Cuplaje angrenate și cuplarea arborelui: tipuri, cum funcționează și selecție

Fiecare mașină rotativă care transferă puterea între doi arbori are nevoie de un cuplaj - un dispozitiv mecanic care conectează arborii, transmite cuplul și gestionează inevitabilele mici dezaliniri care apar în instalațiile din lumea reală. Cuplajele cu angrenaje sunt printre cele mai capabile și mai răspândite dintre toate tipurile de cuplare de arbore, de încredere în fabricile de oțel, echipamentele miniere, turbinele și transmisiile industriale grele tocmai pentru că combină o capacitate mare de cuplu cu o toleranță semnificativă la dezaliniere. Înțelegerea modului în care funcționează cuplajele cu angrenaje, cum se compară cu alte tipuri de cuplare de arbore și cum să selectați cuplajul potrivit pentru o anumită aplicație este fundamentul ingineriei sunetului transmisiei.

Ce este un cuplaj de arbore?

Un cuplaj de arbore este o componentă mecanică care conectează doi arbori rotativi cap la cap pentru a transmite cuplul și mișcarea de rotație de la un arbore de antrenare (conectat la un motor sau motor) la un arbore antrenat (conectat la o pompă, cutie de viteze, compresor sau altă sarcină). Această funcție de bază - transmisia cuplului - este sarcina principală a cuplajului, dar rareori funcționează singură.

În practică, cuplajele arborelui îndeplinesc trei roluri distincte simultan. În primul rând, transmit cuplul și puterea între arbori care pot funcționa la viteze sau sarcini diferite. În al doilea rând, ele găzduiesc nealinierea arborelui - deviațiile unghiulare, paralele și axiale care apar între arborii antrenați și antrenați din cauza toleranțelor de fabricație, expansiunii termice, așezării fundației și erorii de asamblare. În al treilea rând, ele protejează echipamentele conectate prin absorbția șocurilor, amortizarea vibrațiilor și, în unele modele, acționând ca o siguranță mecanică care se defectează înainte ca componentele mai scumpe (motoare, cutii de viteze, pompe) să fie deteriorate.

Nicio cuplare de arbore nu satisface perfect toate cele trei cerințe simultan. Procesul de selecție implică întotdeauna compromisuri între capacitatea de cuplu, toleranța de dezaliniere, rigiditatea la torsiune, cerințele de întreținere și cost.

Principalele categorii de cuplaje de arbore

Cuplajele arborelui se împart în două categorii fundamentale, în funcție de modul în care gestionează dezalinierea și șocurile.

Cuplaje rigide conectați arbori cu flexibilitate zero - transmit cuplul fără acomodare pentru dezaliniere. Acest lucru le face adecvate numai acolo unde arborii sunt aliniați cu precizie și se așteaptă să rămână așa, cum ar fi în unele aplicații cu pompe verticale susținute de rulmenți. Orice nealiniere într-un sistem cuplat rigid se transmite direct ca efort de încovoiere în arborii și lagărele conectați, accelerând uzura și provocând potențial defecțiuni timpurii.

Cuplaje flexibile sunt mult mai frecvente în practica industrială și sunt ele însele împărțite în două familii. Cuplajele mecanice flexibile își ating flexibilitatea prin elemente mecanice slăbite, glisante sau rulante - cuplajele cu roți dințate, cuplajele cu lanț și cuplajele cu grilă (arcuri serpentine) se încadrează toate în această categorie. Cuplajele flexibile din punct de vedere material ating flexibilitate prin deformarea elastică a unui element conform - cuplaje cu falci (păianjen), cuplaje pentru anvelope, cuplaje cu diafragmă, cuplaje pentru grinzi și cuplaje cu burduf sunt exemple. Fiecare familie are caracteristici de performanță diferite în ceea ce privește capacitatea de cuplu, intervalul de dezaliniere, rigiditatea la torsiune, amortizarea vibrațiilor și nevoile de întreținere.

Ce este un cuplaj cu angrenaje?

Un cuplaj cu roți dințate este un cuplaj de arbore flexibil mecanic care transmite cuplul prin angrenarea dinților externi ai angrenajului pe butuci cu dinți interni ai angrenajului pe manșoane cu flanșă. Configurația standard constă din doi butuci - unul montat pe fiecare arbore - fiecare transportând un set de dinți externi ai angrenajului încoronați. Acești butuci se îmbină cu două manșoane cu flanșe canelate în interior care sunt prinse împreună la flanșe pentru a forma o carcasă exterioară rigidă. Cuplul curge de la arborele de antrenare prin dinții externi ai butucului său, în dinții interni ai manșonului, prin conexiunea cu flanșă cu șuruburi și prin butucul condus și arborele.

Flexibilitatea mecanică a unui cuplaj cu roți dințate provine în întregime din mișcarea de balansare și alunecare a dinților externi ai angrenajului încoronați față de dinții interni ai manșonului. Pe măsură ce arborii se abate de la alinierea perfectă, dinții angrenajului își schimbă poziția de contact în interiorul manșonului, mai degrabă decât să transmită acea dezaliniere ca o sarcină de îndoire în arbori. Această acțiune de alunecare necesită lubrifiere - grăsime sau ulei - pentru a preveni uzura fețelor de contact ale dinților, făcând cuplajele angrenate componente de întreținere periodică, mai degrabă decât modele fără întreținere.

Cuplaje angrenate pentru aplicații industriale cu cuplu ridicat sunt alegerea standard acolo unde densitatea maximă a cuplului - cea mai mare capacitate de cuplu în raport cu diametrul cuplajului - este criteriul principal de selecție, combinat cu o cerință de a gestiona dezechilibre semnificative ale arborelui.

Dinți angrenaj standard vs tambur (încoronat).

Distincția dintre dinții angrenajului drept standard și dinții angrenajului încoronat (tambur) este esențială pentru înțelegerea performanței cuplajului angrenajului. Cuplajele angrenate timpurii foloseau dinți externi tăiați drept pe butuc - dinți cilindric fără curbură pe lungimea lor. Acestea transmit cuplul în mod eficient, dar tolerează doar dezechilibre unghiulare foarte mici înainte de a se dezvolta încărcarea marginii la contactul cu dintele, concentrând stresul la un capăt al feței dintelui și accelerând uzura.

Dinții angrenajului încoronat - numiți și dinți angrenajului tamburului - au un profil convex de-a lungul lungimii dintelui, cu fața dintelui curbată astfel încât punctul său de mijloc este puțin mai mare în diametru decât marginile sale. Când butucul se înclină în raport cu manșonul sub alinierea unghiulară defectuoasă, dintele încoronat se balansează pe suprafața sa curbă și menține o distribuție mai uniformă a contactului pe toată suprafața, mai degrabă decât să concentreze stresul pe o margine. Această geometrie permite cuplajelor cu roți dințate încoronate să găzduiască o dezaliniere unghiulară semnificativ mai mare - de obicei până la 1,5° per angrenaj, în comparație cu fracțiuni de grad pentru modelele cu dinți drepti - menținând în același timp o presiune acceptabilă pe suprafața dintelui și durata de viață.

Centrul sferei dintelui încoronat este poziționat pe axa arborelui, iar jocul dinților este intenționat puțin mai mare decât în ​​modelele cu dinte drept. Această combinație de geometrie și degajare este ceea ce permite o capacitate mai mare de deplasare unghiulară, ceea ce face ca cuplajele cu roți dințate cu tambur să fie tipul preferat pentru majoritatea aplicațiilor industriale moderne unde dezalinierea arborelui nu poate fi eliminată complet la instalare.

Capacitate de cuplu și toleranță la dezaliniere

Cuplajele angrenate transmit cel mai mare cuplu dintre orice tip de cuplaj flexibil pentru un diametru exterior dat. Acest avantaj al densității cuplului este un rezultat direct al mecanismului de cuplare a dinților angrenajului: mai mulți dinți împart sarcina simultan pe o zonă de contact relativ mare, distribuind eficient stresul. În cazul în care un cuplaj elastomeric cu falci sau un cuplaj cu grindă de același diametru ar putea fi evaluat la câteva sute de Newtoni-metri, un cuplaj cu roți dințate cu diametru exterior identic poate suporta câteva mii de Newtoni-metri - un factor de zece sau mai mult diferența de capacitate de cuplu.

Toleranța de dezaliniere a cuplajelor cu roți dințate acoperă toate cele trei tipuri de abateri ale arborelui. Nealinierea unghiulară — acolo unde liniile centrale ale arborelui se intersectează la un unghi — este acomodat de acțiunea de balansare a dinților încoronați; valorile tipice sunt de 0,5° până la 1,5° per punct de flexibilitate, cu două puncte de flexibilitate per cuplare (câte unul la fiecare interfață butuc-manșon). Deplasare axială — unde un arbore se mișcă de-a lungul propriei axe în raport cu celălalt — este găzduit de alunecarea butucului în interiorul manșonului de-a lungul fețelor dinților. Offset paralel — în cazul în care liniile centrale ale arborelui sunt paralele, dar deplasate lateral — este acomodată prin combinarea dezalinierii unghiulare la ambele puncte de flexibilitate simultan, ceea ce înseamnă că capacitatea de decalare paralelă este o funcție a capacității unghiulare și a distanței dintre cele două puncte de flexibilitate.

Este important de reținut că capacitatea de dezaliniere și operațiunea de dezaliniere continuă sunt lucruri diferite. Cuplajele angrenate pot tolera nealinierea specificată fără deteriorare, dar funcționarea continuă la dezalinierea maximă accelerează uzura dinților și crește cererea de lubrifiere. Cea mai bună practică este de a alinia arborii cât mai precis posibil și de a utiliza capacitatea de dezaliniere a cuplajului ca tampon pentru creșterea termică și așezarea minoră, mai degrabă decât un substitut pentru alinierea corectă.

Tipuri de cuplaje angrenate

Cuplaje cu angrenaje complete au dinți de angrenaj pe ambii butuci, ambele interfețe butuc-manșon oferind un punct de flexibilitate. Aceasta este configurația standard și găzduiește toate cele trei tipuri de nealiniere așa cum este descris mai sus. Este cel mai comun design în aplicațiile industriale grele.

Cuplaje cu jumătate de viteză combinați o interfață flexibilă butuc angrenaj-manșon cu un butuc rigid cu flanșă. Jumătatea rigidă se conectează la un arbore cu o flanșă cu șuruburi standard, în timp ce jumătatea flexibilă utilizează aranjamentul normal al dinților angrenajului extern/intern. Acest design este utilizat acolo unde un punct de conectare necesită acomodare zero dezaliniere - de exemplu, unde un arbore este susținut direct de un rulment foarte aproape de cuplare - în timp ce cealaltă conexiune are nevoie de flexibilitate.

Cuplaje rigide cu roți dintate folosește dinți tăiați drept cu toleranțe strânse și sunt proiectați pentru aplicații de mare viteză în care se menține alinierea precisă a arborelui și cerința principală este transmisia cuplului de alunecare zero, mai degrabă decât adaptarea dezalinierii. Acestea sunt componente prelucrate cu precizie utilizate la turbine și compresoare de mare viteză.

Cuplaje cu angrenaje cu flanșă utilizați mâneci scurte înconjurate de o flanșă perpendiculară, cu câte un manșon montat pe fiecare arbore și cele două flanșe înșurubate față în față. Acest design compact este obișnuit în convertizoarele industriale de viteză moderată, unde lungimea totală a cuplajului trebuie redusă la minimum.

Tabel de comparație cuplarea arborelui

Diferite tipuri de cuplare se potrivesc diferitelor cerințe de operare. Acest tabel rezumă caracteristicile cheie ale principalelor categorii de cuplare de arbore pentru a sprijini deciziile de selecție:

Cum se selectează cuplarea arborelui drept

Selectarea cuplajului arborelui urmează cinci dimensiuni cheie. Abordarea sistematică a fiecăruia duce la alegerea potrivită pentru aplicație, mai degrabă decât la cea mai familiară sau cea mai disponibilă opțiune.

Cerințe de cuplu și putere. Începeți cu cuplul de vârf pe care trebuie să îl transmită cuplajul - nu cuplul nominal al motorului, ci vârful real, inclusiv supratensiunile de pornire, sarcinile de șoc și multiplicatorii factorilor de serviciu. Cuplajele angrenate gestionează cea mai mare densitate de cuplu. Pentru cuplu moderat în uz industrial general, cuplaje cu lanț pentru uz industrial general cu cuplu moderat oferă o alternativă robustă și rentabilă. Pentru aplicații de șoc de mare capacitate, cum ar fi concasoare și transportoare grele, cuplaje cu arc serpentin pentru aplicații de șoc de mare capacitate oferă o rigiditate progresivă la torsiune care absoarbe energia de impact înainte de a ajunge la echipamentele conectate.

Tipul și magnitudinea nealinierii. Identificați ce tip de dezaliniere este prezent - unghiular, paralel, axial sau o combinație - și cât de mare este. Cuplajele angrenate gestionează bine alinierea combinată. Pentru deplasări unghiulare mari între arbori care nu pot fi poziționate cap la cap, arbori cardanici pentru aplicații cu deplasări unghiulare mari extinde funcția de cuplare pe distanțe și unghiuri semnificative pe care cuplările convenționale nu le pot acoperi.

Cerințe de viteză și precizie. Vitezele mari de rotație necesită un echilibru precis și design de cuplare cu vibrații reduse. Pentru turbomașini de mare viteză și acționări de precizie, cuplaje cu diafragmă de mare viteză pentru sisteme de antrenare de precizie combină funcționarea fără întreținere cu rigiditatea la torsiune și calitatea echilibrului pe care o necesită aplicațiile de mare viteză. Pentru sistemele de control al mișcării - mașini CNC, robotică, axe servo - unde jocul zero și fidelitatea unghiulară precisă sunt esențiale, servocuplaje pentru controlul mișcării fără joc asigură rigiditatea la torsiune și precizia de poziție pe care cuplajele flexibile mecanic nu le pot oferi.

Sensibilitate la vibrații și șocuri. Acolo unde echipamentele conectate sunt sensibile la vibrațiile de torsiune sau la șocuri, cuplajele flexibile din punct de vedere material - în special tipurile de anvelope și elastomeri - asigură o izolare la vibrații pe care cuplajele cu angrenaje și lanț nu o pot face. Cuplaje flexibile for vibration damping and shock absorption acoperirea aplicațiilor în care protejarea echipamentelor conectate împotriva vibrațiilor generate de trenul de rulare este la fel de importantă ca și transmiterea cuplului.

Acces de întreținere și mediu. Cuplajele cu angrenaje și cuplajele cu lanț necesită lubrifiere periodică - o constrângere practică în medii îndepărtate, etanșate sau periculoase în care accesul la întreținere este limitat. Tipurile de cuplaj cu diafragmă, grinzi, burduf și elastomeri nu necesită întreținere în timpul duratei de viață de proiectare, făcându-le de preferat acolo unde lubrifierea programată nu este practică. Luați în considerare mediul de operare — temperaturile extreme, expunerea la substanțe chimice, umiditatea și contaminarea afectează selecția materialului de cuplare și intervalele de service, alături de cerințele fundamentale de cuplu și de dezaliniere.