كلاچ ها داراي انواع مختلفى هستند كه تاكنون تعدادى از آن ها را مورد بررسى قرار داده ايم. اين شماره به كلاچ هاى الكترومغناطيسى اختصاص دارد كه داراي ساختماني متفاوت با ديگر كلاچ ها هستند. در ادامه به توضيح پيرامون اين نوع خاص از كلاچ ها خواهيم پرداخت.اميدواريم كه بتوانيم با ارايه اين صفحه گامي هرچند كوتاه در مسير آموزش فني برداريم.
اين كلاچ ها به شكل هاى تك صفحه اى و استوانه هاى تو در تو ساخته مي شوند كه برحسب نياز و نوع طرح يكى از استوانه ها محرك و ديگرى متحرك است. عامل اصلى عمل قطع و وصل حركت ، انرژى حاصل از الكترومغناطيسى است. اين كلاچ ها سريع قطع و وصل مى شوند و از نظر ابعادى نسبتا كوچك هستند. اگرچه گران قيمت هستند ولى در سيستم هاى كنترل اتوماتيك ، ماشين هاى افزار و مخصوصا در دستگاه هاى CNC و NC مصرف زيادى دارند. در اين كلاچ ها براى فشاردادن صفحات به يكديگر در مدل تك صفحه اى و اتصال دو استوانه در مدل استوانه هاى تو در تو از نيروى الكترومغناطيس استفاده مى شود. اين مكانيزم كلاچ دائما به جريان برق احتياج دارد. همچنين به دليل جريان برق مداوم احتياج به يك سيستم خنك كننده نيز است. كلاچ هاي الكترومغناطيسي، مكانيزمي است براي اتصال دو محور با درگيري غير دائم به يكديگر و انتقال حركت دوراني كه با استفاده از عملگرهاي الكترومغناطيس درگير وآزاد مي شوند.
كلاچ الكترومغناطيسي ،مناسب ترين روش براي كنترل ارتباط مكانيكي از راه دور است چون بدون احتياج به درگيري اوليه مي توان عملكرد آن را از راه دور كنترل كرد.دراين طرح از كلاچ ها احتمال ايجاد دماي بالا درمحل درگيري افزايش مي يابد. درنتيجه ماكزيمم دماي كاري كلاچ به وسيله نرخ دماي پوشش محافظ الكترومگنت محدود مي شود كه اين نيز يك محدوديت بزرگ در به كار گيري اين كلاچ ها بوده و مي تواند عامل بازدارنده اي دربه كارگيري آن ها باشد. اشكال دوم وارد بر اين كلاچ ها هزينه بالاي طراحي آن هاست.
كلاچ هاي الكترومغناطيسي به صورت الكتريكي عمل كرده اما به صورت مكانيكي گشتاور را منتقل مي كنند.
اين روشي است كه سابقا طراحان به ترمزها و كلاچ هاي الكترومغناطيسي واگذار مي كردند.
قريب به 60 سال از زمانى كه اين كلاچ ها به صورت عمده مورد استفاده قرار گرفت مى گذرد. انواع مختلفي از تجهيزات و كلاچ ها به صورت روز افزون طراحى و ساخته شده اند ولى هنوز سيستم آن به صورت اوليه باقى مانده است.
ساختمان كلاچ
تصور كنيد كه پوسته سيم پيچ همانند يك آهن رباى نعلى شكل است كه داراى قطب Sو N است .اگر تكه اى فلز آهني به دو سر آن وصل باشد، يك مدار مغناطيسى توليد مى شود .در كلاچ وقتى جريان برقرار مى شود ميدان مغناطيسى در سيم پيچ به وجود مى آيد .اين ميدان مغناطيسى بر شكاف هوايى كه بين عضو متحرك و محرك كلاچ وجود دارد غلبه مى كند. اين جاذبه مغناطيسى شفت آرميچر را به نقطه تماس آن با صفحه روتور مى رساند. تماس اصطكاكى كه توسط نيروى ميدان مغناطيسى كنترل مى شود دليل حركت يا توقف عضو متحرك است. تقريبا تمام گشتاور حاصل از نيروى مغناطيسي متناسب است با ضريب حساسيت بين فولاد آرميچر و فولاد روتور. دربسيارى از كلاچ هاى صنعتى در بين قطب ها ازموادى خاص استفاده مى شود.اين مواد اساسا براى كمك به كاهش ميزان سايش استفاده شده. همچنين مي توان مواد مختلف ديگرى نيز براى تغيير گشتاور در كاربردهاى خاص مورد استفاده قرار داد؛ به عنوان مثال اگر كلاچ زمان زيادى را براى رسيدن به سرعت ماكزيمم لازم داشته باشد مى توان از موادي با ضريب اصطكاك پايين استفاده كرد.
در واقع بايد درون كلاچ خطوط شار مغناطيسى داخل روتور بوده و در حين حركت آرميچر را جذب و فشرده سازد. در بيشتر تجهيزات صنعتى براى درگيري كامل ازكلاچ هايي با دوميدان مغناطيسي استفاده مى كنند كه single- flux-twe pole-clutch ناميده مى شود. كلاچ هاى مغناطيسى مخصوص مى توانند از روتورهايى با دو يا سه جزء توليد ميدان مغناطيسي استفاده كنند.
به واسطه داشتن قطب هاى بيشتر ميزان گشتاور انتقالي كلاچ نيز افزايش مى يابد.در تئورى، كلاچ مى تواند دو مجموعه آهن ربا در يك قطر داشته باشد ولي درعمل اين امر ممكن نيست .بنابراين نقاط تماس بايد در قطرهاى كوچك باشند . پل ارتباطي بين شارهاى سرگردان سبب تلف شدن فلوي مغناطيسى موجود مي شود ولى با استفاده از طرح هاي بهينه حدود 30 تا 50 درصد براى فلوى دوگانه و 40 تا 90 درصد براى سه گانه افزايش شار مغناطيسي ايجاد مى شود.اين نكته مى تواند در كاربردهايى كه اندازه و وزن فاكتور مهمى هستند قابل توجه باشد، چون مهندس single flux طراح مى تواند از كلاچ كوچك تر به جاى استفاده كند.
ساختمان و ساختار سيم پيچ براى كلاچ ها خيلى شبيه هم هستند.سيم پيچ از فولاد پركربن كه داراى خواص مغناطيسى قوى است ساخته مى شود. مس و برخى اوقات آلومينيوم براى توليد سيم پيچي استفاده شده كه با قرقره يا چسب اپوكسي روي پوسته نگه داشته مي شود. مواد اصطكاكي روي قطب هاي داخلي،خارجي و سيم پيچ قرار گرفته است. ساختار اوليه كلاچ ها شبيه هم هستند صرف نظر ازاين كه مواد اصطكاكي بين قطب ها در سيم پيچ وجود ندارد.اين نوع كلاچ در بسيارى تجهيزات متحرك از قبيل خودروها و ادوات كشاورزى استفاده شده اندو فاقد صفحات اصطكاكي هستند كه به علت امكان جايگزيني با كلاچ هاي ديگر و همچنين هزينه بالاى توليد نسبت به ديگر كلاچ ها با كاهش تقاضا روبه رو شده اند. همچنين بيشتر كلاچ هاى متحرك بدون حفاظ روى دستگاه قرار گرفته اند كه ممكن است باعث جذب رطوبت شده و دفرمه شوند.
اصول عملكرد
يك كلاچ از چهار قسمت اصلي تشكيل شده است:
1-سيم پيچ توليد ميدان مغناطيسى
2-روتور
3-آرميچر
4-توپى Electromagnetic clutch (HUB)
وقتى كه جريان برقرار مي شود يك فلوي مغناطيسي ساكن ايجاد شده و به داخل روتور انتقال مى يابد (روتور به قسمتى وصل شده كه هميشه در حال حركت است)اين فلوآرميچر را جذب كرده و باعث اتصال آن به روتور مى شود.لغزش بين صفحه روتور و آرميچر تا جايى ادامه پيدا مى كندكه سرعت خروجى و ورودى يكسان شود. كل زمان تلف شده براي اين فرايند بين يك تا دو دهم ثانيه است.اين كلاچ ها از يك سطح حساس براى ايجاد ارتباط بين اجزاي داخلى و خارجى استفاده مى كنند. كاربرد اين نوع كلاچ ها در ماشين كپى و نوار نقاله بيشتر از نوع كلاچ هاى الكترو مكانيك هستند.از ديگر كاربردهاى آن مى توان به ماشين هاى بسته بندى، ماشين هاى چاپ، ماشين هاى فراورده هاى غذايى،كمپرسور كولر خودروها و كارخانه هاى داراي خط اتوماتيك اشاره كرد. وقتى نياز است كلاچ عمل كند ولتاژ براى سيم پيچ ارسال شده و باعث ايجاد ميدان الكترو مغناطيس مى شود. خطوط قواي مغناطيسى ايجاد شده به شكاف هوايى كه بين روتور و ميدان وجود دارد انتقال داده مى شود. در اين حالت روتور خاصيت مغناطيسى پيدا كرده آرميچر را مى كشد.آرميچر كشيده شده بر خلاف جهت روتور است و نيروى اصطكاك براى وصل شدن استفاده شده است.در زمان نسبتا كوتاهى بار الكتريكى براى افزايش قدرت جذب و انتقال گشتاور افزايش پيدا كرده، در نتيجه آرميچر و هاب خروجى كلاچ فعال مى شود.
وقتى ارسال ولتاژ متوقف مي شود،اتصال آرميچر و روتور قطع مي گردد. در بيشتر طراحى ها فنرها آرميچر را از سطح روتور جدا مى كنند و وقتى كه نيرو افزايش پيدا مى كند يك شكاف هوايى كوچك به وجود مى آيد.سيكل كاري توسط وارد شدن ولتاژ به داخل سيم پيچ و خارج شدن ازآن كامل مي شود. در اين مكانيزم ها مقدار لغزش صفر بوده و درنتيجه راندمان انتقال گشتاور صددرصد است.
قانون دست راست
هر گاه ذره بارداري در يك ميدان مغناطيسي حركت كند طوري كه خطوط ميدان توسط بار قطع شود بر ذره هاي باردار نيرو وارد مي شود و بارالكتريكي از مسير خود منحرف مي شود به طوري كه راستاي نيرو و راستاي ميدان و راستاي حركت هر سه بر هم عمودند كه براي تعيين جهت نيرو از قاعده دست راست براي بار مثبت به اين صورت انجام مي دهيم، قانون دست راست، اگر چهارانگشت دست راست دو جهت حركت و بسته شدن آن ها در جهت ميدان باشد انگشت شست جهت نيرو را نشان مي دهد. ميدان مغناطيسى كلاچ معمولا متناسب با ولتاژ جاري شده بوده و گشتاور منتقل شده توسط كلاچ نيز به اندازه ولتاژ و شدت جريان به كار رفته است.اگر ولتاژ ارسالي به سيم پيچ كلاچ 90،48 يا 24 ولت باشد، به ترتيب گشتاورهاى متناسب با خود را ايجاد مى كنند. به هر حال اگر 90 ولت اختلاف پتانسيل بين دوسر سيم پيچ كلاچ وجود داشته باشد و كلاچ 50 درصدآن را به كار ببرد گشتاور خروجى آن نصف گشتاور نامي خواهد بود. اين به خاطر رابطه خطى است كه بين گشتاور و ولتاژ الكتريكى وجود دارد. جريان ايده آل براى بيشترين گشتاور جريان مستقيم است. اگر جريان به صورت متناوب باشد ميدان مغناطيسى ضعيف شده و مقاومت سيم پيچ بالا مى رود. به طور كلي دما نيز گشتاور را تحت تاثير قرار مي دهد. به طوري كه به ازاي هر 20 درجه تغيير دمايي حدودا هشت درصد گشتاور تغيير مي كند. اگر دما درمحدوده نرمال باشد مى توان از نوسانات جلوگيرى كرد. مثلا وقتى درجه حرارت كاهش مى يابد با بزرگ تر كردن سايز كلاچ مى توان اين تنزل درجه را جبران كردو اين نكته نيز مهم است كه اين امر از تامين جريان مستقيم ارزان تر است. در حقيقت دو وضعيت براى بررسي در كلاچ الكترو مغناطيسى وجود دارد. اول مدت زماني است كه طول مى كشد نيروى مغناطيسى سيم پيچ به اندازه كافى افزايش يافته تا آرميچر را جذب كند.
براي انجام اين مهم دوعامل موثر است:
1- مقدار جريانى كه در سيم پيچ جريان پيدا كرده تا قدرت ميدان مغناطيسى را توليد كند.2-اختلاف فاصله هوايى است كه بين روتور و آرميچر در يك كلاچ نو و كهنه وجود دارد. در سرعت هاي بالا فلوى مغناطيسى در هوا نقصان پيدا مى كند. براى حل اين نقصان دركاربردهايي با سرعت دوراني بالا، متحرك يا آزاد بودن ارميچر مى تواند راه حل مناسبي باشد. چيزى كه مهم است اين نكته است كه زمان واكنش نسبت به زما نى كه هيج شكاف هوايى وجود ندارد پايين تراست. شكاف هوايى از اين جهت حائز اهميت است كه رابطه خاصى با طراحى آرميچر دارد چون مى توان با تغيير ضخامت فاصله هوايى زمان درگيرى را تغيير داد. در كاربردهاى با سرعت دوراني بالا كه دقت عمل مهم است حتى اختلاف 10 تا 15 ميلى ثانيه در زمان درگيري مى تواند باعث تغييردر نوع ماده به كار رفته در مكانيزم كلاچ باشد. در كاربردهاى معمولى هم اين نكته حائز اهميت است چون هر ماشين جديدى كه زمان عكس العمل دقيقى براى خود دارد در صورتى كه اين زمان دچار اختلال شود نشان دهنده اين نكته است كه دستگاه رفته رفته فرسوده مى شود.
2- عامل ديگر زمان واكنش بيرونى كلاچ بوده كه از سيم پيچ مغناطيسى و يا شكاف هوايى با اهميت تر است. اين خاصيت دراصل عكس العمل لازم كلاچ در زمان توقف و شتاب گيري است.در واقع اين همان چيزى است كه مشترى به آن علاقه مند است.
صيقل كارى
صيقل كارى فضايي را در دستگاه اشغال نمى كند ولي اهميت آن در دستگاه ها بسيار زياد است و در واقع صافي سطحي است كه براى بهتر چسبيدن و جفت شدن سطوح به هم استفاده مى شود. اين مرحله بخشي از فرآيند ساخت كلاچ است كه براى از بين بردن برجستگى هاى اوليه كه در بيشتر سطوح تماس بين دو جزء وجود دارد، انجام مي شود. براي اين كه يك كلاچ بتواند بيشترين گشتاور انتقالي را داشته باشد بايد صيقل كارى شود. اين الزام در تمام كاربردهاى كلاچ لزومي ندارد. به صورت ساده اگر در كاربردهايي گشتاور پايين لازم باشد-گشتاور ابتدايى ترمز و كلاچ- نيازى به صيقل كارى نيست.وقتى آرميچر ، روتور و صفحات ترمزي توليد مي شوند، سطوح آن ها تا حد ممكن صيقل داه مي شوند. به طوري كه وقتى آن ها را زير ميكروسكوپ مشاهده كنيم مشخص مي شود كه سطوح آن ها داراى پستى و بلندى هاى بسيارى است. در يك كلاچ نو كه هنوز مورد استفاده قرار نگرفته مقدار زيادى برجستگى در روى دو سطح وجود دارد كه اين بدين معناست كه سطح تماس مى تواند به صورت قابل ملاحظه اى كاسته شود.
در كلاچ يك ياتاقان تعبيه شده كه در محل اتصال آرميچر به روتور قرار دارد. دو قسمت از كلاچ يا ترمز كه جدا كننده آرميچر از روتور هستند بايد تحت صيقل كارى دقيق قرارگيرند تا دو قطعه بتوانند دقيقا بر روي يكديگر قرار گرفته و بالانس شوند تا كلاچ بتواند بار ديگر بالاترين گشتاور را منتقل كند.
گشتاور
در پاراگراف قبل درباره تاثير صافي سطح بر گشتاورانتقالي توضيح داده شد ولى عوامل ديگرى نيز وجود دارند كه در اين مهم تاثير گذارند. مهم ترين اين عوامل ولتاژ است. قبلا توضيح داده شد كه چرا پايدارى ولتاژ و شدت جريان در انتقال گشتاور كامل كلاچ مهم است.وقتى گشتاور مورد بررسى قرار مى گيرد اين سوال مطرح شده كه آيا استفاده ديناميكى كلاچ بيشتر مورد نظراست يا استاتيكي؟
براى مثال اگر كاركرد ماشين در دورهاي نسبتا rpm50-5 باشد حداقل وابستگى را با گشتاور پايين در ديناميكى دارد و زمانى كه ماشين بادور rpm3000 حركت است گشتاور استاتيكى كلاچ به كمترين حد ممكن خود مى رسد. بيشتر سازنده ها منحنى گشتاور را منتشر مى كنند تا رابطه بين گشتاور ديناميكى و استاتيكى را در كلاچ مشخص كنند. معمولا همه توليد كننده ها ميزان گشتاور استاتيكى را براى كلاچ و ترمزدر اين فهرست قرار مى دهند. بنابراين زمانى كه سعى بر تعيين ميزان واكنش مخصوص كلاچ است نرخ گشتاور ديناميكى نياز است.در بسيارى موارد اين امر كمتر مورد توجه قرار مى گيرد كه مقدار آن مى تواند كمتر از نصف گشتاور استاتيكى باشد.
Backlash (پس زدن)
دربرخي از كاربرد ها نياز است كه لقي بين اجزاي تشكيل دهنده با دقت بالا انتخاب شود و اتصالات جذب كامل باشند. در اين كاربردها حتي يك درجه چرخش نسبي بين اجزاء درهنگام درگيري كلاچ مي تواند مشكل ساز باشد. اين حقيقتي است كه در تعداد زيادي از اتصالات رباتي وجود دارد. در بعضي مواقع مهندسان طراح كلاچ هايي با مقدار "پس زني" صفر طراحي مي كنند اما بازهم امكان بروز يك چرخش نسبي كم بين توپي يا روتور در شفت وجود دارد.
اگرچه دراغلب كاربردها نيازي به پس زني صفر نيست ولي براي رفع اين نقيصه مي توان از آلياژهاي منيزيم دار درساخت سطوح تماس استفاده كرد.تعدادي از اين اتصالات به صورت استاندارد در بين آرميچر و توپي داراي يك نوار باريك به صورت زبانه هستند كه تاثير زيادي درجلوگيري از پس زدن دارد و يا درطرح ديگر توپي به فرم مربعي شكل طراحي مي شود. نوار زبانه شكل بهترين حالت را براي جلوگيري از پس زدن اوليه ايجاد مي كند.
