機(jī)械式安全聯(lián)軸器的優(yōu)點(diǎn)在于：在整套機(jī)械設(shè)備中，每根傳動(dòng)軸只有幾個(gè)安全保護(hù)零部件。因此，只需對(duì)這幾個(gè)零部件的工作情況進(jìn)行監(jiān)控，就可保證設(shè)備工作時(shí)的安全。當(dāng)機(jī)床過載時(shí)，這些零部件可保證在任何情況下都能可靠的強(qiáng)制斷開動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)，并保證其本身在zui壞的情況下也不會(huì)失效。
圖1 正確的設(shè)計(jì)在安全聯(lián)軸器零部件的設(shè)計(jì)過程中，物理學(xué)數(shù)據(jù)有著重要影響，如扭矩、扭轉(zhuǎn)剛性、轉(zhuǎn)速、彈簧剛度、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、動(dòng)平衡及間隙大小等
在過去的一年里，機(jī)床設(shè)備傳動(dòng)系統(tǒng)中的零部件數(shù)量明顯增多。相應(yīng)的，這些機(jī)械零部件的設(shè)計(jì)和計(jì)算工作量，如聯(lián)軸器的設(shè)計(jì)和計(jì)算工作量也隨之增大。在這些零部件的設(shè)計(jì)過程中，物理學(xué)數(shù)據(jù)有著重要影響，如扭矩、扭轉(zhuǎn)剛性、轉(zhuǎn)速、彈簧剛度、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、動(dòng)平衡及間隙大小等（圖1）。為了保證驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)較高的運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)性，整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)平衡誤差應(yīng)盡可能小。所謂的動(dòng)平衡誤差源于零部件制造的不對(duì)稱，即由于零部件質(zhì)量的不均勻分布引起的離心力令傳動(dòng)零部件產(chǎn)生了振動(dòng)。
圖2 雙質(zhì)量模型：驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)所有的零部件幾乎都能簡(jiǎn)便的同時(shí)計(jì)算出來
幾種聯(lián)軸器的設(shè)計(jì)方法
有幾種不同的聯(lián)軸器設(shè)計(jì)方法可以有效提高傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)平衡性能（圖2）。利用加工平衡孔使整個(gè)零部件的質(zhì)量分布更加均勻就是其中的一個(gè)方法。在驅(qū)動(dòng)技術(shù)中，對(duì)動(dòng)平衡的精度等級(jí)進(jìn)行了規(guī)定，并對(duì)允許的zui大不平衡量進(jìn)行了限制。常用的動(dòng)平衡精度等級(jí)為g 16、g 6.3和g 2.5，數(shù)字越小，動(dòng)平衡精度越高（允許的殘余不平衡量越小）。按照滾珠-棘齒原理進(jìn)行安全保障工作的安全聯(lián)軸器大多數(shù)情況下都是根據(jù)脫開扭矩進(jìn)行工作的。在動(dòng)態(tài)性能較高的情況下使用時(shí)，還要附加考慮諧振頻率的影響，對(duì)諧振頻率的大小進(jìn)行計(jì)算，因?yàn)榕まD(zhuǎn)剛度對(duì)動(dòng)平衡也有著重要影響?？焖僬_的聯(lián)軸器設(shè)計(jì)依賴于額定扭矩或者脫開扭矩的確定。當(dāng)傳動(dòng)系統(tǒng)傳遞的扭矩達(dá)到額定數(shù)值時(shí)，聯(lián)軸器就會(huì)發(fā)揮安全保護(hù)作用，使傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力輸入和輸出斷開。脫開扭矩是正常情況下作用在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)輸入端的扭矩。此外，考慮到加速力矩和其他影響因素，在實(shí)際應(yīng)用中使用的綜合安全系數(shù)為1.5?？筛鶕?jù)下式來選擇安全聯(lián)軸器。
式中tkn是聯(lián)軸器傳遞的額定扭矩，單位為nm；tan是傳動(dòng)系統(tǒng)輸入側(cè)的額定扭矩，單位也是nm。
圖3 安全聯(lián)軸器把伺服電動(dòng)機(jī)與機(jī)床的滾珠絲杠連接在一起
通常情況下，驅(qū)動(dòng)側(cè)的額定扭矩tan可以從設(shè)備的銘牌中得知。如果銘牌中沒有這一數(shù)據(jù)，則可利用驅(qū)動(dòng)設(shè)備的傳遞功率和轉(zhuǎn)速通過經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得出，并利用機(jī)床設(shè)備制造中的常用數(shù)字9550轉(zhuǎn)換成nm。
式中pan是驅(qū)動(dòng)側(cè)功率，單位為kw；n是轉(zhuǎn)速，單位為r/min。
確定扭矩的另一種方法是利用（無負(fù)載啟動(dòng)時(shí)的）加速扭矩。利用這個(gè)方法需要考慮質(zhì)量的分布情況和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，在設(shè)備和使用條件決定的修正系數(shù)（沖擊修正系數(shù)或者負(fù)載修正系數(shù)）的幫助下，可以確定加速扭矩的數(shù)值。多數(shù)情況下，可根據(jù)三種不同的工況確定沖擊系數(shù)和負(fù)載系數(shù)：sa＝1（諧波負(fù)載）；sa＝2（周期性負(fù)載）；sa＝3~4（非周期性負(fù)載）。
可利用下列公式來確定扭矩。
式中α是角加速度，單位為1/s2；jl是輸出側(cè)和聯(lián)軸器件i的扭轉(zhuǎn)剛度，單位為kgm2；ja是輸入側(cè)和聯(lián)軸器件ii的扭轉(zhuǎn)剛度，單位為kgm2；tas是驅(qū)動(dòng)側(cè)的峰值扭矩；sa是沖擊系數(shù)或者負(fù)載系數(shù)。
若要求確定扭矩時(shí)則必須考慮安全聯(lián)軸器的加速扭矩和負(fù)載扭矩（有負(fù)載啟動(dòng)時(shí)）。這種計(jì)算考慮了經(jīng)常處于負(fù)荷加速和制動(dòng)的工況。除了考慮加速扭矩之外，還要考慮負(fù)載扭矩tan。下式描述了它們之間的相互關(guān)系。
上述設(shè)計(jì)方法與生產(chǎn)廠家給出的動(dòng)力輸入和輸出部件有關(guān)。除考慮扭矩?cái)?shù)值外，還要考慮質(zhì)量慣性矩和可能出現(xiàn)的加速度。按照進(jìn)給力確定脫開扭矩是另一種可行的計(jì)算方法。此方法不僅可以用于傳動(dòng)軸類的傳動(dòng)系統(tǒng)，而且也適用于齒形皮帶傳動(dòng)的傳動(dòng)系統(tǒng)。
在傳動(dòng)軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，傳動(dòng)軸的絲杠螺距和效率對(duì)驅(qū)動(dòng)扭矩也有著重要影響。輸入的驅(qū)動(dòng)扭矩可按下式計(jì)算。
式中s是絲杠螺距，單位為mm；fv是進(jìn)給力，單位為n；η是傳動(dòng)軸的效率。
若動(dòng)力輸入與動(dòng)力輸出不是由同一傳動(dòng)軸來實(shí)現(xiàn)動(dòng)力傳遞的，而是利用齒形皮帶來傳遞的，則輸入扭矩可按下式計(jì)算。
式中d0是小齒形皮帶輪直徑，其單位為mm。
若聯(lián)軸器的工作范圍超出了諧振頻率的范圍，則需要詳細(xì)了解各個(gè)參數(shù)。傳動(dòng)系統(tǒng)的各個(gè)組成部件都有自己的自振頻率。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)不應(yīng)在所謂的諧振頻率范圍內(nèi)工作。按照下式可以計(jì)算聯(lián)軸器和整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)的諧振頻率。但使用該公式的前提是將傳動(dòng)系統(tǒng)各個(gè)部件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量匯集成一個(gè)總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量?？傓D(zhuǎn)動(dòng)慣量的扭矩剛度對(duì)振動(dòng)同樣有著重要影響。
自振頻率的單位是1/min，可按下式計(jì)算：
式中?e是傳動(dòng)系統(tǒng)的自振頻率；ct是扭轉(zhuǎn)剛度，單位為nm/rad；ne是系統(tǒng)的自振頻率。
整個(gè)設(shè)備的扭轉(zhuǎn)剛性在聯(lián)軸器的設(shè)計(jì)和計(jì)算時(shí)都有著重要作用。一臺(tái)機(jī)床設(shè)備的剛性和減振性能究竟是設(shè)計(jì)的高一些還是低一些，與機(jī)床設(shè)備的使用情況密切相關(guān)，原則上應(yīng)全面考慮所有零部件的剛性。
物體在一定的受力（扭矩）條件下會(huì)發(fā)生扭曲，扭轉(zhuǎn)角度用物體的剛性（抵抗扭轉(zhuǎn)的功）來表示。下式明確說明了它們之間的關(guān)系。
式中φ是扭轉(zhuǎn)角，單位為度。
按照扭矩、諧振頻率或者扭轉(zhuǎn)剛性對(duì)安全聯(lián)軸器進(jìn)行準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)和計(jì)算時(shí)，與聯(lián)軸器生產(chǎn)廠家進(jìn)行適當(dāng)?shù)?、反?fù)的對(duì)話和技術(shù)咨詢是非常必要的。他們?cè)谠擃I(lǐng)域的經(jīng)驗(yàn)可保證其能準(zhǔn)確確定聯(lián)軸器的尺寸。
圖4 r+w公司研發(fā)生產(chǎn)的安全聯(lián)軸器的結(jié)構(gòu)非常緊湊根據(jù)安全聯(lián)軸器的規(guī)格大小和所傳遞的扭矩，開關(guān)環(huán)的行程距離應(yīng)在0.7~3mm之間，這樣就可以保證機(jī)床和設(shè)備的安全了。
快速脫離且僅有很小的殘余摩擦力
今天機(jī)床設(shè)備中的聯(lián)軸器必須具備兩大功能，即可快速脫離和脫離后很小的殘余摩擦力。當(dāng)過載時(shí)，聯(lián)軸器需在幾微秒內(nèi)斷開動(dòng)力輸入和輸出，以保護(hù)整個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。其主要目的是盡可能快的將驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)脫開，以降低驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)受損后的維修費(fèi)用。在安全聯(lián)軸器脫開之后，殘余摩擦力不能太大，以便被連接部件不會(huì)因轉(zhuǎn)動(dòng)慣量過大而繼續(xù)加速。這是因?yàn)榘踩?lián)軸器脫開后的殘余摩擦力越小，動(dòng)力輸入側(cè)和輸出側(cè)在脫開狀態(tài)下的負(fù)載就越小。
利用一個(gè)設(shè)計(jì)精密的碟形彈簧可實(shí)現(xiàn)上述兩項(xiàng)功能的要求。曲線圖5中的x軸表示安全聯(lián)軸器的脫開和接通時(shí)間，y軸表示輸入扭矩。圖中紅色區(qū)域表示由脫開速度曲線和傳動(dòng)系統(tǒng)輸入扭矩所構(gòu)成的面積。
使用碟形彈簧后，聯(lián)軸器過載時(shí)的反映過程較快，聯(lián)軸器的脫開或動(dòng)力輸入端與輸出端的脫離也比較快。此外，沿x軸方向的脫開速度還受聯(lián)軸器部件質(zhì)量的影響，如開關(guān)環(huán)。其重量應(yīng)盡可能輕，以便實(shí)現(xiàn)快速的軸向移動(dòng)。紅色區(qū)域的面積表示系統(tǒng)脫開過程中所做的功。紅色面積的區(qū)域越大，表示從傳動(dòng)系統(tǒng)中散發(fā)出來的熱量就越多。這種類型的安全聯(lián)軸器以其的脫開性能和性能曲線中相對(duì)較小的紅色區(qū)域而著稱。一個(gè)專門研發(fā)設(shè)計(jì)的有著特殊彈簧特性的碟形彈簧承擔(dān)著穩(wěn)定安全聯(lián)軸器調(diào)節(jié)范圍和降低脫開時(shí)動(dòng)力輸入端和輸出端殘余摩擦力矩的任務(wù)。其工作特性不是按照普通的特性曲線來進(jìn)行的，而是有自己*的工作特性曲線。與其他所有安全聯(lián)軸器需要利用感應(yīng)式接近開關(guān)或者終點(diǎn)開關(guān)進(jìn)行控制一樣，這種開關(guān)環(huán)的開關(guān)行程也要受到監(jiān)控。為了保證在受到污垢污染時(shí)也能可靠的工作，開關(guān)環(huán)的控制行程應(yīng)盡可能大一些。