如何選擇合適的伺服聯(lián)軸器？

為伺服系統(tǒng)選配聯(lián)軸器是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，這個(gè)過(guò)程需要考慮力矩、軸的相對(duì)位移、硬度、轉(zhuǎn)速、尺寸等要求。為了保證聯(lián)軸器的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，這些要求必須非常匹配。在選用聯(lián)軸器之前，對(duì)這些聯(lián)軸器的性能和應(yīng)用細(xì)節(jié)進(jìn)行詳細(xì)了解將非常有助于選擇合適的聯(lián)軸器。不同的伺服連軸器存在著其自身的優(yōu)缺點(diǎn)。本文旨在向伺服聯(lián)軸器的終端用戶(hù)介紹不同聯(lián)軸器的性能，同時(shí)指出設(shè)計(jì)中要考慮的因素以及如何針對(duì)不同的應(yīng)用情況選擇合適的聯(lián)軸器。

1.螺旋切縫彈性聯(lián)軸器

螺旋切縫彈性聯(lián)軸器通常又稱(chēng)為一體狹縫切割型聯(lián)軸器、柔性聯(lián)軸器等，它有別于豎直切割的平行切縫聯(lián)軸器。螺旋切縫彈性聯(lián)軸器通常由鋸切金屬棒材制造，常見(jiàn)的材料如鋁合金等，運(yùn)用螺旋切縫系統(tǒng)來(lái)平衡相對(duì)位移和傳遞扭矩。它們通常具有很好的性能和成本經(jīng)濟(jì)性，在很多應(yīng)用中均為首選產(chǎn)品。

單塊鋁合金棒材一體成型的設(shè)計(jì)使它具有零背隙傳遞力矩和無(wú)需維護(hù)的優(yōu)勢(shì)。螺旋切縫彈性聯(lián)軸器大致可分為兩個(gè)基本系列：?jiǎn)晤^螺旋線切縫和多頭螺旋線切縫。單頭螺旋線切縫型有一條長(zhǎng)的連續(xù)多圈螺旋線切縫，它的柔性很大，并且附加軸承荷載也很小。這種切縫設(shè)計(jì)可以平衡各種相對(duì)位移偏差，最適用于處理角向偏差和軸向偏差，但對(duì)平行位移偏差的平衡能力不大，因?yàn)閱晤^螺旋線切縫在處理平行偏差時(shí)會(huì)產(chǎn)生多方向彎曲，從而導(dǎo)致應(yīng)力集中過(guò)大， 致使零件過(guò)早損壞。

盡管長(zhǎng)的單頭螺旋線切縫具有較大的偏差糾正能力，但它的扭轉(zhuǎn)剛度不足，這也是單頭螺旋線切縫聯(lián)軸器的缺點(diǎn)。

單頭螺旋線切縫聯(lián)軸器具有很好的經(jīng)濟(jì)性，比較適用于低扭矩應(yīng)用，尤其適用于連接編碼器和其它輕型儀器。多頭螺旋線切縫聯(lián)軸器通常采用雙頭或多頭螺旋線切縫解決扭轉(zhuǎn)剛度低的問(wèn)題。

多頭螺旋線切縫聯(lián)軸器在不失去糾偏能力的情況下減小了切縫的長(zhǎng)度，多頭螺旋線切縫交纏在一起，增強(qiáng)了聯(lián)軸器的扭轉(zhuǎn)剛度，從而保證聯(lián)軸器在具有很大糾偏能力的情況下仍能承受相當(dāng)大的扭矩。這種性能使它適用于輕負(fù)載應(yīng)用，比如，伺服電機(jī)與絲杠的連接。但這種設(shè)計(jì)也具有它的缺點(diǎn)，隨著尺寸的增加，其附加軸承載荷也會(huì)增大，但在大多數(shù)情況下，由于安裝偏差較小，所以產(chǎn)生的彎矩也很小，從而保證了低附加軸承載荷。除了一組多頭螺旋線切縫的設(shè)計(jì)之外，也可采用兩組多頭螺旋線切縫設(shè)計(jì)。多組多頭螺旋線切縫設(shè)計(jì)可以使聯(lián)軸器更具彎曲柔性和糾偏能力，其它性能也優(yōu)于單頭螺旋線切縫和單組多頭螺旋線切縫聯(lián)軸器，這種聯(lián)軸器可以同時(shí)向不同的方向彎曲，因此相比之下更實(shí)用。

目前，大多數(shù)螺旋切縫彈性聯(lián)軸器都是用鋁合金做的，但是也有一些廠商用不銹鋼制造。不銹鋼聯(lián)軸器除了具有耐腐蝕性之外，同時(shí)也增加了聯(lián)軸器的扭矩承受能力和剛度，甚至可達(dá)到鋁制同類(lèi)產(chǎn)品的兩倍。不銹鋼的質(zhì)量和慣性較大，因此扭轉(zhuǎn)剛度大的優(yōu)點(diǎn)就大打折扣。例如，在微型馬達(dá)應(yīng)用中，馬達(dá)扭矩的很大比例被用來(lái)克服聯(lián)軸器的慣性，這將嚴(yán)重消弱系統(tǒng)的整體性能。

2.十字滑塊聯(lián)軸器

十字滑塊聯(lián)軸器: 平行糾偏能力最強(qiáng)

十字滑塊聯(lián)軸器由兩個(gè)轂和一個(gè)中心滑塊組成。中心滑塊是由塑料制造，特別情況下可由金屬制造。中心滑塊通過(guò)兩邊呈90°相對(duì)分布的卡槽和兩側(cè)的轂榫接在一起，從而傳遞力矩。中心滑塊和轂間通過(guò)微小的壓力吻合，這種結(jié)合能使聯(lián)軸器具有零背隙特性。

隨著使用時(shí)間的增長(zhǎng)，滑塊可能會(huì)因磨損而失去零背隙特性，但中心滑塊并不貴，也很容易更換，更換后仍能恢復(fù)其原有的性能。在使用過(guò)程中，中心滑塊的滑動(dòng)可調(diào)節(jié)軸的相對(duì)平行偏差。因?yàn)檩S間的偏差只會(huì)導(dǎo)致滑塊與轂之間產(chǎn)生摩擦力，因此它們之間的軸承負(fù)荷不會(huì)因偏差的增加而增大。與其它聯(lián)軸器不同， 十字滑塊聯(lián)軸器不會(huì)產(chǎn)生附加彎矩，因而不會(huì)產(chǎn)生附加軸承載荷。

十字滑塊聯(lián)軸器的性?xún)r(jià)比很高，并且有多種滑塊材料可供用戶(hù)選擇，這是十字滑塊聯(lián)軸器的一大優(yōu)勢(shì)。一些廠商也可以提供多種材料的滑塊來(lái)滿(mǎn)足各種應(yīng)用的不同要求。一般來(lái)說(shuō)有兩類(lèi)材質(zhì)，一類(lèi)材質(zhì)適用于零背隙、高扭轉(zhuǎn)剛度和大扭矩的應(yīng)用，另一類(lèi)材質(zhì)適用于低精度定位、非零背隙、但有吸震和減噪要求的應(yīng)用。非金屬滑塊還有電絕緣作用，可以充當(dāng)機(jī)械保險(xiǎn)絲。當(dāng)塑料滑塊損壞后，扭矩傳遞將被完全終止，從而保護(hù)貴重的機(jī)械零件。這種設(shè)計(jì)適用于大的平行偏差（從0.025到0.100英寸或更大，具體取決于聯(lián)軸器的尺寸）。

這種聯(lián)軸器僅能調(diào)節(jié)小于0.5°的相對(duì)角度偏差和小于0.005英寸的軸向位移，轉(zhuǎn)速通常小于4000 轉(zhuǎn)/分鐘。角向偏差過(guò)大可使其失去等速特性。分體的三部分設(shè)計(jì)限制了它的軸向偏差調(diào)節(jié)能力，例如，它不適用于推拉式應(yīng)用。同時(shí)，因?yàn)橹行幕瑝K是浮動(dòng)的，兩軸的運(yùn)動(dòng)必須保證滑塊不會(huì)脫落。

3.零背隙梅花聯(lián)軸器

梅花聯(lián)軸器:吸收沖擊最好的聯(lián)軸器

這種聯(lián)軸器一般有兩種類(lèi)型，一種是傳統(tǒng)的直爪型，一種是曲面（內(nèi)凹）爪型的零背隙聯(lián)軸器。傳統(tǒng)的直爪型不適用于精度很高的伺服傳動(dòng)應(yīng)用。

零背隙梅花聯(lián)軸器是在直爪型的基礎(chǔ)上演變而來(lái)的，但不同的是其曲面爪設(shè)計(jì)能適用伺服系統(tǒng)應(yīng)用。曲面是為了減少?gòu)椥悦坊▔K的變形和限制高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)向心力對(duì)它的影響。

零背隙爪型聯(lián)軸器由兩個(gè)金屬轂和一個(gè)彈性塊組成。梅花塊有多個(gè)葉片分支，像十字滑塊聯(lián)軸器一樣，它也是通過(guò)壓擠來(lái)使彈性塊和兩邊的轂吻合的，由此保證了聯(lián)軸器的零背隙性能。與十字滑塊聯(lián)軸器不同的是，它是通過(guò)壓擠傳遞運(yùn)動(dòng)，而十字滑塊聯(lián)軸器是通過(guò)剪力傳遞運(yùn)動(dòng)。

在使用零背隙梅花聯(lián)軸器時(shí)，使用者一定要注意扭矩不能超過(guò)彈性元件的最大承受能力（保證零背隙的前提下），否則彈性元件將會(huì)被壓扁變形失去彈性，這樣彈性體上的預(yù)加載荷將會(huì)消失，從而致使聯(lián)軸器失去零背隙性能，還可能在發(fā)生嚴(yán)重問(wèn)題后才被發(fā)現(xiàn)。

梅花聯(lián)軸器具有很好的平衡性能，適用于高轉(zhuǎn)速應(yīng)用（最大可達(dá)40000 轉(zhuǎn)/分鐘）， 但不能適用較大的偏差，尤其是軸向偏差。較大的平行偏差和角向偏差會(huì)產(chǎn)生比其他伺服聯(lián)軸器更大的附加軸承載荷。另一個(gè)值得關(guān)注的問(wèn)題是梅花聯(lián)軸器的失效。一旦彈性梅花塊損壞或失效，力矩傳遞并不會(huì)中斷，兩轂的金屬爪將嚙合在一起繼續(xù)傳遞扭矩，這很可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)問(wèn)題。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用選擇合適的彈性梅花塊材料是梅花聯(lián)軸器的一大優(yōu)勢(shì)，制造商可提供各種材料的彈性梅花塊，通過(guò)不同的硬度和溫度承受能力滿(mǎn)足客戶(hù)的實(shí)際應(yīng)用要求。

4.膜片聯(lián)軸器

膜片聯(lián)軸器: 高扭轉(zhuǎn)剛度,高速

膜片聯(lián)軸器至少由一組金屬疊片（金屬或合成樹(shù)脂）和兩個(gè)轂組成。金屬疊片被銷(xiāo)釘緊固在轂上，一般不會(huì)松動(dòng)或引起盤(pán)和轂之間的反沖。有一些生產(chǎn)商可提供兩組金屬疊片的聯(lián)軸器，中間有一個(gè)剛性件，兩邊再連在轂上。

單膜片聯(lián)軸器和雙膜片聯(lián)軸器的不同之處類(lèi)似于單組螺旋切縫和多組螺旋切縫聯(lián)軸器之間的差別，單膜片聯(lián)軸器不適用于調(diào)節(jié)平行偏差，而雙膜片聯(lián)軸器可以同時(shí)向不同的方向彎曲，所以可以承受平行偏差。

這種特點(diǎn)有點(diǎn)像波紋管聯(lián)軸器，實(shí)際上聯(lián)軸器傳遞力矩的方式差不多。金屬疊片很薄，當(dāng)偏差荷載產(chǎn)生時(shí)它很容易彎曲，因此可以承受高達(dá)5度的偏差，同時(shí)還能產(chǎn)生較低的軸承負(fù)荷。金屬疊片具有很好的扭轉(zhuǎn)剛度，僅稍遜于波紋管聯(lián)軸器。不利之處在于膜片聯(lián)軸器非常精巧，如果在使用中誤用或沒(méi)有正確安裝則很容易損壞。所以保證安裝偏差在聯(lián)軸器的正常運(yùn)轉(zhuǎn)承受范圍之內(nèi)是非常必要的。

5.波紋管聯(lián)軸器

波紋管聯(lián)軸器: 高扭轉(zhuǎn)剛度,高度

波紋管聯(lián)軸器由兩個(gè)轂和一個(gè)薄壁金屬管組成，它們用焊接或粘結(jié)的方式連接在一起。盡管有很多其它的材料可用，但不銹鋼和鎳還是最常用的波紋管材料。鎳管是用電沉積法制造的。這種方法首先要機(jī)加工固態(tài)的芯棒，使其成波紋形，利用電鍍法將鎳鍍?cè)谛景羯?，然后將芯棒采用化學(xué)方法溶解，從而得到鎳材質(zhì)的波紋管。這種方法能控制波紋管壁厚的精度，并能實(shí)現(xiàn)比其他方法制作的波紋管更薄的壁厚。這種薄壁波紋管使聯(lián)軸器具有高敏感性和響應(yīng)迅速的特點(diǎn)，是微型精密儀器的理想選擇。不過(guò)較薄的管壁也會(huì)減少其扭矩傳遞能力，使其在實(shí)際應(yīng)用中有很大的局限性。

不銹鋼波紋管比鎳材質(zhì)波紋管剛性更大，強(qiáng)度更高，經(jīng)常采用液壓成型的方法制造。加氫重整就是把薄壁管放置在機(jī)器上，利用液壓和特殊的工裝夾具使其成型。這種波紋管聯(lián)軸器的特點(diǎn)使其成為理想的運(yùn)動(dòng)控制聯(lián)軸器。薄而均勻的管子能夠在三種基本偏差存在的情況下產(chǎn)生彎曲，這三種偏差為軸向、平行和角向偏差。一般情況下，它可以承受1-2°的角向偏差，0.01-0.02"的平行偏差和軸向偏差。

這種薄而均勻的管壁只會(huì)產(chǎn)生很低的附加軸承載荷，并且在各處的應(yīng)力等效，沒(méi)有像其他聯(lián)軸器那樣的循環(huán)高負(fù)載點(diǎn)和低負(fù)載點(diǎn)，且在承受扭矩時(shí)能保持足夠的扭轉(zhuǎn)剛性。扭轉(zhuǎn)剛度是決定聯(lián)軸器精度的主要因素，扭轉(zhuǎn)剛度越高，傳遞的精度越高。在伺服聯(lián)軸器中，波紋管聯(lián)軸器是剛性最好的聯(lián)軸器，是高精度和高重復(fù)精度應(yīng)用的理想選擇。針對(duì)易腐蝕環(huán)境，有的廠商提供不銹鋼轂的聯(lián)軸器，但這樣會(huì)增加聯(lián)軸器的重量，降低波紋管聯(lián)軸器的性能。在實(shí)際應(yīng)用中，鋁轂的波紋管聯(lián)軸器具有低慣性的特點(diǎn)，這對(duì)于要求迅速響應(yīng)的系統(tǒng)十分重要。一些波紋管聯(lián)軸器的制造商將其作為標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品應(yīng)用在高轉(zhuǎn)速應(yīng)用中（10,000 轉(zhuǎn)/分鐘）

6.剛性聯(lián)軸器

剛性聯(lián)軸器:安裝軸對(duì)中要求高

顧名思義，剛性聯(lián)軸器是一種扭轉(zhuǎn)剛度為剛性的聯(lián)軸器，即使承受負(fù)載時(shí)也無(wú)任何回轉(zhuǎn)間隙。如果系統(tǒng)中有任何安裝偏差，則會(huì)導(dǎo)致軸、軸承或聯(lián)軸器過(guò)早的損壞，也就是說(shuō)剛性聯(lián)軸器無(wú)法用在高速的環(huán)境下，因?yàn)闄C(jī)器高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)軸上可能會(huì)產(chǎn)生高溫，這種高溫會(huì)導(dǎo)致軸的伸縮變形，而剛性聯(lián)軸器無(wú)法補(bǔ)償由于軸的伸縮所造成的軸向尺寸偏差。當(dāng)然，如果軸的軸向相對(duì)位移偏差能被成功地控制，在伺服系統(tǒng)中剛性聯(lián)軸器也會(huì)發(fā)揮很出色的性能。

盡管過(guò)去人們不贊成把剛性聯(lián)軸器用在伺服傳動(dòng)中，但由于它具有高扭矩承受力、剛性和零背隙等性能，在運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域中越來(lái)越多的用戶(hù)開(kāi)始使用小規(guī)格的鋁合金剛性聯(lián)軸器。

伺服聯(lián)軸器關(guān)鍵性能比較

結(jié)論

選擇合適的伺服聯(lián)軸器是整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要組成部分，它會(huì)很大地影響到系統(tǒng)的整體性能。因此，在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)盡早地考慮聯(lián)軸器的選型，并分別把各種聯(lián)軸器和系統(tǒng)的功能目標(biāo)排列對(duì)照，這樣就可以避免運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用中常見(jiàn)的各種問(wèn)題。上述我們討論的每種聯(lián)軸器都有其各自的特點(diǎn)，適用于各種不同的應(yīng)用。目前，市場(chǎng)上存在各種類(lèi)型的聯(lián)軸器，設(shè)計(jì)工程師可根據(jù)需要選擇最合適的聯(lián)軸器，使系統(tǒng)性能最優(yōu)且使用壽命最長(zhǎng)。

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審核編輯 黃宇