What is the structure and working principle of a non-elastic flexible coupling?

Phân loại khớp nối và vai trò của các loại khớp nối mềm không đàn hồi

Các khớp nối được chia thành hai loại dựa trên việc chúng có cho phép dịch chuyển trục tương đối hay không:

• Khớp nối cứng yêu cầu căn chỉnh chính xác cả hai trục và không cho phép dịch chuyển tương đối theo bất kỳ hướng nào. Chúng truyền mô-men xoắn trực tiếp và chỉ được sử dụng khi sự liên kết trục có thể được đảm bảo và duy trì.
• Khớp nối linh hoạt điều chỉnh một mức độ lệch trục, hướng tâm hoặc góc xác định giữa các trục được kết nối, làm cho chúng phù hợp với nhiều điều kiện lắp đặt rộng hơn.

Khớp nối linh hoạt được chia thành hai loại:

• Khớp nối đàn hồi linh hoạt kết hợp các yếu tố đàn hồi như chèn cao su hoặc polyurethane. Những bộ phận này hấp thụ rung động và tải trọng đệm, nhưng tính linh hoạt của vật liệu đàn hồi hạn chế độ cứng truyền động và khả năng chịu tải.
• Khớp nối mềm không đàn hồi không chứa phần tử đàn hồi. Việc bù sai lệch đạt được thông qua chuyển động tương đối giữa các bộ phận cơ khí cứng - các tiếp điểm trượt, quay hoặc chia lưới. Cấu trúc này mang lại độ cứng truyền cao và khả năng chịu tải mạnh, mặc dù nó không cung cấp khả năng giảm rung vốn có.

Các loại chủ yếu của khớp nối mềm không đàn hồi bao gồm khớp nối bánh răng, khớp nối Oldham (trượt ngang), khớp nối vạn năng (Cardan) và khớp nối xích , mỗi loại cung cấp một dạng cấu trúc riêng biệt và nhiều ứng dụng phù hợp.

Thành phần kết cấu cốt lõi

Bất chấp sự khác biệt về cấu trúc, tất cả các khớp nối linh hoạt không đàn hồi đều có chung một bộ thành phần chức năng.

Khớp nối nửa dẫn động và dẫn động

Mỗi cụm khớp nối bao gồm hai nửa khớp nối, một nửa được gắn trên trục dẫn động và một trên trục bị động. Chúng được cố định vào trục tương ứng bằng chốt, chốt hoặc khớp nối để đảm bảo quay đồng bộ. Nửa khớp nối là bộ phận truyền mô-men xoắn chính và được thường được sản xuất từ ​​gang, thép đúc hoặc thép rèn , được lựa chọn theo độ lớn của tải và môi trường hoạt động.

Phần tử truyền trung gian

Phần tử trung gian là thành phần cho phép bù sai lệch. Hình dạng của nó thay đổi tùy theo loại khớp nối: khớp nối bánh răng sử dụng trục bánh răng bên ngoài chia lưới với ống bọc bánh răng bên trong; Khớp nối Oldham sử dụng đĩa trung tâm với hai bộ phím lái vuông góc với nhau; khớp nối vạn năng sử dụng trục hình chữ thập; khớp nối xích sử dụng xích con lăn hai sợi. Thiết kế của phần tử trung gian quyết định trực tiếp đến khả năng bù dịch chuyển và khả năng chịu tải của khớp nối.

Hệ thống niêm phong và bôi trơn

Đối với các loại khớp nối cần bôi trơn - đáng chú ý nhất là khớp nối bánh răng - một hệ thống làm kín hiệu quả là không thể thiếu. Các vòng đệm giữ lại mỡ bôi trơn bên trong vỏ khớp nối và ngăn các chất gây ô nhiễm bên ngoài xâm nhập vào vùng tiếp xúc. Tính toàn vẹn của hệ thống niêm phong có ảnh hưởng trực tiếp đến tuổi thọ sử dụng. Cấu hình phốt phổ biến bao gồm phốt vòng chữ O, phốt môi có lò xo sọc và phốt mê cung.

Các yếu tố buộc và định vị

Bu lông, vòng giữ và tấm cuối cố định vị trí trục của từng bộ phận và ngăn chặn sự di chuyển dọc trục trong quá trình vận hành. Các bộ phận này đảm bảo rằng khớp nối vẫn được lắp ráp chính xác dưới tải trọng động gặp phải khi vận hành.

Cấu tạo và nguyên lý làm việc của từng loại khớp nối

Khớp nối bánh răng

Khớp nối bánh răng là khớp nối linh hoạt không đàn hồi được sử dụng rộng rãi nhất cho các ứng dụng mô-men xoắn cao, tốc độ cao. Cấu trúc của nó bao gồm hai trục có răng ngoài - một trục trên mỗi trục - và hai ống bọc răng bên trong được bắt vít với nhau để tạo thành một buồng bôi trơn kín bao quanh cả hai lưới bánh răng.

Mô-men xoắn được truyền qua tiếp xúc ăn khớp giữa các răng bánh răng bên ngoài trên trục và các răng bánh răng bên trong trong ống lót. Khi có sự lệch góc giữa hai trục, biên dạng răng bọc mão (hình thùng) của bánh răng bên ngoài cho phép trục lắc lư bên trong ống bọc, điều chỉnh độ lệch góc. Độ lệch hướng tâm được bù đắp bằng sự dịch chuyển ngang nhỏ của mỗi trục trong ống bọc của nó. Bán kính thân răng bên ngoài xác định độ dịch chuyển góc tối đa cho phép - bán kính thân răng lớn hơn cho phép bù góc lớn hơn.

Khớp nối bánh răng thường điều chỉnh độ lệch góc của 0,5° đến 1,5° . Hiệu suất truyền động cao, thường vượt quá 99%, khiến chúng trở thành lựa chọn ưu tiên cho bộ truyền động máy cán, tời mỏ và bộ truyền trục chính của máy công cụ hạng nặng.

Khớp nối Oldham (Khớp nối thanh trượt chéo)

Khớp nối Oldham bao gồm hai nửa khớp nối, mỗi nửa khớp nối có một rãnh đường kính trên mặt và một đĩa trung gian ở giữa mang hai cặp phím điều khiển hướng 90° với nhau. Các phím khớp với các rãnh trong nửa khớp nối để tạo thành các kết nối trượt.

Mô-men xoắn được truyền qua các bề mặt tiếp xúc giữa phím và khe. Khi hai trục được bù hướng tâm, đĩa trung tâm sẽ trượt độc lập trong khe của mỗi nửa khớp nối và độ trượt tương đối của các phím trong các khe sẽ hấp thụ chuyển vị hướng tâm. Đĩa trung gian hoạt động như một cơ cấu dẫn hướng chéo động học , cho phép hai trục dịch chuyển tương đối với nhau theo bất kỳ hướng hướng tâm nào mà không làm gián đoạn quá trình truyền mô-men xoắn.

Khớp nối Oldham có kết cấu đơn giản và sản xuất tiết kiệm. Chúng thích hợp cho các ứng dụng tốc độ thấp (thường không vượt quá 250 vòng/phút) với độ lệch hướng tâm tương đối lớn - thường lên tới khoảng 0,04 lần đường kính trục . Ở tốc độ cao hơn, lực ly tâm được tạo ra bởi khối lệch tâm của đĩa trượt tạo ra tải trọng động bổ sung lên trục, khiến loại này không phù hợp với các bộ truyền động tốc độ cao.

Khớp nối đa năng (Khớp nối Cardan)

Khớp vạn năng kiểu chữ thập bao gồm hai mặt bích hình nĩa (chân) và một trục hình chữ thập. Bốn trụ của chữ thập được nối với một lỗ chịu lực ở một trong hai chốt thông qua ổ lăn kim, tạo thành hai khớp bản lề vuông góc với nhau.

Mô men xoắn truyền từ trục dẫn động tới gông dẫn động, qua trục ngang đến chạc dẫn động và tới trục dẫn động. Bởi vì mối liên kết giữa thập tự giá và cả hai ách đều có bản lề, khớp nối có thể truyền mô-men xoắn với góc giao nhau của trục lên tới 35°–45° , có khả năng điều chỉnh độ lệch góc vượt xa khả năng của bánh răng hoặc khớp nối Oldham.

Một đặc tính động học quan trọng phải được lưu ý: khi một khớp vạn năng hoạt động với góc trục khác 0, trục dẫn động không quay đều ngay cả khi trục dẫn động quay với tốc độ không đổi. Vận tốc góc của trục bị dẫn động dao động hai lần trên một vòng quay, với biên độ dao động tăng theo góc quay của trục. Để loại bỏ sự không đồng đều về vận tốc này, một sự sắp xếp chung chung kép được sử dụng trong thực tế - hai khớp được nối với nhau bằng một trục trung gian có chiều dài bằng nhau, với các góc bằng nhau ở hai đầu và hai vòng kẹp của trục trung gian được đặt trong cùng một mặt phẳng. Hình dạng này làm cho sự dao động vận tốc ở mỗi khớp bị triệt tiêu, mang lại tốc độ đầu ra đồng đều. Khớp nối vạn năng được sử dụng rộng rãi trong trục truyền động ô tô, bàn lăn máy cán và máy xây dựng.

Khớp nối xích

Khớp nối xích bao gồm hai đĩa xích giống hệt nhau - một đĩa xích được gắn trên mỗi trục - được kết nối bằng xích con lăn hai sợi, được bọc trong một vỏ bảo vệ để ngăn chặn tình trạng đứt xích và nhiễm bẩn xâm nhập.

Mô-men xoắn được truyền từ trục dẫn động thông qua tiếp xúc ăn khớp giữa răng bánh xích và các con lăn xích, dọc theo dây xích đến bánh xích dẫn động và trục. Khoảng hở giữa xích và răng bánh xích, kết hợp với tính linh hoạt hình học nhẹ của các mắt xích, cho phép khớp nối có thể bù đồng thời cho độ lệch trục, hướng tâm và góc . Các mức cho phép điển hình là xấp xỉ một bước xích theo hướng dọc trục, khoảng 0,02 lần bước xích hướng kính và khoảng 1° theo góc.

Khớp nối xích rất dễ lắp ráp và tháo rời - việc tách liên kết chính cho phép hai trục được tách rời hoàn toàn mà không làm ảnh hưởng đến các bộ phận truyền động khác. Điều này làm cho chúng đặc biệt phù hợp với các ứng dụng thường xuyên đảo ngược, chu kỳ khởi động thường xuyên hoặc môi trường cần bảo trì nhiều và chúng thường được tìm thấy trong các hệ thống băng tải, máy móc nông nghiệp và thiết bị dệt.

Bồi thường sai lệch: Phân tích chuyên sâu

Khả năng bù cho sự dịch chuyển tương đối của trục là đặc điểm xác định giúp phân biệt các khớp nối linh hoạt với các khớp nối cứng của chúng. Ba loại độ lệch trục được công nhận trong thực hành kỹ thuật:

• Chuyển vị dọc trục (δx): Chuyển động tương đối của hai đầu trục dọc theo trục chung của chúng, thường gây ra bởi sự giãn nở nhiệt của trục hoặc vỏ trong quá trình vận hành hoặc do dung sai lắp đặt.
• Độ dịch chuyển hướng tâm (δy): Tình trạng trong đó hai trục trục song song nhưng không trùng nhau - độ lệch bên vuông góc với trục trục. Điều này phát sinh từ lỗi lắp đặt, độ lún nền móng hoặc độ võng khi chịu tải.
• Chuyển vị góc (α): Tình trạng trong đó hai trục trục cắt nhau một góc. Các nguyên nhân bao gồm lỗi lắp đặt, mòn ổ trục và biến dạng khung máy khi chịu tải.

Khớp nối mềm không đàn hồi điều chỉnh những sai lệch này thông qua chuyển động tương đối giữa phần tử trung gian và nửa khớp nối. Tuy nhiên, khoản bồi thường này không phải là vô hạn - mọi loại khớp nối đều có dung sai dịch chuyển tối đa được xác định . Vận hành vượt quá những giới hạn này sẽ gây ra sự gia tăng nhanh chóng tải trọng bổ sung lên trục và ổ trục, làm tăng tốc độ mài mòn và có khả năng dẫn đến hỏng hóc sớm. Do đó, việc căn chỉnh chính xác trong quá trình lắp đặt là điều cần thiết, ngay cả đối với các khớp nối linh hoạt.

Không giống như khớp nối đàn hồi, giúp hấp thụ độ lệch thông qua biến dạng của phần tử tuân thủ, khớp nối linh hoạt không đàn hồi tạo ra tiếp xúc trượt hoặc quay giữa các bộ phận cứng khi bù chuyển vị. Các lực tiếp xúc này biểu hiện dưới dạng mômen uốn bổ sung và lực dọc trục tác dụng lên các trục và ổ trục được kết nối. và phải được đưa vào phân tích cơ học trong quá trình lựa chọn khớp nối.

So sánh thông số hiệu suất

Bảng dưới đây cung cấp cái nhìn tổng quan so sánh về các thông số hiệu suất chính của bốn loại khớp nối linh hoạt không đàn hồi chính.

Nguyên tắc lựa chọn khớp nối

Correct coupling selection is a prerequisite for reliable operation and extended service life. The following criteria should be evaluated systematically during the selection process:

1. Determine the design torque. Multiply the nominal operating torque by a service factor that accounts for the type of prime mover (electric motor, internal combustion engine) and the load characteristics of the driven machine (smooth, moderate shock, heavy shock). Service factors typically range from 1.2 to 3.0.
2. Assess misalignment type and magnitude. Identify whether the dominant misalignment is radial, angular, or axial, and estimate its magnitude based on installation conditions. Select a coupling type whose compensation capacity matches or exceeds the expected misalignment.
3. Consider the operating speed. Gear couplings are the preferred choice for high-speed drives. Oldham couplings suit low-speed applications with large radial offsets. Universal joints handle large angular deviations. Chain couplings are appropriate for medium-to-low-speed applications requiring frequent reversals or starts.
4. Evaluate the operating environment. High temperatures, corrosive media, dust, and moisture impose additional requirements on materials and sealing. High-temperature applications require heat-resistant lubricating greases; corrosive environments may call for stainless steel components or protective coatings.
5. Consider maintenance accessibility. Chain couplings offer the simplest disassembly procedure and suit maintenance-intensive installations. Gear couplings require periodic grease replenishment on a defined service schedule.

Installation Guidelines and Failure Analysis

Key Installation Guidelines

Installation quality has a direct and lasting impact on coupling performance and service life. The following practices should be observed:

• Thoroughly clean shaft ends, keyways, and bore surfaces before assembly. Remove all burrs, corrosion, and contamination to ensure proper fit quality.
• Use a dial indicator to measure radial and face runout during alignment. Confirm that actual misalignment values fall within the coupling's rated compensation limits — visual inspection or straightedge checks alone are insufficient .
• After installing a gear coupling, fill it with the specified grade and quantity of lubricating grease to ensure adequate lubrication of all tooth contact surfaces from initial startup.
• Fit the protective cover with careful attention to sealing integrity. Inadequate sealing allows grease to escape and permits abrasive particles to enter the meshing zone.
• Tighten all fastening bolts incrementally in a cross pattern to the specified torque, preventing distortion caused by uneven clamping.

Common Failure Modes

Understanding the failure modes characteristic of each coupling type supports effective condition monitoring and timely maintenance:

• Tooth surface wear (gear couplings): Caused by inadequate lubrication, lubricant degradation, or sustained operation beyond the rated misalignment limits. Progressive wear leads to increased backlash, vibration, and ultimately tooth pitting or fracture.
• Slider wear (Oldham couplings): Accelerated by high-speed operation, overloading, or poor lubrication of the key-and-slot contact surfaces. Wear produces clearance, which introduces impact loading and further accelerates deterioration.
• Chain fatigue fracture (chain couplings): Cyclic tensile and bending stresses in the chain links cause fatigue crack initiation and propagation. Uneven load distribution across the chain width from angular misalignment accelerates this process.
• Cross trunnion bearing failure (universal joints): Insufficient lubrication, overloading, or operation beyond the rated shaft angle leads to needle bearing wear and seizure, eventually resulting in trunnion fracture.
• Half-coupling cracking or fracture: Excessive impact loads, material defects, or severe misalignment generating supplementary bending moments that exceed the material's allowable stress can initiate fatigue cracks in the hub body.

Maintenance and Inspection Schedule

A systematic maintenance program is essential for preserving the performance and extending the service life of non-elastic flexible couplings. The following measures should be incorporated into the equipment maintenance plan:

• Scheduled lubricant replenishment: Gear and chain couplings should have their lubricating grease topped up or replaced according to the manufacturer's service intervals — typically every 2,000 to 4,000 operating hours for replenishment, with a full grease change at least once per year.
• Alignment verification at major overhauls: Re-check coupling alignment whenever bearings are replaced, foundations are repaired, or significant vibration has been observed. Foundation settlement and thermal cycling can alter the alignment state over time.
• Wear assessment of active elements: Periodically inspect gear teeth, slider keys, chain links, and trunnion bearings for wear. Replace components that have reached their wear limits before failure occurs to avoid secondary damage to shafts, bearings, and connected equipment.
• Seal condition inspection: Examine lip seals, O-rings, and cover gaskets for signs of ageing, deformation, or damage. Address any leakage by replacing the affected sealing elements promptly.
• Continuous operational monitoring: During normal operation, monitor for abnormal vibration, unusual noise, or elevated temperature at the coupling location. Any of these indicators warrants an immediate investigation before further damage develops.