Flexibel schijfkoppelingsontwerp: schijfpakketgeometrie, naven en toepassingspasvorm

Drie schijvenpakketten vielen binnen veertien maanden uit op dezelfde compressor van 250 kW, en elke keer verving het onderhoudspersoneel de koppeling. De oorzaak was 0,9 mm axiale groei waar niemand op had gerekend. Na het uitlijnen had het pakket minder dan 0,5 mm axiale capaciteit over, dus elke warme start duwde de roestvrijstalen lamellen iets dichter bij hun vermoeidheidslimiet.

Dat verhaal draagt ​​de conclusie. Het ontwerp van de flexibele schijfkoppeling is geen koppelberekening met een voetnoot voor verkeerde uitlijning. Het is een zoektocht naar de smalle band waar de koppeling stijf genoeg is om koppel over te brengen zonder opwinden of speling, en flexibel genoeg zodat de krachten die worden teruggevoerd naar de lagers, de bouten en de eigen lamellen binnen hun vermoeidheidsgrenzen blijven. Ontwerp en selectie zijn hetzelfde probleem, gezien vanaf de tegenovergestelde kanten van een offerte.

Hoe een schijfpakket koppel draagt

Een schijfpakket is een stapel dunne roestvrijstalen platen, doorgaans 0,2 mm tot 0,5 mm dik, geperforeerd met zes tot twaalf schakels rond de boutcirkel. Elke plaat wordt afwisselend aan de twee naven bevestigd door middel van gemonteerde bouten, zodat het koppel door de schakels stroomt als spanning aan de ene kant van de koppeling en compressie aan de andere kant. Een verkeerde uitlijning wordt alleen geabsorbeerd door het buigen van de platen. Niets glijdt, niets wordt gesmeerd en niets is van rubber.

Dat ene feit verklaart het hele karakter van het ontwerp: nul speling, geen slijtageoppervlakken, geen elastomeer dat kan verouderen of uitharden, en een temperatuurplafond dat wordt ingesteld door de naven in plaats van door het flexibele element. Het verklaart ook de zwakte. Een koppeling zonder glijdende interface en vrijwel zonder demping heeft heel weinig vermogen om energie te dissiperen, dus welke spanning de schakels ook ondervinden, ze zien ze bij elke omwenteling, gedurende de hele levensduur van de machine.

Het linkprofiel is de eerste echte ontwerpbeslissing. Een schakel met rechte zijden concentreert de buigspanning rond de boutgaten. Een geschulpte of getailleerde schakel verspreidt de kromming over de lengte: de flexibiliteit neemt toe, de piekspanning bij het gat neemt af en de reactiekracht die het pakket bij een bepaalde verkeerde uitlijning terug in de lagers duwt, neemt daarmee af. De prijs is de koppeldichtheid, omdat een geschulpte plaat minder koppel per millimeter breedte heeft dan een rechte plaat, en het pakket moet dat herstellen met meer lagen, meer bouten of een grotere diameter. Plaatdikte, aantal lagen, schakelbreedte en aantal bouten zijn de vier variabelen die bepalen wat de voltooide koppeling kan doen.

Enkele schijf of dubbele schijf: een beslissing over een verkeerde uitlijning

Als het pakket eenmaal is gedefinieerd, rijst de vraag hoeveel pakketten de koppeling nodig heeft. Een eenheid met één schijf plaatst één pakket tussen twee hubs. Het kan comfortabel omgaan met hoek- en axiale verplaatsingen en parallelle offset slecht, wat past bij korte, kortgekoppelde aandrijvingen: servo-assen, kleine pompen en testopstellingen waar beide assen al binnen een paar honderdsten van een millimeter zitten.

Een dubbele schijfkoppeling plaatst een afstandsstuk tussen twee pakketten. Het afstandsstuk zet bij elk pakket de parallelle offset om in een hoekverplaatsing, waardoor een motor en een versnellingsbak op afzonderlijke basisplaten kunnen worden aangesloten zonder met elkaar in gevecht te gaan. De afstandsstuklengte wordt dan een echte ontwerpvariabele: hij bepaalt hoeveel parallelle offset de koppeling kan absorberen, hoeveel hij weegt en hoeveel zijn eigen massa en buiggedrag de aandrijflijn beïnvloeden.

Compacte dubbele schijfontwerpen met korte afstandhouders en klemnaven zijn gebruikelijk waar het bereik krap is, maar parallelle offset nog steeds moet worden geabsorbeerd, zoals bij werktuigmachines en CNC-aandrijvingen.

RSK-CPLF Flexibele dubbelmembraanklemkoppeling van aluminiumlegering Compacte klemkoppeling met dubbel membraan voor CNC-, servo- en stappenaandrijvingen, met naven van aluminiumlegering, 304 roestvrijstalen membranen, hoge stijfheid, lage traagheid en spelingsvrije transmissie. Bekijk Product →

Stijfheidsverhoudingen, reactiekrachten en de lagerrekening

Het koppel bepaalt of de koppeling overleeft. Stijfheid bepaalt of alles eromheen overleeft. Neem het axiale geval, dat het vaakst wordt genegeerd in de offertefase. Stel dat de koppeling die u nodig heeft een axiale stijfheid heeft van ongeveer 250 N/mm, een realistisch cijfer voor een middelgroot schijvenpakket, en dat de as tussen een koude start en volledige belasting 0,8 mm groeit. Het pakket duwt continu ongeveer 200 N terug in het lager, naast de normale lagerbelasting. Bij een kleine motor is dit genoeg om de levensduur van de lagers van jaren naar maanden te verkorten, en geen enkele koppelberekening zal dit ooit uitwijzen.

Torsiestijfheid werkt in de tegenovergestelde richting. Deze wordt uitgedrukt in Nm per radiaal of per graad, en hoe hoger deze is, des te nauwkeuriger volgt de aangedreven as de motor. Voor het positioneren van assen is de hoge torsiestijfheid samen met nul speling de reden dat er überhaupt voor een schijfkoppeling wordt gekozen. Voor een aandrijflijn die tijdens het aanlopen een torsieresonantie moet doorstaan, is diezelfde stijfheid een probleem, en een lage demping maakt de piek scherper. Als de toepassing grote motoren, heen en weer gaande belastingen of een werking met variabele snelheid betreft, hoort de stijfheid van de koppeling thuis in het torsiemodel en niet in een voetnoot.

De praktische regel: vraag bij de offerte aan de leverancier naar torsie-, axiale en radiale stijfheidswaarden, niet alleen naar het koppel en de boring. Je kunt een lagerbelasting of resonantie niet controleren met alleen een koppelwaarde.

Bouten, balans en het snelheidsplafond

De boutverbinding is het onderdeel van het ontwerp dat als eerste wordt bestraft door praktijkervaring. Gemonteerde bouten worden in geruimde gaten tot een gecontroleerde speling geslepen, zodat het koppel wordt overgedragen door de boutschacht bij afschuiving in plaats van door wrijving tussen de lamellen. Dat betekent dat de pasvormklasse van belang is, en dat geldt ook voor de vergrendelingsmethode, omdat een losgedraaide bout in één keer de lastverdeling over het hele pakket verandert.

Snelheid is het andere plafond, en dat is niet lineair. De resterende onbalanskracht neemt toe met het kwadraat van de rotatiesnelheid: ongeveer 1 g-mm onbalans produceert ongeveer 1,1 N rotatiekracht bij 10.000 tpm, en ongeveer 4,4 N bij 20.000 tpm. De kwaliteit van de balans volgt dezelfde logica. Algemene industriële aandrijvingen zijn meestal acceptabel bij G6.3, hogesnelheids- en werktuigmachine-aandrijvingen vereisen normaal gesproken G2.5, en zeer snelle of zeer lichte rotors hebben mogelijk G1 nodig. Boven de nominale snelheid van de koppeling helpt geen enkele mate van balanceren, omdat de limiet voortkomt uit centrifugale spanning in het schijvenpakket zelf. Als het werkpunt dicht bij dat plafond ligt, is een speciaal gebouwd hogesnelheidsontwerp het enige verstandige antwoord.

Materialen: roestvrijstalen pakketten, stalen of aluminium naven

Het schijvenpakket is bijna altijd van austenitisch roestvrij staal, waarbij 301 en 302 de meest voorkomende keuzes zijn vanwege hun combinatie van vermoeiingssterkte en corrosieweerstand. Precipitatiehardende kwaliteiten zoals 17-4 PH verschijnen waar een hogere sterkte of hogere temperatuur vereist is. De hub is waar de materiaalkeuze de toepassing volgt. Naven van aluminiumlegeringen in 6061 of 7075 houden de traagheid laag, wat van belang is op servo-assen waar elke gram roterende massa bijdraagt ​​aan de motorafmetingen. Stalen naven van 1045 of een legeringskwaliteit, vaak met zwarte oxidebehandeling, domineren zware industriële aandrijvingen en aandrijvingen met grote overspanningen, en roestvrijstalen naven worden gebruikt waar washdown- of maritieme atmosfeer aanwezig is.

De naaf-asverbinding verdient meer aandacht dan gewoonlijk. Een spieverbinding introduceert speling die geen enkel spelingvrij schijfpakket kan compenseren, dus klemnaven en sleutelloze vergrendelingsconstructies zijn de normale specificaties bij positionering en aandrijvingen met hoge achteruitversnelling. De omgeving bepaalt, in plaats van de belasting, de oppervlaktebehandeling: zwart worden voor licht corrosieve kamerplanten, roestvrijstalen of geplateerde hardware voor gebruik buitenshuis en op zee.

RSK-CPNLT Zwart getrapte klemkoppeling met dubbel membraan Corrosiebestendige, zwartgeblakerde koppeling voor servo- en stappenmotoren, met spiebaan, 304 roestvrijstalen membranen, 45# stalen naven, klemschroeven en hoge koppelstijfheid. Bekijk Product →

Sitetoleranties: waar een goed ontwerp een slechte installatie wordt

Velduitlijning verandert een correct ontwerp vaker dan welke andere oorzaak dan ook in een onjuiste installatie. Veel voorkomende doelen voor een schijfkoppeling zijn een hoekfout van minder dan 0,5 graden en een axiale instelling binnen 0,5 tot 1,5 mm, maar deze cijfers horen bij de specifieke maat en verpakking, dus ze zouden uit het gegevensblad van de leverancier moeten komen en niet uit gewoonte. De uitlijning moet koud worden gecontroleerd en, als de machine heet wordt, opnieuw worden gecontroleerd op bedrijfstemperatuur, omdat een as die 2 mm groeit in een overspanning van 100 mm de volledige axiale ruimte kan verbruiken van een koppeling die perfect was uitgelijnd op de werkbank.

Twee gewoonten veroorzaken onevenredige schade. De eerste is het gebruik van de koppelbouten om twee assen naar elkaar toe te trekken, waardoor het pakket axiaal wordt voorgespannen voordat de machine zelfs maar is gestart. De tweede meet alleen de hoekfout en negeert de parallelle offset op een eenheid met dubbele schijven, waarbij de afstandhouder deze vergroot tot hoekverplaatsing bij beide pakketten. Bij ontwerpen met drop-out afstandhouders moet de afstandhouder tijdens de montage ook worden ondersteund, zodat het gewicht de pakketten niet buigt voordat de bouten worden aangedraaid.

Mislukkingsmodi die de moeite waard zijn om tegen te ontwerpen

De meeste storingen tijdens het gebruik zijn terug te voeren op een klein aantal herkenbare patronen:

• Vermoeiingsscheuren die uitstralen vanuit de boutgaten in de schijfschakels, zijn bijna altijd het gevolg van aanhoudende verkeerde uitlijning boven de nominale waarde en niet van overbelasting.
• Fretting en gatverlenging, veroorzaakt door microbewegingen in een gewricht waarvan de voorspanning verloren is gegaan.
• Losse of ontbrekende borgmoeren na een herbouw, waardoor de belasting over de resterende bouten wordt verdeeld.
• Naafboring slipt op de as, door een onjuiste pasvorm of door een spieverbinding waarvan werd aangenomen dat deze strak genoeg was.
• Corrosieputjes of spanningscorrosie in washdown-, kust- of chemische atmosferen.
• Torsieresonantie opgewekt door koppelrimpels met dubbele lijnfrequentie, bladpassfrequenties of tandwiel-mesh-frequenties, waarbij de koppelingsstijfheid nooit in het aandrijflijnmodel werd ingevoerd.

Een praktische selectiereeks

Een werkbare volgorde van handelingen, of u nu een koppeling ontwerpt of er een koopt:

1. Bereken het continue koppel uit vermogen en snelheid: koppel in Nm is gelijk aan 9550 keer vermogen in kW gedeeld door snelheid in rpm.
2. Pas een servicefactor toe die de aangedreven machine weerspiegelt, doorgaans 1,5 tot 2 voor soepele ladingen en 2,5 of meer voor heen en weer gaande toepassingen of zware belastingen.
3. Controleer de start-, rem- en afslagkoppels aan de hand van de maximale waarde, niet de continue waarde.
4. Stel de bedrijfssnelheid in en kies vervolgens de balansgraad die de snelheid daadwerkelijk vereist.
5. Stel de echte verkeerde uitlijning vast: hoekig, parallel en axiaal, koud en warm, inclusief productietoleranties tussen de twee machines.
6. Zet een verkeerde uitlijning om in reactiekracht met behulp van de stijfheid van de koppeling en tel deze op bij de lagerbelasting.
7. Controleer de boring, het naaftype, de spiebaan- of klemverbinding, de lengte van het afstandsstuk en het beschikbare bereik.
8. Bevestig de omgeving: temperatuur, vocht, chemicaliën en spoelfrequentie.

Wat hoort bij het onderzoek

Een leverancier die alleen naar boring en koppel vraagt, heeft uw aandrijving niet begrepen en de offerte die terugkomt zal eerder een catalogusnummer dan een oplossing zijn. Stuur continu en piekkoppel, snelheid en inschakelduur, alle drie de componenten voor verkeerde uitlijning, omgevings- en bedrijfstemperatuur, blootstelling aan corrosie, beschikbare omhulling, boring en verbindingstype, en de balansklasse als de snelheid hoog is. Die acht items zijn het verschil tussen een koppeling die stilletjes langer meegaat dan de lagers ernaast en een koppeling die een gepland verbruiksartikel wordt.

Als dezelfde fabriek meerdere koppelingstypes gebruikt, van servomembraanunits tot zware tandwielkoppelingen, is een algemene selectiereferentie over DIN-koppelingstypen en -normen een nuttige aanvulling op een enkele offerte, omdat het de vergelijking tussen kandidaat-ontwerpen concreet maakt in plaats van verbaal.

DIN-koppelingstypen, normen en selectiegids