Projeto de acoplamento de disco flexível: geometria do pacote de disco, cubos e ajuste de aplicação

Três conjuntos de discos falharam em quatorze meses no mesmo compressor de 250 kW, e a cada vez a equipe de manutenção substituiu o acoplamento. A causa foi 0,9 mm de crescimento axial que ninguém havia planejado. Após o alinhamento, o pacote tinha menos de 0,5 mm de capacidade axial restante, portanto, cada partida a quente empurrava as laminações inoxidáveis ​​um pouco mais perto do seu limite de fadiga.

Essa história traz a conclusão. O projeto do acoplamento de disco flexível não é um cálculo de torque com nota de rodapé de desalinhamento. É uma busca pela faixa estreita onde o acoplamento é rígido o suficiente para transmitir torque sem enrolamento ou folga, e flexível o suficiente para que as forças que ele realimenta nos rolamentos, nos parafusos e em suas próprias laminações permaneçam dentro de seus limites de fadiga. Design e seleção são o mesmo problema, vistos de extremos opostos de uma citação.

Como um pacote de discos suporta torque

Um pacote de discos é uma pilha de chapas finas de aço inoxidável, normalmente com 0,2 mm a 0,5 mm de espessura, perfuradas com seis a doze elos dispostos ao redor do círculo do parafuso. Cada folha é fixada alternadamente aos dois cubos por meio de parafusos montados, de modo que o torque percorre os elos como tensão em um lado do acoplamento e compressão no outro. O desalinhamento é absorvido apenas pela flexão das chapas. Nada desliza, nada é lubrificado e nada é feito de borracha.

Esse único fato explica todo o caráter do projeto: folga zero, nenhuma superfície de desgaste, nenhum elastômero para envelhecer ou endurecer e um teto de temperatura definido pelos cubos e não pelo elemento flexível. Também explica a fraqueza. Um acoplamento sem interface deslizante e quase sem amortecimento tem muito pouca capacidade de dissipar energia, portanto, seja qual for a tensão que os elos enfrentam, eles sofrem em cada revolução, durante toda a vida útil da máquina.

O perfil do link é a primeira decisão real de design. Um elo de lado reto concentra a tensão de flexão em torno dos furos dos parafusos. Um elo recortado ou cinturado espalha a curvatura ao longo de seu comprimento: a flexibilidade aumenta, o pico de tensão no furo diminui e a força de reação que o conjunto empurra de volta para os rolamentos em um determinado desalinhamento diminui com ele. O preço é a densidade de torque, porque uma chapa recortada carrega menos torque por milímetro de largura do que uma chapa reta, e o pacote deve recuperar isso com mais camadas, mais parafusos ou mais diâmetro. Espessura da chapa, contagem de camadas, largura do elo e contagem de parafusos são as quatro variáveis ​​que decidem o que o acoplamento acabado pode fazer.

Disco Único ou Disco Duplo: Uma Decisão de Desalinhamento

Uma vez definido o pacote, a questão é quantos pacotes o acoplamento necessita. Uma unidade de disco único coloca um pacote entre dois hubs. Ele lida confortavelmente com deslocamento angular e axial e com deslocamento paralelo deficiente, o que se adapta a acionamentos curtos e de acoplamento próximo: servo-eixos, bombas pequenas e bancadas de teste onde ambos os eixos já ficam dentro de alguns centésimos de milímetro.

Um acoplamento de disco duplo insere um espaçador entre dois pacotes. O espaçador converte o deslocamento paralelo em deslocamento angular em cada pacote, o que permite que um motor e uma caixa de engrenagens em placas de base separadas sejam conectados sem lutar entre si. O comprimento do espaçador torna-se então uma variável de projeto genuína: ele define quanto deslocamento paralelo o acoplamento pode absorver, quanto ele pesa e quanto sua própria massa e comportamento de flexão afetam a transmissão.

Projetos compactos de disco duplo com espaçadores curtos e cubos do tipo braçadeira são comuns onde o envelope é apertado, mas o deslocamento paralelo ainda precisa ser absorvido, como em máquinas-ferramenta e acionamentos CNC.

Acoplamento de braçadeira de diafragma duplo de liga de alumínio flexível RSK-CPLF Acoplamento compacto de braçadeira de diafragma duplo para unidades CNC, servo e de passo, com cubos de liga de alumínio, diafragmas de aço inoxidável 304, alta rigidez, baixa inércia e transmissão sem folga. Ver Produto →

Razões de rigidez, forças de reação e conta de rolamento

A classificação de torque decide se o acoplamento sobrevive. A rigidez decide se tudo ao seu redor sobreviverá. Tomemos como exemplo o caso axial, que é o mais frequentemente ignorado na fase de cotação. Suponha que o acoplamento necessário tenha uma rigidez axial de cerca de 250 N/mm, um valor realista para um conjunto de discos de tamanho médio, e que o eixo cresça 0,8 mm entre uma partida a frio e carga total. O pacote empurrará aproximadamente 200 N de volta para o rolamento, continuamente, além da carga normal do rolamento. Em um motor pequeno, isso é suficiente para reduzir a vida útil do rolamento de anos para meses, e nenhum cálculo de torque jamais revelará isso.

A rigidez torcional funciona na direção oposta. É cotado em Nm por radiano ou por grau, e quanto maior for, mais precisamente o eixo acionado segue o motor. Para eixos de posicionamento, a alta rigidez torcional juntamente com folga zero é a razão pela qual um acoplamento de disco é escolhido. Para uma transmissão que deve passar por uma ressonância torcional durante a aceleração, essa mesma rigidez é um risco, e o baixo amortecimento torna o pico mais nítido. Se a aplicação envolver motores grandes, cargas alternativas ou operação com velocidade variável, a rigidez do acoplamento pertence ao modelo torcional e não a uma nota de rodapé.

A regra prática: solicite ao fornecedor os valores de rigidez torcional, axial e radial com a cotação, não apenas a classificação de torque e o tamanho do furo. Você não pode verificar uma carga de rolamento ou uma ressonância apenas com um valor de torque.

Parafusos, equilíbrio e teto de velocidade

A junta aparafusada é a parte do projeto que a experiência de campo pune primeiro. Os parafusos montados são retificados até uma folga controlada nos furos escareados, de modo que o torque seja transmitido pela haste do parafuso em cisalhamento, e não pelo atrito entre as laminações. Isso significa que a classe de ajuste é importante, assim como o método de travamento, porque um parafuso afrouxado altera a distribuição de carga por todo o pacote em uma única partida.

A velocidade é o outro teto e não é linear. A força de desequilíbrio residual cresce com o quadrado da velocidade de rotação: cerca de 1 g-mm de desequilíbrio produz aproximadamente 1,1 N de força de rotação a 10.000 rpm e aproximadamente 4,4 N a 20.000 rpm. A qualidade do equilíbrio segue a mesma lógica. Os acionamentos industriais gerais são geralmente aceitáveis ​​em G6.3, os acionamentos de alta velocidade e de máquinas-ferramenta normalmente exigem G2.5, e rotores de velocidade muito alta ou muito leves podem precisar de G1. Acima da velocidade nominal do acoplamento, nenhum balanceamento ajuda, porque o limite vem da tensão centrífuga no próprio conjunto de discos. Onde o ponto de operação fica próximo a esse teto, um projeto de alta velocidade especialmente desenvolvido é a única resposta sensata.

Materiais: Pacotes de aço inoxidável, cubos de aço ou alumínio

O pacote de discos é quase sempre de aço inoxidável austenítico, sendo 301 e 302 as escolhas comuns devido à sua combinação de resistência à fadiga e resistência à corrosão. Graus de endurecimento por precipitação, como 17-4 PH, aparecem onde é necessária maior resistência ou capacidade de temperatura mais alta. O centro é onde a escolha do material segue a aplicação. Os cubos de liga de alumínio em 6061 ou 7075 mantêm a inércia baixa, o que é importante em servo-eixos, onde cada grama de massa rotativa aumenta o dimensionamento do motor. Os cubos de aço em 1045 ou de liga, muitas vezes com tratamento de óxido preto, dominam os acionamentos industriais pesados ​​e de longo alcance, e os cubos de aço inoxidável são usados ​​onde há presença de lavagem ou atmosfera marinha.

A conexão hub-eixo merece mais atenção do que normalmente recebe. Uma conexão chaveada introduz folga que nenhum conjunto de discos com folga zero pode compensar, portanto, cubos do tipo braçadeira e conjuntos de travamento sem chave são a especificação normal em unidades de posicionamento e alta reversão. O ambiente, e não a carga, decide o tratamento de superfície: escurecimento para plantas internas levemente corrosivas, ferragens inoxidáveis ​​ou folheadas para aplicações externas e marítimas.

Acoplamento de braçadeira de diafragma duplo escalonado enegrecido RSK-CPNLT Acoplamento enegrecido resistente à corrosão para acionamentos servo e de passo, com rasgo de chaveta, diafragmas de aço inoxidável 304, cubos de aço 45#, parafusos de fixação e alta rigidez de torque. Ver Produto →

Tolerâncias do local: onde um bom design se torna uma instalação ruim

O alinhamento de campo transforma um projeto correto em uma instalação incorreta com mais frequência do que qualquer outra causa. Os alvos comuns para um acoplamento de disco são um erro angular abaixo de 0,5 graus e uma configuração axial entre 0,5 e 1,5 mm, mas esses números pertencem ao tamanho e embalagem específicos, portanto, devem vir da folha de dados do fornecedor e não do hábito. O alinhamento deve ser verificado a frio e, onde a máquina estiver quente, verificado novamente em temperatura de operação, pois um eixo que cresce 2 mm em um vão de 100 mm pode consumir toda a tolerância axial de um acoplamento perfeitamente alinhado na bancada.

Dois hábitos causam danos desproporcionais. A primeira é usar os parafusos de acoplamento para unir dois eixos, o que pré-carrega o pacote axialmente antes mesmo de a máquina ser iniciada. A segunda é medir apenas o erro angular e ignorar o deslocamento paralelo em uma unidade de disco duplo, onde o espaçador o amplia em deslocamento angular em ambos os pacotes. Em projetos de espaçadores removíveis, o espaçador também deve ser apoiado durante a montagem para que seu peso não dobre os conjuntos antes que os parafusos sejam apertados.

Modos de falha contra os quais vale a pena projetar

A maioria das falhas em serviço remonta a um pequeno número de padrões reconhecíveis:

• Rachaduras por fadiga que irradiam dos furos dos parafusos nas ligações do disco, quase sempre o resultado de um desalinhamento sustentado acima da classificação, e não de sobrecarga.
• Fretting e alongamento do furo, causados ​​por micromovimentos em uma junta cuja pré-carga foi perdida.
• Porcas de travamento soltas ou ausentes após uma reconstrução, o que redistribui a carga pelos parafusos restantes.
• O furo do cubo escorrega no eixo, devido a um ajuste incorreto ou a partir de uma conexão chaveada que foi considerada suficientemente apertada.
• Corrosão por corrosão ou corrosão sob tensão em atmosferas de lavagem, costeiras ou químicas.
• Ressonância torcional excitada por ondulação de torque com frequência de linha dupla, frequências de passagem de lâmina ou frequências de malha de engrenagem, onde a rigidez do acoplamento nunca foi inserida no modelo de transmissão.

Uma sequência de seleção prática

Uma ordem de operações viável, quer você esteja projetando um acoplamento ou comprando um:

1. Calcule o torque contínuo a partir da potência e da velocidade: o torque em Nm é igual a 9.550 vezes a potência em kW dividida pela velocidade em rpm.
2. Aplique um fator de serviço que reflita a máquina acionada, normalmente 1,5 a 2 para cargas suaves e 2,5 ou mais para cargas alternativas ou de alto impacto.
3. Verifique os torques de partida, frenagem e parada em relação à classificação de pico, não à contínua.
4. Fixe a velocidade de operação e escolha o grau de equilíbrio que a velocidade realmente exige.
5. Estabeleça o real desalinhamento: angular, paralelo e axial, frio e quente, incluindo tolerâncias de fabricação entre as duas máquinas.
6. Converta o desalinhamento em força de reação usando a rigidez do acoplamento e adicione-a à carga do rolamento.
7. Confirme o furo, o tipo de cubo, a conexão de chaveta ou braçadeira, o comprimento do espaçador e o envelope disponível.
8. Confirme o ambiente: temperatura, umidade, produtos químicos e frequência de lavagem.

O que pertence à investigação

Um fornecedor que solicita apenas diâmetro e torque não entendeu seu acionamento, e a cotação que retornar será um número de catálogo e não uma solução. Envie torque contínuo e de pico, velocidade e ciclo de trabalho, todos os três componentes de desalinhamento, temperatura ambiente e operacional, exposição à corrosão, envelope disponível, furo e tipo de conexão, e o grau de equilíbrio se a velocidade for alta. Esses oito itens são a diferença entre um acoplamento que dura silenciosamente mais que os rolamentos adjacentes e um que se torna um consumível programado.

Se a mesma planta operar vários tipos de acoplamento, desde unidades de servodiafragma até acoplamentos de engrenagens pesadas, uma referência de seleção geral cobrindo tipos e padrões de acoplamento DIN é um complemento útil para uma única cotação, porque torna a comparação entre projetos candidatos concreta em vez de verbal.

Tipos de acoplamento DIN, padrões e guia de seleção