Typy sprzęgieł silników elektrycznych: kompletny przewodnik po wyborze

Dlaczego dobór sprzęgła ma znaczenie w układach napędzanych silnikiem

Każdy układ napędowy silnika elektrycznego ma co najmniej jedno sprzęgło — mechaniczne złącze pomiędzy wałem wyjściowym silnika a elementem, który obraca się w silniku. Jest to jeden z najbardziej określonych i najczęściej niedocenianych komponentów maszyn przemysłowych. Popraw sprzęgło, a zniknie w tle, niezawodnie przenosząc moment obrotowy przez lata. Jeśli się pomylisz, konsekwencje szybko się pojawią: przedwczesna awaria łożyska, zmęczenie wału, wibracje rozprzestrzeniające się w całej maszynie i nieplanowane przestoje.

Powodem, dla którego wybór sprzęgła jest bardziej złożony, niż się wydaje, jest to, że sprzęgła muszą wykonywać kilka czynności jednocześnie. Przenoszą moment obrotowy. Kompensują nieuniknione niewspółosiowości pomiędzy wałami – kątowymi, równoległymi i osiowymi – które wynikają z tolerancji produkcyjnych, rozszerzalności cieplnej i ugięcia pod obciążeniem. W zależności od typu mogą również tłumić wstrząsy skrętne, chronić urządzenia przed przeciążeniami lub utrzymywać zerowy luz w celu precyzyjnego pozycjonowania. Żaden typ złącza nie spełnia wszystkich tych funkcji równie dobrze, dlatego gama dostępnych konstrukcji jest tak szeroka.

W poniższych sekcjach omówiono główne kategorie sprzęgieł stosowanych w zastosowaniach silników elektrycznych, zasady fizyczne stojące za każdą z nich oraz kryteria wyboru określające, który typ należy do danego układu napędowego.

Sprzęgła elastyczne: siła robocza ogólnego przeznaczenia

Sprzęgła elastyczne są najpowszechniej stosowaną kategorią sprzęgieł w zastosowaniach silników elektrycznych. Ich cechą charakterystyczną jest obecność elastycznego elementu — zwykle elastomeru, sprężyny lub cienkiej metalowej membrany — który pozwala sprzęgowi kompensować niewspółosiowość pomiędzy wałami bez przenoszenia powstałych sił na łożyska i uszczelnienia.

Złącza szczękowe (pająkowe). należą do najpopularniejszych konstrukcji sprzęgieł elastycznych. Dwie metalowe piasty — zwykle ze stopu aluminium lub stali — łączą się między sobą z elastomerowym elementem krzyżakowym. Pająk przenosi moment obrotowy poprzez ściskanie, absorbując obciążenia udarowe oraz niewielkie niewspółosiowość kątową i równoległą. Twardość łącznika jest kluczową zmienną przy wyborze: bardziej miękkie łączniki pochłaniają więcej wstrząsów, ale oferują niższy moment obrotowy i mogą zostać uszkodzone w wyniku długotrwałych przeciążeń; twardsze pająki wytrzymują wyższe momenty obrotowe, ale przenoszą więcej wibracji. Sprzęgła szczękowe są szeroko stosowane w pompach, przenośnikach, wentylatorach i ogólnych napędach przemysłowych.

Sprzęgła opon (opony). użyj ciągłego elementu elastomerowego w kształcie opony pneumatycznej. Wysoka elastyczność elementu opony kompensuje większe odchyłki współosiowości niż w przypadku sprzęgieł kłowych — szczególnie niewspółosiowość kątową — i zapewnia doskonałą izolację drgań. Są bezobsługowe, nie wymagają smarowania i są stosowane w zastosowaniach wymagających niższych prędkości, gdzie głównym wymaganiem jest kompensacja niewspółosiowości. Elastyczne złącza sworzniowe (tulejowe). przekazują moment obrotowy poprzez sworznie wyposażone w tuleje gumowe lub nylonowe, zapewniając umiarkowaną elastyczność i dobrą amortyzację, a dodatkową zaletą jest prosta wymiana elementów bez zakłócania współosiowości wałów.

Rokanga asortyment elastycznych sprzęgieł obejmujący oponę, elastyczny sworzeń i powiązane konstrukcje elastomerowe spełnia wymagania dotyczące uniwersalnych sprzęgieł elastycznych w tym zakresie zastosowań.

Sprzęgła serwo: precyzja w zastosowaniach związanych ze sterowaniem ruchem

Zastosowania w silnikach serwo — obrabiarki CNC, robotyka, sprzęt półprzewodnikowy, precyzyjne stanowiska testowe — nakładają wymagania, którym nie są w stanie sprostać sprzęgła elastyczne ogólnego przeznaczenia. Podstawowym wymaganiem jest zerowy luz: każdy luz kątowy w sprzęgle przekłada się bezpośrednio na błąd pozycjonowania przy obciążeniu. Drugim wymaganiem jest wysoka sztywność skrętna, aby sprzęgło działające jak sprężyna w układzie napędowym nie pogarszało dynamiki pętli sterowania serwem. Jednocześnie sprzęgło musi nadal kompensować niewspółosiowość wałów charakterystyczną dla każdej rzeczywistej instalacji, bez nakładania obciążeń bocznych na łożyska silnika.

Sprzęgła membranowe spełniają te wymagania dzięki cienkiej, elastycznej metalowej tarczy (pojedynczej) lub stosowi tarcz (podwójnych), które przenoszą moment obrotowy przy dużej sztywności skrętnej, a jednocześnie zginają się, aby absorbować niewspółosiowość kątową i osiową. Konstrukcje z pojedynczą membraną niwelują przede wszystkim niewspółosiowość kątową; konstrukcje z podwójną membraną obsługują zarówno przesunięcie kątowe, jak i równoległe. Całkowicie metalowa konstrukcja oznacza brak zużycia, brak smarowania i brak pogorszenia wydajności w czasie – co ma kluczowe znaczenie w zastosowaniach precyzyjnych, gdzie wymagane jest spójne zachowanie przez miliony cykli. Rokanga sprzęgła membranowe silników serwo do zastosowań w systemach CNC i napędach precyzyjnych są dostępne w wykonaniu ze stopu aluminium i stali, w konfiguracjach z pojedynczą i podwójną membraną, z opcjami mocowania piasty za pomocą zacisku i śruby ustalającej.

Sprzęgła serwo szczękowe (pająkowe). w kategorii serwomechanizmów stosuje się sztywniejsze elementy krzyżakowe i węższe tolerancje produkcyjne niż ich odpowiedniki ogólnego przeznaczenia, uzyskując luz niemal zerowy przy lekkich i średnich obciążeniach serwomechanizmu. Sprzęgła Oldhamaa wykorzystują konstrukcję trzyczęściową — dwie piasty i pływającą tarczę środkową — która przesuwa się na wpustach krzyżowych, aby skompensować niewspółosiowość równoległą przy zerowym luzie, co czyni je szczególnie odpowiednimi do zastosowań, w których głównym rodzajem niewspółosiowości jest przesunięcie wału. Sprzęgła belkowe (spiralne). są wykonane z jednego kawałka aluminium lub stali nierdzewnej ze spiralnymi nacięciami, które tworzą integralny, elastyczny element — kompaktowy, pozbawiony luzów i dostosowany do lekkich zastosowań w serwonapędach, enkoderach i oprzyrządowaniu. Sprzęgła mieszkowe zastosować element mieszkowy z blachy falistej, który zapewnia wysoką sztywność skrętną z doskonałą kompensacją niewspółosiowości i zerowym luzem, pokrywając górny zakres wymagań dotyczących wydajności sprzęgła serwa. Rokanga sprzęgła szczękowe i krzyżakowe zaprojektowane dla systemów serwo i automatyki uzupełniają ofertę sprzęgieł serwo, obejmującą typy membranowe, belkowe, oldhamowe i mieszkowe.

Sprzęgła zębate i szybkozłącza membranowe: ciężkie i wysokowydajne

Przy wyższych poziomach momentu obrotowego i rozmiarach wałów – w napędach przemysłowych, walcarkach, dźwigach, sprężarkach, turbinach – wymagania dotyczące sprzęgła zmieniają się z kompensacji niewspółosiowości na maksymalną gęstość momentu obrotowego i niezawodne działanie przy utrzymujących się dużych obciążeniach.

Sprzęgła zębate przekazują moment obrotowy poprzez zazębienie zębów kół zębatych na piastach wewnętrznych i zewnętrznych, a profil zębów koronowych na piaście zewnętrznej umożliwia niewspółosiowość kątową i osiową przy zachowaniu pełnej nośności. Sprzęgło bębnowe (koronowane) to standardowa konstrukcja do zastosowań w przemyśle ciężkim: zapewnia najwyższy stosunek momentu obrotowego do średnicy spośród wszystkich typów sprzęgieł elastycznych i wytrzymuje zarówno przemieszczenia kątowe, jak i osiowe w geometrii siatki zębów. Do zastosowań wymagających dużych obciążeń i wymagających wału pośredniego, sprzęgła zębate ze zintegrowanymi kołami hamulcowymi lub tarczami hamulcowymi łączą w sobie przenoszenie momentu obrotowego i funkcję hamowania w jednym elemencie. Rokanga sprzęgła bębnowe do przemysłowych układów napędowych o dużym obciążeniu obejmują standardowe serie GICL/GIICL, a także warianty kół i tarcz hamulcowych do zastosowań w dźwigach i przenośnikach.

Szybkobieżne sprzęgła membranowe zajmują inną przestrzeń wydajnościową: są sztywne skrętnie, nie mają luzów, są bezobsługowe i mogą pracować z prędkościami przekraczającymi 10 000 obr./min. Sprzęgła te są stosowane w maszynach turbinowych, sprężarkach, generatorach i stanowiskach testowych pracujących przy dużych prędkościach, gdzie wymagania dotyczące smarowania sprzęgieł zębatych są niedopuszczalne i gdzie równowaga dynamiczna przy dużych prędkościach obrotowych jest krytyczną specyfikacją. Jak zauważono w wytycznych branżowych z Zasób referencyjny Machine Design dotyczący zasad projektowania i doboru sprzęgła elastycznego sprzęgła całkowicie metalowe, w tym sprzęgła membranowe i tarczowe, na ogół osiągają mniejsze średnice zewnętrzne i mniejszą masę niż elastomerowe alternatywy przy równoważnym momencie obrotowym — ważna zaleta w zastosowaniach wymagających dużych prędkości, gdzie bezwładność i wyważenie mają kluczowe znaczenie. Rokanga szybkobieżne sprzęgła membranowe o prędkości znamionowej do 10 000 obr./min i wyższych zostały zaprojektowane z myślą o maszynach turbinowych, wytwarzaniu energii i zastosowaniach na stanowiskach testowych o dużej prędkości.

Sprzęgła sprężynowe serpentynowe i sprzęgła łańcuchowe: elastyczne rozwiązania o wysokim momencie obrotowym

Do zastosowań wymagających znacznej absorpcji wstrząsów i tolerancji niewspółosiowości w połączeniu z wysokim momentem obrotowym – ciężkie przenośniki, sprzęt górniczy, kruszarki, duże napędy pomp – szczególnie dobrze nadają się dwie konstrukcje sprzęgieł.

Sprzęgła sprężynowe serpentynowe przekazują moment obrotowy poprzez ciągły stalowy element sprężynujący w kształcie litery S, wpleciony pomiędzy zęby na dwóch przeciwległych piastach. Sprężyna działa jednocześnie jako element przenoszący moment obrotowy i element elastyczny, zapewniając doskonałą amortyzację, wysoki moment obrotowy oraz zdolność kompensowania niewspółosiowości kątowej, równoległej i osiowej. W przeciwieństwie do złączek elastomerowych, stalowy element sprężynujący nie ulega degradacji pod wpływem temperatury ani pod wpływem olejów i chemikaliów, dzięki czemu sprzęgła sprężynowe serpentynowe dobrze nadają się do trudnych warunków przemysłowych. Są również kompaktowe ze względu na moment obrotowy, co jest korzystne w przypadku ograniczonej przestrzeni. Rokanga sprzęgła sprężynowe serpentynowe do zastosowań związanych z napędami o wysokim momencie obrotowym i obciążeniach udarowych są dostępne w wersji standardowej, do szybkiego montażu, z podwójnym kołnierzem i z tarczą hamulcową.

Sprzęgła łańcuchowe użyj dwunitkowego łańcucha rolkowego łączącego dwie piasty zębatek. Są proste w montażu i konserwacji, tolerują niewspółosiowość w obrębie podziałki łańcucha i są w stanie przenosić wysoki moment obrotowy przy stosunkowo niskich kosztach. Podstawowym ograniczeniem jest to, że wymagają one okresowego smarowania i nie nadają się do zastosowań wymagających dużych prędkości. W przypadku napędów o średniej prędkości i wysokim momencie obrotowym stosowanych w rolnictwie, górnictwie i przemyśle ogólnym sprzęgła łańcuchowe pozostają praktycznym i opłacalnym rozwiązaniem.