzuje odporność danego materiału na odkształcenia sprężyste. Przekazanie momentu obrotowego nie byłoby możliwe bez sztywności skrętnej, jednakże w trakcie przekazywania momentu obrotowego występują zjawiska, których transmisja jest niewskazana. Mowa tutaj głównie o chwilowych wzrostach momentu obrotowego i obciążeniach udarowych. Aby zminimalizować wpływ niekorzystnych zjawisk dynamicznych na dany układ, należy je wytłumić. Zadaniem konstruktorów sprzęgieł elastycznych jest znalezienie kompromisu pomiędzy niezawodnym przekazaniem momentu obrotowego i zniwelowaniem wpływu niekorzystnych zjawisk na zesprzęglony układ.

Bardzo ważnym, lecz często pomijanym zjawiskiem w układach mechanicznych jest oscylacja. Ściśle związanymi pojęciami ze zjawiskiem oscylacji są sztywność i tłumienie. Sztywność jest definiowana jako odporność danego materiału na odkształcenia sprężyste. W zależności od kierunku obciążenia rozróżniamy różne sztywności: na rozciąganie, na ściskanie, na zginanie oraz w przypadku sił obwodowych - sztywność skrętną. Poza kierunkiem obciążenia, sztywność zależy od wykonania materiałowego i geometrii (kształtu) elementu poddanemu obciążeniu.

Obliczanie sztywności w zależności od złożoności elementu i właściwości materiału
Zmieniając sztywność mechanizmu wibrującego zmieniamy częstość drgań własnych (zobacz rys.1)

Dla prostych brył geometrycznych (takich jak pręt) i dla właściwości materiałów o liniowej charakterystyce, sztywność możemy opisać za pomocą prostych zależności. Jednak przy bardziej złożonych elementach z materiałów o nieliniowej charakterystyce (jak np. elastomery), wyznaczenie sztywności wymaga dużo bardziej skomplikowanych obliczeń, często wymaga użycia symulacji metodą elementów skończonych.

Tłumienie drgań zależy jedynie od materiału
W przeciwieństwie do sztywności, tłumienie drgań jest jednym z parametrów i generalnie nie zależy od kształtu danego elementu. Tłumienie drgań opisuje zdolność rozpraszania energii przez mechanizm wibrujący (najczęściej przekształconą w ciepło), powodującą wygaszanie amplitudy wibracji w czasie. (zobacz rys.2)

Tłumienie drgań w napędach o charakterystyce niejednostajnej
W przeciwieństwie do napędów z jednostajną charakterystyką momentu obrotowego (np. silniki elektryczne), mechanizmy z napędem spalinowym (np. silnik tłokowy) poddane są działaniu obciążeniom niejednostajnym z okresowym wzbudzeniem oraz dynamicznym nakładaniem amplitud drgań, powstałych w trakcie procesu spalania/zapłonu. Powstałe w powyższy sposób niedokładności opisane są jako drgania skrętne. Dla przykładu w silniku wysokoprężnym obroty wału korbowego nie są jednostajne, wynika to z charakteru pracy, gdzie poszczególne cykle różnych tłoków nakładają się na siebie przy jednoczesnym, często nieregularnym, wzbudzaniu każdego z nich poprzez zapłon.
Gdy częstotliwość wzbudzeń mechanizmu pokrywa się z jego częstością drgań własnych wówczas następuje gwałtowny wzrost amplitudy drgań. Zjawisko takie nazywamy rezonansem a częstotliwość przy jakiej występuje ? częstotliwością rezonansową.
Dlatego też w przypadku napędów o charakterystyce niejednostajnej ważny jest taki dobór sprzęgła, aby jego parametry były kompromisem pomiędzy zdolnością niezawodnego przekazania momentu obrotowego a tłumieniem drgań skrętnych i obciążeń udarowych. Źle dobrane sprzęgło może doprowadzić do przekroczenia dopuszczalnych dynamicznych parametrów sprzęgła i spowodować awarię bądź przedwczesne zużycie komponentów układu.
Dobrze dobrane i optymalnie zestrojone sprzęgło zapewnia uniknięcie zjawiska rezonansu w zakresie roboczym, tłumienie drgań i nagłych wzrostów momentu obrotowego jak również kompensację przemieszczeń. Sprzęgło, które uwzględnia wszystkie powyższe aspekty zapewnia długotrwałą i bezawaryjną pracę układu.