Типы муфт электродвигателей: полное руководство по выбору

Почему выбор муфты имеет значение в системах с приводом от двигателя

Каждый привод электродвигателя имеет по крайней мере одну муфту — механическое соединение между выходным валом двигателя и тем, что двигатель вращает. Это один из наиболее специфичных и часто недостаточно специфичных компонентов промышленного оборудования. Правильно установите муфту, и она отойдет на второй план, надежно передавая крутящий момент в течение многих лет. Если вы сделаете ошибку, последствия проявятся быстро: преждевременный выход из строя подшипников, усталость вала, вибрация, распространяющаяся по всей машине, и незапланированные простои.

Причина, по которой выбор связи является более сложным, чем кажется, заключается в том, что связи должны выполнять несколько задач одновременно. Они передают крутящий момент. Они компенсируют неизбежные смещения между валами — угловые, параллельные и осевые — которые возникают в результате производственных допусков, теплового расширения и отклонения под нагрузкой. И в зависимости от типа они также могут гасить крутильные удары, защищать оборудование, расположенное далее по потоку, от перегрузок или поддерживать нулевой люфт для точного позиционирования. Ни один тип муфты не выполняет все эти функции одинаково хорошо, поэтому диапазон доступных конструкций настолько широк.

В разделах ниже описаны основные категории муфт, используемые в электродвигателях, физические принципы, лежащие в основе каждой из них, а также критерии выбора, определяющие, какой тип принадлежит конкретной системе привода.

Гибкие муфты: рабочая лошадка общего назначения

Гибкие муфты являются наиболее широко используемой категорией муфт в электродвигателях. Их определяющей характеристикой является наличие гибкого элемента — обычно эластомера, пружины или тонкой металлической мембраны — который позволяет муфте компенсировать несоосность валов, не передавая возникающие усилия на подшипники и уплотнения.

Кулачковые (паукообразные) муфты являются одними из наиболее распространенных конструкций гибких муфт. Две металлические втулки — обычно из алюминиевого сплава или стали — соединяют между собой эластомерный крестовинный элемент. Крестовина передает крутящий момент за счет сжатия, поглощая при этом ударные нагрузки, а также незначительное угловое и параллельное смещение. Твердость крестовины является ключевым параметром выбора: более мягкие крестовины поглощают больше ударов, но обеспечивают меньший крутящий момент и могут быть повреждены при длительных перегрузках; более твердые крестовины выдерживают более высокие крутящие моменты, но передают больше вибрации. Щековые муфты широко используются в насосах, конвейерах, вентиляторах и общепромышленных приводах.

Шиномонтажные (шиномонтажные) муфты использовать сплошной эластомерный элемент в форме пневматической шины. Высокая гибкость элемента шины компенсирует большие перекосы, чем у кулачковых муфт, особенно угловое смещение, и обеспечивает превосходную виброизоляцию. Они не требуют технического обслуживания, смазки и используются в низкоскоростных агрегатах, где компенсация смещения является основным требованием. Упругие штифтовые (штифтовые) муфты передача крутящего момента осуществляется посредством штифтов, оснащенных резиновыми или нейлоновыми втулками, обеспечивающими умеренную гибкость и хорошую амортизацию, а также дополнительное преимущество, заключающееся в простой замене элементов без нарушения соосности вала.

Роканга Ассортимент гибких муфт, охватывающий шины, эластичные штифты и соответствующие эластомерные конструкции отвечает требованиям универсального гибкого соединения в этом диапазоне приложений.

Сервомуфты: точность в приложениях управления движением

Применение серводвигателей — станки с ЧПУ, робототехника, полупроводниковое оборудование, прецизионные испытательные стенды — предъявляют требования, которым не могут соответствовать гибкие муфты общего назначения. Основное требование — нулевой люфт: любой угловой люфт в муфте приводит непосредственно к ошибке позиционирования нагрузки. Вторым требованием является высокая торсионная жесткость, чтобы динамика контура сервоуправления не ухудшалась из-за муфты, которая действует как пружина в трансмиссии. В то же время муфта должна компенсировать перекосы валов, присущие любой реальной установке, не создавая при этом боковых нагрузок на подшипники двигателя.

Мембранные муфты Эти требования удовлетворяются за счет тонкого гибкого металлического диска (одиночного) или набора дисков (двойного), которые передают крутящий момент с высокой жесткостью на кручение, одновременно изгибаясь и поглощая угловое и осевое смещение. Конструкции с одной диафрагмой в первую очередь учитывают угловое смещение; конструкции с двойной диафрагмой допускают как угловое, так и параллельное смещение. Цельнометаллическая конструкция означает отсутствие износа, смазки и снижения производительности с течением времени, что крайне важно в прецизионных приложениях, где требуется стабильное поведение на протяжении миллионов циклов. Роканга Мембранные муфты серводвигателей для систем ЧПУ и прецизионных приводов доступны в исполнении из алюминиевого сплава и стали, в конфигурациях с одинарной и двойной диафрагмой, с возможностью крепления ступицы как с помощью зажима, так и с помощью установочного винта.

Кулачковые (паукообразные) сервомуфты в категории сервоприводов используются более жесткие крестовины и более жесткие производственные допуски, чем в их аналогах общего назначения, что обеспечивает практически нулевой люфт для легких и средних режимов работы сервоприводов. Муфты Олдхэма используйте конструкцию, состоящую из трех частей — две ступицы и плавающий центральный диск — который скользит по поперечным шпонкам, чтобы компенсировать параллельное смещение с нулевым люфтом, что делает их особенно подходящими для применений, где смещение вала является основным типом несоосности. Балочные (винтовые) муфты изготавливаются из цельного куска алюминия или нержавеющей стали со спиральными вырезами, которые создают цельный гибкий элемент — компактный, без люфта и подходящий для сервоприводов, энкодеров и контрольно-измерительных приборов с легкими нагрузками. Сильфонные муфты используйте гофрированный металлический сильфон, который обеспечивает высокую жесткость на кручение, отличную компенсацию смещения и нулевой люфт, что соответствует верхнему диапазону требований к производительности сервомуфт. Роканга кулачковые и крестовинные муфты, разработанные для сервосистем и систем автоматизации дополните предложение сервомуфт диафрагменными, балочными, олдхэмскими и сильфонными типами.

Зубчатые и высокоскоростные мембранные муфты: тяжелый и высокопроизводительный режим работы

При более высоких уровнях крутящего момента и размерах валов (промышленные приводы, прокатные станы, краны, компрессоры, турбины) требования к муфтам смещаются от компенсации несоосности к максимальной плотности крутящего момента и надежной работе при длительных тяжелых нагрузках.

Зубчатые муфты передавать крутящий момент через зацепляющиеся зубья шестерни на внутренней и внешней ступицах, при этом профиль корончатого зуба на внешней ступице допускает угловое и осевое смещение при сохранении полной грузоподъемности. Барабанная (корончатая) зубчатая муфта представляет собой стандартную конструкцию для тяжелой промышленности: она обеспечивает самое высокое соотношение крутящего момента к диаметру среди всех типов гибких муфт и выдерживает как угловое, так и осевое смещение за счет геометрии зубчатого зацепления. Для применений с тяжелыми нагрузками, требующими промежуточного вала, зубчатые муфты со встроенными тормозными колесами или тормозными дисками сочетают передачу крутящего момента и функцию торможения в одном компоненте. Роканга барабанные зубчатые муфты для высоконагруженных промышленных приводных систем охватывают стандартную серию GICL/GIICL, а также варианты тормозных колес и тормозных дисков для кранов и конвейеров.

Высокоскоростные мембранные муфты занимают другое пространство производительности: крутильно-жесткие, безлюфтовые, не требующие технического обслуживания и способные работать на скоростях, превышающих 10 000 об/мин. Эти муфты используются в турбомашинах, компрессорах, генераторах и высокоскоростных испытательных стендах, где требования к смазке зубчатых муфт неприемлемы и где динамический баланс при высоких скоростях вращения является критической характеристикой. Как отмечается в отраслевом руководстве от Справочный ресурс Machine Design по принципам проектирования и выбора гибких муфт. Цельнометаллические муфты, в том числе диафрагменные и дисковые, обычно имеют меньший внешний диаметр и меньший вес, чем эластомерные альтернативы при эквивалентном крутящем моменте, что является важным преимуществом в высокоскоростных приложениях, где инерция и баланс имеют решающее значение. Роканга высокоскоростные мембранные муфты с номиналом до 10 000 об/мин и выше предназначены для турбомашин, электростанций и высокоскоростных испытательных стендов.

Муфты с серпантинными пружинами и цепные муфты: гибкие решения с высоким крутящим моментом

Для применений, требующих значительной амортизации и устойчивости к перекосам наряду с высоким крутящим моментом (тяжелые конвейеры, горнодобывающее оборудование, дробилки, приводы больших насосов), особенно хорошо подходят две конструкции муфт.

Змеевидные пружинные муфты крутящий момент передается через непрерывный стальной пружинный элемент S-образной формы, вплетенный между зубьями на двух противоположных ступицах. Пружина одновременно действует как элемент передачи крутящего момента и как гибкий элемент, обеспечивая превосходную амортизацию, высокий крутящий момент и способность компенсировать угловое, параллельное и осевое смещение. В отличие от эластомерных муфт, стальной пружинный элемент не разрушается под воздействием температуры или воздействия масел и химикатов, что делает поликлиновые пружинные муфты хорошо подходящими для суровых промышленных условий. Они также компактны благодаря своему номинальному крутящему моменту, что является преимуществом в условиях ограниченного пространства. Роканга муфты с серпантинными пружинами для приводов с высоким крутящим моментом и ударными нагрузками доступны в стандартном, быстросборном, двухфланцевом и дисковом вариантах.

Цепные муфты используйте двухниточную роликовую цепь, соединяющую две ступицы звездочек. Они просты в установке и обслуживании, допускают перекосы в пределах шага цепи и способны передавать высокий крутящий момент при относительно низких затратах. Основным ограничением является то, что они требуют периодической смазки и не подходят для высокоскоростного применения. Для среднескоростных приводов с высоким крутящим моментом в сельском хозяйстве, горнодобывающей промышленности и общей промышленности цепные муфты остаются практичным и экономичным решением.