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如何选择合适的伺服联轴器?

供稿:中国工控网 2017/11/9 11:38:07

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  • 关键词: 伺服联轴器 联轴器
  • 摘要:为伺服系统选配联轴器是一个复杂的过程,这个过程需要考虑力矩、轴的相对位移、硬度、转速、尺寸等要求。为了保证联轴器的正常运转,这些要求必须非常匹配。在选用联轴器之前,对这些联轴器的性能和应用细节进行详细了解将非常有助于选择合适的联轴器。不同的伺服连轴器存在着其自身的优缺点。本文旨在向伺服联轴器的终端用户介绍不同联轴器的性能,同时指出设计中要考虑的因素以及如何针对不同的应用情况选择合适的联轴器。

  为伺服系统选配联轴器是一个复杂的过程,这个过程需要考虑力矩、轴的相对位移、硬度、转速、尺寸等要求。为了保证联轴器的正常运转,这些要求必须非常匹配。在选用联轴器之前,对这些联轴器的性能和应用细节进行详细了解将非常有助于选择合适的联轴器。不同的伺服连轴器存在着其自身的优缺点。本文旨在向伺服联轴器的终端用户介绍不同联轴器的性能,同时指出设计中要考虑的因素以及如何针对不同的应用情况选择合适的联轴器。

1.螺旋切缝弹性联轴器

    螺旋切缝弹性联轴器通常又称为一体狭缝切割型联轴器、柔性联轴器等,它有别于竖直切割的平行切缝联轴器。螺旋切缝弹性联轴器通常由锯切金属棒材制造,常见的材料如铝合金等,运用螺旋切缝系统来平衡相对位移和传递扭矩。它们通常具有很好的性能和成本经济性,在很多应用中均为首选产品。

    单块铝合金棒材一体成型的设计使它具有零背隙传递力矩和无需维护的优势。螺旋切缝弹性联轴器大致可分为两个基本系列:单头螺旋线切缝和多头螺旋线切缝。单头螺旋线切缝型有一条长的连续多圈螺旋线切缝,它的柔性很大,并且附加轴承荷载也很小。这种切缝设计可以平衡各种相对位移偏差,最适用于处理角向偏差和轴向偏差,但对平行位移偏差的平衡能力不大,因为单头螺旋线切缝在处理平行偏差时会产生多方向弯曲,从而导致应力集中过大, 致使零件过早损坏。

    尽管长的单头螺旋线切缝具有较大的偏差纠正能力,但它的扭转刚度不足,这也是单头螺旋线切缝联轴器的缺点。

    单头螺旋线切缝联轴器具有很好的经济性,比较适用于低扭矩应用,尤其适用于连接编码器和其它轻型仪器。多头螺旋线切缝联轴器通常采用双头或多头螺旋线切缝解决扭转刚度低的问题。

    多头螺旋线切缝联轴器在不失去纠偏能力的情况下减小了切缝的长度,多头螺旋线切缝交缠在一起,增强了联轴器的扭转刚度,从而保证联轴器在具有很大纠偏能力的情况下仍能承受相当大的扭矩。这种性能使它适用于轻负载应用,比如,伺服电机与丝杠的连接。但这种设计也具有它的缺点,随着尺寸的增加,其附加轴承载荷也会增大,但在大多数情况下,由于安装偏差较小,所以产生的弯矩也很小,从而保证了低附加轴承载荷。除了一组多头螺旋线切缝的设计之外,也可采用两组多头螺旋线切缝设计。多组多头螺旋线切缝设计可以使联轴器更具弯曲柔性和纠偏能力,其它性能也优于单头螺旋线切缝和单组多头螺旋线切缝联轴器,这种联轴器可以同时向不同的方向弯曲,因此相比之下更实用。

    目前,大多数螺旋切缝弹性联轴器都是用铝合金做的,但是也有一些厂商用不锈钢制造。不锈钢联轴器除了具有耐腐蚀性之外,同时也增加了联轴器的扭矩承受能力和刚度,甚至可达到铝制同类产品的两倍。不锈钢的质量和惯性较大,因此扭转刚度大的优点就大打折扣。例如,在微型马达应用中,马达扭矩的很大比例被用来克服联轴器的惯性,这将严重消弱系统的整体性能。

2.十字滑块联轴器

  十字滑块联轴器: 平行纠偏能力最强

    十字滑块联轴器由两个毂和一个中心滑块组成。中心滑块是由塑料制造,特别情况下可由金属制造。中心滑块通过两边呈90°相对分布的卡槽和两侧的毂榫接在一起,从而传递力矩。中心滑块和毂间通过微小的压力吻合,这种结合能使联轴器具有零背隙特性。

    随着使用时间的增长,滑块可能会因磨损而失去零背隙特性,但中心滑块并不贵,也很容易更换,更换后仍能恢复其原有的性能。在使用过程中,中心滑块的滑动可调节轴的相对平行偏差。因为轴间的偏差只会导致滑块与毂之间产生摩擦力,因此它们之间的轴承负荷不会因偏差的增加而增大。与其它联轴器不同, 十字滑块联轴器不会产生附加弯矩,因而不会产生附加轴承载荷。

    十字滑块联轴器的性价比很高,并且有多种滑块材料可供用户选择,这是十字滑块联轴器的一大优势。一些厂商也可以提供多种材料的滑块来满足各种应用的不同要求。一般来说有两类材质,一类材质适用于零背隙、高扭转刚度和大扭矩的应用,另一类材质适用于低精度定位、非零背隙、但有吸震和减噪要求的应用。非金属滑块还有电绝缘作用,可以充当机械保险丝。当塑料滑块损坏后,扭矩传递将被完全终止,从而保护贵重的机械零件。这种设计适用于大的平行偏差(从0.025到0.100英寸或更大,具体取决于联轴器的尺寸)。

    这种联轴器仅能调节小于0.5°的相对角度偏差和小于0.005英寸的轴向位移,转速通常小于4000 转/分钟。角向偏差过大可使其失去等速特性。分体的三部分设计限制了它的轴向偏差调节能力,例如,它不适用于推拉式应用。同时,因为中心滑块是浮动的,两轴的运动必须保证滑块不会脱落。

3.零背隙梅花联轴器

  梅花联轴器:吸收冲击最好的联轴器

    这种联轴器一般有两种类型,一种是传统的直爪型,一种是曲面(内凹)爪型的零背隙联轴器。传统的直爪型不适用于精度很高的伺服传动应用。

    零背隙梅花联轴器是在直爪型的基础上演变而来的,但不同的是其曲面爪设计能适用伺服系统应用。曲面是为了减少弹性梅花块的变形和限制高速运转时向心力对它的影响。

    零背隙爪型联轴器由两个金属毂和一个弹性块组成。梅花块有多个叶片分支,像十字滑块联轴器一样,它也是通过压挤来使弹性块和两边的毂吻合的,由此保证了联轴器的零背隙性能。与十字滑块联轴器不同的是,它是通过压挤传递运动,而十字滑块联轴器是通过剪力传递运动。

    在使用零背隙梅花联轴器时,使用者一定要注意扭矩不能超过弹性元件的最大承受能力(保证零背隙的前提下),否则弹性元件将会被压扁变形失去弹性,这样弹性体上的预加载荷将会消失,从而致使联轴器失去零背隙性能,还可能在发生严重问题后才被发现。

    梅花联轴器具有很好的平衡性能,适用于高转速应用(最大可达40000 转/分钟), 但不能适用较大的偏差,尤其是轴向偏差。较大的平行偏差和角向偏差会产生比其他伺服联轴器更大的附加轴承载荷。另一个值得关注的问题是梅花联轴器的失效。一旦弹性梅花块损坏或失效,力矩传递并不会中断,两毂的金属爪将啮合在一起继续传递扭矩,这很可能会导致系统出现问题。根据实际应用选择合适的弹性梅花块材料是梅花联轴器的一大优势,制造商可提供各种材料的弹性梅花块,通过不同的硬度和温度承受能力满足客户的实际应用要求。

4.膜片联轴器

  膜片联轴器: 高扭转刚度,高速

    膜片联轴器至少由一组金属叠片(金属或合成树脂)和两个毂组成。金属叠片被销钉紧固在毂上,一般不会松动或引起盘和毂之间的反冲。有一些生产商可提供两组金属叠片的联轴器,中间有一个刚性件,两边再连在毂上。

    单膜片联轴器和双膜片联轴器的不同之处类似于单组螺旋切缝和多组螺旋切缝联轴器之间的差别,单膜片联轴器不适用于调节平行偏差,而双膜片联轴器可以同时向不同的方向弯曲,所以可以承受平行偏差。

    这种特点有点像波纹管联轴器,实际上联轴器传递力矩的方式差不多。金属叠片很薄,当偏差荷载产生时它很容易弯曲,因此可以承受高达5度的偏差,同时还能产生较低的轴承负荷。金属叠片具有很好的扭转刚度,仅稍逊于波纹管联轴器。不利之处在于膜片联轴器非常精巧,如果在使用中误用或没有正确安装则很容易损坏。所以保证安装偏差在联轴器的正常运转承受范围之内是非常必要的。

5.波纹管联轴器

  波纹管联轴器: 高扭转刚度,高度

    波纹管联轴器由两个毂和一个薄壁金属管组成,它们用焊接或粘结的方式连接在一起。尽管有很多其它的材料可用,但不锈钢和镍还是最常用的波纹管材料。镍管是用电沉积法制造的。这种方法首先要机加工固态的芯棒,使其成波纹形,利用电镀法将镍镀在芯棒上,然后将芯棒采用化学方法溶解,从而得到镍材质的波纹管。这种方法能控制波纹管壁厚的精度,并能实现比其他方法制作的波纹管更薄的壁厚。这种薄壁波纹管使联轴器具有高敏感性和响应迅速的特点,是微型精密仪器的理想选择。不过较薄的管壁也会减少其扭矩传递能力,使其在实际应用中有很大的局限性。

    不锈钢波纹管比镍材质波纹管刚性更大,强度更高,经常采用液压成型的方法制造。加氢重整就是把薄壁管放置在机器上,利用液压和特殊的工装夹具使其成型。这种波纹管联轴器的特点使其成为理想的运动控制联轴器。薄而均匀的管子能够在三种基本偏差存在的情况下产生弯曲,这三种偏差为轴向、平行和角向偏差。一般情况下,它可以承受1-2°的角向偏差,0.01-0.02"的平行偏差和轴向偏差。

    这种薄而均匀的管壁只会产生很低的附加轴承载荷,并且在各处的应力等效,没有像其他联轴器那样的循环高负载点和低负载点,且在承受扭矩时能保持足够的扭转刚性。扭转刚度是决定联轴器精度的主要因素,扭转刚度越高,传递的精度越高。在伺服联轴器中,波纹管联轴器是刚性最好的联轴器,是高精度和高重复精度应用的理想选择。针对易腐蚀环境,有的厂商提供不锈钢毂的联轴器,但这样会增加联轴器的重量,降低波纹管联轴器的性能。在实际应用中,铝毂的波纹管联轴器具有低惯性的特点,这对于要求迅速响应的系统十分重要。一些波纹管联轴器的制造商将其作为标准产品应用在高转速应用中(10,000 转/分钟)

6.刚性联轴器

  刚性联轴器:安装轴对中要求高

    顾名思义,刚性联轴器是一种扭转刚度为刚性的联轴器,即使承受负载时也无任何回转间隙。如果系统中有任何安装偏差,则会导致轴、轴承或联轴器过早的损坏,也就是说刚性联轴器无法用在高速的环境下,因为机器高速运转时轴上可能会产生高温,这种高温会导致轴的伸缩变形,而刚性联轴器无法补偿由于轴的伸缩所造成的轴向尺寸偏差。当然,如果轴的轴向相对位移偏差能被成功地控制,在伺服系统中刚性联轴器也会发挥很出色的性能。

    尽管过去人们不赞成把刚性联轴器用在伺服传动中,但由于它具有高扭矩承受力、刚性和零背隙等性能,在运动控制领域中越来越多的用户开始使用小规格的铝合金刚性联轴器。

伺服联轴器关键性能比较

结论

    选择合适的伺服联轴器是整个系统设计的重要组成部分,它会很大地影响到系统的整体性能。因此,在设计过程中应尽早地考虑联轴器的选型,并分别把各种联轴器和系统的功能目标排列对照,这样就可以避免运动控制应用中常见的各种问题。上述我们讨论的每种联轴器都有其各自的特点,适用于各种不同的应用。目前,市场上存在各种类型的联轴器,设计工程师可根据需要选择最合适的联轴器,使系统性能最优且使用寿命最长。

审核编辑(王静)
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