Sprzęgła elastomerowe: jak działają, typy i przewodnik po wyborze

Co to jest łącznik elastomerowy

Ściśnij blok poliuretanu pomiędzy dwiema stalowymi szczękami, przykręć go do pary wałów i otrzymasz działający rdzeń elastomerowego sprzęgła. Konstrukcja wydaje się niemal zbyt prosta do zastosowań przemysłowych, a jednak sprzęgła te rutynowo przenoszą setki niutonometrów momentu obrotowego na pompy, wentylatory i napędy przenośników przez całą dobę.

Sprzęgło elastomerowe łączy dwa obrotowe wały za pomocą metalowych piast na każdym końcu i niemetalowego elastycznego elementu – zwykle gumowego lub poliuretanowego – umieszczonego pomiędzy nimi. Elastomer spełnia trzy zadania jednocześnie: przenosi moment obrotowy z wału napędowego na wał napędzany, ugina się, aby absorbować niewielkie niewspółosiowość wału, oraz amortyzuje układ napędowy przed wibracjami i obciążeniami udarowymi. Dzięki tej kombinacji konstrukcje elastomerowe dominują w połączeniach silnika ogólnego przeznaczenia z pompą i silnika z wentylatorem ogólnego zastosowania, gdzie idealne współosiowość wałów rzadko jest praktyczne, a odrobina wbudowanego wybaczania pozwala zaoszczędzić łożyska.

Jak sprzęgła elastomerowe przenoszą moment obrotowy

W tych sprzęgłach moment obrotowy nie przechodzi przez kontakt metal-metal — przechodzi przez elastomer, a to powoduje, że tę kategorię można podzielić na dwie rodziny.

Projekty obciążone kompresją podobnie jak w przypadku sprzęgieł szczękowych i krzyżakowych, wciśnij elastyczny element pomiędzy zazębiające się występy na każdej piaście. Gdy piasta napędowa się obraca, jej występy naciskają na występy pająka, które z kolei naciskają na występy napędzanej piasty. Element nigdy nie jest rozciągany ani ścinany, a jedynie ściskany, co rozkłada naprężenia na większą powierzchnię i wydłuża żywotność.

Projekty obciążone ścinaniem takie jak złącza sworzniowo-tulejowe lub sprzęgła typu opona, poddają elastomer ruchowi skręcającemu lub zginającemu, a nie czystemu ściskaniu. Ta geometria często pozwala na większą ścieżkę ugięcia i większą zdolność do niewspółosiowości, kosztem nieco niższej szczytowej gęstości momentu obrotowego w porównaniu z typami kompresyjnymi.

Większość sprzęgieł elastomerowych ma również wbudowany margines bezpieczeństwa: w przypadku zużycia lub uszkodzenia elementu elastycznego, w wielu konstrukcjach metalowa piasta tworzy krótki kontakt mechaniczny, umożliwiając przepływ momentu obrotowego przy zmniejszonej wydajności wystarczająco długo, aby możliwe było kontrolowane wyłączenie, a nie nagła utrata napędu.

Typowe typy połączeń elastomerowych

Nie każde złącze elastomerowe wygląda tak samo, a różnice mają znaczenie przy wyborze. Trzy konstrukcje pokrywają większość zastosowań przemysłowych.

• Złącza szczękowe i krzyżakowe użyj dwóch piast z zazębiającymi się szczękami i elastomerowym krzyżakiem w kształcie gwiazdy pomiędzy nimi. Są kompaktowe, łatwe w serwisowaniu — łącznik krzyżowy można wymieniać bez poruszania którymkolwiek z wałów — i wybaczają umiarkowaną niewspółosiowość kątową i równoległą.
• Sprzęgła oponowe zastąp pająka pełną gumową „oponą” owiniętą wokół obu piast. Większa elastyczność zapewnia najszerszy zakres niewspółosiowości spośród całej rodziny elastomerów, a także silną izolację elektryczną pomiędzy wałami, co ma znaczenie tam, gdzie prądy błądzące zagrażają łożyskom.
• Elastyczne złącza sworzniowe (sworzeń i tuleja). przełożyć metalowe kołki w tulejach gumowych przez otwory w dwóch kołnierzach łączących. Stalowe sworznie przenoszą więcej bezpośredniego obciążenia niż w przypadku konstrukcji z czystego elastomeru, co zwiększa przenoszenie momentu obrotowego przy jednoczesnym zachowaniu nienaruszonej amortyzacji.

Dobór materiału i twardości elastomeru

Blok gumowy lub poliuretanowy wykonuje więcej pracy inżynieryjnej, niż sugeruje jego prosty kształt, a wybrany gatunek materiału wpływa na zachowanie sprzęgu pod obciążeniem.

Kauczuk naturalny zapewnia silne tłumienie drgań i dobrze radzi sobie w niskich temperaturach, ale ma ograniczoną odporność na oleje i podwyższone temperatury. Poliuretan zastępuje niewielkie tłumienie wyższym momentem obrotowym, lepszą odpornością na zużycie i znacznie lepszą odpornością na olej, dlatego dominuje w ogólnych zastosowaniach przemysłowych. Specjalne elastomery, takie jak Hytrel, wypełniają lukę, zachowując swoje właściwości w szerszym zakresie temperatur w wymagających środowiskach.

W przypadku dowolnego materiału twardość jest zmienną regulującą wydajność. Miękkie mieszanki łatwiej się wyginają i lepiej tłumią wibracje, ale przekazują mniejszy moment obrotowy przed nadmiernym odkształceniem; twardsze mieszanki przenoszą większy moment obrotowy i trzymają mocniej pod obciążeniem, kosztem pewnej amortyzacji. Producenci oceniają tę właściwość za pomocą twardościomierza, najczęściej w skali Shore'a A, badanej wg Norma ASTM dotycząca twardości wgnieceń gumy . Bardziej miękki element w zakresie 80–85 Shore A nadaje się do zastosowań, w których amortyzacja ma największe znaczenie, natomiast twardszy element w pobliżu 95–98 Shore A pasuje do napędów, które wymagają większej gęstości momentu obrotowego przy mniejszej elastyczności.

Kompensacja niewspółosiowości i tłumienie drgań

Wały w prawdziwym świecie nigdy nie są idealnie wyrównane, a sprzęgła elastomerowe istnieją głównie po to, aby uczynić tę niedoskonałość nieszkodliwą.

• Niewspółosiowość kątowa występuje, gdy dwie linie środkowe wałów przecinają się pod kątem, a nie biegną równolegle. Elastomer wygina się nierównomiernie na swoim obwodzie, pochłaniając to obciążenie bez przenoszenia obciążenia zginającego na łożyska.
• Niewspółosiowość równoległa dzieje się, gdy osie wału pozostają równoległe, ale są przesunięte na boki. Elastyczny element lekko się ścina, aby wypełnić szczelinę.
• Ruch osiowy (pływający). wynika z rozszerzalności cieplnej lub zmian luzów łożyskowych. Większość konstrukcji elastomerowych pozwala na pewien poślizg osiowy bez przenoszenia obciążeń wzdłużnych z powrotem przez układ napędowy.

Skuteczność tłumienia wynika z tej samej elastyczności. W miarę wahań momentu obrotowego — od skoków rozruchu silnika, nierównomiernego obciążenia przenośnika lub cyklicznego obciążenia pompy tłokowej — elastomer rozciąga się i rozluźnia nieznacznie, zamiast przechodzić bezpośrednio przez każdy szczyt. Wygładza to drgania skrętne, zanim dotrą one do łożysk i przekładni, co jest głównym powodem, dla którego sprzęgła elastomerowe często wytrzymują połączenia sztywne w zastosowaniach ze zmiennym obciążeniem.

Wybór odpowiedniego łącznika elastomerowego

Wybranie niewłaściwego typu sprzęgła jest częstszą przyczyną awarii niż wybranie takiego, które jest po prostu zbyt małe. Krótka sekwencja decyzyjna pozwala na dokonanie wyboru na podstawie rzeczywistych warunków pracy.

1. Oblicz szczytowy moment obrotowy włączając rozruch rozruchowy i wszelkie obciążenia udarowe, oraz zastosować współczynnik serwisowy (zwykle 1,25–2,5) odpowiedni dla napędzanego sprzętu.
2. Oceń możliwe do osiągnięcia wyrównanie. Jeśli ustawienie instalacji będzie przybliżone lub będzie się zmieniać w czasie, należy wybrać konstrukcję o dużej możliwości wystąpienia niewspółosiowości, taką jak sprzęgło oponowe, zamiast szczęk o mniejszej tolerancji.
3. Zważ narażenie na wibracje i wstrząsy. Sprężarki tłokowe, kruszarki i napędy przenośników typu start-stop korzystają z bardziej miękkich gatunków elastomerów, w których priorytetem jest tłumienie.
4. Sprawdź środowisko operacyjne. Ekspozycja na olej faworyzuje poliuretan w stosunku do kauczuku naturalnego; duże wahania temperatury mogą wymagać zastosowania specjalnego związku.
5. Potwierdź dopasowanie otworu, prędkości i rozmiaru względem koperty znamionowej producenta dla rodziny sprzęgieł znajdującej się na krótkiej liście.

W przypadku szerszego zestawienia konstrukcji elastomerowych ze sprzęgłami sztywnymi, zębatymi i membranowymi, jest to kompletny przewodnik po typach sprzęgieł wałów silnika przechodzi przez całe drzewo decyzyjne bardziej szczegółowo.

Znaki konserwacji i awarii

Sprzęgła elastomerowe są w dużej mierze bezobsługowe w porównaniu ze smarowanymi przekładniami lub konstrukcjami kratowymi, ale elastyczny element ulega zużyciu i zasługuje na okresową uwagę. Podczas rutynowej kontroli należy zwrócić uwagę na pęknięcia lub sprawdzenie powierzchni elastomeru, widoczne wydłużenie lub trwałe stwardnienie w ściśniętym łączniku, zauważalny wzrost wibracji lub hałasu w obszarze sprzęgła oraz wszelkie stwardnienia lub odbarwienia sugerujące degradację chemiczną lub cieplną.

W tym miejscu widać zalety konstrukcji elastomerowej: w przypadku większości sprzęgieł szczękowych, oponowych i tulei sworzniowej element elastyczny można wymienić bez zakłócania współosiowości wałów lub ciągnięcia którejkolwiek z podłączonych maszyn, zamieniając poważną naprawę w przypadku innych typów sprzęgieł w rutynową wymianę części. Poznaj pełna gama konstrukcji sprzęgieł elastycznych aby porównać rozmiary otworów, wartości momentu obrotowego i materiały elementów z konkretnymi wymaganiami dotyczącymi napędu.