Tandwielkoppeling en askoppeling: typen, hoe ze werken en selectie

Elke roterende machine die kracht overbrengt tussen twee assen heeft een koppeling nodig: een mechanisch apparaat dat de assen met elkaar verbindt, koppel overbrengt en de onvermijdelijke kleine verkeerde uitlijningen beheert die optreden in echte installaties. Tandwielkoppelingen behoren tot de meest capabele en breed inzetbare typen askoppelingen en worden vertrouwd in staalfabrieken, mijnbouwapparatuur, turbines en zware industriële aandrijvingen, juist omdat ze een hoog koppelvermogen combineren met een betekenisvolle afwijkingstolerantie. Begrijpen hoe tandwielkoppelingen werken, hoe ze zich verhouden tot andere typen askoppelingen en hoe u de juiste koppeling voor een bepaalde toepassing selecteert, vormt de basis van goede aandrijftechniek.

Wat is een askoppeling?

Een askoppeling is een mechanisch onderdeel dat twee roterende assen met elkaar verbindt om koppel en rotatiebeweging over te brengen van een aandrijfas (verbonden met een motor of motor) naar een aangedreven as (verbonden met een pomp, versnellingsbak, compressor of andere belasting). Deze basisfunctie – koppeloverbrenging – is de belangrijkste taak van de koppeling, maar werkt zelden alleen.

In de praktijk vervullen askoppelingen tegelijkertijd drie verschillende rollen. Ten eerste brengen ze koppel en vermogen over tussen assen die mogelijk met verschillende snelheden of belastingen draaien. Ten tweede zijn ze geschikt voor verkeerde uitlijning van de as: de hoek-, parallelle en axiale afwijkingen die optreden tussen aandrijf- en aangedreven assen als gevolg van productietoleranties, thermische uitzetting, zetting van de fundering en montagefouten. Ten derde beschermen ze aangesloten apparatuur door schokbelastingen te absorberen, trillingen te dempen en in sommige ontwerpen te fungeren als een mechanische zekering die uitvalt voordat de duurdere componenten (motoren, versnellingsbakken, pompen) beschadigd raken.

Geen enkele askoppeling voldoet perfect aan alle drie de eisen tegelijk. Het selectieproces omvat altijd afwegingen tussen koppelcapaciteit, tolerantie voor verkeerde uitlijning, torsiestijfheid, onderhoudsvereisten en kosten.

De belangrijkste categorieën askoppelingen

Askoppelingen kunnen worden onderverdeeld in twee fundamentele categorieën, gebaseerd op de manier waarop ze omgaan met verkeerde uitlijning en schokken.

Starre koppelingen verbinden assen zonder enige flexibiliteit - ze brengen koppel over zonder accommodatie voor verkeerde uitlijning. Dit maakt ze alleen geschikt waar assen nauwkeurig zijn uitgelijnd en naar verwachting zo zullen blijven, zoals bij sommige door lagers ondersteunde verticale pomptoepassingen. Elke verkeerde uitlijning in een star gekoppeld systeem wordt direct als buigspanning overgebracht op de aangesloten assen en lagers, waardoor de slijtage wordt versneld en mogelijk voortijdige uitval wordt veroorzaakt.

Flexibele koppelingen komen veel vaker voor in de industriële praktijk en zijn zelf verdeeld in twee families. Mechanisch flexibele koppelingen bereiken hun flexibiliteit door loszittende, glijdende of rollende mechanische elementen - tandwielkoppelingen, kettingkoppelingen en roosterkoppelingen (kronkelige veer) vallen allemaal in deze categorie. Materieel flexibele koppelingen bereiken flexibiliteit door de elastische vervorming van een meegevend element - kaakkoppelingen (spiderkoppelingen), bandkoppelingen, membraankoppelingen, balkkoppelingen en balgkoppelingen zijn voorbeelden. Elke familie heeft verschillende prestatiekenmerken op het gebied van koppelcapaciteit, uitlijningsbereik, torsiestijfheid, trillingsdemping en onderhoudsbehoeften.

Wat is een tandwielkoppeling?

Een tandwielkoppeling is een mechanisch flexibele askoppeling die koppel overbrengt door het in elkaar grijpen van externe tandwieltanden op naven met interne tandwieltanden op flensbussen. De standaardconfiguratie bestaat uit twee naven – één op elke as gemonteerd – elk met een stel gekroonde externe tandwieltanden. Deze naven grijpen in op twee intern gegroefde flensbussen die aan hun flenzen aan elkaar zijn vastgeschroefd om een ​​stijve buitenbehuizing te vormen. Het koppel stroomt van de aandrijfas via de externe tanden van de naaf, naar de interne tanden van de bus, over de geschroefde flensverbinding en naar buiten via de aangedreven naaf en as.

De mechanische flexibiliteit van een tandwielkoppeling komt volledig voort uit de schommelende en glijdende beweging van de gekroonde externe tandwieltanden tegen de interne hulstanden. Wanneer de assen afwijken van een perfecte uitlijning, verschuiven de tandwieltanden hun contactpositie binnen de huls in plaats van die verkeerde uitlijning als een buigbelasting op de assen over te brengen. Deze glijdende werking vereist smering (vet of olie) om slijtage aan de contactvlakken van de tanden te voorkomen, waardoor tandwielkoppelingen periodieke onderhoudscomponenten zijn in plaats van onderhoudsvrije ontwerpen.

Tandwielkoppelingen voor industriële toepassingen met hoog koppel zijn de standaardkeuze overal waar maximale koppeldichtheid – het hoogste koppelvermogen in verhouding tot de koppelingsdiameter – het primaire selectiecriterium is, gecombineerd met de vereiste om betekenisvolle verkeerde uitlijning van de as aan te pakken.

Standaard versus trommel (gekroonde) tandwieltanden

Het onderscheid tussen standaard rechte tandwieltanden en gekroonde (trommel) tandwieltanden is van cruciaal belang voor het begrijpen van de prestaties van tandwielkoppelingen. Vroege tandwielkoppelingen gebruikten recht uitgesneden externe tanden op de naaf: cilindrische tanden zonder kromming over de lengte. Deze brengen het koppel effectief over, maar tolereren slechts een zeer kleine hoekafwijking voordat er randbelasting ontstaat bij het tandcontact, waardoor de spanning zich concentreert op één uiteinde van het tandvlak en de slijtage wordt versneld.

Gekroonde tandwieltanden - ook wel trommeltanden genoemd - hebben een convex profiel langs de tandlengte, waarbij het tandvlak zo gebogen is dat het middelpunt een iets grotere diameter heeft dan de randen. Wanneer de naaf kantelt ten opzichte van de huls onder een verkeerde hoekuitlijning, schommelt de gekroonde tand op zijn gebogen oppervlak en handhaaft hij een meer uniforme contactverdeling over het volledige vlak in plaats van de spanning op één rand te concentreren. Dankzij deze geometrie kunnen gekroonde tandwielkoppelingen aanzienlijk grotere hoekafwijkingen opvangen – doorgaans tot 1,5° per tandwielingrijping, vergeleken met fracties van een graad voor ontwerpen met rechte tanden – terwijl een aanvaardbare tandoppervlaktedruk en levensduur behouden blijven.

Het midden van de bol van de gekroonde tand bevindt zich op de as van de schacht en de tandspeling is opzettelijk iets groter dan bij ontwerpen met rechte tanden. Deze combinatie van geometrie en speling maakt de grotere hoekverplaatsingscapaciteit mogelijk, waardoor trommeltandwielkoppelingen het voorkeurstype zijn voor de meeste moderne industriële toepassingen waarbij een verkeerde uitlijning van de as bij installatie niet volledig kan worden geëlimineerd.

Koppelcapaciteit en tolerantie voor verkeerde uitlijning

Tandwielkoppelingen brengen het hoogste koppel over van elk type flexibele koppeling voor een gegeven buitendiameter. Dit voordeel in koppeldichtheid is een direct resultaat van het tandwieltandaangrijpingsmechanisme: meerdere tanden delen de belasting tegelijkertijd over een relatief groot contactoppervlak, waardoor de spanning efficiënt wordt verdeeld. Waar een elastomere kaakkoppeling of balkkoppeling met dezelfde diameter een vermogen van een paar honderd Newtonmeter kan aankunnen, kan een tandwielkoppeling met een identieke buitendiameter enkele duizenden Newtonmeters aan - een verschil in koppelcapaciteit van een factor tien of meer.

De tolerantie voor verkeerde uitlijning in tandwielkoppelingen omvat alle drie soorten asafwijkingen. Hoekafwijking – waar de hartlijnen van de schacht elkaar onder een hoek snijden – wordt opgevangen door de schommelende werking van gekroonde tanden; typische waarden zijn 0,5° tot 1,5° per buigpunt, met twee buigpunten per koppeling (één op elke naaf-hulsinterface). Axiale verplaatsing - waarbij de ene as langs zijn eigen as beweegt ten opzichte van de andere - wordt opgevangen door het verschuiven van de naaf in de huls langs de tandvlakken. Parallelle offset - waarbij de hartlijnen van de as evenwijdig zijn maar zijdelings verplaatst - wordt opgevangen door een verkeerde hoekuitlijning op beide buigpunten tegelijkertijd te combineren, wat betekent dat de parallelle offsetcapaciteit een functie is van de hoekcapaciteit en de afstand tussen de twee buigpunten.

Het is belangrijk op te merken dat de capaciteit voor verkeerde uitlijning en de werking van continue verkeerde uitlijning verschillende dingen zijn. Tandwielkoppelingen kunnen de gespecificeerde verkeerde uitlijning zonder schade verdragen, maar als ze continu op maximale verkeerde uitlijning werken, wordt de tandslijtage versneld en de vraag naar smering groter. De beste praktijk is om assen zo nauwkeurig als praktisch mogelijk uit te lijnen en het vermogen tot verkeerde uitlijning van de koppeling te gebruiken als buffer voor thermische groei en kleine zettingen, in plaats van als vervanging voor een goede uitlijning.

Soorten tandwielkoppelingen

Koppelingen met volledige versnelling hebben tandwieltanden op beide naven, waarbij beide naafhulsinterfaces een buigpunt vormen. Dit is de standaardconfiguratie en is geschikt voor alle drie soorten verkeerde uitlijning, zoals hierboven beschreven. Het is het meest voorkomende ontwerp in zware industriële toepassingen.

Halfversnellingskoppelingen combineer één flexibele versnellingsnaaf-hulsinterface met één stijve flensnaaf. De stijve helft is verbonden met één as met een standaard vastgeschroefde flens, terwijl de flexibele helft de normale externe/interne tandwielopstelling gebruikt. Dit ontwerp wordt gebruikt waar één verbindingspunt geen aanpassing van de uitlijning vereist, bijvoorbeeld wanneer één as direct wordt ondersteund door een lager dat zich heel dicht bij de koppeling bevindt, terwijl de andere verbinding flexibiliteit nodig heeft.

Starre tandwielkoppelingen maken gebruik van recht gesneden tanden met nauwe toleranties en zijn ontworpen voor hogesnelheidstoepassingen waarbij een nauwkeurige uitlijning van de as behouden blijft en de primaire vereiste een slipvrije koppeloverbrenging is in plaats van aanpassing van verkeerde uitlijning. Dit zijn nauwkeurig vervaardigde componenten die worden gebruikt in turbine- en hogesnelheidscompressoraandrijvingen.

Geflensde tandwielkoppelingen gebruik korte hulzen omgeven door een loodrechte flens, waarbij één huls op elke as is gemonteerd en de twee flenzen tegenover elkaar zijn vastgeschroefd. Dit compacte ontwerp is gebruikelijk bij industriële aandrijvingen met matige snelheid, waarbij de totale koppelingslengte moet worden geminimaliseerd.

Vergelijkingstabel askoppelingen

Verschillende koppelingstypen passen bij verschillende bedrijfsvereisten. Deze tabel vat de belangrijkste kenmerken van de belangrijkste categorieën askoppelingen samen ter ondersteuning van selectiebeslissingen:

Hoe u de juiste askoppeling selecteert

De selectie van askoppelingen volgt vijf belangrijke dimensies. Het systematisch aanpakken van elk probleem leidt tot de juiste keuze voor de toepassing in plaats van tot de meest bekende of meest beschikbare optie.

Koppel- en vermogensvereisten. Begin met het piekkoppel dat de koppeling moet overbrengen – niet het nominale motorkoppel, maar de werkelijke piek, inclusief opstartpieken, schokbelastingen en servicefactorvermenigvuldigers. Tandwielkoppelingen kunnen de hoogste koppeldichtheid aan. Voor matig koppel bij algemeen industrieel gebruik, kettingkoppelingen voor algemeen industrieel gebruik met matig koppel een robuust en kosteneffectief alternatief bieden. Voor schokbelastingstoepassingen met hoge capaciteit, zoals brekers en zware transportbanden, kronkelige veerkoppelingen voor schokbelastingstoepassingen met hoge capaciteit bieden progressieve torsiestijfheid die impactenergie absorbeert voordat deze aangesloten apparatuur bereikt.

Type en omvang van de verkeerde uitlijning. Bepaal welk type verkeerde uitlijning aanwezig is (hoekig, parallel, axiaal of een combinatie daarvan) en hoe groot deze is. Tandwielkoppelingen kunnen gecombineerde uitlijnfouten goed aan. Voor grote hoekverplaatsingen tussen assen die niet van begin tot eind kunnen worden gepositioneerd, cardanassen voor toepassingen met grote hoekverplaatsing breid de koppelingsfunctie uit over aanzienlijke afstanden en hoeken die conventionele koppelingen niet kunnen overbruggen.

Snelheids- en precisievereisten. Hoge rotatiesnelheden vereisen een nauwkeurige balans en trillingsarme koppelingsontwerpen. Voor snelle turbomachines en precisieaandrijvingen, hogesnelheidsmembraankoppelingen voor precisieaandrijfsystemen combineren onderhoudsvrije werking met de torsiestijfheid en balanskwaliteit die hogesnelheidstoepassingen vereisen. Voor bewegingscontrolesystemen – CNC-machines, robotica, servo-assen – waarbij nulspeling en nauwkeurige hoekgetrouwheid essentieel zijn, servokoppelingen voor spelingsvrije motion control bieden de torsiestijfheid en positionele nauwkeurigheid die mechanisch flexibele koppelingen niet kunnen bieden.

Trillings- en schokgevoeligheid. Waar aangesloten apparatuur gevoelig is voor torsietrillingen of schokbelastingen, bieden materiaal flexibele koppelingen – vooral banden- en elastomere typen – trillingsisolatie die tandwiel- en kettingkoppelingen niet kunnen. Flexibele koppelingen for vibration damping and shock absorption zijn geschikt voor toepassingen waarbij het beschermen van aangesloten apparatuur tegen door de aandrijflijn gegenereerde trillingen net zo belangrijk is als het overbrengen van koppel.

Toegang en omgeving voor onderhoud. Tandwielkoppelingen en kettingkoppelingen vereisen periodieke smering – een praktische beperking in afgelegen, afgesloten of gevaarlijke omgevingen waar de toegang voor onderhoud beperkt is. Membraan-, balk-, balg- en elastomere koppelingstypen zijn binnen hun ontwerplevensduur onderhoudsvrij, waardoor ze de voorkeur verdienen waar geplande smering onpraktisch is. Houd rekening met de werkomgeving: extreme temperaturen, blootstelling aan chemicaliën, vocht en vervuiling hebben allemaal invloed op de materiaalkeuze en onderhoudsintervallen van de koppeling, naast de fundamentele vereisten voor koppel en verkeerde uitlijning.