聯軸器的新技術動向

 
作者:三木普利株式會社 澤山龍仁來源:MM《現代制造》
 
最近聯軸器被越來越多地應用在機床和半導體制造機械等通過伺服系統控制的精密機械上。在這些領域里,和一般的制造機械不同的是,必須要求其輸出相對于輸入具有很高的追隨性。

聯軸器是連接機械系統的驅動軸和從動軸,用于傳遞動力的機械要素,幾乎所有的制造機械都使用。它的基本作用是吸收兩軸的偏心、偏角和軸向位移誤差,順利地傳遞動力。

根據使用目的,聯軸器的種類也多種多樣。近年由于伺服馬達的急速發展,適應高速和高精度控制的需求越來越被強調。尤其在運動控制方面極具代表性。用于高性能機械裝置上的聯軸器以金屬聯軸器為主,如金屬板簧式(又稱金屬膜片型,本文以下均稱為金屬板簧式)和螺旋彈簧型。由于聯軸器的滯后損失和背隙對機械系統的應答性和定位精度的影響非常大,因此在使用上須十分注意。

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聯軸器的種類

一般聯軸器分彈性和補償兩大類,即彈性聯軸器和補償聯軸器。彈性聯軸器是利用撓性材料的變形來吸收軸心誤差,如波紋管型、金屬板簧型、螺旋彈簧型、十字平行切縫型以及橡膠/樹脂型等。金屬類聯軸器大多無背隙且扭轉剛性強。補償聯軸器是通過聯軸器部件間的間隙和滑動來吸收軸心誤差的,具代表性的如歐氏聯軸器和十字銷型聯軸器等。由于滑動部會發生背隙,一般在高精度定位控制上,其性能表現是有局限的。

聯軸器的特性
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當馬達軸旋轉,并對機械系統加了一定的扭矩時,如果被驅動部件沒有運轉,馬達的輸出(轉角和扭矩)被伺服系統的彈性所吸收,從馬達軸的角度來說這種現象就稱為空轉。聯軸器的空轉由扭轉剛性所決定,剛性越強空轉越小。扭轉剛性由部件的撓性材料和固定插軸的轂的剛性所決定。

1.扭轉特性

聯軸器的扭轉彈性常數是表示扭轉方向上剛性大小的數值。根據不同種類的聯軸器,其數值也有很大不同。

靜扭轉特性和動扭轉特性在金屬聯軸器上幾乎沒有差別。但是在橡膠/樹脂型聯軸器上是有差別的,如應用在較易受靜扭轉特性影響的伺服馬達上時,必須注意。

圖1和圖2表示橡膠/樹脂型聯軸器的扭轉彈性常數和hysteresis的測定結果。從圖中可以知道橡膠/樹脂型聯軸器(圖1)的滯后閉環曲線的面積和相對于縱坐標的傾斜度均比金屬板簧式聯軸器(圖2)大。也就是說橡膠/樹脂型聯軸器的滯后損失(正逆轉回歸原位置誤差)大,且扭轉彈性常數小,其對高精度運動控制的不良影響令人擔心。

從圖中還可知道,和橡膠/樹脂型聯軸器相比,金屬板簧式聯軸器的滯后損失小,且旋轉傳遞誤差極小,非常適用于高精度運動控制。

2.背隙

聯軸器的背隙是指在傳遞扭矩時,由于聯軸器部件間存在有間隙而造成傳遞扭矩為零的現象。金屬板簧式和螺旋彈簧型的聯軸器不存在背隙。

歐氏及十字銷等補償型聯軸器,因滑動部件存在間隙而一定存在背隙。圖3和圖4所表示的是十字銷聯軸器在額定扭矩下進行耐久試驗前后所測出的遲滯曲線。

可以從中了解到耐久試驗前后的遲滯曲線發生了很大的變化,背隙量也隨使用時間的增加而增加。因此,在使用部件間有滑動或部件相嵌合的聯軸器時,必須注意背隙引起的性能低劣化。

 

高性能聯軸器

最近聯軸器被越來越多地應用在機床和半導體制造機械等通過伺服系統控制的精密機械上。在這些領域里,和一般的制造機械不同的是,必須要求其輸出相對于輸入具有很高的追隨性。

特別是在要求高頻率正逆轉,高精度定位以及20 000r/min以上的高速旋轉的工作機床上使用時,聯軸器除了本身必須具備高剛性外,還必須具有能耐受反復扭轉負載的高彈性疲勞限度的能力,以適應高速運轉。因此,除了聯軸器本來必須的高剛性、低慣和無背隙等特點以外,為了提高其耐受能力,選材也可以說是極為重要的一環。

可以預見,今后隨著驅動系統的進步,對包括聯軸器在內的機械系統的要求會越來越高。

過去,人們只是將聯軸器作為一個機械部件來考慮,但是,隨著使用聯軸器的機械裝置本身用途的多樣化,為達到更高的性能,對于聯軸器的認識,已經從一個單純的機械部件轉變為能左右整個機械系統性能的重要的機械要素。

因此,光靠聯軸器廠家獨自的產品開發來滿足用戶的要求也變得越來越困難,F在,用戶和廠家聯手合作,共同開發符合機械系統要求的聯軸器已經成為一種趨勢。
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