유연한 디스크 커플링 설계: 디스크 팩 형상, 허브 및 애플리케이션 적합성

동일한 250kW 압축기에서 14개월 동안 3개의 디스크 팩이 고장났고 매번 유지 관리 직원이 커플링을 교체했습니다. 그 원인은 누구도 예상하지 못한 0.9mm의 축 성장이었습니다. 정렬 후 팩의 축 용량은 0.5mm 미만으로 남아 있었기 때문에 핫 스타트를 할 때마다 스테인리스 라미네이션이 피로 한계에 조금 더 가까워졌습니다.

그 이야기는 결론을 담고 있습니다. 유연한 디스크 커플링 설계는 정렬 불량 각주를 사용한 토크 계산이 아닙니다. 이는 커플링이 와인드업이나 백래시 없이 토크를 전달할 수 있을 만큼 충분히 강하고, 베어링, 볼트 및 자체 라미네이션에 다시 공급되는 힘이 피로 한계 내에 유지될 만큼 충분히 유연한 좁은 밴드를 검색하는 것입니다. 디자인과 선택은 인용의 반대편에서 볼 때 동일한 문제입니다.

디스크 팩이 토크를 전달하는 방법

디스크 팩은 일반적으로 두께가 0.2mm ~ 0.5mm인 얇은 스테인레스 스틸 시트 스택으로, 볼트 원 주위에 배열된 6~12개의 링크로 펀칭되어 있습니다. 각 시트는 장착된 볼트로 두 개의 허브에 교대로 고정되므로 토크는 커플링 한쪽의 인장과 다른 쪽의 압축으로 링크를 통해 이동합니다. 오정렬은 시트 굽힘에 의해서만 흡수됩니다. 미끄러지는 것도 없고, 윤활 처리된 것도 없고, 고무로 만들어진 것도 없습니다.

이 단 하나의 사실이 디자인의 전체 특성을 설명합니다. 백래시가 없고, 마모 표면이 없으며, 노화되거나 경화될 엘라스토머가 없으며, 유연한 요소가 아닌 허브에 의해 설정된 온도 상한선입니다. 약점도 설명해준다. 슬라이딩 인터페이스가 없고 댐핑이 거의 없는 커플링은 에너지를 소산하는 능력이 거의 없으므로 링크에 나타나는 응력이 무엇이든 기계의 전체 수명 동안 모든 회전에서 볼 수 있습니다.

링크 프로필은 최초의 실제 디자인 결정입니다. 직선형 링크는 볼트 구멍 주위에 굽힘 응력을 집중시킵니다. 부채꼴 모양이나 허리 모양의 링크는 길이를 따라 곡률을 퍼뜨립니다. 유연성은 증가하고 구멍의 최대 응력은 감소하며 주어진 정렬 불량에서 팩이 베어링으로 ​​다시 밀어내는 반력도 함께 떨어집니다. 가격은 토크 밀도입니다. 부채꼴 시트는 직선 시트보다 너비 밀리미터당 토크가 적고 팩은 더 많은 레이어, 더 많은 볼트 또는 더 큰 직경을 사용하여 이를 회복해야 하기 때문입니다. 시트 두께, 레이어 수, 링크 폭 및 볼트 수는 완성된 커플링이 수행할 수 있는 작업을 결정하는 4가지 변수입니다.

단일 디스크 또는 이중 디스크: 정렬 불량 결정

팩이 정의되면 문제는 커플링에 필요한 팩 수입니다. 단일 디스크 장치는 두 허브 사이에 하나의 팩을 배치합니다. 각도 및 축 변위를 편안하게 처리하고 평행 오프셋을 제대로 처리하지 못하므로 짧고 밀접하게 결합된 드라이브(서보 축, 소형 펌프 및 두 샤프트가 이미 수백 분의 1밀리미터 내에 있는 테스트 장비)에 적합합니다.

이중 디스크 커플링은 두 팩 사이에 스페이서를 삽입합니다. 스페이서는 각 팩의 평행 오프셋을 각도 변위로 변환합니다. 이를 통해 별도의 베이스플레이트에 있는 모터와 기어박스를 서로 충돌하지 않고 연결할 수 있습니다. 그러면 스페이서 길이가 진정한 설계 변수가 됩니다. 즉, 커플링이 흡수할 수 있는 평행 오프셋의 양, 무게, 자체 질량 및 굽힘 동작이 드라이브라인에 미치는 영향을 설정합니다.

짧은 스페이서와 클램프형 허브를 갖춘 소형 이중 디스크 설계는 공작 기계 및 CNC 드라이브에서와 같이 엔벨로프가 빡빡하지만 평행 오프셋을 여전히 흡수해야 하는 경우 일반적입니다.

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강성비, 반력 및 베어링 빌

토크 등급은 커플링의 생존 여부를 결정합니다. 강성은 주변의 모든 것이 생존할지 여부를 결정합니다. 견적 단계에서 가장 흔히 무시되는 축 사례를 살펴보겠습니다. 필요한 커플링의 축 강성이 약 250N/mm(중형 디스크 팩의 실제 수치)이고 샤프트가 콜드 스타트와 최대 부하 사이에서 0.8mm 증가한다고 가정해 보겠습니다. 팩은 일반 베어링 하중에 추가로 약 200N을 지속적으로 베어링 안으로 밀어 넣습니다. 소형 모터의 경우 이는 베어링 수명을 수년에서 수개월로 단축하기에 충분하며 토크 계산을 통해 이를 알 수 없습니다.

비틀림 강성은 반대 방향으로 작용합니다. 이는 라디안당 또는 도당 Nm으로 표시되며, 높을수록 구동 샤프트가 모터를 더 정확하게 따라갑니다. 포지셔닝 축의 경우 백래시가 없고 높은 비틀림 강성이 디스크 커플링을 선택하는 이유입니다. 시동 중에 비틀림 공명을 통과해야 하는 드라이브라인의 경우 동일한 강성이 문제이며 낮은 댐핑으로 인해 피크가 더 날카로워집니다. 응용 분야에 대형 모터, 왕복 하중 또는 가변 속도 작동이 포함되는 경우 커플링 강성은 각주가 아닌 비틀림 모델에 속합니다.

실제 규칙: 토크 정격과 보어 크기뿐만 아니라 견적과 함께 공급업체에 비틀림, 축 및 반경 방향 강성 값을 문의하십시오. 토크 수치만으로는 베어링 하중이나 공진을 확인할 수 없습니다.

볼트, 균형 및 속도 한계

볼트 체결부는 현장 경험이 먼저 고려되는 설계 부분입니다. 장착된 볼트는 리밍된 구멍에서 제어된 간격으로 연삭되어 적층 사이의 마찰이 아닌 전단 시 볼트 생크에 의해 토크가 전달됩니다. 이는 핏 등급이 중요하고 잠금 방법도 중요하다는 것을 의미합니다. 왜냐하면 볼트가 느슨해지면 한 번의 시작으로 팩 전체에 걸쳐 하중 분포가 변경되기 때문입니다.

속도는 또 다른 한계점이며 선형적이지 않습니다. 잔류 불균형 힘은 회전 속도의 제곱에 따라 증가합니다. 불균형 1g-mm은 10,000rpm에서 대략 1.1N의 회전력을 생성하고 20,000rpm에서는 대략 4.4N을 생성합니다. 밸런스 품질은 동일한 논리를 따릅니다. 일반 산업용 드라이브는 일반적으로 G6.3에서 허용되고, 고속 및 공작 기계 드라이브에는 일반적으로 G2.5가 필요하며, 매우 빠르거나 매우 가벼운 로터에는 G1이 필요할 수 있습니다. 커플링의 정격 속도를 초과하면 아무리 균형을 잡아도 도움이 되지 않습니다. 한계는 디스크 팩 자체의 원심력 응력에서 비롯되기 때문입니다. 작업 지점이 천장에 가깝게 위치하는 경우 특수 목적으로 설계된 고속 설계가 유일한 합리적인 대답입니다.

재료: 스테인리스 팩, 강철 또는 알루미늄 허브

디스크 팩은 거의 항상 오스테나이트계 스테인리스강으로 되어 있으며, 피로 강도와 내식성의 조합으로 인해 301과 302가 일반적으로 선택됩니다. 17-4 PH와 같은 석출 경화 등급은 더 높은 강도 또는 더 높은 온도 성능이 필요한 곳에 나타납니다. 허브는 응용 분야에 따라 재료를 선택하는 곳입니다. 6061 또는 7075의 알루미늄 합금 허브는 관성을 낮게 유지하며 이는 1g의 회전 질량이 모터 크기에 추가되는 서보 축에서 중요합니다. 종종 흑색 산화물 처리된 1045 또는 합금 등급의 강철 허브는 중공업 및 장스팬 드라이브를 지배하며 스테인리스 허브는 세척 또는 해양 대기가 존재하는 곳에 사용됩니다.

허브-샤프트 연결은 평소보다 더 많은 관심을 받을 가치가 있습니다. 키 연결은 제로 백래시 디스크 팩이 보상할 수 없는 백래시를 발생시키므로 클램프형 허브와 키리스 잠금 어셈블리는 포지셔닝 및 하이 리버스 드라이브의 일반 사양입니다. 하중보다는 환경이 표면 처리를 결정합니다. 부식성이 약한 실내 식물의 경우 흑화 처리, 실외 및 해양 작업의 경우 스테인레스 또는 도금 하드웨어를 사용합니다.

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현장 공차: 좋은 디자인이 나쁜 설치가 되는 경우

현장 정렬은 다른 단일 원인보다 더 자주 올바른 설계를 잘못된 설치로 전환시킵니다. 디스크 커플링의 일반적인 목표는 0.5도 미만의 각도 오차와 0.5~1.5mm 이내의 축 설정이지만 이러한 수치는 특정 크기 및 팩에 속하므로 습관이 아닌 공급업체의 데이터 시트에서 나와야 합니다. 얼라인먼트는 차갑게 점검해야 하며 기계가 뜨거워지는 경우 작동 온도에서 다시 확인해야 합니다. 왜냐하면 100mm 스팬에서 2mm 늘어나는 샤프트는 벤치에 완벽하게 정렬된 커플링의 전체 축 여유분을 소비할 수 있기 때문입니다.

두 가지 습관이 불균형한 손상을 초래합니다. 첫 번째는 커플링 볼트를 사용하여 두 개의 샤프트를 함께 당기는 것인데, 이는 기계가 시작되기도 전에 팩을 축 방향으로 예압합니다. 두 번째는 이중 디스크 장치에서 각도 오류만 측정하고 평행 오프셋을 무시하는 것입니다. 여기서 스페이서는 이를 두 팩의 각도 변위로 확대합니다. 드롭아웃 스페이서 설계에서는 볼트가 토크를 가하기 전에 스페이서의 무게로 인해 팩이 구부러지지 않도록 조립 중에 스페이서도 지지되어야 합니다.

설계할 가치가 있는 실패 모드

대부분의 서비스 중 오류는 인식 가능한 소수의 패턴으로 인해 발생합니다.

• 디스크 링크의 볼트 구멍에서 방사되는 피로 균열은 거의 항상 과부하보다는 정격 이상의 지속적인 정렬 불량으로 인해 발생합니다.
• 예압이 손실된 접합부의 미세한 움직임으로 인해 발생하는 프레팅 및 구멍 신장.
• 재구축 후 잠금너트가 느슨해지거나 없어져 나머지 볼트에 하중이 재분배됩니다.
• 잘못 끼워졌거나 충분히 단단하다고 생각되는 키 연결로 인해 샤프트의 허브 보어 미끄러짐이 발생했습니다.
• 세척, 해안 또는 화학 대기에서 부식 구멍 또는 응력 부식 균열.
• 커플링 강성이 드라이브라인 모델에 입력되지 않은 두 배 라인 주파수 토크 리플, 블레이드 패스 주파수 또는 기어 메시 주파수에 의해 발생된 비틀림 공진입니다.

실용적인 선택 순서

커플링을 설계하든 구매하든 실행 가능한 작업 순서:

1. 전력과 속도로부터 연속 토크를 계산합니다. Nm 단위의 토크는 9550배의 전력(kW)을 속도(rpm)로 나눈 값과 같습니다.
2. 구동 기계를 반영하는 서비스 계수를 적용합니다(일반적으로 부드러운 하중의 경우 1.5~2, 왕복 또는 큰 충격 하중의 경우 2.5 이상).
3. 연속 토크가 아닌 최대 정격을 기준으로 시동, 제동 및 실속 토크를 확인하십시오.
4. 작동 속도를 고정한 다음 실제로 요구되는 속도에 맞는 균형 등급을 선택하십시오.
5. 두 기계 간의 제조 공차를 포함하여 각도, 평행 및 축, 저온 및 고온 등 실제 정렬 불량을 설정합니다.
6. 커플링 강성을 사용하여 오정렬을 반력으로 변환하고 이를 베어링 하중에 추가합니다.
7. 보어, 허브 유형, 키홈 또는 클램프 연결, 스페이서 길이 및 사용 가능한 범위를 확인하십시오.
8. 환경을 확인하십시오: 온도, 습도, 화학물질 및 세척 빈도.

문의 내용

보어와 토크만 요구하는 공급업체는 귀하의 드라이브를 이해하지 못한 것이며, 돌아오는 견적은 솔루션이 아닌 카탈로그 번호가 될 것입니다. 연속 및 최대 토크, 속도 및 듀티 사이클, 세 가지 정렬 불량 구성 요소 모두, 주변 및 작동 온도, 부식 노출, 사용 가능한 범위, 보어 및 연결 유형, 속도가 높은 경우 균형 등급을 보냅니다. 이 8가지 항목은 옆에 있는 베어링보다 조용히 오래 지속되는 커플링과 예정된 소모품이 되는 커플링의 차이입니다.

동일한 공장에서 서보 다이어프램 장치부터 대형 기어 커플링에 이르기까지 여러 커플링 유형을 운영하는 경우 DIN 커플링 유형 및 표준을 다루는 일반 선택 참조 자료는 작은 인용문과 함께 유용한 동반자입니다. 왜냐하면 후보 설계 간의 비교를 구두가 아닌 구체적으로 만들기 때문입니다.

DIN 커플링 유형, 표준 및 선택 가이드