金屬板簧類伺服彈性聯軸器在伺服系統中的應用

黃楠

摘要：聯軸器是軸與軸之間傳遞扭矩的重要部件，廣泛應用于與電機、減速機的連接中。聯軸器既要滿足伺服電機高速、高精度定位，實現超精密控制的要求，同時要具備一定撓性以克服軸向、徑向以及角度偏差。選擇合適的聯軸器以及正確的安裝方式對于提高機械設備的品質及延長機械壽命具有重要作用。

關鍵詞：伺服彈性聯軸器；金屬板簧聯軸器；膜片聯軸器；同軸度；扭轉剛性

1 引言

機械設備在傳遞扭矩時，若要求兩軸在同一直線上等速運行的話，就會需要用到聯軸器。而在加工精度、軸受熱膨脹，以及軸受外力而彎曲等因素的影響下，兩軸的同軸度會發生變化。只追求聯軸器在高剛性、大扭矩且高同軸度的性能要求，往往無法克服上述兩軸同軸度變化的影響。在大部分機械設備的扭矩傳遞中，需要兼顧高速、高精、高應答性和兩軸同軸度的變化帶來的誤差。為了滿足上述條件下的扭矩傳遞，就需要使用彈性聯軸器當作橋梁來維持兩軸間的動力傳達，以實現吸收兩軸間徑向、軸向以及角度誤差，進而提高機械品質以及延長機械壽命。

聯軸器使用過程中存在的軸心誤差有三種，即偏心、偏角和軸向位移。偏心又稱徑向誤差、平行誤差和軸心徑向位移，是指兩軸軸心之間的偏差，可用同心度來表示；偏角又稱角度誤差，是指聯軸器兩端軸線不平行而產生的角度偏差，可用兩軸軸線的不平行度來表示；軸向位移又稱軸向間距、斷面間隙，是指兩軸端面之間的距離。

聯軸器具有一定補償兩軸安裝誤差以及緩沖減震的作用，但其主要功能是傳遞扭矩，若兩軸偏差過大會造成聯軸器動力傳遞不暢，同時導致兩軸承受額外的扭力，產生噪音和過熱現象，降低設備壽命，甚至造成軸端斷裂的事故。而不同類別的聯軸器在吸收誤差范圍上也有很大區別，高剛性、高精度和高應答性的性能要求與吸收誤差、緩沖減震的需求應根據使用環境予以權衡。

2 伺服彈性聯軸器的特點

聯軸器種類繁多，大致分為剛性聯軸器、撓性聯軸器和扭力限制器三大類。其中，撓性聯軸器在數控機床、產業機械、半導體制造裝置及各類自動化設備上應用廣泛。而撓性聯軸器又分為無彈性元件撓性聯軸器（如齒式聯軸器、十字滑塊聯軸器和萬向聯軸器等）、金屬彈性元件撓性聯軸器（如螺旋切槽聯軸器、波紋管聯軸器、金屬板簧類聯軸器或稱膜片式聯軸器等）和非金屬元件撓性聯軸器（如梅花墊聯軸器、輪胎式聯軸器、彈性柱銷聯軸器或稱十字銷連接聯軸器等）。上述后兩類聯軸器在與伺服電機、減速機的連接中較為常見。廣義上講，應用于伺服電機的連接中的撓性聯軸器均可統稱為伺服彈性聯軸器，包括：金屬板簧式（膜片型）、橡膠樹脂式（梅花墊型）、波紋管式、螺旋切槽式、銷軸襯式（十字銷連接型）和十字滑塊式等。而本文探討的伺服彈性聯軸器是指專門針對伺服電機的安裝開發的超高剛性金屬板簧類聯軸器，該類聯軸器又根據輸出扭矩范圍、扭轉彈性要求等區分為高強度鎂鋁合金為夾緊套主體的輕量型聯軸器，以及以碳鋼為夾緊套（或脹緊套）主體的大扭矩聯軸器，前者多應用于自動化設備中的直線運動單元，后者多用于數控機床的主軸和進給軸。

2.1 常見伺服電機用聯軸器特點對比

一體成型剛性聯軸器的扭轉剛性極高，結構緊湊，但不具備吸收誤差的功用，由安裝誤差引起的反作用力大。使用該型聯軸器的優點是剛性高，聯軸器本身同軸度容易達到較高標準，但其缺點也十分明顯，該類聯軸器不但對安裝精度要求極高，且無法實現在設備運行中由于熱膨脹或外力因素造成兩軸軸心變化后的矯正和吸收。

螺旋切槽聯軸器的扭轉剛性中等，撓性優越，由安裝誤差引起的軸反作用力中等，可以吸收較大的安裝誤差，但該類聯軸器無法達到較高水準的同軸度要求，因此其只適用于輸出扭力較小及精度要求不高的場合。

波紋管聯軸器在具備較高扭轉剛性的同時撓性佳，可以吸收一定的安裝誤差。但其波紋管與聯軸器主體之間通過膠體粘接，連接不穩定，且其最大的問題是聯軸器本身的同軸度無法得到保證，因此不適合高速高精的使用場合。

橡膠樹脂類聯軸器比較常見的是梅花墊型聯軸器，該類聯軸器扭轉剛性差，撓性佳。因其以橡膠樹脂類材質為中間體，故具備良好的吸振效果，但同時其中間體易磨損，耐久性差。同時其本身同軸度也無法得到保證，該類聯軸器不適合高速高精度的使用場合。

銷軸襯式聯軸器（十字銷連接聯軸器）和十字滑塊聯軸器扭轉剛性一般，撓性佳，安裝誤差引起的軸反作用力小，但該類聯軸器會產生背間隙，同軸度也無法保證，故不適合高速高精度的場合。

金屬板簧式聯軸器（膜片式）扭轉剛性高、零背隙、低慣量，且能有效阻止熱傳導。該類聯軸器具有在扭轉方向上剛性佳，在彎折方向、階梯方向和軸方向上撓性佳的特性。

2.2 金屬板簧類伺服彈性聯軸器的特性分析

通過扭轉特性、衰減特性、背隙/空轉、軸反作用力、容許扭矩、最高旋轉數和耐久性等方面衡量聯軸器性能。

2.2.1 金屬板簧類伺服彈性聯軸器扭轉特性測試（靜態）

聯軸器的扭轉性要比軸、扭矩計強，為了消除測定裝置的被扭轉量，以測量聯軸器兩端最近位置的扭轉位移來測定扭轉剛性（圖2）。

圖3對比了常見的三類伺服電機用彈性聯軸器的近似規格扭轉特性，金屬板簧類伺服彈性聯軸器選取某品牌LC-A-010SA（外徑19 mm，額定扭矩1 N·m），橡膠樹脂類聯軸器選取某品牌梅花墊聯軸器LC-C-020-R（外徑20 mm，額定扭矩5 N·m），十字銷連接聯軸器選取某品牌20C（外徑20 mm，額定扭矩1 N·m）。金屬板簧類聯軸器滯后損耗為0.005 deg，扭轉剛性為580 N·m/rad；梅花墊聯軸器滯后損耗為0.23 deg，扭轉剛性為105 N·m/rad；十字銷連接聯軸器滯后損耗為0.03 deg，扭轉剛性為320 N·m/rad。在扭轉剛性和滯后損耗兩項數據上，金屬板簧類聯軸器要遠遠優于近似規格的梅花墊聯軸器和十字銷連接聯軸器。也就是說金屬板簧類聯軸器在應答性和傳遞扭矩的精度上要遠優于上述其他兩類聯軸器。

除上述三類聯軸器外，波紋管聯軸器也是伺服控制系統中的常用聯軸器。對比金屬板簧類聯軸器和波紋管類聯軸器，兩者在扭轉剛性的數據上很接近。金屬版黃類聯軸器選取某品牌LC-A-050DA（外徑56 mm，額定扭矩25 N·m），波紋管類聯軸器選取某品牌LC-F3-30（外徑55 mm，額定扭矩30 N·m），金屬板簧類聯軸器扭轉剛性為12 700N·m/rad，波紋管類聯軸器為12 800 N·m/rad。但在軸反作用力的對比上，金屬板簧類聯軸器要則要遠優于波紋管聯軸器。

對比兩者同等負載下的偏心量，金屬板簧聯軸器為247 N/mm，波紋管聯軸器為817 N/mm。也就是說金屬板簧聯軸器自身精度更不易受到外力影響，這在要求高精度、高應答性的伺服控制系統中尤為重要。

綜述，金屬板簧類伺服彈性聯軸器相較于橡膠樹脂類聯軸器（梅花墊類）、十字銷連接聯軸器以及波紋管聯軸器，其扭轉特性方面具有不可替代的極大優勢，是伺服控制系統中的首選聯軸器。

2.2.2 金屬板簧類伺服彈性聯軸器的耐久試驗

試驗方法為：以一定的扭矩，順時針逆時針兩方向往復少量轉動。試驗附加扭矩為聯軸器的最大容許扭矩，往復轉動頻率為10～30Hz，耐久目標為1 000萬次。

對比十字銷連接聯軸器初期扭轉特性和1 000萬次回轉之后的扭轉特性，即使初期背間隙為零，使用后也會發生背間隙，原因是十字銷連接聯軸器的滑動部分會發生磨耗。橡膠樹脂類聯軸器情況與十字銷連接聯軸器近似，同樣在使用后會不可避免地發生背間隙，原因為橡膠樹脂部受到頻繁壓縮受熱而發生磨耗。而金屬板簧類伺服彈性聯軸器則不會發生破損和磨耗現象，在安裝同軸度得到保證的情況下，其板簧等組件不會發生損耗，也不會有背間隙產生。金屬板簧伺服彈性聯軸器相較十字銷連接聯軸器和橡膠樹脂類聯軸器，其耐久表現更優。

2.2.3 金屬板簧類伺服彈性聯軸器的熱傳導特性對比

金屬板簧類伺服彈性聯軸器的撓性部件金屬板簧或稱為膜片，其在傳遞扭矩的過程中可以起到散熱效果，這是其他類別的伺服彈性聯軸器無法做到的。如圖4所示，A為伺服電機本體，B為安裝伺服電機的法蘭盤部，C為聯軸器輸出側。將伺服電機本體A反復進行起動停止，記錄不同時間A、B、C三部分的溫升情況。通過圖4溫升曲線可見當伺服電機本體A的溫度達到70～75 ℃時，聯軸器輸出側C的溫度保持在25 ℃上下。金屬板簧類聯軸器良好的熱阻斷特性得益于其金屬板簧在高速旋轉中的散熱功能。可見，金屬板簧類伺服彈性聯軸器的熱傳導特性具有其他聯軸器無法取代的效果。

2.2.4 金屬板簧類伺服彈性聯軸器與傳動部件的配合

滾珠絲杠副作為把電機的旋轉運動轉化為直線運動的功能部件，在數控機床、自動化領域有廣泛的應用。而伺服電機與滾珠絲杠的連接需要可靠的聯軸器來實現。金屬板簧類伺服彈性聯軸器一般要求其同軸度達到0.01～0.05 mm，與常用滾珠絲杠副軸端同軸度要求相符。而0.05 mm以上的同軸度要求，是橡膠樹脂類聯軸器、十字銷連接聯軸器以及波紋管聯軸器等所難以達到的要求。因此，金屬板簧類聯軸器更適合應用于滾珠絲杠副與伺服電機的連接中。

3 金屬板簧類聯軸器的分類

從聯軸器主體夾緊套材質上可分為高強度鋁合金板簧型聯軸器和碳鋼板簧聯軸器；從聯軸器結構特點上可分為單膜片金屬板簧聯軸器和雙膜片金屬板簧聯軸器；從聯軸器的安裝方式可分為夾緊式、脹緊套式和鍵槽頂絲式聯軸器。

3.1 高強度鋁合金板簧聯軸器和碳鋼板簧聯軸器的應用場合

高強度鋁合金板簧聯軸器其夾緊套主體采用7075或6061高強度鎂鋁合金，具有高剛性、低慣量和無背隙的優點，其聯軸器本體同軸度可達到0.01 mm，適合伺服控制系統高速高精的傳動要求。一般應用于額定扭矩250 N·m以內的使用條件下。

碳鋼板簧聯軸器其夾緊套主體采用45#碳鋼材質，具備高傳遞扭矩、高剛性和高可靠性的特點。輔以降噪的外形優化設計以及動平衡處理，可以實現20 000 轉/分以上的轉速。一般應用于額定扭矩50 N·m以上的應用場合。主要使用于數控機床的主軸和進給軸。

3.2 單膜片板簧聯軸器和雙摸片板簧聯軸器的特點

單膜片板簧聯軸器指只有一組板簧作為撓性部件，沒有中間體的金屬板簧聯軸器；雙膜片板簧聯軸器指有兩組板簧作為撓性部件，兩組板簧之間安裝有中間體的金屬板簧聯軸器。

雙膜片板簧聯軸器相較于單膜片板簧聯軸器，其撓性得到了提高，減少了因安裝誤差帶來的軸反作用力，也就是說雙膜片板簧聯軸器相較于單膜片板簧聯軸器，可以承受更大的安裝誤差。比如單膜片板簧聯軸器的偏心最大容許誤差是0.02 mm，而雙膜片板簧聯軸器的偏心最大容許誤差是0.05～0.55 mm（規格越大，其可承受的安裝誤差越大）；單膜片板簧聯軸器的軸向位移最大容許誤差是±0.05～±0.74 mm，雙膜片板簧聯軸器的軸向位移最大容許誤差是±0.10～±1.48 mm。

3.3 夾緊式、脹緊套式和鍵槽頂絲式聯軸器的使用特點

傳統的聯軸器多采用鍵槽頂絲型鎖緊方式，但鍵槽、頂絲都易磨損，聯軸器傳遞扭矩的精度會隨鍵槽頂絲的磨損而損耗，因此目前伺服彈性聯軸器的主流鎖緊方式為夾緊式和脹緊套式。

4 金屬板簧類聯軸器在伺服系統中的應用

現代化加工設備高速高精的特點對于其伺服系統中的聯軸器也提出了越來越高的要求。剛性聯軸器無法吸收設備運行中熱延伸等條件變量帶來的影響，而傳統的彈性聯軸器又不具備高應答性導致扭矩傳遞中的損耗。而金屬板簧類伺服彈性聯軸器較完美地解決了上述矛盾，而其良好的熱阻斷特性和耐久性能，使其最大限度地降低了環境對傳動部件的影響，同時又具備維護簡單的特性。而根據不同的使用場合，可以選擇不同材質的金屬板簧類聯軸器，基本涵蓋了伺服系統中的大部分應用。

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