ساختار و اصل کار یک کوپلینگ انعطاف پذیر غیر الاستیک چیست؟

طبقه بندی کوپلینگ ها و نقش انواع غیر الاستیک انعطاف پذیر

کوپلینگ ها به طور کلی بر اساس اینکه آیا جابجایی نسبی شفت را مجاز می دانند به دو دسته تقسیم می شوند:

• کوپلینگ های سفت و سخت نیاز به تراز دقیق هر دو شفت دارد و اجازه جابجایی نسبی در هیچ جهتی را نمی دهد. آنها گشتاور را مستقیماً منتقل می کنند و فقط در جایی استفاده می شوند که بتوان تراز شفت را تضمین و حفظ کرد.
• کوپلینگ های انعطاف پذیر درجه مشخصی از ناهماهنگی محوری، شعاعی یا زاویه‌ای بین شفت‌های متصل را در خود جای می‌دهد، و آنها را برای طیف وسیع‌تری از شرایط نصب مناسب می‌سازد.

کوپلینگ های انعطاف پذیر بیشتر به دو نوع تقسیم می شوند:

• کوپلینگ های انعطاف پذیر الاستیک از عناصر ارتجاعی مانند درج های لاستیکی یا پلی اورتان استفاده کنید. این عناصر ارتعاش و بارهای شوک بافر را جذب می کنند، اما انعطاف پذیری مواد الاستیک، سفتی انتقال و ظرفیت بار را محدود می کند.
• کوپلینگ های انعطاف پذیر غیر الاستیک فاقد عناصر الاستیک است. جبران ناهماهنگی از طریق حرکت نسبی بین اجزای مکانیکی سفت و سخت - لغزشی، چرخشی، یا مش بندی کنتاکت ها به دست می آید. این ساختار سختی انتقال بالا و ظرفیت بار قوی را ارائه می دهد، اگرچه هیچ میرایی ارتعاشی ذاتی ایجاد نمی کند.

انواع اصلی از کوپلینگ های انعطاف پذیر غیر الاستیک شامل شود کوپلینگ دنده، کوپلینگ اولدام (کراس لغزنده)، کوپلینگ مفصل جهانی (کاردان) و کوپلینگ زنجیره ای ، هر یک فرم ساختاری متمایز و طیف وسیعی از کاربردهای مناسب را ارائه می دهند.

اجزای ساختاری اصلی

علی‌رغم تفاوت‌های ساختاری، تمام کوپلینگ‌های انعطاف‌پذیر غیر الاستیک دارای یک مجموعه مشترک از اجزای عملکردی هستند.

نیمه کوپلینگ های رانندگی و رانده

هر مجموعه کوپلینگ از دو نیمه کوپلینگ تشکیل شده است که یکی روی محور محرک و دیگری روی شفت محرک نصب شده است. آنها برای اطمینان از چرخش همزمان، توسط کلیدها، اسپلاین ها یا تداخل به شفت های مربوطه خود ثابت می شوند. نیمه کوپلینگ ها عناصر اصلی انتقال دهنده گشتاور هستند و هستند معمولاً از چدن، فولاد چدنی یا فولاد آهنگری ساخته می شود ، با توجه به مقدار بار و محیط عملیاتی انتخاب می شود.

عنصر انتقال میانی

عنصر میانی مؤلفه ای است که جبران ناهماهنگی را امکان پذیر می کند. شکل آن بر اساس نوع کوپلینگ متفاوت است: کوپلینگ‌های چرخ دنده از توپی‌های چرخ دنده خارجی که با آستین‌های دنده داخلی مشبک شده‌اند، استفاده می‌کنند. کوپلینگ های اولدام از یک دیسک مرکزی با دو مجموعه کلیدهای رانندگی عمود بر یکدیگر استفاده می کنند. کوپلینگ های مشترک جهانی از یک برش متقاطع شکل استفاده می کنند. کوپلینگ های زنجیره ای از زنجیر غلتکی دو رشته ای استفاده می کنند. طراحی عنصر میانی به طور مستقیم ظرفیت جبران جابجایی کوپلینگ و عملکرد تحمل بار را تعیین می کند.

سیستم آب بندی و روغن کاری

برای انواع کوپلینگ هایی که نیاز به روغن کاری دارند - به ویژه کوپلینگ های دنده ای - یک سیستم آب بندی موثر ضروری است. درزگیرها گریس روان کننده را در محفظه کوپلینگ نگه می دارند و از ورود آلاینده های خارجی به مناطق تماس جلوگیری می کنند. یکپارچگی سیستم آب بندی ارتباط مستقیمی با عمر مفید دارد. پیکربندی های رایج آب بند شامل مهر و موم های O-ring، مهر و موم لبه با فنر بند و مهر و موم لابیرنت است.

چسباندن و مکان یابی عناصر

پیچ ها، حلقه های نگهدارنده و صفحات انتهایی موقعیت محوری هر جزء را ثابت می کنند و از مهاجرت محوری در حین کار جلوگیری می کنند. این عناصر تضمین می کنند که کوپلینگ به درستی تحت بارهای دینامیکی که در سرویس با آن مواجه می شوند، مونتاژ می شود.

ساختار و اصل کار هر نوع کوپلینگ

کوپلینگ دنده

کوپلینگ دنده ای پرکاربردترین کوپلینگ انعطاف پذیر غیر الاستیک برای کاربردهای با گشتاور بالا و سرعت بالا است. ساختار آن شامل دو توپی دندانه دار خارجی - یکی در هر شفت - و دو آستین دندانه دار داخلی است که به هم متصل شده اند تا یک محفظه روان کننده مهر و موم شده را تشکیل دهند که هر دو شبکه چرخ دنده را در بر می گیرد.

گشتاور از طریق تماس مشبک بین دندانه های چرخ دنده خارجی روی توپی ها و دندانه های چرخ دنده داخلی در آستین ها منتقل می شود. هنگامی که ناهماهنگی زاویه ای بین دو شفت وجود دارد، پروفیل دندان تاج دار (بشکه ای شکل). چرخ دنده خارجی به توپی اجازه می دهد تا در داخل آستین تکان بخورد و زاویه زاویه را تطبیق دهد. ناهماهنگی شعاعی با یک جابجایی جانبی کوچک هر توپی در آستین آن جبران می شود. شعاع تاج دندان‌های خارجی حداکثر جابه‌جایی زاویه‌ای مجاز را تعیین می‌کند - شعاع تاج بزرگ‌تر امکان آفست زاویه‌ای بیشتر را فراهم می‌کند.

کوپلینگ‌های دنده معمولاً انحراف زاویه‌ای را در نظر می‌گیرند 0.5 درجه تا 1.5 درجه . راندمان انتقال بالا است، اغلب بیش از 99٪ است، و آنها را به انتخاب ترجیحی برای درایوهای آسیاب نورد، بالابرهای معدن و انتقال دوک ماشین ابزار سنگین تبدیل می کند.

کوپلینگ اولدام (کوپلینگ متقاطع لغزنده)

کوپلینگ اولدهام شامل دو نیمه کوپلینگ است که هر کدام دارای یک شکاف قطری بر روی صورت خود هستند و یک دیسک میانی مرکزی حاوی دو جفت کلید رانندگی با جهت 90 درجه نسبت به یکدیگر. کلیدها شیارهای نیم کوپلینگ را درگیر می کنند تا اتصالات کشویی ایجاد شود.

گشتاور از طریق سطوح تماس بین کلیدها و شکاف ها منتقل می شود. هنگامی که دو شفت به صورت شعاعی جابجا می شوند، دیسک مرکزی به طور مستقل در داخل هر شکاف نیمه کوپلینگ می لغزد و لغزش نسبی کلیدها در داخل شکاف ها جابجایی شعاعی را جذب می کند. دیسک میانی به عنوان یک مکانیسم حرکتی متقابل عمل می کند ، به دو شفت اجازه می دهد تا نسبت به یکدیگر در هر جهت شعاعی بدون وقفه در انتقال گشتاور ترجمه شوند.

کوپلینگ های اولدام در ساخت ساده و مقرون به صرفه هستند. آنها برای کاربردهای کم سرعت (معمولاً بیش از 250 دور در دقیقه) با انحراف شعاعی نسبتاً بزرگ - معمولاً تا تقریباً 0.04 برابر قطر شفت . در سرعت‌های بالاتر، نیروهای گریز از مرکز تولید شده توسط جرم غیرمرکز دیسک لغزنده، بارهای دینامیکی بیشتری را روی شفت ایجاد می‌کنند که این نوع را برای درایوهای پرسرعت نامناسب می‌سازد.

کوپلینگ مشترک جهانی (کوپلینگ کاردان)

اتصال یونیورسال نوع متقاطع از دو فلنج چنگال (یوغ) و یک بند صلیبی شکل تشکیل شده است. چهار ژورنال صلیب هر کدام از طریق غلتک سوزنی به یک سوراخ یاتاقان در یکی از دو یوغ متصل می شوند و دو مفصل لولای متقابل عمود بر یکدیگر را تشکیل می دهند.

گشتاور از شفت محرک به یوغ محرک، از طریق بند متقاطع به یوغ رانده و به شفت محرک منتقل می شود. از آنجا که اتصالات بین صلیب و هر دو یوغ لولا است، کوپلینگ می تواند گشتاور را با زاویه تقاطع شفت تا 35-45 درجه منتقل کند. با انحرافات زاویه ای بسیار فراتر از قابلیت دنده یا کوپلینگ اولدهام.

یک ویژگی سینماتیکی مهم باید ذکر شود: هنگامی که یک اتصال جهانی منفرد با زاویه شفت غیر صفر کار می کند، شفت محرک حتی زمانی که محور محرک با سرعت ثابت می چرخد ​​به طور یکنواخت نمی چرخد. سرعت زاویه ای شفت محرک دو بار در هر دور نوسان می کند و دامنه نوسان با زاویه شفت افزایش می یابد. برای حذف این عدم یکنواختی سرعت، یک آرایش مشترک جهانی دوگانه در عمل استفاده می شود - دو اتصال که توسط یک شفت میانی به طول مساوی، با زوایای یکسان در هر دو انتها و دو یوغ شفت میانی در یک صفحه قرار گرفته اند. این هندسه باعث می شود که نوسانات سرعت در هر مفصل لغو شود و سرعت خروجی یکنواخت را ارائه دهد. کوپلینگ های مشترک جهانی به طور گسترده در محورهای محرک خودرو، میزهای غلتکی آسیاب نورد و ماشین آلات ساختمانی استفاده می شوند.

کوپلینگ زنجیری

کوپلینگ زنجیر از دو چرخ دنده یکسان تشکیل شده است - یکی بر روی هر محور نصب شده است - که توسط یک زنجیر غلتکی دو رشته ای به هم متصل شده و در یک پوشش محافظ برای جلوگیری از جدا شدن زنجیر و ورود آلودگی قرار گرفته است.

گشتاور از شفت محرک از طریق تماس مشبک بین دندانه‌های چرخ‌دنده و غلتک‌های زنجیر، در امتداد زنجیره به چرخ‌دنده و شفت منتقل می‌شود. فاصله بین دندانه های زنجیر و چرخ زنجیر، همراه با انعطاف هندسی اندک حلقه های زنجیر، به کوپلینگ اجازه می دهد تا انحراف محوری، شعاعی و زاویه ای را به طور همزمان جبران کنید . کمک هزینه های معمولی تقریباً یک گام زنجیره در جهت محوری، حدود 0.02 برابر گام زنجیره به صورت شعاعی و حدود 1 درجه زاویه ای است.

مونتاژ و جداسازی کوپلینگ های زنجیری ساده است - جداسازی پیوند اصلی به دو شفت اجازه می دهد تا بدون ایجاد مزاحمت برای سایر اجزای محرک کاملاً جدا شوند. این باعث می شود که آنها به ویژه برای کاربردهایی با معکوس مکرر، چرخه های شروع مکرر یا محیط های فشرده تعمیر و نگهداری مناسب باشند و معمولاً در سیستم های نوار نقاله، ماشین آلات کشاورزی و تجهیزات نساجی یافت می شوند.

جبران ناهماهنگی: یک تحلیل عمیق

توانایی جبران جابجایی نسبی شفت مشخصه تعیین کننده ای است که کوپلینگ های انعطاف پذیر را از همتایان صلب خود متمایز می کند. سه دسته از ناهماهنگی شفت در عمل مهندسی به رسمیت شناخته شده است:

• جابجایی محوری (δx): حرکت نسبی دو سر شفت در امتداد محور مشترکشان که معمولاً به دلیل انبساط حرارتی شفت ها یا محفظه ها در حین کار یا تحمل نصب ایجاد می شود.
• جابجایی شعاعی (δy): شرایطی که در آن دو محور شفت موازی هستند اما همزمان نیستند - یک افست جانبی عمود بر محور شفت. این از خطاهای نصب، نشست فونداسیون یا انحراف تحت بار ناشی می شود.
• جابجایی زاویه ای (α): شرایطی که در آن دو محور شفت با زاویه ای تلاقی می کنند. دلایل آن عبارتند از خطای نصب، سایش یاتاقان و تغییر شکل قاب دستگاه تحت بار.

کوپلینگ های انعطاف پذیر غیر الاستیک این انحرافات را از طریق حرکت نسبی بین عنصر میانی و نیمه کوپلینگ ها تطبیق می دهند. با این حال، این غرامت نامحدود نیست - هر نوع کوپلینگ دارای حداکثر جابجایی تعیین شده است . عملکرد فراتر از این محدودیت ها باعث افزایش سریع بارهای اضافی بر روی شفت ها و یاتاقان ها، تسریع سایش و به طور بالقوه منجر به شکست زودرس می شود. بنابراین تراز دقیق در حین نصب حتی برای کوپلینگ های انعطاف پذیر ضروری است.

بر خلاف کوپلینگ های الاستیک، که از طریق تغییر شکل یک عنصر سازگار، ناهماهنگی را جذب می کنند، کوپلینگ های انعطاف پذیر غیر الاستیک هنگام جبران جابجایی، تماس لغزشی یا چرخشی بین اجزای صلب ایجاد می کنند. این نیروهای تماسی به صورت ممان‌های خمشی تکمیلی و نیروهای محوری اعمال‌شده بر روی شفت‌ها و یاتاقان‌های متصل ظاهر می‌شوند. و باید در آنالیز مکانیکی در طول فرآیند انتخاب کوپلینگ گنجانده شود.

مقایسه پارامترهای عملکرد

جدول زیر یک نمای کلی مقایسه ای از پارامترهای عملکرد کلیدی چهار نوع اصلی کوپلینگ انعطاف پذیر غیر الاستیک ارائه می دهد.

اصول انتخاب جفت

انتخاب صحیح کوپلینگ یک پیش نیاز برای عملکرد قابل اعتماد و عمر طولانی است. معیارهای زیر باید به طور سیستماتیک در طول فرآیند انتخاب ارزیابی شوند:

1. گشتاور طراحی را تعیین کنید. گشتاور اسمی عملیاتی را در یک ضریب سرویس ضرب کنید که نوع محرک اصلی (موتور الکتریکی، موتور احتراق داخلی) و ویژگی‌های بار ماشین رانده (شوک صاف، متوسط، شوک سنگین) را در بر می‌گیرد. فاکتورهای خدمات معمولاً از 1.2 تا 3.0 متغیر است.
2. نوع و مقدار ناهماهنگی را ارزیابی کنید. تشخیص دهید که آیا انحراف غالب شعاعی، زاویه ای یا محوری است و بزرگی آن را بر اساس شرایط نصب تخمین بزنید. نوع کوپلینگی را انتخاب کنید که ظرفیت جبران آن با ناهماهنگی مورد انتظار مطابقت داشته باشد یا بیشتر از آن باشد.
3. سرعت عمل را در نظر بگیرید. کوپلینگ های دنده ای انتخاب ارجح برای درایوهای با سرعت بالا هستند. کوپلینگ‌های اولدام برای کاربردهای کم سرعت با افست شعاعی بزرگ مناسب هستند. مفاصل جهانی انحرافات زاویه ای بزرگ را کنترل می کنند. کوپلینگ های زنجیره ای برای کاربردهای با سرعت متوسط ​​تا کم که نیاز به معکوس کردن یا شروع مکرر دارند مناسب هستند.
4. ارزیابی محیط عملیاتی دماهای بالا، محیط های خورنده، گرد و غبار و رطوبت الزامات بیشتری را بر مواد و آب بندی تحمیل می کنند. برنامه های کاربردی در دمای بالا به گریس های روان کننده مقاوم در برابر حرارت نیاز دارند. محیط های خورنده ممکن است به اجزای فولاد ضد زنگ یا پوشش های محافظ نیاز داشته باشند.
5. دسترسی به تعمیر و نگهداری را در نظر بگیرید. کوپلینگ‌های زنجیره‌ای ساده‌ترین روش جداسازی قطعات را ارائه می‌کنند و برای نصب‌هایی که نیاز به تعمیر و نگهداری دارند مناسب هستند. کوپلینگ های دنده ای نیاز به پر کردن دوره ای گریس در یک برنامه خدماتی تعریف شده دارند.

دستورالعمل های نصب و تجزیه و تحلیل شکست

دستورالعمل های نصب کلیدی

کیفیت نصب تاثیر مستقیم و پایداری بر عملکرد کوپلینگ و عمر سرویس دارد. اقدامات زیر باید رعایت شود:

• قبل از مونتاژ، انتهای شفت، راه های کلید و سطوح سوراخ را کاملا تمیز کنید. برای اطمینان از کیفیت مناسب، همه خراش ها، خوردگی ها و آلودگی ها را بردارید.
• از نشانگر شماره گیری برای اندازه گیری افت شعاعی و صورت در حین تراز استفاده کنید. تأیید کنید که مقادیر ناهماهنگی واقعی در محدوده‌های جبرانی رتبه‌بندی کوپلینگ قرار دارند - بازرسی بصری یا بررسی مستقیم به تنهایی کافی نیست .
• پس از نصب کوپلینگ دنده، آن را با درجه و مقدار مشخص شده گریس روان کننده پر کنید تا از روانکاری کافی تمام سطوح تماس دندان از راه اندازی اولیه اطمینان حاصل کنید.
• پوشش محافظ را با توجه دقیق به یکپارچگی آب بندی نصب کنید. آب بندی ناکافی باعث خروج گریس می شود و به ذرات ساینده اجازه می دهد تا وارد منطقه مشبک شوند.
• تمام پیچ‌های بست را به صورت تدریجی و به صورت متقاطع با گشتاور مشخص شده ببندید و از اعوجاج ناشی از بستن ناهموار جلوگیری کنید.

حالت های رایج شکست

درک حالت های خرابی مشخصه هر نوع کوپلینگ از نظارت موثر وضعیت و نگهداری به موقع پشتیبانی می کند:

• سایش سطح دندان (کوپلینگ دنده): ناشی از روانکاری ناکافی، تخریب روانکار، یا عملکرد پایدار فراتر از حد نامرتبط نامناسب. سایش پیشرونده منجر به افزایش واکنش، لرزش و در نهایت حفره شدن یا شکستگی دندان می شود.
• لباس لغزنده (کوپلینگ اولدام): با عملکرد با سرعت بالا، اضافه بار، یا روغن کاری ضعیف سطوح تماس کلید و شکاف تسریع می شود. سایش باعث ایجاد فاصله می شود که باعث بارگذاری ضربه و تسریع بیشتر خرابی می شود.
• شکستگی ناشی از خستگی زنجیره ای (کوپلینگ های زنجیره ای): تنش های چرخشی کششی و خمشی در حلقه های زنجیره باعث شروع و انتشار ترک خستگی می شود. توزیع ناهموار بار در عرض زنجیره ناشی از ناهماهنگی زاویه ای این فرآیند را تسریع می کند.
• خرابی بلبرینگ ضربدری (مفاصل جهانی): روغن کاری ناکافی، بارگذاری بیش از حد، یا عملکرد فراتر از زاویه نامی شفت منجر به سایش و انسداد یاتاقان سوزنی می شود و در نهایت منجر به شکستگی تنه می شود.
• ترک خوردگی یا شکستگی نیمه کوپلینگ: بارهای ضربه ای بیش از حد، عیوب مواد، یا ناهماهنگی شدید که باعث ایجاد گشتاورهای خمشی تکمیلی بیش از تنش مجاز ماده می شود، می تواند باعث ایجاد ترک های خستگی در بدنه هاب شود.

برنامه نگهداری و بازرسی

یک برنامه نگهداری سیستماتیک برای حفظ عملکرد و افزایش طول عمر کوپلینگ های انعطاف پذیر غیر الاستیک ضروری است. اقدامات زیر باید در برنامه نگهداری تجهیزات گنجانده شود:

• پر کردن روان کننده برنامه ریزی شده: کوپلینگ‌های دنده و زنجیر باید با توجه به فواصل زمانی سرویس سازنده، گریس روان‌کننده آن‌ها پر یا تعویض شوند - معمولاً هر 2000 تا 4000 ساعت کار برای پر کردن، با تعویض کامل گریس حداقل یک بار در سال.
• تأیید تراز در تعمیرات اساسی: هر زمان که یاتاقان ها تعویض می شوند، پایه ها تعمیر می شوند یا لرزش قابل توجهی مشاهده می شود، تراز کوپلینگ را دوباره بررسی کنید. نشست فونداسیون و چرخه حرارتی می تواند وضعیت تراز را در طول زمان تغییر دهد.
• ارزیابی سایش عناصر فعال: به طور دوره ای دندانه های چرخ دنده، کلیدهای لغزنده، حلقه های زنجیر و یاتاقان های چرخ دنده را از نظر سایش بررسی کنید. برای جلوگیری از آسیب ثانویه به شفت ها، یاتاقان ها و تجهیزات متصل، قطعاتی را که به حد سایش رسیده اند قبل از وقوع خرابی تعویض کنید.
• بازرسی وضعیت مهر و موم: مهر و موم لب، حلقه های O و واشرهای پوششی را از نظر علائم پیری، تغییر شکل یا آسیب بررسی کنید. با تعویض سریع عناصر آب بندی آسیب دیده، هرگونه نشتی را برطرف کنید.
• نظارت عملیاتی مستمر: در حین کارکرد عادی، لرزش غیرعادی، صدای غیرعادی، یا دمای بالا را در محل اتصال کنترل کنید. هر یک از این شاخص ها قبل از ایجاد آسیب بیشتر، تحقیقات فوری را تضمین می کند.