Khớp nối đàn hồi: Cách chúng hoạt động, loại và hướng dẫn lựa chọn

Khớp nối đàn hồi là gì

Ép một khối polyurethane giữa hai hàm thép, bắt vít nó vào một cặp trục và bạn có lõi hoạt động của một khớp nối đàn hồi. Thiết kế trông gần như quá đơn giản đối với nhiệm vụ công nghiệp, tuy nhiên các khớp nối này thường xuyên mang mô-men xoắn hàng trăm mét newton trên máy bơm, quạt và bộ truyền động băng tải suốt ngày đêm.

Một khớp nối đàn hồi kết nối hai trục quay bằng cách sử dụng các trục kim loại ở hai đầu và một bộ phận linh hoạt phi kim loại - thường là cao su hoặc polyurethane - được kẹp giữa chúng. Chất đàn hồi thực hiện ba công việc cùng một lúc: nó truyền mô-men xoắn từ trục dẫn động đến trục dẫn động, nó uốn cong để hấp thụ một lượng nhỏ độ lệch của trục và nó đệm hệ thống truyền động chống rung và tải sốc. Sự kết hợp đó là lý do tại sao các thiết kế đàn hồi chiếm ưu thế trong các kết nối động cơ với máy bơm và động cơ với quạt thông dụng, trong đó việc căn chỉnh trục hoàn hảo hiếm khi thực tế và một chút ổn định tích hợp sẽ giúp tiết kiệm vòng bi.

Khớp nối đàn hồi truyền mô-men xoắn như thế nào

Mô-men xoắn không truyền qua tiếp xúc giữa kim loại với kim loại trong các khớp nối này - nó đi qua chất đàn hồi và cách thức hoạt động của nó sẽ chia loại này thành hai họ.

Thiết kế chịu nén , giống như khớp nối hàm và nhện, ép phần tử linh hoạt giữa các vấu lồng vào nhau trên mỗi trục. Khi trục dẫn động quay, các vấu của nó sẽ ấn vào các thùy của con nhện, từ đó các vấu này sẽ đẩy vào các vấu của trục dẫn động. Phần tử không bao giờ bị kéo căng hoặc cắt mà chỉ bị nén, điều này sẽ phân tán ứng suất trên một bề mặt lớn hơn và có xu hướng kéo dài tuổi thọ sử dụng.

Thiết kế chịu cắt , chẳng hạn như khớp nối chốt và ống lót hoặc khớp nối kiểu lốp, làm việc với chất đàn hồi theo chuyển động xoắn hoặc uốn thay vì nén thuần túy. Hình dạng này thường cho phép đường uốn cong lớn hơn và khả năng điều chỉnh sai lệch lớn hơn, với chi phí là mật độ mô-men xoắn cực đại thấp hơn một chút so với các loại nén.

Hầu hết các khớp nối đàn hồi cũng có giới hạn an toàn tích hợp: nếu bộ phận linh hoạt bị mòn hoặc hỏng, đặc điểm trục kim loại trên nhiều thiết kế sẽ tiếp xúc cơ học trong thời gian ngắn, cho phép mô-men xoắn tiếp tục chảy ở công suất giảm đủ lâu để tắt máy có kiểm soát thay vì mất dẫn động đột ngột.

Các loại khớp nối đàn hồi phổ biến

Không phải mọi khớp nối đàn hồi đều trông giống nhau và sự khác biệt rất quan trọng đối với việc lựa chọn. Ba thiết kế bao gồm phần lớn các ứng dụng công nghiệp.

• Khớp nối hàm và nhện sử dụng hai trục có các hàm lồng vào nhau và một con nhện đàn hồi hình ngôi sao ở giữa chúng. Chúng nhỏ gọn, dễ bảo trì — con nhện có thể được hoán đổi mà không cần di chuyển một trong hai trục — và tha thứ cho độ lệch góc và song song vừa phải.
• Khớp nối lốp thay thế con nhện bằng một "lốp" cao su đầy đủ quấn quanh cả hai trục. Thể tích uốn lớn hơn mang lại cho chúng phạm vi lệch trục rộng nhất trong nhóm nhựa đàn hồi, cùng với khả năng cách ly điện mạnh giữa các trục, điều này rất quan trọng khi dòng điện rò rỉ đe dọa vòng bi.
• Khớp nối chốt đàn hồi (chốt và ống lót) luồn các chốt kim loại bọc trong ống lót cao su qua các lỗ trên hai mặt bích khớp nối. Các chốt thép chịu tải trực tiếp nhiều hơn so với thiết kế đàn hồi thuần túy, giúp đẩy công suất mô-men xoắn cao hơn trong khi vẫn giữ nguyên khả năng hấp thụ sốc.

Lựa chọn vật liệu đàn hồi và độ cứng

Khối cao su hoặc polyurethane đang thực hiện nhiều công việc kỹ thuật hơn so với hình dạng đơn giản của nó gợi ý và loại vật liệu được chọn sẽ thay đổi cách hoạt động của khớp nối khi chịu tải.

Cao su tự nhiên có khả năng giảm rung mạnh và hoạt động tốt trong điều kiện lạnh, nhưng nó có khả năng chống dầu và nhiệt độ cao hạn chế. Polyurethane đánh đổi một chút giảm xóc để có công suất mô-men xoắn cao hơn, khả năng chống mài mòn tốt hơn và khả năng chống dầu tốt hơn nhiều, đó là lý do tại sao nó chiếm ưu thế trong sử dụng công nghiệp nói chung. Các chất đàn hồi đặc biệt như Hytrel thu hẹp khoảng cách, giữ đặc tính của chúng trong dải nhiệt độ rộng hơn cho các môi trường đòi hỏi khắt khe.

Trong bất kỳ vật liệu nào, độ cứng là biến số điều chỉnh hiệu suất. Các hợp chất mềm hơn uốn cong dễ dàng hơn và giảm độ rung tốt hơn, nhưng truyền ít mô-men xoắn hơn trước khi bị biến dạng quá mức; các hợp chất cứng hơn mang nhiều mô-men xoắn hơn và giữ chặt hơn khi chịu tải, nhưng phải trả giá bằng khả năng hấp thụ sốc. Các nhà sản xuất phân loại đặc tính này bằng cách sử dụng độ cứng của máy đo độ cứng, thường là trên thang đo Shore A, được kiểm tra theo tiêu chuẩn Tiêu chuẩn ASTM về độ cứng vết lõm cao su . Phần tử mềm hơn trong phạm vi 80–85 Shore A phù hợp với các ứng dụng trong đó khả năng giảm chấn là quan trọng nhất, trong khi phần tử cứng hơn gần 95–98 Shore A phù hợp với các ổ đĩa cần mật độ mô-men xoắn cao hơn với độ uốn ít hơn.

Bồi thường sai lệch và giảm rung

Các trục trong thế giới thực không bao giờ được căn chỉnh hoàn hảo và các khớp nối đàn hồi tồn tại phần lớn để làm cho sự không hoàn hảo đó trở nên vô hại.

• Độ lệch góc xảy ra khi hai đường tâm trục cắt nhau một góc thay vì chạy song song. Chất đàn hồi uốn cong không đều xung quanh chu vi của nó để hấp thụ lực này mà không truyền tải trọng uốn vào ổ trục.
• Độ lệch song song xảy ra khi các trục trục song song nhưng lệch nhau. Phần tử linh hoạt cắt nhẹ để thu hẹp khoảng cách.
• Chuyển động dọc trục (cuối phao) là kết quả của sự giãn nở nhiệt hoặc sự thay đổi khe hở vòng bi. Hầu hết các thiết kế đàn hồi cho phép trượt trục một số mà không truyền lực đẩy trở lại hệ thống truyền động.

Hiệu suất giảm xóc đến từ tính linh hoạt tương tự. Khi mô-men xoắn dao động - từ đột biến khi khởi động động cơ, tải không đồng đều trên băng tải hoặc tải theo chu kỳ trong máy bơm pittông - chất đàn hồi sẽ giãn ra và giãn ra một chút thay vì xuyên thẳng qua từng đỉnh. Điều đó làm giảm rung động xoắn trước khi nó chạm tới vòng bi và hộp số, đó là lý do chính khiến các khớp nối đàn hồi thường tồn tại lâu hơn các kết nối cứng trong các ứng dụng có tải trọng thay đổi.

Chọn khớp nối đàn hồi phù hợp

Chọn sai loại khớp nối là nguyên nhân hỏng hóc phổ biến hơn so với việc chọn loại khớp nối có kích thước nhỏ. Trình tự quyết định ngắn giữ cho việc lựa chọn luôn căn cứ vào điều kiện vận hành thực tế.

1. Tính mô-men xoắn cực đại , bao gồm khởi động và bất kỳ tải sốc nào, đồng thời áp dụng hệ số vận hành (thường là 1,25–2,5) thích hợp cho thiết bị được dẫn động.
2. Đánh giá sự liên kết có thể đạt được Nếu việc căn chỉnh lắp đặt là gần đúng hoặc thay đổi theo thời gian, hãy ưu tiên thiết kế có khả năng điều chỉnh sai lệch rộng rãi, chẳng hạn như khớp nối lốp, hơn là loại hàm có khả năng chịu lực chặt hơn.
3. Cân rung và tiếp xúc với sốc. Máy nén pittông, máy nghiền và bộ truyền động băng tải khởi động-dừng được hưởng lợi từ các loại chất đàn hồi mềm hơn ưu tiên giảm chấn.
4. Kiểm tra môi trường hoạt động. Tiếp xúc với dầu có lợi cho polyurethane hơn cao su tự nhiên; sự dao động nhiệt độ rộng có thể yêu cầu một hợp chất đặc biệt.
5. Xác nhận đường kính, tốc độ và kích thước phù hợp so với phong bì đánh giá của nhà sản xuất đối với họ khớp nối được đưa vào danh sách rút gọn.

Để có sự kết hợp rộng rãi hơn của các thiết kế đàn hồi với các khớp nối cứng, bánh răng và màng ngăn, điều này hướng dẫn đầy đủ về các loại khớp nối trục động cơ đi qua cây quyết định đầy đủ chi tiết hơn.

Dấu hiệu bảo trì và hư hỏng

Các khớp nối đàn hồi phần lớn không cần bảo trì so với các thiết kế lưới hoặc bánh răng được bôi trơn, nhưng bộ phận linh hoạt sẽ bị mòn và cần được chú ý định kỳ. Trong quá trình kiểm tra định kỳ, hãy tìm vết nứt hoặc kiểm tra trên bề mặt chất đàn hồi, độ giãn dài có thể nhìn thấy hoặc sự cố định vĩnh viễn ở nhện bị nén, sự gia tăng đáng kể về độ rung hoặc tiếng ồn từ khu vực khớp nối và bất kỳ sự cứng lại hoặc đổi màu nào cho thấy sự suy giảm hóa học hoặc nhiệt.

Ưu điểm của thiết kế đàn hồi thể hiện ngay ở đây: trên hầu hết các khớp nối hàm, lốp và ống lót chốt, phần tử linh hoạt có thể được thay thế mà không làm ảnh hưởng đến sự căn chỉnh trục hoặc kéo máy được kết nối, biến việc sửa chữa lớn trên các loại khớp nối khác thành một cuộc hoán đổi các bộ phận thông thường. Khám phá đầy đủ các thiết kế khớp nối linh hoạt để so sánh kích thước lỗ khoan, xếp hạng mô-men xoắn và vật liệu phần tử với các yêu cầu truyền động cụ thể của bạn.