结合:优化设计的技巧

为了让您的机器获得最佳性能，您需要从设计过程的一开始就考虑耦合。第一部分本文提供了一个简短的教程，介绍了联轴器的类型及其特点。在第2部分中，我们将讨论所涉及的权衡，以及如何修改耦合性能以最适合您的应用程序。

集中控制或分布式？伺服电机或步进电机？编码器或respvers？谈到建造机器时，设计师有一千个和一个决定制作。很容易陷入硬件，控制体系结构，接口中陷入困境。然而，一个可以制造或打破机器性能的一个元素 - 耦合 - 通常会被忽略。

情侣既不迷人也不聪明。它们是低价格标签的商品，但它们执行基本任务，将电机与变速箱、执行器和编码器连接起来。他们不仅传递运动，他们补偿不对准，节省磨损更昂贵的组件。

很多时候，机器制造商把联轴器当成事后的想法，把他们的时间花在更昂贵的部件上，而忽略了这样一个事实:机器的性能只有连接才好。“大多数工程师专注于指定变速箱或伺服电机，这些昂贵的项目，”比尔休伊森说，运营副总裁罗兰制造有限公司（马萨诸塞州Marlborough）。“耦合是人们思考的最后一个组件之一，往往会让他们陷入困境。他们不分配足够的空间，或者他们只是不考虑性能要求，以确保其系统的行为正确。他们忘记了联轴器，当它们真的是系统的关键部分。“通过规划申请的正确耦合，可以确保您构建的机器将满足或超出预期。

设计权衡
六种初级耦合类型包括刚性联轴器，波纹管联轴器，圆盘联轴器，梁联轴器，钳口联轴器和旧汉联耦合（见图）。每个都有不同的特征，益处和缺点，详细第一部分本文。何时正确地指定耦合时，您必须从应用程序开始。什么是所需的速度和准确性？负载和施加扭矩怎么样？组件的运动学是什么，它们有可能介绍哪些错位？一旦您了解这些要求，您就可以开始考虑设计权衡。

了解联轴器将经历的冲击载荷是至关重要的。重复停止-启动的轴所施加的力与单向匀速运动的力有很大的不同。加上快速、重复的反转，挑战就会增加。选择一个能承受惩罚的伴侣是很重要的。“许多人低估了耦合，因为他们不了解系统中的惯性负载，”休伊森说。“如果你有一个四分之一英寸的轴，你可以有三个或四个外径的联轴器，以适应不同的扭矩能力。让终端用户了解真正的力量是什么，这一点非常重要。”买最小的联轴器以配合轴是一个典型的因小失大的例子。联轴器的设计能够承受一定的冲击载荷，但超过这个限度后，联轴器往往会迅速失效。他补充道:“人们会把发动机变大，但他们对联轴器的想法却不一样。” "They say, ‘Oh, I'm only using a certain amount of the capabilities of motor, it'll be fine,’ but they neglect to take into account the inertial load, which is the real killer in the servo environment.”

事实上，将联轴器的大小与安全裕度挂钩可能会对最终用户的满意度产生重大影响。“系统通常被设计成以一定的速度运行，但当它到达工厂时，生产经理说的第一件事是，‘你能做多少件?’”Zero-Max Inc.销售和市场经理鲍勃·美因茨(Bob Mainz)说，“第二件事是‘我希望它运行得更快。’这时他们才开始发现自己的局限性。”

对于高速应用，低惯性铝似乎是显而易见的选择。这是真的，但只有一个点。在大约20,000或40,000rpm的速度下，铝可能无法提供足够的拉伸强度。钢是，但增加了惯性。该解决方案需要折衷：改变钢结构以使质量最小化，同时利用拉伸强度。

持续而迅速的逆转可能会带来另一个挑战。在这里，尽管施加在耦合器上的应力水平，铝可能提供最好的解决方案，因为较小的质量降低了惯性。复合材料可能提供另一种更有弹性的解决方案。

做扭
扭转刚度 - θ中的刚性 - 呈现一个关键设计参数。用过多低的扭转刚度指定耦合，而不是电机轴的旋转与负载的移动之间的直接相关性，您将获得卷绕，这增加了斜面，并增加了稳定时间。指定过高的扭转僵硬，您可以获得系统的其他元素的金属疲劳或早期失败。

需要从系统角度接近扭转僵硬。即使是实心轴也具有卷绕，取决于材料，直径和负载。实际上，通过采用系统方法，可以通过选择高刚度耦合来补偿过多的轴卷绕。

很容易假设更高的扭转刚度提供更好的性能，但这并不一定是这种情况。“那里有一个故意柔软的联轴器，因为如果你有高循环加载，你想要平滑运动或那种本质的东西，”Mainz说道。“工程师刚脱离大学，他们'll go for the highest torsional stiffness. They'll choose a coupling based on only one criterion. After they have some failures - because usually you'll give ground in other areas of coupling performance - they’ll learn to choose a coupling that will work in the real world.”

当然，这总是一种取舍。扭转刚度越低，收卷越大，沉降时间越长。对于某些应用程序，100毫秒的沉淀时间就可以了。然而，对于每分钟灌装300瓶的包装线来说，这是不实际的。在这种情况下，选择一个更硬的耦合，将允许组件更快地到达它们的最终位置，可以显著增加吞吐量。在包装机中，每分钟要进行数百次的运动，每通过几毫秒可以使它每分钟生产出一到两个额外的产品。加起来每年可以有几十万台，这对利润有很大的影响。

理解失败
颚式联轴器和Oldham联轴器的特点是在金属轮毂之间夹有塑料镶件，可以预先加载，以提供超低侧隙性能。然而，仅仅因为联轴器在特定扭矩下被指定为失效，并不意味着它能在整个范围内保持其性能。重要的是要意识到，在设备失效之前，你就失去了预载。Hewitson说:“(Oldham联轴器的)断裂扭矩，即插入件断裂成不同部分的实际失效点，远远高于联轴器失去零间隙能力的点。”“在它真正碎成碎片之前，你可以让它变形，在金属轮毂和阀瓣之间产生缝隙，从而产生反弹。”

Hewitson说，零隙颚式联轴器可以在伺服电机系统中提供阻尼。这就像选择用于分离轮毂的蜘蛛的聚氨酯硬度级别一样简单。他说:“他们有软版、中版和硬版，所以你可以根据需要调整系统的性能。”“你可以使用更软的聚氨酯来获得更大的阻尼，但你会得到更多的上紧力和稍低的准确性，通常会多一点沉淀时间。”

联轴器的部分目的是保护系统中更昂贵的部件，包括轴承。当联轴器因不对中而弯曲时，它对轴施加一个大小相等、方向相反的反作用力，该反作用力又传递给轴承。这可能导致轴承过度磨损，在某些情况下甚至失效。在选择耦合类型时，了解系统失调的频率、程度和类型是很重要的。例如，在颚式联轴器中，轴承负荷随着不对中而增加。Oldham联轴器在面对不对准时，轴承载荷是恒定的，但重要的是要记住，超过0.5度的不对准，它们往往会失去恒定的速度特性。光束耦合具有较轻的承载载荷，但其折中性较低。波纹管联轴器轴承负荷低，即使面临严重的不对中，但不能传递大量的扭矩。阀瓣联轴器可以很好地容忍大量的不对中，保持轴承负载低。确定您的系统需要什么，耦合的选择就会很简单。

要从您的机器获得最佳性能，就需要对联轴器和其他组件给予同样多的关注。考虑你的选择，做出权衡。也许最重要的是，不要试图遵循一刀切的方法。“即使在一台机器上，你也有不同类型的应用，”休伊森说。“我有一些客户的机器有5个或6个或更多的运动轴，我们以不同的方式指定它们。也许两个轴有一个梁式联轴器，一个有颚式联轴器，两个有波纹管联轴器，一个有奥尔德姆联轴器。他们根据应用程序定制耦合，从而获得他们需要的性能水平。”