Elastyczna konstrukcja sprzęgła tarczowego: geometria pakietu tarcz, piasty i dopasowanie do zastosowania

Trzy zespoły tarcz uległy awarii w ciągu czternastu miesięcy w tej samej sprężarce o mocy 250 kW i za każdym razem ekipa konserwacyjna wymieniała sprzęgło. Przyczyną był wzrost osiowy o 0,9 mm, na który nikt nie przewidywał budżetu. Po wyrównaniu pakiet miał mniej niż 0,5 mm nośności osiowej, więc każdy start na gorąco powodował, że laminaty ze stali nierdzewnej nieco zbliżały się do granicy zmęczenia.

Ta historia niesie ze sobą konkluzję. Konstrukcja elastycznego sprzęgła tarczowego nie polega na obliczeniu momentu obrotowego z przypisem dotyczącym niewspółosiowości. Jest to poszukiwanie wąskiego pasma, w którym sprzęgło jest wystarczająco sztywne, aby przenosić moment obrotowy bez nawijania i luzów, a także wystarczająco elastyczne, aby siły przekazywane z powrotem do łożysk, śrub i własnych warstw nie przekraczały granic wytrzymałości zmęczeniowej. Projekt i wybór to ten sam problem, patrząc z przeciwnych stron oferty.

Jak pakiet tarcz przenosi moment obrotowy

Pakiet dysków to stos cienkich arkuszy stali nierdzewnej, zwykle o grubości od 0,2 mm do 0,5 mm, dziurkowanych za pomocą sześciu do dwunastu ogniw rozmieszczonych wokół okręgu śrub. Każdy arkusz jest mocowany naprzemiennie do obu piast za pomocą pasowanych śrub, dzięki czemu moment obrotowy przenoszony jest przez ogniwa w postaci rozciągania po jednej stronie sprzęgła i ściskania po drugiej. Niewspółosiowość jest kompensowana jedynie poprzez zginanie arkuszy. Nic się nie ślizga, nic nie jest smarowane i nic nie jest wykonane z gumy.

Ten jeden fakt wyjaśnia cały charakter projektu: zerowy luz, brak powierzchni ścieralnych, brak starzenia się i twardnienia elastomeru oraz górna temperatura ustalana przez piasty, a nie przez elastyczny element. To także wyjaśnia słabość. Sprzęgło bez interfejsu ślizgowego i prawie bez tłumienia ma bardzo małą zdolność do rozpraszania energii, więc niezależnie od naprężenia, jakie odczuwają ogniwa, widać to przy każdym obrocie, przez cały okres użytkowania maszyny.

Profil łącza jest pierwszą prawdziwą decyzją projektową. Łącznik o prostych bokach koncentruje naprężenia zginające wokół otworów na śruby. Zapiekanka lub przewężone ogniwo rozkłada krzywiznę na całej długości: wzrasta elastyczność, szczytowe naprężenie w otworze maleje, a wraz z nim spada siła reakcji, którą pakiet wciska z powrotem do łożysk przy danym niewspółosiowości. Ceną jest gęstość momentu obrotowego, ponieważ blacha ząbkowana przenosi mniejszy moment obrotowy na milimetr szerokości niż blacha prosta, a pakiet musi go odzyskać za pomocą większej liczby warstw, większej liczby śrub lub większej średnicy. Grubość blachy, liczba warstw, szerokość połączenia i liczba śrub to cztery zmienne, które decydują o możliwościach gotowego łącznika.

Pojedynczy dysk lub podwójny dysk: decyzja dotycząca niewspółosiowości

Po zdefiniowaniu pakietu pojawia się pytanie, ile pakietów potrzebuje sprzęgło. Jednostka jednotarczowa umieszcza jedną paczkę pomiędzy dwiema piastami. Wygodnie radzi sobie z przemieszczeniem kątowym i osiowym, a słabo z przesunięciem równoległym, co pasuje do krótkich, blisko sprzężonych napędów: osi serwo, małych pomp i stanowisk testowych, gdzie oba wały są już osadzone w odległości kilku setnych milimetra.

Sprzęgło dwupłytowe wstawia element dystansowy pomiędzy dwiema paczkami. Element dystansowy przekształca przesunięcie równoległe w przemieszczenie kątowe w każdym pakiecie, co pozwala na połączenie silnika i przekładni na oddzielnych płytach bazowych bez wzajemnej walki. Długość elementu dystansowego staje się wówczas prawdziwą zmienną projektową: określa, jakie przesunięcie równoległe może przyjąć sprzęgło, ile waży oraz jak jego własna masa i zachowanie przy zginaniu wpływają na układ napędowy.

Kompaktowe konstrukcje dwutarczowe z krótkimi przekładkami i piastami zaciskowymi są powszechne tam, gdzie koperta jest ciasna, ale mimo to należy wchłonąć przesunięcie równoległe, jak w obrabiarkach i napędach CNC.

RSK-CPLF Elastyczne sprzęgło zaciskowe z podwójną membraną ze stopu aluminium Kompaktowe sprzęgło zaciskowe z podwójną membraną do napędów CNC, serwo i krokowych, z piastami ze stopu aluminium, membranami ze stali nierdzewnej 304, o wysokiej sztywności, małej bezwładności i bezluzowej przekładni. Zobacz produkt →

Współczynniki sztywności, siły reakcji i nośność łożyska

Moment znamionowy decyduje o tym, czy sprzęgło przetrwa. Sztywność decyduje o tym, czy wszystko wokół niej przetrwa. Weźmy przypadek osiowy, który jest najczęściej ignorowany na etapie wyceny. Załóżmy, że potrzebne sprzęgło ma sztywność osiową wynoszącą około 250 N/mm, co jest realistyczną wartością dla pakietu tarcz średniej wielkości, a wał rośnie o 0,8 mm pomiędzy zimnym rozruchem a pełnym obciążeniem. Pakiet będzie wciskał z powrotem do łożyska około 200 N w sposób ciągły, oprócz normalnego obciążenia łożyska. W przypadku małego silnika wystarczy to, aby skrócić żywotność łożyska z lat do miesięcy, a żadne obliczenia momentu obrotowego nigdy tego nie wykażą.

Sztywność skrętna działa w odwrotnym kierunku. Podawana jest w Nm na radian lub stopień i im jest większa, tym wał napędzany dokładniej podąża za silnikiem. W przypadku osi pozycjonowania wysoka sztywność skrętna w połączeniu z zerowym luzem jest powodem, dla którego w ogóle wybiera się sprzęgło tarczowe. W przypadku układu napędowego, który podczas rozruchu musi przejść przez rezonans skrętny, ta sama sztywność jest problemem, a niskie tłumienie sprawia, że ​​szczyt jest ostrzejszy. Jeśli zastosowanie obejmuje duże silniki, obciążenia o ruchu posuwisto-zwrotnym lub pracę ze zmienną prędkością, sztywność sprzęgła należy określić w modelu skrętnym, a nie w przypisie.

Praktyczna zasada: zapytaj dostawcę o wartości sztywności skrętnej, osiowej i promieniowej wraz z wyceną, a nie tylko o moment obrotowy i rozmiar otworu. Nie można sprawdzić obciążenia łożyska ani rezonansu na podstawie samej wartości momentu obrotowego.

Śruby, równowaga i pułap prędkości

Połączenie śrubowe jest częścią projektu, którą doświadczenie praktyczne karze w pierwszej kolejności. Dopasowane śruby są szlifowane do kontrolowanego luzu w rozwierconych otworach, tak aby moment obrotowy przenoszony był przez trzpień śruby w wyniku ścinania, a nie przez tarcie pomiędzy warstwami. Oznacza to, że klasa dopasowania ma znaczenie, podobnie jak metoda blokowania, ponieważ poluzowana śruba zmienia rozkład obciążenia na cały pakiet za jednym razem.

Prędkość to drugi pułap i nie jest liniowy. Resztkowa siła niewyważenia rośnie wraz z kwadratem prędkości obrotowej: około 1 g-mm niewyważenia wytwarza w przybliżeniu 1,1 N siły obrotowej przy 10 000 obr./min i około 4,4 N przy 20 000 obr./min. Jakość wagi opiera się na tej samej logice. Ogólne napędy przemysłowe są zwykle akceptowalne w G6.3, szybkie napędy i napędy do obrabiarek zwykle wymagają G2.5, a bardzo duże prędkości lub bardzo lekkie wirniki mogą wymagać G1. Powyżej prędkości znamionowej sprzęgła żadne wyważanie nie pomaga, ponieważ ograniczenie wynika z naprężenia odśrodkowego w samym pakiecie tarcz. Jeżeli punkt pracy znajduje się blisko sufitu, jedyną rozsądną odpowiedzią jest specjalnie zaprojektowana konstrukcja o dużej prędkości.

Materiały: pakiety ze stali nierdzewnej, piasty stalowe lub aluminiowe

Pakiet tarcz jest prawie zawsze austenityczną stalą nierdzewną, przy czym powszechnie wybieranymi są 301 i 302 ze względu na połączenie wytrzymałości zmęczeniowej i odporności na korozję. Gatunki utwardzane wydzieleniowo, takie jak 17-4 PH, pojawiają się tam, gdzie wymagana jest wyższa wytrzymałość lub wyższa odporność na temperaturę. Centrum to miejsce, w którym wybór materiału następuje po zastosowaniu. Piasty ze stopu aluminium 6061 lub 7075 utrzymują niską bezwładność, co ma znaczenie w przypadku osi serwo, gdzie każdy gram masy obrotowej ma wpływ na wielkość silnika. Piasty stalowe ze stali 1045 lub gatunku stopu, często z obróbką tlenku czarnego, dominują w ciężkich napędach przemysłowych i napędach o dużej rozpiętości, a piasty ze stali nierdzewnej są stosowane tam, gdzie występuje woda lub atmosfera morska.

Połączenie piasta-wał zasługuje na więcej uwagi niż zwykle. Połączenie wpustowe wprowadza luz, którego nie jest w stanie skompensować żaden zestaw tarcz o zerowym luzie, dlatego piasty zaciskowe i zespoły blokujące bezkluczowe są normalną specyfikacją w napędach pozycjonujących i napędach o dużej prędkości wstecznej. Środowisko, a nie obciążenie, decyduje o obróbce powierzchni: czernienie w przypadku lekko korozyjnych instalacji wewnętrznych, okucia ze stali nierdzewnej lub platerowane do zastosowań zewnętrznych i morskich.

RSK-CPNLT Czernione, stopniowane sprzęgło zaciskowe z podwójną membraną Odporne na korozję, czernione sprzęgło do serwonapędów i napędów krokowych, z rowkiem wpustowym, membranami ze stali nierdzewnej 304, piastami ze stali 45#, śrubami zaciskowymi i dużą sztywnością momentu obrotowego. Zobacz produkt →

Tolerancje miejsca: gdzie dobry projekt staje się złą instalacją

Dopasowanie pola sprawia, że prawidłowy projekt staje się nieprawidłową instalacją częściej niż jakakolwiek inna pojedyncza przyczyna. Typowe wartości docelowe dla sprzęgła tarczowego to błąd kątowy poniżej 0,5 stopnia i ustawienie osiowe w zakresie od 0,5 do 1,5 mm, ale wartości te zależą od konkretnego rozmiaru i opakowania, dlatego powinny wynikać z arkusza danych dostawcy, a nie z przyzwyczajenia. Osiowanie należy sprawdzić na zimno, a w przypadku nagrzania maszyny ponownie sprawdzić w temperaturze roboczej, ponieważ wał, który rośnie o 2 mm na 100 mm rozpiętości, może zużyć cały naddatek osiowy sprzęgła, które było idealnie ustawione na stole warsztatowym.

Dwa nawyki powodują nieproporcjonalne szkody. Pierwsza polega na użyciu śrub łączących w celu ściągnięcia ze sobą dwóch wałów, co powoduje wstępne obciążenie pakietu osiowo jeszcze przed uruchomieniem maszyny. Drugi polega na pomiarze jedynie błędu kątowego i pominięciu przesunięcia równoległego w zespole dwutarczowym, gdzie element dystansowy powiększa go do przemieszczenia kątowego w obu pakietach. W konstrukcjach dystansowych z wypuszczanym odstępem należy go także podeprzeć podczas montażu, aby jego ciężar nie spowodował ugięcia pakietów przed dokręceniem śrub.

Tryby awarii, przeciwko którym warto projektować

Większość awarii eksploatacyjnych ma swój początek w niewielkiej liczbie rozpoznawalnych wzorców:

• Pęknięcia zmęczeniowe promieniujące z otworów na śruby w ogniwach tarczy, prawie zawsze są wynikiem trwałej niewspółosiowości powyżej wartości znamionowej, a nie przeciążenia.
• Fretting i wydłużenie otworu spowodowane mikroruchami w złączu, w którym utracono napięcie wstępne.
• Poluzowane lub brakujące nakrętki zabezpieczające po przebudowie, co powoduje redystrybucję obciążenia na pozostałe śruby.
• Poślizg otworu piasty na wale wynikający z nieprawidłowego pasowania lub połączenia wpustowego, które uznano za wystarczająco ciasne.
• Wżery korozyjne lub pękanie korozyjne naprężeniowe w atmosferze spowodowanej zmywaniem, przybrzeżną lub chemiczną.
• Rezonans skrętny wzbudzony tętnieniami momentu obrotowego o podwójnej częstotliwości liniowej, częstotliwościami przejścia łopatek lub częstotliwościami zazębienia przekładni, w przypadku których sztywność sprzęgła nigdy nie została wprowadzona do modelu układu napędowego.

Praktyczna sekwencja selekcji

Wykonalna kolejność operacji, niezależnie od tego, czy projektujesz sprzęgło, czy je kupujesz:

1. Oblicz ciągły moment obrotowy na podstawie mocy i prędkości: moment obrotowy w Nm równa się 9550 razy moc w kW podzielona przez prędkość w obr./min.
2. Zastosuj współczynnik serwisowy odzwierciedlający napędzaną maszynę, zwykle 1,5 do 2 dla obciążeń gładkich i 2,5 lub więcej dla pracy posuwisto-zwrotnej lub pracy z dużym udarem.
3. Sprawdź momenty rozruchu, hamowania i utyku w stosunku do wartości znamionowych szczytowych, a nie ciągłych.
4. Ustal prędkość roboczą, a następnie wybierz stopień wyważenia, jakiego faktycznie wymaga prędkość.
5. Ustal rzeczywistą niewspółosiowość: kątową, równoległą i osiową, zimną i gorącą, łącznie z tolerancjami produkcyjnymi pomiędzy obiema maszynami.
6. Przekształć niewspółosiowość w siłę reakcji, wykorzystując sztywność sprzęgła i dodaj ją do obciążenia łożyska.
7. Potwierdź otwór, typ piasty, połączenie wpustowe lub zaciskowe, długość elementu dystansowego i dostępną kopertę.
8. Potwierdź środowisko: temperaturę, wilgotność, chemikalia i częstotliwość mycia.

Co należy uwzględnić w zapytaniu

Dostawca, który pyta tylko o średnicę i moment obrotowy, nie zrozumiał Twojego napędu, a wycena, która zostanie zwrócona, będzie numerem katalogowym, a nie rozwiązaniem. Wysyłaj ciągły i szczytowy moment obrotowy, prędkość i cykl pracy, wszystkie trzy elementy niewspółosiowości, temperaturę otoczenia i roboczą, narażenie na korozję, dostępną powłokę, otwór i typ połączenia oraz stopień wyważenia, jeśli prędkość jest wysoka. Te osiem elementów stanowi różnicę między sprzęgłem, które spokojnie wytrzyma znajdujące się obok niego łożyska, a sprzęgłem, które staje się planowanym materiałem eksploatacyjnym.

Jeśli w tym samym zakładzie produkuje się kilka typów sprzęgieł, od serwomechanizmów po sprzęgła z ciężką przekładnią, ogólne odniesienie doboru obejmujące typy i normy sprzęgieł DIN jest przydatnym uzupełnieniem pojedynczej wyceny, ponieważ sprawia, że ​​porównanie pomiędzy proponowanymi projektami jest konkretne, a nie werbalne.

Typy złączy DIN, normy i przewodnik doboru