Khớp nối bánh răng & Khớp nối trục: Các loại, cách thức hoạt động và lựa chọn

Mỗi máy quay truyền năng lượng giữa hai trục đều cần có khớp nối - một thiết bị cơ khí kết nối các trục, truyền mô-men xoắn và quản lý các sai lệch nhỏ không thể tránh khỏi xảy ra trong quá trình lắp đặt trong thế giới thực. Khớp nối bánh răng là một trong những loại khớp nối trục có khả năng và được triển khai rộng rãi nhất, được tin cậy trong các nhà máy thép, thiết bị khai thác mỏ, tua-bin và truyền động công nghiệp nặng một cách chính xác vì chúng kết hợp công suất mô-men xoắn cao với khả năng chịu sai lệch đáng kể. Hiểu cách hoạt động của khớp nối bánh răng, cách chúng so sánh với các loại khớp nối trục khác và cách chọn khớp nối phù hợp cho một ứng dụng nhất định là nền tảng của kỹ thuật hệ thống truyền động âm thanh.

Khớp nối trục là gì?

Khớp nối trục là một bộ phận cơ khí kết nối hai trục quay từ đầu đến cuối để truyền mô-men xoắn và chuyển động quay từ trục dẫn động (kết nối với động cơ hoặc động cơ) đến trục dẫn động (kết nối với máy bơm, hộp số, máy nén hoặc tải khác). Chức năng cơ bản này - truyền mô-men xoắn - là nhiệm vụ chính của khớp nối, nhưng nó hiếm khi hoạt động một mình.

Trong thực tế, khớp nối trục thực hiện đồng thời ba vai trò riêng biệt. Đầu tiên, chúng truyền mô-men xoắn và công suất giữa các trục có thể đang chạy ở tốc độ hoặc tải khác nhau. Thứ hai, chúng điều chỉnh độ lệch trục - độ lệch góc, song song và trục xảy ra giữa trục dẫn động và trục dẫn động do dung sai chế tạo, giãn nở nhiệt, độ lún nền và lỗi lắp ráp. Thứ ba, chúng bảo vệ thiết bị được kết nối bằng cách hấp thụ tải sốc, giảm rung và trong một số thiết kế, chúng hoạt động như một cầu chì cơ học bị hỏng trước khi các bộ phận đắt tiền hơn (động cơ, hộp số, máy bơm) bị hỏng.

Không có khớp nối trục nào đáp ứng hoàn hảo đồng thời cả ba yêu cầu. Quá trình lựa chọn luôn liên quan đến sự cân bằng giữa công suất mô-men xoắn, khả năng chịu sai lệch, độ cứng xoắn, yêu cầu bảo trì và chi phí.

Các loại chính của khớp nối trục

Khớp nối trục chia thành hai loại cơ bản dựa trên cách chúng xử lý độ lệch và sốc.

Khớp nối cứng kết nối các trục với độ linh hoạt bằng không - chúng truyền mô-men xoắn không có khả năng điều chỉnh độ lệch. Điều này làm cho chúng chỉ thích hợp khi trục được căn chỉnh chính xác và dự kiến ​​sẽ giữ nguyên như vậy, chẳng hạn như trong một số ứng dụng bơm trục đứng được hỗ trợ bằng ổ trục. Bất kỳ sự lệch trục nào trong hệ thống khớp nối cứng đều truyền trực tiếp ứng suất uốn vào các trục và ổ trục được kết nối, làm tăng tốc độ mài mòn và có khả năng gây ra hỏng hóc sớm.

Khớp nối linh hoạt phổ biến hơn nhiều trong thực tế công nghiệp và được chia thành hai họ. Các khớp nối linh hoạt về mặt cơ học đạt được tính linh hoạt thông qua các bộ phận cơ học lắp lỏng, trượt hoặc lăn - khớp nối bánh răng, khớp nối xích và khớp nối lưới (lò xo rắn) đều thuộc loại này. Các khớp nối linh hoạt về mặt vật liệu đạt được tính linh hoạt thông qua biến dạng đàn hồi của một phần tử tuân thủ - khớp nối hàm (nhện), khớp nối lốp, khớp nối màng ngăn, khớp nối dầm và khớp nối ống thổi là những ví dụ. Mỗi họ có các đặc tính hiệu suất khác nhau về công suất mô-men xoắn, phạm vi sai lệch, độ cứng xoắn, giảm rung và nhu cầu bảo trì.

Khớp nối bánh răng là gì?

Khớp nối bánh răng là khớp nối trục linh hoạt về mặt cơ học, truyền mô-men xoắn thông qua việc chia lưới các răng bánh răng bên ngoài trên trục với các răng bánh răng bên trong trên ống bọc mặt bích. Cấu hình tiêu chuẩn bao gồm hai trục — một trục được gắn trên mỗi trục — mỗi trục mang một bộ răng bánh răng bên ngoài. Các trục này nối với nhau bằng hai ống bọc mặt bích có rãnh bên trong được bắt vít với nhau ở mặt bích của chúng để tạo thành một vỏ ngoài cứng cáp. Mô-men xoắn truyền từ trục dẫn động qua các răng bên ngoài của trục, vào các răng bên trong của ống bọc ngoài, qua kết nối mặt bích được bắt vít và đi ra ngoài qua trục và trục dẫn động.

Tính linh hoạt cơ học của khớp nối bánh răng hoàn toàn xuất phát từ chuyển động lắc lư và trượt của các răng bánh răng bên ngoài có vành so với các răng ống bọc bên trong. Khi các trục lệch khỏi sự căn chỉnh hoàn hảo, các răng bánh răng sẽ dịch chuyển vị trí tiếp xúc của chúng trong ống lót thay vì truyền sự lệch trục đó dưới dạng tải trọng uốn vào các trục. Hành động trượt này đòi hỏi phải bôi trơn - dầu mỡ - để tránh mài mòn ở các mặt tiếp xúc với răng, khiến các khớp nối bánh răng trở thành các bộ phận được bảo trì định kỳ thay vì các thiết kế không cần bảo trì.

Khớp nối bánh răng cho các ứng dụng công nghiệp mô-men xoắn cao là lựa chọn tiêu chuẩn khi mật độ mô-men xoắn cực đại — công suất mô-men xoắn cao nhất so với đường kính khớp nối — là tiêu chí lựa chọn chính, kết hợp với yêu cầu xử lý độ lệch trục đáng kể.

Răng bánh răng tiêu chuẩn và trống (Crowned)

Sự khác biệt giữa răng bánh răng thẳng tiêu chuẩn và răng bánh răng tang trống (trống) là rất quan trọng để hiểu được hiệu suất khớp nối bánh răng. Các khớp nối bánh răng ban đầu sử dụng các răng ngoài cắt thẳng trên trục - các răng hình trụ không có độ cong dọc theo chiều dài của chúng. Những mô-men xoắn này truyền hiệu quả nhưng chỉ chịu được độ lệch góc rất nhỏ trước khi tải trọng cạnh phát triển tại điểm tiếp xúc với răng, tập trung ứng suất vào một đầu của mặt răng và làm tăng tốc độ mài mòn.

Răng bánh răng vương miện - còn gọi là răng bánh răng trống - có hình dạng lồi dọc theo chiều dài răng, với mặt răng cong sao cho điểm giữa của nó có đường kính lớn hơn một chút so với các cạnh của nó. Khi trục nghiêng so với ống bọc do lệch góc, răng mão sẽ rung chuyển trên bề mặt cong của nó và duy trì sự phân bố tiếp xúc đồng đều hơn trên toàn bộ mặt thay vì tập trung ứng suất ở một cạnh. Hình học này cho phép các khớp nối bánh răng có thân răng có thể điều chỉnh độ lệch góc lớn hơn đáng kể - thường lên tới 1,5° trên mỗi lưới bánh răng, so với các phân số của một độ đối với thiết kế răng thẳng - trong khi vẫn duy trì áp suất bề mặt răng và tuổi thọ sử dụng có thể chấp nhận được.

Tâm cầu của răng mão được định vị trên trục trục và khoảng hở của răng cố ý lớn hơn một chút so với thiết kế răng thẳng. Sự kết hợp giữa hình học và khe hở này cho phép khả năng dịch chuyển góc lớn hơn, khiến khớp nối bánh răng tang trống trở thành loại được ưu tiên cho hầu hết các ứng dụng công nghiệp hiện đại, nơi không thể loại bỏ hoàn toàn độ lệch trục khi lắp đặt.

Công suất mô-men xoắn và dung sai sai lệch

Khớp nối bánh răng truyền mô-men xoắn cao nhất so với bất kỳ loại khớp nối linh hoạt nào đối với đường kính ngoài nhất định. Lợi thế về mật độ mô-men xoắn này là kết quả trực tiếp của cơ cấu ăn khớp của bánh răng: nhiều răng chia sẻ tải trọng đồng thời trên một diện tích tiếp xúc tương đối lớn, phân bổ ứng suất một cách hiệu quả. Trong trường hợp khớp nối hàm đàn hồi hoặc khớp nối chùm có cùng đường kính có thể được định mức đến vài trăm Newton-mét, thì khớp nối bánh răng có đường kính ngoài giống hệt nhau có thể xử lý vài nghìn Newton-mét - hệ số chênh lệch công suất mô-men xoắn là mười hoặc nhiều hơn.

Dung sai sai lệch trong khớp nối bánh răng bao gồm cả ba loại sai lệch trục. Độ lệch góc - nơi các đường tâm trục giao nhau theo một góc - được điều chỉnh bằng tác động lắc của các răng bọc; các giá trị điển hình là 0,5° đến 1,5° trên mỗi điểm uốn, với hai điểm uốn trên mỗi khớp nối (một điểm ở mỗi giao diện tay áo trung tâm). Chuyển vị dọc trục - trong đó một trục di chuyển dọc theo trục của chính nó so với trục kia - được điều chỉnh bằng sự trượt của trục trong ống bọc dọc theo các mặt răng. Bù song song - trong đó các đường tâm trục song song nhưng dịch chuyển sang một bên - được điều chỉnh bằng cách kết hợp độ lệch góc ở cả hai điểm uốn đồng thời, nghĩa là khả năng bù song song là một hàm của công suất góc và khoảng cách giữa hai điểm uốn.

Điều quan trọng cần lưu ý là khả năng điều chỉnh sai và hoạt động điều chỉnh sai liên tục là khác nhau. Khớp nối bánh răng có thể chịu được độ lệch quy định mà không bị hư hỏng, nhưng hoạt động liên tục ở độ lệch tối đa sẽ làm tăng tốc độ mài mòn của răng và tăng nhu cầu bôi trơn. Cách thực hành tốt nhất là căn chỉnh trục chính xác nhất có thể và sử dụng khả năng điều chỉnh sai lệch của khớp nối làm bộ đệm cho sự tăng nhiệt và lắng đọng nhỏ thay vì thay thế cho việc căn chỉnh thích hợp.

Các loại khớp nối bánh răng

Khớp nối bánh răng đầy đủ có các răng bánh răng trên cả hai trục, với cả hai giao diện ống bọc trục cung cấp một điểm uốn. Đây là cấu hình tiêu chuẩn và phù hợp với cả ba loại sai lệch như mô tả ở trên. Đây là thiết kế phổ biến nhất trong các ứng dụng công nghiệp nặng.

Khớp nối nửa bánh răng kết hợp một giao diện tay áo trung tâm bánh răng linh hoạt với một trung tâm có mặt bích cứng. Nửa cứng kết nối với một trục bằng mặt bích bắt vít tiêu chuẩn, trong khi nửa linh hoạt sử dụng cách bố trí răng bánh răng bên ngoài/bên trong thông thường. Thiết kế này được sử dụng khi một điểm kết nối yêu cầu chỗ ở có độ lệch bằng 0 - ví dụ: khi một trục được đỡ trực tiếp bởi một ổ trục rất gần với khớp nối - trong khi kết nối còn lại cần sự linh hoạt.

Khớp nối bánh răng cứng sử dụng răng cắt thẳng với dung sai chặt chẽ và được thiết kế cho các ứng dụng tốc độ cao trong đó duy trì sự căn chỉnh trục chính xác và yêu cầu cơ bản là truyền mô-men xoắn không trượt thay vì điều chỉnh sai lệch. Đây là những bộ phận được gia công chính xác được sử dụng trong bộ truyền động tua-bin và máy nén tốc độ cao.

Khớp nối bánh răng mặt bích sử dụng các ống bọc ngắn được bao quanh bởi một mặt bích vuông góc, với một ống bọc được gắn trên mỗi trục và hai mặt bích được bắt vít mặt đối mặt. Thiết kế nhỏ gọn này phổ biến trong các bộ truyền động công nghiệp tốc độ vừa phải trong đó chiều dài khớp nối tổng thể cần được giảm thiểu.

Biểu đồ so sánh khớp nối trục

Các loại khớp nối khác nhau phù hợp với các yêu cầu vận hành khác nhau. Bảng này tóm tắt các đặc điểm chính của các loại khớp nối trục chính để hỗ trợ các quyết định lựa chọn:

Cách chọn khớp nối trục phù hợp

Lựa chọn khớp nối trục tuân theo năm kích thước chính. Việc giải quyết từng vấn đề một cách có hệ thống sẽ dẫn đến lựa chọn đúng đắn cho ứng dụng thay vì tùy chọn quen thuộc nhất hoặc sẵn có nhất.

Yêu cầu về mô-men xoắn và công suất. Bắt đầu với mô-men xoắn cực đại mà khớp nối phải truyền - không phải mô-men xoắn định mức của động cơ mà là mô-men xoắn cực đại thực tế bao gồm xung khởi động, tải sốc và hệ số nhân hệ số vận hành. Khớp nối bánh răng xử lý mật độ mô-men xoắn cao nhất. Đối với mô-men xoắn vừa phải trong sử dụng công nghiệp nói chung, khớp nối xích dùng trong công nghiệp thông thường có mô-men xoắn vừa phải cung cấp một giải pháp thay thế mạnh mẽ và tiết kiệm chi phí. Đối với các ứng dụng tải sốc công suất cao như máy nghiền và băng tải nặng, khớp nối lò xo ngoằn ngoèo cho các ứng dụng chịu tải va đập công suất cao cung cấp độ cứng xoắn tăng dần giúp hấp thụ năng lượng va chạm trước khi nó chạm tới thiết bị được kết nối.

Loại sai lệch và cường độ. Xác định loại sai lệch nào hiện diện - góc, song song, trục hoặc kết hợp - và mức độ lớn của nó. Khớp nối bánh răng xử lý sai lệch kết hợp tốt. Đối với các chuyển vị góc lớn giữa các trục không thể định vị từ đầu đến cuối, trục cardan cho các ứng dụng chuyển vị góc lớn mở rộng chức năng ghép nối qua các khoảng cách và góc đáng kể mà các khớp nối thông thường không thể mở rộng.

Yêu cầu về tốc độ và độ chính xác. Tốc độ quay cao đòi hỏi sự cân bằng chính xác và thiết kế khớp nối có độ rung thấp. Đối với máy tuabin tốc độ cao và truyền động chính xác, khớp nối màng tốc độ cao cho hệ thống truyền động chính xác kết hợp hoạt động không cần bảo trì với độ cứng xoắn và chất lượng cân bằng mà các ứng dụng tốc độ cao yêu cầu. Đối với các hệ thống điều khiển chuyển động - máy CNC, robot, trục servo - trong đó phản ứng ngược bằng 0 và độ trung thực góc chính xác là rất cần thiết, khớp nối servo để điều khiển chuyển động không phản ứng ngược cung cấp độ cứng xoắn và độ chính xác về vị trí mà các khớp nối linh hoạt về mặt cơ học không thể mang lại.

Độ nhạy rung và sốc. Trong trường hợp thiết bị được kết nối nhạy cảm với rung xoắn hoặc tải sốc, các khớp nối linh hoạt về mặt vật liệu - đặc biệt là các loại lốp và chất đàn hồi - cung cấp khả năng cách ly rung động mà khớp nối bánh răng và xích không thể làm được. Khớp nối linh hoạt for vibration damping and shock absorption bao gồm các ứng dụng trong đó việc bảo vệ thiết bị được kết nối khỏi rung động do hệ thống truyền động tạo ra cũng quan trọng như việc truyền mô-men xoắn.

Truy cập bảo trì và môi trường. Khớp nối bánh răng và khớp nối xích yêu cầu bôi trơn định kỳ - một hạn chế thực tế trong môi trường từ xa, kín hoặc nguy hiểm khi khả năng tiếp cận bảo trì bị hạn chế. Các loại màng ngăn, dầm, ống thổi và khớp nối đàn hồi không cần bảo trì trong thời gian sử dụng thiết kế, khiến chúng được ưa chuộng hơn khi việc bôi trơn theo lịch trình là không thực tế. Hãy xem xét môi trường vận hành - nhiệt độ khắc nghiệt, tiếp xúc với hóa chất, độ ẩm và ô nhiễm đều ảnh hưởng đến việc lựa chọn vật liệu khớp nối và khoảng thời gian bảo dưỡng cùng với các yêu cầu về mô-men xoắn cơ bản và độ lệch.