Design flexibil de cuplare de disc: Geometrie pachet de discuri, butuci și potrivire la aplicație

Trei pachete de discuri s-au defectat în paisprezece luni la același compresor de 250 kW și de fiecare dată echipa de întreținere a înlocuit cuplajul. Cauza a fost 0,9 mm de creștere axială pe care nimeni nu o bugetase. După aliniere, pachetul mai avea mai puțin de 0,5 mm de capacitate axială, astfel încât fiecare pornire la cald a împins laminațiile inoxidabile puțin mai aproape de limita lor de oboseală.

Acea poveste poartă concluzia. Designul cuplajului cu disc flexibil nu este un calcul al cuplului cu o notă de subsol de dezaliniere. Este o căutare a benzii înguste în care cuplajul este suficient de rigid pentru a transmite cuplul fără înfășurare sau joc și suficient de flexibil încât forțele pe care le transmite înapoi în rulmenți, șuruburile și propriile sale laminate să rămână în limitele lor de oboseală. Designul și selecția sunt aceeași problemă, văzute din capete opuse ale unui citat.

Cum un pachet de discuri transportă cuplul

Un pachet de discuri este un teanc de foi subțiri de oțel inoxidabil, de obicei de 0,2 mm până la 0,5 mm grosime, perforate cu șase până la douăsprezece zale dispuse în jurul cercului șuruburilor. Fiecare foaie este fixată alternativ de cele două butuci prin șuruburi montate, astfel încât cuplul se deplasează prin legături ca tensiune pe o parte a cuplajului și comprimare pe cealaltă. Nealinierea este absorbită doar de îndoirea foilor. Nimic nu alunecă, nimic nu este lubrifiat și nimic nu este făcut din cauciuc.

Acest singur fapt explică întregul caracter al designului: zero joc, fără suprafețe de uzură, fără elastomer care să se îmbătrânească sau să se întărească și un plafon de temperatură stabilit de butuci, mai degrabă decât de elementul flexibil. De asemenea, explică slăbiciunea. Un cuplaj fără interfață de alunecare și aproape fără amortizare are o capacitate foarte mică de a disipa energie, așa că indiferent de stresul pe care îl văd legăturile, ele văd la fiecare revoluție, pe toată durata de viață a mașinii.

Profilul de link este prima decizie reală de proiectare. O legătură cu laturi drepte concentrează forța de îndoire în jurul găurilor pentru șuruburi. O legătură festonată sau cu talie răspândește curbura de-a lungul lungimii sale: flexibilitatea crește, tensiunea de vârf la gaură scade și forța de reacție pe care pachetul o împinge înapoi în rulmenți la o dezaliniere dată scade odată cu ea. Prețul este densitatea cuplului, deoarece o tablă festonată poartă mai puțin cuplu pe milimetru de lățime decât una dreaptă, iar pachetul trebuie să-l recupereze cu mai multe straturi, mai multe șuruburi sau mai mult diametru. Grosimea foii, numărul de straturi, lățimea legăturii și numărul de șuruburi sunt cele patru variabile care decid ce poate face cuplajul finit.

Un singur disc sau dublu disc: o decizie de nealiniere

Odată ce pachetul este definit, întrebarea este de câte pachete are nevoie de cuplare. O unitate cu un singur disc plasează un pachet între două butuci. Se descurcă confortabil cu deplasarea unghiulară și axială și decalajul paralel prost, ceea ce se potrivește acționărilor scurte, strânse cuplate: axe servo, pompe mici și platforme de testare în care ambii arbori se află deja la câteva zecimi de milimetru.

Un cuplaj cu dublu disc introduce un distanțier între două pachete. Distanțiatorul convertește decalajul paralel în deplasare unghiulară la fiecare pachet, ceea ce permite ca un motor și o cutie de viteze pe plăci de bază separate să fie conectate fără a se lupta între ele. Lungimea distanțierului devine apoi o variabilă de design autentică: stabilește cât de mult decalaj paralel poate absorbi cuplajul, cât de mult cântărește și cât de mult afectează propria sa masă și comportamentul la încovoiere transmisia.

Modelele compacte cu discuri duble cu distanțiere scurte și butuci de tip clemă sunt obișnuite acolo unde anvelopa este strânsă, dar decalajul paralel trebuie încă absorbit, ca în mașinile-unelte și acționările CNC.

RSK-CPLF Cuplaj cu clemă cu diafragmă dublă din aliaj flexibil de aluminiu Cuplaj compact cu clemă cu diafragmă dublă pentru acționări CNC, servo și pas cu pas, cu butuci din aliaj de aluminiu, diafragme inoxidabile 304, rigiditate ridicată, inerție redusă și transmisie fără joc. Vizualizare produs →

Raportul de rigiditate, forțele de reacție și proiectul de rulment

Valoarea cuplului decide dacă cuplajul supraviețuiește. Rigiditatea decide dacă totul în jurul ei supraviețuiește. Luați cazul axial, care este cel mai des ignorat la etapa cotației. Să presupunem că cuplajul de care aveți nevoie are o rigiditate axială de aproximativ 250 N/mm, o cifră realistă pentru un pachet de discuri de dimensiune medie, iar arborele crește cu 0,8 mm între o pornire la rece și sarcina maximă. Pachetul va împinge aproximativ 200 N înapoi în rulment, în mod continuu, în plus față de sarcina normală a rulmentului. La un motor mic, acest lucru este suficient pentru a scurta durata de viață a rulmentului de la ani la luni și nici un calcul al cuplului nu o va dezvălui vreodată.

Rigiditatea la torsiune funcționează în direcția opusă. Este cotat în Nm pe radian sau pe grad, iar cu cât este mai mare, cu atât mai precis arborele antrenat urmează motorul. Pentru axele de poziționare, rigiditatea ridicată la torsiune împreună cu jocul zero este motivul pentru care se alege un cuplaj cu disc. Pentru o transmisie care trebuie să treacă printr-o rezonanță de torsiune în timpul pornirii, aceeași rigiditate este o problemă, iar amortizarea scăzută face vârful mai ascuțit. Dacă aplicația implică motoare mari, sarcini alternative sau funcționare cu viteză variabilă, rigiditatea cuplajului aparține mai degrabă modelului de torsiune decât unei note de subsol.

Regula practică: solicitați furnizorului valorile de rigiditate la torsiune, axială și radială cu cotația, nu doar cuplul nominal și dimensiunea alezajului. Nu puteți verifica o sarcină a rulmentului sau o rezonanță numai cu o cifră de cuplu.

Șuruburi, echilibru și plafonul de viteză

Îmbinarea cu șuruburi este partea din proiectare pe care experiența de teren o pedepsește mai întâi. Șuruburile montate sunt șlefuite până la un spațiu controlat în găurile alezate, astfel încât cuplul să fie transportat de tija șurubului în forfecare, mai degrabă decât prin frecarea dintre lamine. Aceasta înseamnă că clasa de potrivire contează, la fel și metoda de blocare, deoarece un șurub slăbit modifică distribuția sarcinii pe întregul pachet într-o singură pornire.

Viteza este celălalt plafon și nu este liniar. Forța de dezechilibru rezidual crește odată cu pătratul vitezei de rotație: aproximativ 1 g-mm de dezechilibru produce aproximativ 1,1 N de forță de rotație la 10.000 rpm și aproximativ 4,4 N la 20.000 rpm. Calitatea echilibrului urmează aceeași logică. Acționările industriale generale sunt de obicei acceptabile la G6.3, acționările de mare viteză și mașini-unelte necesită în mod normal G2.5, iar rotoarele de viteză foarte mare sau foarte ușoare pot avea nevoie de G1. Peste viteza nominală a cuplajului, nicio cantitate de echilibrare nu ajută, deoarece limita provine din solicitarea centrifugă din pachetul de discuri în sine. Acolo unde punctul de lucru se află aproape de acel plafon, un design de mare viteză special conceput este singurul răspuns sensat.

Materiale: pachete inoxidabile, butuci din oțel sau aluminiu

Pachetul de discuri este aproape întotdeauna din oțel inoxidabil austenitic, 301 și 302 fiind alegerile comune datorită combinației lor de rezistență la oboseală și rezistență la coroziune. Grade de întărire prin precipitații, cum ar fi 17-4 PH, apar acolo unde este necesară o rezistență mai mare sau o capacitate de temperatură mai mare. Hubul este locul unde alegerea materialului urmează aplicației. Butucii din aliaj de aluminiu din 6061 sau 7075 mențin inerția scăzută, ceea ce contează pe axele servo unde fiecare gram de masă rotativă se adaugă la dimensionarea motorului. Butucii din oțel din 1045 sau o calitate de aliaj, adesea cu tratament cu oxid negru, domină antrenările industriale grele și de lungă durată, iar butucii din inox sunt utilizați acolo unde este prezentă spălare sau atmosferă marină.

Conexiunea butuc la arbore merită mai multă atenție decât primește de obicei. O conexiune cu cheie introduce un joc pe care nici un pachet de discuri fără joc nu îl poate compensa, astfel încât butucii de tip clemă și ansamblurile de blocare fără cheie sunt specificațiile normale pentru poziționarea și unitățile cu inversare mare. Mediul, mai degrabă decât încărcătura, decide tratamentul suprafeței: înnegrire pentru plante de interior ușor corozive, feronerie inoxidabilă sau placată pentru activități în aer liber și maritime.

RSK-CPNLT Cuplaj cu clemă cu diafragmă dublă în trepte înnegrit Cuplaj înnegrit rezistent la coroziune pentru servomotor și pas cu pas, cu canelură, diafragme din inox 304, butuci din oțel 45#, șuruburi de prindere și rigiditate ridicată la cuplu. Vizualizare produs →

Toleranțe ale site-ului: Unde un design bun devine o instalare proastă

Alinierea câmpului transformă un design corect într-o instalare incorectă mai des decât orice altă cauză unică. Țintele comune pentru un cuplaj cu disc sunt o eroare unghiulară sub 0,5 grade și o setare axială între 0,5 și 1,5 mm, dar acele numere aparțin dimensiunii și pachetului specific, așa că ar trebui să provină din fișa de date a furnizorului mai degrabă decât din obișnuință. Alinierea trebuie verificată la rece și, în cazul în care mașina funcționează la cald, verificată din nou la temperatura de funcționare, deoarece un arbore care crește cu 2 mm într-o deschidere de 100 mm poate consuma întregul permis axial al unui cuplaj care a fost perfect aliniat pe banc.

Două obiceiuri provoacă daune disproporționate. Primul este folosirea șuruburilor de cuplare pentru a trage doi arbori împreună, ceea ce preîncarcă pachetul axial înainte ca mașina să pornească. Al doilea măsoară doar eroarea unghiulară și ignoră decalajul paralel pe o unitate cu disc dublu, unde distanțierul o mărește în deplasare unghiulară la ambele pachete. La modelele de distanțiere cu drop-out, distanțierul trebuie, de asemenea, să fie susținut în timpul asamblarii, astfel încât greutatea sa să nu îndoaie pachetele înainte de strângerea șuruburilor.

Moduri de eșec împotriva cărora merită proiectat

Cele mai multe defecțiuni în funcționare provin dintr-un număr mic de modele recunoscute:

• Fisuri de oboseală care radiază de la orificiile șuruburilor din legăturile discului, aproape întotdeauna rezultatul unei nealinieri susținute peste valoarea nominală, mai degrabă decât al suprasarcinii.
• Fretting și alungirea găurii, cauzate de micro-mișcare la o îmbinare a cărei preîncărcare s-a pierdut.
• Piulițe de blocare slăbite sau lipsă după o reconstrucție, care redistribuie sarcina peste șuruburile rămase.
• Alunecarea alezajului butucului pe arbore, de la o potrivire incorectă sau de la o conexiune cu cheie care se presupunea a fi suficient de strânsă.
• Sâmburi de coroziune sau fisuri prin coroziune sub presiune în atmosfere de spălare, de coastă sau chimice.
• Rezonanță de torsiune excitată de ondularea cuplului cu frecvență dublă, frecvențele de trecere a lamei sau frecvențele ochiurilor de viteză, unde rigiditatea cuplajului nu a fost introdusă niciodată în modelul de transmisie.

O secvență practică de selecție

O ordine de operații funcțională, indiferent dacă proiectați un cuplaj sau cumpărați unul:

1. Calculați cuplul continuu din putere și viteză: cuplul în Nm este egal cu 9550 de ori puterea în kW împărțit la viteza în rpm.
2. Aplicați un factor de service care reflectă mașina condusă, de obicei 1,5 până la 2 pentru sarcini netede și 2,5 sau mai mult pentru serviciu alternativ sau cu impact puternic.
3. Verificați cuplurile de pornire, frânare și blocare în raport cu valoarea maximă, nu cu cea continuă.
4. Fixați viteza de funcționare, apoi alegeți gradul de echilibru pe care viteza o cere de fapt.
5. Stabiliți dezalinierea reală: unghiulară, paralelă și axială, la rece și la cald, inclusiv toleranțele de fabricație între cele două mașini.
6. Convertiți dezalinierea în forță de reacție folosind rigiditatea cuplajului și adăugați-o la sarcina lagărului.
7. Confirmați alezajul, tipul butucului, canalul de cheie sau conexiunea clemei, lungimea distanțierului și plicul disponibil.
8. Confirmați mediul: temperatura, umiditatea, substanțele chimice și frecvența spălării.

Ce aparține anchetei

Un furnizor care cere doar alezajul și cuplul nu v-a înțeles motorul, iar cotația care va reveni va fi mai degrabă un număr de catalog decât o soluție. Trimiteți cuplu continuu și de vârf, viteză și ciclu de funcționare, toate cele trei componente de dezaliniere, temperatura ambientală și de funcționare, expunerea la coroziune, anvelopa disponibilă, tipul de alezaj și de conectare și gradul de echilibrare dacă viteza este mare. Aceste opt articole sunt diferența dintre un cuplaj care durează mai mult decât rulmenții de lângă el și unul care devine un consumabil programat.

Dacă aceeași fabrică rulează mai multe tipuri de cuplare, de la unități cu diafragmă servo până la cuplaje cu roți dințate grele, o referință de selecție generală care acoperă tipurile și standardele de cuplare DIN este un însoțitor util pentru o singură ofertă, deoarece face comparația dintre proiectele candidate concrete și nu verbale.

Tipuri de cuplare DIN, standarde și ghid de selecție