伺服电机如何选开联轴器

在伺服应用中选择最适合型号的联轴器可能是一件令人困惑的事情，因为伺服系统选配联轴器是一个复杂的过程。这个过程包含了很多不同的性能因素，包括力矩、轴的偏差、硬度、转速、空间要求等等，联轴器需要满足所有这些以便使系统正常的运转。在选择联轴器之前，需要我们对这些联轴器的性能和其应用进行详尽的了解。不同类型的联轴器存在着其自身的优缺点。本文旨在向伺服联轴器的终端用户介绍不同类型联轴器在各种伺服系统中的应用，同时帮助终端用户指出在设计制造过程中要考虑的因素及如何有效连接不同产品来正确选择合适的联轴器。

 开缝式联轴器

开缝式联轴器通常由单块金属制成，常用铝、不锈钢，运用平行或螺旋切缝系统来适应偏差和传递扭矩。它们通常有很好的性能且有价格优势，在很多实际运用中，它是首选的产品。单块原材料的设计使它实现了无背隙地传递力矩和无须维护的优势。这里有两个基本的系列：螺旋槽型和平行槽型。

螺旋槽型有一条连续的多圈的长切缝，这使联轴器具有很好的弹性和很小的轴承负载。它可以承受各种偏差，最适合用于处理角向位移和轴向位移，但平行偏差的承受力较弱，因为要同时把螺旋槽在两不同的方向弯曲，会产生很大的内部压力，从而导致零件过早的损坏。尽管长螺旋槽型联轴器能在承受偏差情况下很容易地弯曲，但在扭力负载的下对联轴器的刚性也有同样的影响。扭力负载下过大的回转间隙会影响联轴器的精度并削弱其整体的性能。

螺旋槽型联轴器是一种经济的选择，最适合用于低扭矩应用中，尤其在连接编码器和其他较轻的仪器中。

平行槽型联轴器通常有6－8个切缝，以此来对付低扭矩刚性问题。平行槽型虑及到了不减弱承受偏差能力的情况下使切缝变短，短的切缝使联轴器的扭矩刚度增强并交叠在一起，使其能承受相当大的扭矩。这种性能使它适用于轻负荷的应用，比如，伺服电机与丝杠的连接。同时这种性能也不是没有任何负面的作用的：随着切缝尺寸的增加，其轴承负荷也会加大，但大多数情况下，还能足够有效地保护轴承。不过增加尺寸意味着增加承受平行偏差的能力。

现在大多数的此系列联轴器是用铝做的，但是也有一些厂商提供设计用不锈钢生产。不锈钢联轴器除了耐腐蚀外，同时也增加了扭矩承受能力和刚度，有时能达到两倍于铝制同类产品。然而这种增加的扭矩和刚度也被增加的质量和惯性而抵消。很多时候负面影响也会超过其优点，这样使用户不得不去寻找其他形式的联轴器。在小型电机应用中很大比率的马达扭矩被用来克服联轴器的惯性，这将严重削弱系统的整体性能。

 十字滑块联轴器

十字滑块联轴器,由两个毂和一个中心滑块组成。中心滑块作为一个传递扭矩元件通常由塑料制成，很少情况下由金属制成。中心滑块通过两边呈90°相对分布的卡槽和两侧的毂连接在一起，从而来传递扭矩。中心滑块和毂间用微小的压力进行吻合，这种压力能使联轴器在设备运转中具有无背隙运转。随着使用时间增长，滑块可能会因受到磨损而失去无反冲的功能，但中心滑块并不贵，也很容易更换，更换后仍能发挥其原有的性能。在使用过程中通过中心滑块的滑动来适应相对位移。因为抵抗相对位移的是滑块与毂之间的摩擦力，因此它们之间的轴承负荷不会因相对位移的增加而加大。 
不像其它的联轴器，它没有能象弹簧一样工作的弹性部件，因此不会因为轴间的相对位移的增加而使轴承负荷加大。无论如何这种系列的联轴器比较物超所值，能选择不同材料的滑块是这种联轴器的一大优势。一些厂商提供多种原材料的选择来适应不同的应用。一般来说，一类材质适用于无背隙、高扭矩刚性和大扭矩的情况下，另一类材质适用于低精度定位、无需无背隙、但有吸震和减噪作用。非金属滑块还有电绝缘作用，可以充当机械保险丝来用。当塑料的滑块损坏后，传递将被完全终止，从而保护贵重的机械零件。这种设计适用于大的平行相对位移（从0.025"到0.100"或更大要看联轴器的尺寸）。联轴器制造商通常提供低于本身能力的处理参数，以增加零件的使用寿命。

这种联轴器，仅能适用于小于1°的角向相对位移和小于0.01"的轴向位移和不高于转速为4000 转/分钟的情况下使用。度数大的角向位移可使其失去匀速特性。分体的三部分设计，限制了它处理轴向位移的能力，比如不可用在推拉式应用中。同时，因为中心滑块是浮动的，两轴运动必须保证滑块不会脱落。

 梅花型联轴器

这种联轴器一般有两种类型，一种是传统的直爪型的，一种是曲面（内凹）爪型的无背隙联轴器。传统的直爪型的不适合用在精度很高的伺服传动的应用中。无背隙爪型联轴器是在直爪型的基础上演变而来的，但不同的是其设计能适合伺服系统的应用。曲面是为了减少弹性梅花块的变形和限制高速运转时向心力对它的影响。无背隙爪型联轴器由两个金属毂和一个弹性块结合而成。梅花块有多个叶片分支，象十字滑块联轴器一样，它也是通过压挤来使弹性块和两边的毂吻合的并以此保证了其无背隙性能。与十字滑块联轴器不同的是，它是通过压挤传动的，十字滑块联轴器是通过剪力传动的。在使用无背隙爪型联轴器时，使用者一定要注意不能超过生产商给出的弹性元件的最大承受能力（保证无背隙的前提下），否则弹性元件将会被压扁变形失去弹性，预加负荷消失，从而失去无背隙的性能，还可能在发生严重的问题后使用者才会发现。

 爪型联轴器

具有很好的平衡性能和适用于高转速应用（最大可达40000 转/分钟），但不能处理很大的相对位移，尤其是轴向的。较大的平行和角向位移会产生比其他伺服联轴器大的轴承负荷。另一个值的关注的问题是爪型联轴器的失效。一旦弹性梅花块损坏或失效，力矩传递并不会中断，同时两毂的金属爪啮合在一起继续传递扭矩，这很可能会导致系统出现问题。根据实际应用选择合适的弹性梅花块原料是本联轴器的一大优势，生产商提供各种弹性材料的梅花块，不同的硬度和温度承受力，让客户选择合适的材料满足实际应用的性能标准。

 膜片式联轴器

膜片式联轴器至少由一个膜片和两个毂组成。膜片被用销钉紧固在毂上一般不会松动或引起膜片和毂之间的反冲。有一些生产商提供两个膜片的，中间有一个刚性件，两边再连在毂上。单膜片和双膜片的不同之处是处理各种偏差能力的不同，鉴于其需要膜片能复杂的弯曲，所以单膜片不太适应平行偏差。而双膜片的联轴器可以同时曲向不同的方向，以此来承受平行偏差。

这种特点有点象波纹管联轴器，实际上联轴器传递力矩的方式差不多。膜片很薄，当相对位移荷载产生时它很容易弯曲，因此可以承受高达3度的偏差，同时在司服系统中产生较低的轴承负荷。膜片具有很好的扭矩刚性，稍逊波纹管联轴器。不利方面是，膜片式联轴器非常精巧，如果在使用中误用或没有正确安装则很容易损坏。所以保证偏差在联轴器的正常运转的承受范围之内是非常必要的。

 波纹管联轴器

波纹管联轴器由两个毂和一个薄壁金属管组成，它们用或焊接或粘结的方式连接在一起。尽管很多其它的材料可用，但不锈钢和镍还是最常用的金属管材料。镍管是用电沉积法完成的。这种方法首先要机加工固体的芯棒，使其成波纹形，利用电镀镍在芯棒上，然后芯棒被化学溶解，从而得到镍的波纹管。这种方法能控制波纹管壁厚的精度，并能得到比其他方法制作的波纹管更薄的壁厚。这种薄壁波纹管使联轴器具有高敏感性和反应迅速，使它成为理想的用于极小且精密的仪器应用中。不过较薄的管壁也会减少其扭矩传递能力，使其在实际应用中有很大的局限性。

不锈钢波纹管比镍金波纹管更具有刚性、强度，经常用液压整形来制造。加氢重整就是把薄壁管放置在机器上，利用液压和特殊的工夹具使其成型。这种波纹管联轴器的特点使其成为理想的用在运动控制中的零件。薄而均匀的管子在承受三种轴之间基本的偏差时而引起负荷时可以使其易弯曲，这三种基本偏差为轴向、平行和角向。一般情况下，可以承受1°－2°的角向偏差，0.01"－0.02"的平行偏差和轴向偏差。这种薄而均匀的管壁使其产生很低的轴承负荷，保持旋转各点的恒量，没有象其他联轴器那样破坏循环的高负荷点和低负荷点，且在承受扭力负载时保持刚性。扭矩刚性是决定联轴器精准度的主要因素，刚度越好传递的精度越高。在伺服联轴器中，波纹管联轴器是刚性好的，在适应高精度和高重复性应用中是最理想的联轴器。针对易腐蚀环境中，有的厂商提供不锈钢毂的联轴器，这样增加了质量降低了这种联轴器的性能优势。使用铝毂的波纹管联轴器在实际应用中的低惯性，这在当今的迅速反应系统中是十分重要的性能。一些波纹管联轴器的生产商为平衡他们的联轴器，作为标准提供其应用在高转速的应用中（10,000 转/分钟）

 刚性联轴器

刚性联轴器，顾名思义，实际上是一种扭转刚性的联轴器，即使承受负载时也无任何回转间隙，即便是有偏差产生负荷时，刚性联轴器还是刚性传递力矩。如果系统中有任何偏差，则会导致轴、轴承或联轴器过早的损坏，也就是说其无法用在高速的环境下，因为它无法补偿由于高速运转产生高温而产生的轴间相对位移。当然，如果相对位移能被成功的控制，在伺服系统应用中刚性联轴器也会发挥很出色的性能。尽管过去人们不赞成把刚性联轴器用在伺服传动中，但近来由于其高扭矩承受力、刚性和无背隙性能，小规格的铝制刚性联轴器日益多的应用在运动控制领域中。

 总结

选择适合的伺服联轴器是整个系统设计的重要部分，会很大影响到系统的整体性能表现。基于此原因，在设计过程中应尽早地考虑联轴器，并把分别把各种联轴器的和系统的功能目标排列对照，这样可以避免在运动控制的实际运用中经常产生的问题。我们讨论的上述每种联轴器都有其各自的特点，使其可适用于各种不同的应用中。但是，单一品种的联轴器不能适应于每种应用领域中。这使得目前市场上有各种品种的联轴器，给设计工程师选择最适合的联轴器使系统表现优化且使用寿命长