کوپلینگ شفت یکی از رایج‌ترین اجزای ماشین‌آلات است زیرا در سیستم‌های انتقال قدرت اهمیت بسیار زیادی دارد. به همین دلیل، آنها در طیف وسیعی از کاربردها و محیط‌های خدماتی استفاده می‌شوند.
به‌مرور زمان، طراحان و مهندسان انواع مختلفی از کوپلینگ‌ها را برای شرایط خدماتی و محیط‌های خاص طراحی کرده‌اند.
این مقاله شما را با انواع مختلف کوپلینگ‌ها آشنا می‌کند و در انتخاب گزینه مناسب برای کاربردتان به شما کمک می‌کند.
کوپلینگ چیست؟
کوپلینگ یک قطعه مکانیکی است که شفت‌های مشابه یا متفاوت را در ماشین‌ها برای انتقال قدرت و حرکت به هم متصل می‌کند. این اتصال معمولاً موقتی است (اما در برخی موارد می‌تواند دائمی باشد) و امکان جداسازی برای تعمیر یا تعویض را دارد. کوپلینگ می‌تواند صلب یا انعطاف‌پذیر باشد.
هدف از کوپلینگ‌ها
یک کوپلینگ شفت می‌تواند چندین عملکرد در یک ماشین انجام دهد. طراحی ممکن است بیش از یکی از این ویژگی‌های کوپلینگ را در عملکرد محصول در کاربردهای پیشرفته ترکیب کند.
به‌طور مختصر به این اهداف می‌پردازیم:
-
انتقال قدرت
-
جذب شوک و لرزش
-
تطابق با ناهماهنگی‌ها
-
قطع جریان حرارت
-
محافظت در برابر اضافه بار
انتقال قدرت
در بیشتر موارد، هدف اصلی انتقال قدرت و گشتاور از یک شفت راننده به یک شفت رانده شده است – برای مثال، کوپلینگی که یک موتور را به یک پمپ یا کمپرسور متصل می‌کند.
جذب شوک و لرزش
یک کوپلینگ شفت می‌تواند شوک‌ها یا لرزش‌های ایجادشده از عنصر راننده به عنصر رانده شده را کاهش دهد. این ویژگی موجب کاهش سایش قطعات و افزایش عمر سرویس‌دهی مجموعه می‌شود.
تطابق با ناهماهنگی‌ها
ناهماهنگی‌های بین شفت‌ها ممکن است به دلیل خطاهای نصب اولیه یا با گذشت زمان به دلایل دیگر ایجاد شود. اکثر کوپلینگ‌ها می‌توانند مقداری ناهماهنگی (محوری، زاویه‌ای و موازی) بین شفت‌ها را جبران کنند.
قطع جریان حرارت
یک کوپلینگ شفت همچنین می‌تواند جریان حرارت بین شفت‌های متصل را قطع کند. اگر محرک اولیه در حین عملیات گرم شود، ماشین‌آلات در سمت رانده شده از قرار گرفتن در معرض این حرارت محافظت می‌شوند.
محافظت در برابر اضافه بار
کوپلینگ‌های خاصی که به نام کوپلینگ ایمنی مکانیکی اضافه بار شناخته می‌شوند، با هدف محافظت در برابر اضافه بار طراحی شده‌اند. این کوپلینگ‌ها با حس کردن شرایط اضافه بار، اتصال بین دو شفت را قطع می‌کنند. آنها ممکن است سر بخورند یا قطع شوند تا از ماشین‌آلات حساس محافظت کنند.
انواع کوپلینگ‌ها
کوپلینگ‌ها در انواع مختلفی از اشکال و اندازه‌ها وجود دارند. برخی از آنها برای کاربردهای عمومی عالی هستند، در حالی که برخی دیگر برای سناریوهای بسیار خاص طراحی شده‌اند.
برای انتخاب آگاهانه، آگاهی از توانایی‌ها و تفاوت‌های بین انواع مختلف کوپلینگ‌ها مهم است. در این بخش اطلاعاتی درباره انواع زیر از کوپلینگ‌ها و نحوه عملکرد آنها ارائه می‌شود:
-
کوپلینگ صلب
-
کوپلینگ انعطاف‌پذیر
-
کوپلینگ آستین یا مف
-
کوپلینگ مف جداشونده
-
کوپلینگ فلنجی
-
کوپلینگ دنده‌ای
-
اتصال جهانی (مف هوک)
-
کوپلینگ اولدهام
-
کوپلینگ دیافراگمی
-
کوپلینگ چنگکی
-
کوپلینگ پرتو
-
کوپلینگ هیدرولیکی
کوپلینگ صلب
همان‌طور که از نامش پیداست، یک کوپلینگ صلب اجازه حرکت نسبی بسیار کمی بین شفت‌ها می‌دهد. مهندسان از کوپلینگ‌های صلب زمانی استفاده می‌کنند که تراز دقیق لازم باشد.
هر کوپلینگ شفتی که بتواند هرگونه حرکت ناخواسته شفت را محدود کند، به عنوان کوپلینگ صلب شناخته می‌شود و بنابراین، یک اصطلاح کلی است که شامل انواع مختلف کوپلینگ‌های خاص است. برخی از نمونه‌های این نوع کوپلینگ شفت شامل کوپلینگ آستین، فشاری و فلنجی است.
زمانی که یک کوپلینگ صلب برای اتصال دو شفت تجهیزات استفاده می‌شود، آنها به عنوان یک شفت واحد عمل می‌کنند. کوپلینگ‌های صلب در کاربردهای عمودی، مانند پمپ‌های عمودی استفاده می‌شوند.
همچنین برای انتقال گشتاور در کاربردهای با گشتاور بالا مانند توربین‌های بزرگ استفاده می‌شوند. آنها نمی‌توانند از کوپلینگ‌های انعطاف‌پذیر استفاده کنند، بنابراین بیشتر توربین‌ها اکنون از کوپلینگ‌های صلب بین سیلندرهای توربین استفاده می‌کنند. این ترتیب اطمینان می‌دهد که شفت توربین به عنوان یک روتور پیوسته عمل می‌کند.
کوپلینگ انعطاف‌پذیر
هر کوپلینگ شفتی که اجازه حرکت نسبی بین شفت‌های تشکیل‌دهنده را می‌دهد و عایق‌سازی در برابر لرزش را فراهم می‌کند، به عنوان کوپلینگ انعطاف‌پذیر شناخته می‌شود. اگر شفت‌ها همیشه به‌طور کامل تراز بودند و ماشین‌آلات در حین عملیات حرکت یا لرزش نمی‌کردند، نیازی به کوپلینگ انعطاف‌پذیر نبود.
متأسفانه، ماشین‌آلات در واقعیت به این صورت عمل نمی‌کنند و طراحان باید با همه این مشکلات در طراحی ماشین مقابله کنند. برای مثال، تراش‌های CNC به دقت و سرعت بالا برای انجام عملیات پردازش با سرعت بالا نیاز دارند. کوپلینگ‌های انعطاف‌پذیر می‌توانند با کاهش لرزش و جبران ناهماهنگی‌ها عملکرد و دقت را بهبود بخشند.
این کوپلینگ‌ها می‌توانند مقدار سایش و پارگی در ماشین‌ها را که ناشی از عیوب و دینامیک‌هایی است که بخشی از تقریباً هر سیستمی هستند، کاهش دهند. به عنوان یک مزیت اضافی، آنها عموماً نصب آسانی دارند و عمر کاری طولانی دارند.
“کوپلینگ انعطاف‌پذیر” نیز یک اصطلاح کلی است و شامل بسیاری از کوپلینگ‌های خاص زیر مجموعه آن است. این کوپلینگ‌ها اکثر انواع کوپلینگ‌های مورد استفاده امروز را تشکیل می‌دهند. برخی از نمونه‌های محبوب کوپلینگ‌های انعطاف‌پذیر شامل کوپلینگ دنده‌ای، اتصال جهانی و کوپلینگ اولدهام هستند.
کوپلینگ آستین یا مف
کوپلینگ آستین ساده‌ترین نوع کوپلینگ‌های صلب است. این کوپلینگ از یک آستین (استوانه توخالی) یا مف ساخته شده از چدن تشکیل شده است. قطر داخلی آن برابر با قطر خارجی شفت‌های متصل شده است. یک کلید (Gib head key) برای محدود کردن حرکت نسبی و جلوگیری از لغزش بین شفت‌ها و آستین‌ها استفاده می‌شود.
برخی از کوپلینگ‌های آستین و شفت‌ها دارای سوراخ‌های رزوه‌دار هستند که هنگام مونتاژ با یکدیگر هم‌تراز می‌شوند تا از حرکت محوری شفت‌ها جلوگیری کنند. انتقال قدرت از یک شفت به شفت دیگر از طریق آستین، شیار کلید و خود کلید صورت می‌گیرد. این نوع کوپلینگ شفت برای گشتاورهای سبک تا متوسط مناسب است.
کوپلینگ آستین دارای قطعات متحرک کمی است که آن را به یک انتخاب مقاوم تبدیل می‌کند، به شرطی که همه قطعات با توجه به مقادیر گشتاور مورد انتظار طراحی شوند.
کوپلینگ مف جداشونده
برای سهولت در مونتاژ، آستین در یک کوپلینگ آستین می‌تواند به دو قسمت تقسیم شود. با انجام این کار، تکنسین دیگر نیازی به جابجایی شفت‌های متصل برای مونتاژ یا جداسازی کوپلینگ ندارد.
این همان چیزی است که به عنوان کوپلینگ مف جداشونده یا کوپلینگ فشاری شناخته می‌شود. دو نیمه آستین با استفاده از پیچ‌ها یا مهره‌ها در جای خود نگه داشته می‌شوند.
مانند کوپلینگ آستین، این کوپلینگ‌ها قدرت را از طریق کلید منتقل می‌کنند. کوپلینگ‌های مف جداشونده در کاربردهای سنگین استفاده می‌شوند.
کوپلینگ فلنجی
در کوپلینگ‌های فلنجی، یک فلنج بر روی هر یک از شفت‌های متصل شده قرار می‌گیرد. فلنج‌ها از طریق پیچ‌ها یا مهره‌ها به یکدیگر و به شفت توسط کلید محکم می‌شوند. استفاده از پیچ‌های تنظیم یا کلید مخروطی اطمینان می‌دهد که هاب فلنج به سمت عقب سر نمی‌خورد و اتصالات شفت را در معرض خطر قرار نمی‌دهد.
یکی از فلنج‌ها دارای یک حلقه برجسته در سطح آن است، در حالی که فلنج دیگر دارای یک فرورفتگی معادل برای جای‌گیری آن است. این نوع ساختار به فلنج‌ها (و در نتیجه شفت‌ها) کمک می‌کند تا بدون ایجاد فشار غیرضروری بر روی شفت‌ها، تراز باقی بمانند.
کوپلینگ فلنجی در کاربردهای متوسط تا سنگین استفاده می‌شود. آنها می‌توانند مهر و موم‌های موثری بین دو لوله ایجاد کنند و به همین دلیل، علاوه بر انتقال قدرت، در سیستم‌های سیال تحت فشار نیز استفاده می‌شوند. کوپلینگ‌های فلنجی به سه نوع عمده تقسیم می‌شوند:
-
کوپلینگ فلنجی نوع بدون محافظ
-
کوپلینگ فلنجی نوع محافظت‌شده
-
کوپلینگ فلنجی نوع دریایی
کوپلینگ دنده‌ای
کوپلینگ دنده‌ای شباهت زیادی به کوپلینگ فلنجی دارد. با این حال، این نوع کوپلینگ انعطاف‌پذیر است و می‌تواند برای شفت‌های غیر هم‌راستا استفاده شود. کوپلینگ‌های دنده‌ای قادر به تنظیم عدم هم‌راستایی زاویه‌ای تا حدود ۲ درجه و عدم هم‌راستایی موازی تا 0.25…0.5 میلی‌متر هستند.
ساختار کوپلینگ دنده‌ای شامل دو هاب (با دنده‌های خارجی)، دو آستین فلنجی (با دنده‌های داخلی)، مهر و موم‌ها (حلقه‌های O و یک واشر) و پیچ‌های ارائه شده است.
انتقال قدرت بین دو انتهای کوپلینگ از طریق دنده‌های داخلی و خارجی در کوپلینگ دنده‌ای انجام می‌شود.
کوپلینگ‌های دنده‌ای قادر به انتقال گشتاور بالا هستند. به همین دلیل، آنها در کاربردهای سنگین استفاده می‌شوند. برای عملکرد بهینه، نیاز به روانکاری دوره‌ای (گریس) دارند.
اتصال جهانی (اتصال هوک)
زمانی که دو شفت موازی نیستند و در یک زاویه کوچک تلاقی می‌کنند، از اتصال جهانی استفاده می‌شود. این اتصال می‌تواند عدم هم‌راستایی زاویه‌ای کوچک را تنظیم کند و در عین حال ظرفیت انتقال گشتاور بالا را فراهم کند.
اتصال جهانی از یک جفت لولا تشکیل شده است که از طریق یک شفت صلیبی به هم متصل شده‌اند. دو لولا در زاویه ۹۰ درجه نسبت به یکدیگر قرار دارند. شفت صلیبی این وضعیت را حفظ می‌کند و همچنین مسئول انتقال قدرت است. اتصال جهانی یک کوپلینگ با سرعت ثابت نیست، یعنی شفت‌های راننده و رانده با سرعت‌های متفاوت می‌چرخند.
آنها در کاربردهای مختلفی استفاده می‌شوند و به همین دلیل به این نام شناخته می‌شوند. محبوب‌ترین استفاده‌های اتصالات جهانی در گیربکس‌ها و دیفرانسیل‌های خودروها است.
کوپلینگ اولدهام
کوپلینگ اولدهام یک نوع خاص از کوپلینگ شفت است که به‌صورت اختصاصی برای تنظیم عدم هم‌راستایی جانبی شفت‌ها استفاده می‌شود. زمانی که دو شفت موازی اما غیر هم‌خط هستند، کوپلینگ اولدهام بسیار مناسب است.
این طراحی شامل دو فلنج است که روی شفت قرار می‌گیرند و یک قسمت میانی که به عنوان دیسک مرکزی شناخته می‌شود. دیسک مرکزی دارای برجستگی‌هایی در هر دو سطح خود است. این برجستگی‌ها در واقع زائده‌های مستطیلی هستند که به صورت عمود بر هم قرار گرفته و در شیارهای فلنج‌های دو طرف قرار می‌گیرند.
فلنج‌ها از طریق کلید به شفت متصل می‌شوند. بنابراین، انتقال قدرت از شفت راننده به کلید، سپس به فلنج، و از طریق دیسک مرکزی به فلنج دوم و در نهایت به شفت رانده صورت می‌گیرد.
کوپلینگ اولدهام برای سناریوهایی که بین دو شفت یک انحراف موازی وجود دارد ایده‌آل است. چنین عدم هم‌راستایی موازی ممکن است در مواقعی رخ دهد که نیاز به انتقال قدرت بین شفت‌ها در ارتفاعات مختلف باشد. وقتی شفت‌ها در حال حرکت هستند، دیسک مرکزی به جلو و عقب حرکت کرده و تنظیمات لازم برای تغییرات جانبی را انجام می‌دهد.
کوپلینگ دیافراگمی
کوپلینگ‌های دیافراگمی از انواع کوپلینگ‌های شفت همه‌کاره هستند. این کوپلینگ‌ها می‌توانند عدم هم‌راستایی موازی، زاویه‌ای و محوری بالا را مدیریت کنند. همچنین، دارای قابلیت انتقال گشتاور بالا بوده و می‌توانند در سرعت‌های بالا گشتاور را بدون نیاز به روانکاری منتقل کنند.
کوپلینگ‌های دیافراگمی در اندازه‌ها و سبک‌های مختلف موجود هستند. ساختار آنها شامل دو دیافراگم با یک عضو میانی بین آنها است. دیافراگم اساساً یک یا چند صفحه انعطاف‌پذیر یا غشای فلزی است که فلنج‌های شفت‌ها را از طریق پیچ‌ها به عضو میانی متصل می‌کند.
کوپلینگ‌های دیافراگمی در ابتدا برای شفت‌های محرک هلیکوپتر توسعه یافتند. اما با گذشت زمان، در سایر تجهیزات دوار نیز مورد استفاده قرار گرفتند. امروزه این کوپلینگ‌ها بیشتر در ماشین‌های توربینی به کار می‌روند به دلیل عملکرد سریعشان. کاربردهای امروزی شامل توربین‌ها، کمپرسورها، ژنراتورها، هواپیماها و غیره است.
کوپلینگ فکی
کوپلینگ فکی یک نوع کوپلینگ انعطاف‌پذیر است که در کاربردهای عمومی انتقال قدرت کم و کنترل حرکت استفاده می‌شود. این نوع کوپلینگ می‌تواند هر گونه عدم هم‌راستایی زاویه‌ای را تحمل کند. مشابه کوپلینگ‌های دیافراگمی، کوپلینگ‌های فکی نیز نیاز به روانکاری ندارند.
این کوپلینگ از دو هاب با فک‌های متقابل که درون یک اسپایدر الاستومری قرار می‌گیرند، تشکیل شده است. اسپایدر معمولاً از آلیاژهای مس، پلی‌یورتان، هایرتل یا NBR ساخته شده و مسئول انتقال گشتاور است.
به دلیل ماهیت الاستیک اسپایدر، این کوپلینگ برای انتقال بارهای ضربه‌ای مناسب است. همچنین، می‌تواند نیروهای عکس‌العمل و ارتعاش را به خوبی میرا کند.
مهندسان از کوپلینگ‌های فکی در کاربردهایی مانند کمپرسورها، دمنده‌ها، میکسرها و پمپ‌ها استفاده می‌کنند.
کوپلینگ بیم
کوپلینگ بیم یک نوع کوپلینگ ماشینی است که انعطاف‌پذیری بالایی در عدم هم‌راستایی‌های موازی، محوری و زاویه‌ای ارائه می‌دهد. این کوپلینگ یکی از بهترین کوپلینگ‌های انتقال قدرت کم است.
کوپلینگ بیم دارای یک ساختار استوانه‌ای با برش‌های مارپیچی است. ویژگی‌های این برش‌ها، مانند طول و تعداد استارت‌ها، می‌تواند تغییر داده شود تا توانایی‌های تنظیم عدم هم‌راستایی به درجات مختلف فراهم شود. در واقع، مهندسان می‌توانند این تغییرات را بدون از دست دادن یکپارچگی ساختار ایجاد کنند زیرا از یک قطعه ساخته شده است. بنابراین، نام دوم کوپلینگ بیم، کوپلینگ هلیکال است.
در اصل، کوپلینگ‌های بیم در واقع پرتوهای انعطاف‌پذیر منحنی هستند. آنها در نسخه‌های تک بیم و چند بیم موجود هستند. کوپلینگ‌های چند بیم می‌توانند عدم هم‌راستایی موازی بیشتری را نسبت به کوپلینگ‌های تک بیم تحمل کنند.
کوپلینگ بیم برای کاربردهای بار کم مناسب‌تر است، زیرا پیچش‌های پیچشی می‌تواند یک مشکل واقعی باشد. به همین دلیل، این کوپلینگ در سروو موتورها و کنترل حرکت در رباتیک استفاده می‌شود.
کوپلینگ سیال
کوپلینگ سیال یک نوع خاص از کوپلینگ است که از سیال هیدرولیکی برای انتقال گشتاور از یک شفت به شفت دیگر استفاده می‌کند.
کوپلینگ شفت شامل یک پروانه متصل به شفت راننده و یک رانر متصل به شفت رانده است. کل ساختار در یک محفظه قرار می‌گیرد که به عنوان پوسته شناخته می‌شود.
وقتی شفت راننده می‌چرخد، پروانه سیال را شتاب می‌دهد و سپس سیال با تیغه‌های رانر برخورد می‌کند. سپس سیال انرژی مکانیکی خود را به رانر منتقل کرده و با سرعت پایین از تیغه‌ها خارج می‌شود.
کوپلینگ سیال در انتقال خودرو، پیشرانش دریایی، لوکوموتیوها و برخی از کاربردهای صنعتی با بارگذاری چرخه‌ای ثابت استفاده می‌شود.
پارامترهای انتخاب
کوپلینگ‌های شفت بخش اساسی از سیستم‌های کنترل حرکت و انتقال قدرت هستند. آنها مزایای بسیاری ارائه می‌دهند و مشکلات مونتاژ و محیط خدماتی را در صورت استفاده صحیح برطرف می‌کنند.
برای انجام این کار، طراحان باید بسیاری از عوامل را در نظر بگیرند تا انتخاب درستی داشته باشند. آگاهی از این عوامل به کاهش احتمال خرابی کوپلینگ و بهبود قابلیت‌های سیستم کمک می‌کند. این عوامل عبارتند از:
-
سطح گشتاور
-
محدودیت‌های هم‌راستایی
-
سرعت‌های چرخشی
-
محدودیت‌های روانکاری
