کوپلینگ دنده و کوپلینگ شفت: انواع، نحوه کار و انتخاب

هر ماشین چرخشی که نیرو را بین دو شفت انتقال می‌دهد به یک کوپلینگ نیاز دارد - یک وسیله مکانیکی که شفت‌ها را به هم متصل می‌کند، گشتاور را منتقل می‌کند و ناهماهنگی‌های کوچک اجتناب‌ناپذیری را که در تاسیسات واقعی رخ می‌دهد، مدیریت می‌کند. کوپلینگ‌های دنده‌ای یکی از تواناترین و گسترده‌ترین کوپلینگ‌های شفت هستند که در کارخانه‌های فولاد، تجهیزات معدن، توربین‌ها و پیشرانه‌های صنعتی سنگین مورد اعتماد هستند، دقیقاً به این دلیل که ظرفیت گشتاور بالا را با تحمل ناهماهنگی معنی‌دار ترکیب می‌کنند. درک نحوه عملکرد کوپلینگ‌های دنده، نحوه مقایسه آنها با سایر انواع کوپلینگ شفت، و نحوه انتخاب کوپلینگ مناسب برای یک کاربرد معین، اساس مهندسی پیشرانه صدا است.

کوپلینگ شفت چیست؟

کوپلینگ شفت یک جزء مکانیکی است که دو شفت دوار را از سر به انتها متصل می کند تا گشتاور و حرکت چرخشی را از یک شفت محرک (متصل به موتور یا موتور) به شفت محرک (متصل به پمپ، گیربکس، کمپرسور یا بار دیگر) منتقل کند. این عملکرد اصلی - انتقال گشتاور - وظیفه اصلی کوپلینگ است، اما به ندرت به تنهایی کار می کند.

در عمل، کوپلینگ های شفت سه نقش مجزا را به طور همزمان انجام می دهند. اول، آنها گشتاور و قدرت را بین شفت هایی که ممکن است در سرعت ها یا بارهای مختلف کار کنند، منتقل می کنند. دوم، آنها ناهماهنگی شفت را در نظر می گیرند - انحرافات زاویه ای، موازی و محوری که بین محورهای محرک و محرک به دلیل تحمل های تولید، انبساط حرارتی، نشست پایه و خطای مونتاژ رخ می دهد. سوم، آنها از تجهیزات متصل با جذب بارهای ضربه ای، میرایی ارتعاش، و در برخی از طراحی ها، به عنوان فیوز مکانیکی عمل می کنند که قبل از آسیب دیدن اجزای گران قیمت تر (موتورها، گیربکس ها، پمپ ها) از کار می افتد.

هیچ کوپلینگ شفتی هر سه نیاز را به طور همزمان برآورده نمی کند. فرآیند انتخاب همیشه شامل مبادله بین ظرفیت گشتاور، تحمل ناهماهنگی، سختی پیچشی، الزامات نگهداری و هزینه است.

دسته بندی های اصلی کوپلینگ شفت

کوپلینگ های شفت بر اساس نحوه برخورد با ناهماهنگی و ضربه به دو دسته اساسی تقسیم می شوند.

کوپلینگ های سفت و سخت شفت ها را با انعطاف پذیری صفر به هم وصل کنید - آنها گشتاور را بدون هماهنگی برای ناهماهنگی منتقل می کنند. این باعث می‌شود که آنها فقط در مواردی مناسب باشند که شفت‌ها دقیقاً در یک راستا قرار دارند و انتظار می‌رود که به همین شکل باقی بمانند، مانند برخی از کاربردهای پمپ عمودی با پشتیبانی از یاتاقان. هر گونه ناهماهنگی در یک سیستم جفت شده صلب مستقیماً به عنوان تنش خمشی به شفت ها و یاتاقان های متصل منتقل می شود و سایش را تسریع می کند و به طور بالقوه باعث خرابی اولیه می شود.

کوپلینگ های انعطاف پذیر در عمل صنعتی بسیار رایج ترند و خود به دو خانواده تقسیم می شوند. کوپلینگ‌های انعطاف‌پذیر مکانیکی انعطاف‌پذیری خود را از طریق عناصر مکانیکی شل، کشویی یا غلتشی به دست می‌آورند - کوپلینگ‌های چرخ دنده، کوپلینگ‌های زنجیره‌ای و کوپلینگ‌های شبکه‌ای (بهار سرپانتین) همه در این دسته قرار می‌گیرند. کوپلینگ‌های انعطاف‌پذیر از طریق تغییر شکل الاستیک یک عنصر سازگار به انعطاف‌پذیری دست می‌یابند - کوپلینگ‌های فکی (عنکبوت)، کوپلینگ‌های لاستیک، کوپلینگ‌های دیافراگمی، کوپلینگ‌های پرتو، و کوپلینگ‌های دمی نمونه‌هایی هستند. هر خانواده از نظر ظرفیت گشتاور، محدوده ناهماهنگی، سختی پیچشی، میرایی ارتعاش و نیازهای تعمیر و نگهداری، ویژگی های عملکرد متفاوتی دارد.

کوپلینگ دنده چیست؟

کوپلینگ چرخ دنده یک کوپلینگ شافت انعطاف پذیر مکانیکی است که گشتاور را از طریق مش بندی دندانه های چرخ دنده خارجی روی توپی ها با دندانه های دنده داخلی روی آستین های فلنجی منتقل می کند. پیکربندی استاندارد شامل دو توپی است - یکی روی هر محور نصب شده است - که هر کدام مجموعه ای از دندانه های دنده خارجی تاج دار را حمل می کند. این توپی ها با دو آستین فلنج دار داخلی مشبک شده اند که در فلنج های خود به یکدیگر پیچ می شوند تا یک محفظه بیرونی سفت و سخت را تشکیل دهند. گشتاور از شفت محرک از طریق دندانه‌های خارجی توپی آن، به دندان‌های داخلی آستین، از طریق اتصال فلنج پیچ‌دار و از طریق هاب و شفت رانده می‌شود.

انعطاف‌پذیری مکانیکی یک کوپلینگ چرخ دنده کاملاً از حرکت تکان‌دهنده و لغزشی دندان‌های دنده خارجی تاج‌دار در برابر دندانه‌های آستین داخلی ناشی می‌شود. با انحراف شفت ها از تراز کامل، دندانه های چرخ دنده به جای اینکه این ناهماهنگی را به عنوان بار خمشی به شفت منتقل کنند، موقعیت تماس خود را در داخل آستین تغییر می دهند. این عمل لغزشی به روانکاری - گریس یا روغن - برای جلوگیری از سایش در سطوح تماس دندان نیاز دارد، و به جای طراحی های بدون نیاز به تعمیر، کوپلینگ های دنده را به اجزای تعمیر و نگهداری دوره ای تبدیل می کند.

کوپلینگ دنده برای کاربردهای صنعتی با گشتاور بالا هر جا که حداکثر چگالی گشتاور - بالاترین ظرفیت گشتاور نسبت به قطر کوپلینگ - معیار انتخاب اولیه باشد، انتخاب استاندارد هستند، همراه با الزام برای رسیدگی به ناهماهنگی معنی‌دار شفت.

دندان های چرخ دنده استاندارد در مقابل طبل (تاج دار).

تمایز بین دندانه های چرخ دنده مستقیم استاندارد و دندانه های چرخ دنده تاج دار (درام) برای درک عملکرد کوپلینگ دنده بسیار مهم است. کوپلینگ‌های دنده اولیه از دندان‌های خارجی برش مستقیم روی توپی استفاده می‌کردند - دندان‌های استوانه‌ای بدون انحنا در طول آنها. اینها گشتاور را به طور موثری منتقل می کنند، اما قبل از ایجاد بارگذاری لبه در تماس دندان، تنها انحراف زاویه ای بسیار کوچک را تحمل می کنند، استرس را در یک انتهای صفحه دندان متمرکز می کنند و سایش را تسریع می کنند.

دندانه‌های چرخ‌دنده تاج‌دار - که به آن دندان‌های چرخ دنده درام نیز می‌گویند - دارای یک نمای محدب در امتداد طول دندان هستند، با سطح دندان خمیده به طوری که قطر وسط آن کمی بزرگ‌تر از لبه‌های آن است. هنگامی که هاب نسبت به آستین تحت انحراف زاویه ای متمایل می شود، دندان تاج دار روی سطح منحنی خود تکان می خورد و به جای تمرکز تنش در یک لبه، توزیع تماس یکنواخت تری را در تمام صورت حفظ می کند. این هندسه به کوپلینگ‌های دنده تاج‌دار اجازه می‌دهد تا انحراف زاویه‌ای بسیار بزرگ‌تری را داشته باشند - معمولاً تا 1.5 درجه در هر توری دنده، در مقایسه با کسری از درجه برای طرح‌های دندانه مستقیم - در حالی که فشار سطح دندان و عمر مفید قابل قبولی را حفظ می‌کنند.

مرکز کره دندان تاج‌دار روی محور شفت قرار دارد و فاصله دندان عمداً کمی بزرگ‌تر از طرح‌های دندان مستقیم است. این ترکیب هندسه و فاصله چیزی است که ظرفیت جابجایی زاویه‌ای بیشتری را امکان‌پذیر می‌کند که کوپلینگ‌های دنده درام را به نوع ترجیحی برای اکثر کاربردهای صنعتی مدرن تبدیل می‌کند که در آن عدم تراز شفت در هنگام نصب به طور کامل حذف نمی‌شود.

ظرفیت گشتاور و تحمل ناهماهنگی

کوپلینگ های دنده ای بالاترین گشتاور را از هر نوع کوپلینگ انعطاف پذیر برای یک قطر بیرونی مشخص منتقل می کنند. این مزیت چگالی گشتاور نتیجه مستقیم مکانیزم درگیری دندانه دنده است: چندین دندان بار را به طور همزمان در سطح تماس نسبتاً بزرگی به اشتراک می گذارند و استرس را به طور موثر توزیع می کنند. در جایی که یک کوپلینگ فک الاستومری یا کوپلینگ پرتو با همان قطر ممکن است به چند صد نیوتن متر درجه بندی شود، یک جفت چرخ دنده ای با قطر بیرونی یکسان ممکن است چندین هزار نیوتن متر را تحمل کند - یک ضریب ده یا بیشتر در ظرفیت گشتاور.

تحمل ناهماهنگی در کوپلینگ های دنده هر سه نوع انحراف شفت را پوشش می دهد. ناهماهنگی زاویه ای - جایی که خطوط مرکزی شفت در یک زاویه متقاطع می شوند - با حرکت دندانه های تاج دار سازگار می شود. مقادیر معمولی 0.5 تا 1.5 درجه در هر نقطه خمشی، با دو نقطه انعطاف در هر کوپلینگ (یکی در هر رابط هاب-آستین) است. جابجایی محوری - جایی که یک شفت در امتداد محور خود نسبت به دیگری حرکت می کند - با لغزش هاب در داخل آستین در امتداد وجه های دندان جای می گیرد. افست موازی - جایی که خطوط مرکزی شفت موازی هستند اما به صورت جانبی جابه‌جا می‌شوند - با ترکیب ناهماهنگی زاویه‌ای در هر دو نقطه خمشی به طور هم‌زمان انجام می‌شود، به این معنی که ظرفیت افست موازی تابعی از ظرفیت زاویه‌ای و فاصله بین دو نقطه خمشی است.

توجه به این نکته ضروری است که ظرفیت ناهماهنگی و عملکرد ناهماهنگی مداوم موارد متفاوتی هستند. کوپلینگ‌های دنده می‌توانند ناهماهنگی مشخص شده را بدون آسیب تحمل کنند، اما عملکرد مداوم در حداکثر ناهماهنگی باعث تسریع سایش دندان و افزایش تقاضای روانکاری می‌شود. بهترین روش این است که شفت ها را به همان اندازه عملی تراز کنید و از ظرفیت ناهماهنگی کوپلینگ به عنوان یک بافر برای رشد حرارتی و ته نشینی جزئی به جای جایگزینی برای تراز مناسب استفاده کنید.

انواع کوپلینگ دنده

کوپلینگ های فول دنده دارای دندانه های چرخ دنده در هر دو توپی، با هر دو رابط هاب-آستین یک نقطه انعطاف پذیر است. این پیکربندی استاندارد است و هر سه نوع ناهماهنگی همانطور که در بالا توضیح داده شد را در خود جای می دهد. این رایج ترین طراحی در کاربردهای صنعتی سنگین است.

کوپلینگ های نیم دنده یک رابط چرخ دنده انعطاف پذیر را با یک توپی فلنجی سفت و سخت ترکیب کنید. نیمه صلب با یک فلنج پیچ شده استاندارد به یک شفت متصل می شود، در حالی که نیمه انعطاف پذیر از آرایش دندانه دنده خارجی/داخلی معمولی استفاده می کند. این طرح در مواردی استفاده می‌شود که یک نقطه اتصال نیاز به تطبیق ناهماهنگی صفر داشته باشد - برای مثال، جایی که یک شفت مستقیماً توسط یک یاتاقان بسیار نزدیک به کوپلینگ پشتیبانی می‌شود - در حالی که اتصال دیگر به انعطاف‌پذیری نیاز دارد.

کوپلینگ های دنده سفت و سخت از دندانه‌های برش مستقیم با تلرانس‌های محکم استفاده کنید و برای کاربردهای با سرعت بالا طراحی شده‌اند که در آن تراز محوری دقیق حفظ می‌شود و نیاز اولیه، انتقال گشتاور لغزش صفر به جای تطبیق ناهماهنگی است. اینها قطعات ماشینکاری دقیقی هستند که در موتورهای توربین و کمپرسورهای پرسرعت استفاده می شوند.

کوپلینگ دنده فلنج دار از آستین های کوتاه استفاده کنید که با یک فلنج عمود بر هم احاطه شده اند، با یک آستین روی هر شفت و دو فلنج رو به رو پیچ شده اند. این طراحی فشرده در درایوهای صنعتی با سرعت متوسط ​​که طول کلی کوپلینگ باید به حداقل برسد رایج است.

نمودار مقایسه کوپلینگ شفت

انواع مختلف کوپلینگ با نیازهای عملیاتی متفاوت مطابقت دارند. این جدول ویژگی‌های کلیدی دسته‌های جفت محور اصلی را برای پشتیبانی از تصمیمات انتخاب خلاصه می‌کند:

نحوه انتخاب کوپلینگ شفت سمت راست

انتخاب کوپلینگ شفت از پنج بعد کلیدی پیروی می کند. پرداختن به هر یک به طور سیستماتیک منجر به انتخاب مناسب برای برنامه می شود تا آشناترین یا در دسترس ترین گزینه.

گشتاور و توان مورد نیاز با حداکثر گشتاوری که کوپلینگ باید منتقل کند، شروع کنید - نه گشتاور نامی موتور، بلکه پیک واقعی شامل نوسانات راه‌اندازی، بارهای ضربه‌ای و ضرب‌کننده‌های ضریب سرویس. کوپلینگ های دنده بیشترین چگالی گشتاور را انجام می دهند. برای گشتاور متوسط در مصارف صنعتی عمومی، کوپلینگ های زنجیره ای برای استفاده صنعتی عمومی با گشتاور متوسط یک جایگزین قوی و مقرون به صرفه ارائه دهد. برای کاربردهای بار شوک با ظرفیت بالا مانند سنگ شکن ها و نوار نقاله های سنگین، کوپلینگ های فنری سرپانتین برای کاربردهای بار شوک با ظرفیت بالا سفتی پیچشی پیشرونده ای را ارائه می دهد که انرژی ضربه را قبل از رسیدن به تجهیزات متصل جذب می کند.

نوع و اندازه ناهماهنگی. نوع ناهماهنگی را مشخص کنید - زاویه ای، موازی، محوری یا ترکیبی - و چقدر بزرگ است. کوپلینگ های دنده به خوبی از هم ترازی های ترکیبی جلوگیری می کنند. برای جابه‌جایی‌های زاویه‌ای بزرگ بین شفت‌ها که نمی‌توان آنها را سرتاسر قرار داد، شفت های کاردان برای کاربردهای جابجایی زاویه ای بزرگ عملکرد کوپلینگ را در فواصل و زوایای قابل توجهی گسترش دهید که کوپلینگ های معمولی نمی توانند آنها را بپوشانند.

سرعت و دقت مورد نیاز سرعت چرخش بالا به تعادل دقیق و طراحی کوپلینگ کم لرزش نیاز دارد. برای توربوماشین های پرسرعت و درایوهای دقیق، کوپلینگ های دیافراگمی با سرعت بالا برای سیستم های درایو دقیق عملکرد بدون نیاز به تعمیر و نگهداری را با سفتی پیچشی و کیفیت تعادلی که کاربردهای با سرعت بالا به آن نیاز دارند، ترکیب کنید. برای سیستم‌های کنترل حرکت - ماشین‌های CNC، رباتیک، محورهای سروو - که در آن عکس‌العمل صفر و وفاداری زاویه‌ای دقیق ضروری است، کوپلینگ های سروو برای کنترل حرکت بدون عکس العمل استحکام پیچشی و دقت موقعیتی را فراهم می کند که کوپلینگ های انعطاف پذیر مکانیکی نمی توانند ارائه دهند.

حساسیت به لرزش و ضربه. در جاهایی که تجهیزات متصل به لرزش پیچشی یا بارگذاری ضربه حساس هستند، کوپلینگ‌های انعطاف‌پذیر از نظر مادی - به ویژه انواع تایر و الاستومری - عایق‌سازی لرزشی را فراهم می‌کنند که کوپلینگ‌های دنده و زنجیر نمی‌توانند. کوپلینگ های انعطاف پذیر for vibration damping and shock absorption پوشش برنامه هایی که در آنها محافظت از تجهیزات متصل در برابر ارتعاشات تولید شده توسط پیشرانه به اندازه انتقال گشتاور مهم است.

دسترسی و محیط نگهداری. کوپلینگ های چرخ دنده و کوپلینگ های زنجیره ای نیاز به روغن کاری دوره ای دارند - یک محدودیت عملی در محیط های راه دور، مهر و موم شده یا خطرناک که دسترسی به تعمیر و نگهداری محدود است. انواع دیافراگم، پرتو، دم، و کوپلینگ الاستومری در طول عمر طراحی خود بدون نیاز به تعمیر و نگهداری هستند، و آنها را در جایی ترجیح می دهند که روغن کاری برنامه ریزی شده غیرعملی باشد. محیط عملیاتی را در نظر بگیرید - دمای افراطی، قرار گرفتن در معرض مواد شیمیایی، رطوبت و آلودگی همگی بر انتخاب مواد جفت و فواصل سرویس در کنار گشتاور اساسی و الزامات ناهماهنگی تأثیر می‌گذارند.