图1  螺旋切缝联轴器

在伺服应用中选择适合型号的联轴器是一件令人困惑的事情, 美国 Ruland（诺兰德） 公司的生产主管和工程师William Hewiston先生，在本文中从正反两个方面对各种不同联轴器的技术指标进行了阐述。

为伺服系统选配联轴器是一个很复杂的过程。 这个过程包含了很多性能因素，包括力矩、轴的偏差、硬度、转速和空间要求等，联轴器需要满足以上所有要求才能保证系统的正常运转。在选择联轴器之前，工程师要对联轴器的性能及其应用进行详尽了解。不同类型的联轴器各有不同的优缺点，本文旨在向伺服联轴器的终端用户介绍不同类型联轴器在各种伺服系统中的应用，同时为用户指出在设计制造过程中需要考虑的因素及如何选择合适的联轴器，以有效连接不同产品。

螺旋切缝联轴器

螺旋切缝联轴器（图1）运用螺旋切缝系统来适应偏差和传递扭矩，一般由单块金属制成，常用材料为金属铝。此类联轴器通常有很好的性能价格优势，在很多实际运用中都是用户的首选产品。单块原材料的设计使其具有无背隙传递力矩和免维护的优势。

该类型联轴器有两个基本系列，即单缝型和多缝型。单缝型螺旋切缝联轴器有一条连续的多圈的长切缝，这使联轴器具备了很好的弹性和很小的轴承负载，可以承受各种偏差，适用于处理角向位移和轴向位移。但其平行偏差的承受力较弱，因为要同时把单缝向两个不同的方向弯曲，会产生很大的内部压力，从而导致零件过早损坏。尽管长单缝联轴器能够在承受偏差的情况下很容易地弯曲，但扭力负载也同样对联轴器的刚性有影响，扭力负载下过大的回转间隙会影响联轴器的精度并削弱其整体性能。

单缝联轴器是一种非常经济的选择，适于在低扭矩应用中使用，尤其适用于连接编码器和其他较轻的仪器。

多切缝联轴器通常有2~3个切缝，以此来解决低扭矩刚性问题。多切缝联轴器在不减弱承受偏差能力的情况下使切缝变短，短的切缝增强了联轴器的扭矩刚性，使其能承受非常大的扭矩。此性能适用于轻负荷的应用，如伺服电机与丝杠的连接。但是随着切缝尺寸的不断增加会超过单缝型，轴承负荷就会加大，这是多切缝联轴器的负面作用。不过在多数情况下，还是能够有效保护轴承的。一些公司已把多切缝的概念扩大到另一层面上，增加为两套多切缝和多套多切缝，使联轴器更具弹性和偏差承受能力。

相比单切缝和单套多切缝联轴器，在平行偏差较大的情况下，多套多切缝联轴器可同时弯向不同方向，因此更能适应这种偏差。

图2  双十字滑块联轴器

目前，多数螺旋切缝联轴器都选用了金属铝材料，但也有一些采用不锈钢材料制成的。不锈钢联轴器除耐腐蚀外，同时也增加了扭矩承受能力和刚度，有时能达到两倍于铝制同类产品。但是其在此方面的优势却被增加了的质量和惯性所抵消了。

在选择联轴器时必须从系统角度出发，很多时候其负面影响会超过产品自身的优势。例如，在小型电机中采用大功率马达扭矩来克服联轴器的惯性就会严重削弱系统的整体性能。

双十字滑块联轴器

双十字滑块联轴器（图2）由两个毂和一个中心滑块组成。中心滑块作为传递扭矩元件通常由塑料制成，但也有部分产品由金属制成。中心滑块通过两边呈90相对分布的卡槽和两侧的毂连接在一起传递扭矩。中心滑块和毂间利用微小压力进行吻合，此压力可使联轴器在运转中无背隙。

随着使用时间的增加，滑块可能会因磨损而失去无反冲功能，但中心滑块很便宜而且易于更换，且更换后仍能发挥其原有性能。在使用过程中联轴器通过中心滑块的滑动来适应相对位移。由于阻碍相对位移的是滑块与毂之间的摩擦力，因此它们之间的轴承负荷不会因相对位移的增加而变大。

与其他联轴器不同，双十字滑块联轴器没有弹性部件，因此不会因轴间相对位移的增加而增大轴承负荷。该系列联轴器的一大优势就是可选择不同材料的滑块，以满足不同应用的要求。其不同材料的滑块可满足两种应用，其一适用于无反弹、高扭矩刚性和大扭矩的应用中；其二适用于低定位精度、有吸振和降噪要求的场合。此外，非金属滑块还有电绝缘的作用，可以充当机械保险丝来用。塑料滑块损坏后，传递被完全终止，从而对贵重的机械零件起到了保护作用。这种设计适用于平行相对位移较大的场合（从0.025~0.100"或更大）。联轴器生产厂家通常会提供低于产品自身能力的参数，以增加零件的使用寿命。

图3  无背隙爪型（梅花块）联轴器

双十字滑块联轴器仅适用于小于0.5的角向相对位移和小于0.005"的轴向位移以及转速不高于4000r/min的应用中。度数大的角向位移会令其失去匀速特性。联轴器分体的三部分设计，限制了其处理轴向位移的能力，如其不可用于推拉式应用中。同时，由于中心滑块是浮动的，因此两轴运动必须保证滑块不会脱落。

无背隙爪型联轴器

无背隙爪型（图3）联轴器一般有两种类型，一种是传统的直爪型，一种是曲面（内凹）爪型的无背隙联轴器。传统直爪型联轴器不适合用在精度要求较高的伺服传动中。无背隙爪型联轴器是在直爪型基础上演变而来的，但不同的是其改良设计可用于伺服系统中。曲面可减少弹性梅花块的变形，并限制高速运转时向心力的影响。

无背隙爪型联轴器由两个金属毂和一个弹性块组合而成。梅花块有多个叶片分支，象十字滑块联轴器一样，其也是通过微小压力来吻合两边的毂，并以此保证其无背隙的性能。与双十字滑块联轴器不同的是，它是通过挤压传动的，而双十字滑块联轴器则是通过剪力传动的。在使用无背隙爪型联轴器时，一定要注意不能超过生产商给出的弹性元件的最大承受力（保证无背隙的前提），否则弹性元件将被压扁变形失去弹性，预加负荷消失，从而失去无背隙性能。

爪型联轴器具有很好的平衡性能且适用于高转速应用（最大可达40000r/min），但不能处理很大的相对位移，尤其是轴向位移。较大的平行和角向位移会产生比其他伺服联轴器大的轴承负荷。另一个值得关注的问题是爪型联轴器的失效。弹性梅花块损坏或失效，力矩传递并不会中断，两毂的金属爪会啮合在一起继续传递扭矩，这就很可能会导致系统出现问题。根据实际应用要求，选择合适的弹性梅花块原料是本联轴器的一大优势，生产商可提供各种弹性材料的梅花块，以承受不同的硬度和温度。

图4  盘式联轴器

盘式联轴器

盘式联轴器（图4）至少由一个盘（金属或合成树脂）和两个毂组成。盘被用销钉固定在毂上，一般不会松动，也不会有盘和毂之间的反冲。部分生产商可提供两个盘的联轴器，中间有一个刚性件，从两侧连接到毂上。   
    
单盘和双盘联轴器的不同之处类似于单切缝和多套平行切缝联轴器，鉴于其需要盘能复杂地弯曲，所以单盘不适于平行偏差的应用场合。而双盘联轴器可同时弯向不同方向来承受平行偏差，这类似于波纹管联轴器。实际上联轴器传递力矩的方式都非常相似。盘式联轴器的盘很薄，当产生相对位移载荷时很容易弯曲，因此可以承受高达5的偏差，同时会在伺服系统中产生较低的轴承负荷。盘具有很好的扭矩刚性，稍逊波纹管联轴器。由于盘式联轴器非常精巧，若没有正确安装或误用很容易损坏。所以，保证偏差在联轴器的正常运转所能承受的范围内是非常必要的。

波纹管联轴器

波纹管联轴器（图5）由两个毂和一个薄壁金属管组成，它们用焊接或粘结的方式连接在一起。尽管有多种材料可选，但不锈钢和镍还是最常用的金属管材料。镍管是用电沉积法制成的。这种方法能精确控制波纹管的壁厚，且能得到更薄的管壁。薄壁波纹管使联轴器具有高敏感性和快速反应能力，这令其成为用于精密小仪器的理想选择。不过较薄的管壁会减少其扭矩传递能力，在实际应用中有很大的局限性。

图5  波纹管联轴器

不锈钢波纹管比镍管更具有刚性，常用液压整形的方法来制造。不锈钢波纹管联轴器非常适用于运动控制中。在承受轴向、平行和角向三种基本偏差时而引起负荷，可非常容易地使这种薄而均匀的管子弯曲。一般情况下，可以承受1~2的角向偏差，0.01~0.02"的平行偏差和轴向偏差。

薄而均匀的管壁所产生的轴承负荷很低，可保持旋转各点的恒量，没有如其他联轴器那样破坏循环的高负荷点和低负荷点，且能在承受扭矩负载时保持刚性。扭矩刚性是决定联轴器精准度的主要因素，刚度越好传递的精度越高。在伺服联轴器中，波纹管联轴器的刚性是最好的，是高精度和高重复性应用的理想产品。针对易腐蚀环境，联轴器生产商还提供了不锈钢毂的联轴器，但这会增加联轴器降低其性能优势。铝毂波纹管联轴器的惯性很低，这在要求快速反应的系统中是非常重要的。

刚性联轴器

刚性联轴器，（图6）顾名思义，是一种高扭转刚性的联轴器，即使承受负载时也无任何回转间隙，即便有偏差产生的负荷时，刚性联轴器还是会刚性传递力矩。若系统中出现任何偏差，则会导致轴、轴承或联轴器过早损坏，因此，刚性联轴器无法用于高速应用中。因为其无法补偿由于高速运转的高温所产生的轴间相对位移。当然，如果相对位移能被成功控制，在伺服系统中刚性联轴器也能发挥很出色的性能。

图6  刚性联轴器

尽管过去人们不赞成把刚性联轴器用于伺服传动中，但近来由于其高扭矩承受力、高刚性和无背隙等优越性能，小规格的铝制刚性联轴器正越来越多地应用于运动控制领域中。

选择适合的伺服联轴器是系统设计的重要部分，会对系统的整体性能表现产生极大影响。基于此原因，在设计过程中应尽早考虑联轴器，并分别把各种联轴器和系统的功能指标排列对照，这样可以避免系统运行中经常发生的问题。

上述联轴器都有其各自的特点，可适用于不同场合。但是，单一品种的联轴器不可能满足所有应用场合的要求。这使得市场上出现了品种繁多联轴器产品，为系统优化和延长使用寿命提供了多种选择。