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圖1 在EGM(漢諾威裝配技術(shù)研發(fā)公司)的變速器試驗(yàn)臺(tái)上ROBA-DS聯(lián)軸器利用長套筒連接EAS安全保護(hù)離合器
用于傳遞大功率的離合器的質(zhì)量慣性矩比較低，這對系統(tǒng)所需的驅(qū)動(dòng)功率和能源消耗都有著積極的影響，盡管這種作用非常有限。大功率密度表示生產(chǎn)中使用的原材料較少，而恰恰在這里蘊(yùn)含著很大的節(jié)約潛力。在降低CO2排放量的前提下，機(jī)床和設(shè)備應(yīng)盡可能的降低能源消耗。這是在最新的EuP歐盟指令(用能產(chǎn)品生態(tài)設(shè)計(jì)框架指令)中提出的要求。所有的機(jī)床設(shè)備零部件都要按規(guī)定來設(shè)計(jì)和制造。
聯(lián)軸器是一個(gè)純粹的機(jī)械部件，因此不包括在歐盟指令規(guī)定的范圍內(nèi)。盡管如此，其對機(jī)床設(shè)備的能源平衡也還有著一定的影響。結(jié)構(gòu)緊湊且功率密度高的聯(lián)軸器，如Mayr驅(qū)動(dòng)技術(shù)公司研發(fā)生產(chǎn)的無間隙全鋼聯(lián)軸器ROBA- DS，就具有非常低的質(zhì)量慣性矩，而這直接降低了所需的驅(qū)動(dòng)功率。因此，該聯(lián)軸器的設(shè)計(jì)開創(chuàng)了一個(gè)節(jié)能新天地。在其研發(fā)生產(chǎn)過程中，成功實(shí)現(xiàn)了比其他全鋼聯(lián)軸器更高的功率密度。也就是說此聯(lián)軸器的體積更小，可以傳遞的力矩更大。體積小也就表示生產(chǎn)該聯(lián)軸器所需的原材料更少。
金屬材料的節(jié)約潛能是非常可觀的，視聯(lián)軸器規(guī)格大小和結(jié)構(gòu)形式的不同，可節(jié)約的金屬材料達(dá)40%~70%。如果在所有的實(shí)際應(yīng)用中都將聯(lián)軸器更換為申請了多種專利的ROBA-DS聯(lián)軸器，那么整個(gè)德國每年就可以節(jié)省約600t鋼材。
圖2 ROBA-DS聯(lián)軸器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有體積小和傳遞扭矩大的特點(diǎn)，因此可以節(jié)約鋼材，減少CO2的排放
泰森集團(tuán)公司在他們“2004至2005年度的可持續(xù)發(fā)展報(bào)告”中發(fā)布了這樣的數(shù)字：其杜伊斯堡鋼廠每生產(chǎn)1t鋼材要消耗18.5GJ的能源。據(jù)泰森集團(tuán)介紹，該鋼廠是世界范圍內(nèi)經(jīng)濟(jì)性極好的鋼鐵生產(chǎn)廠。若每年節(jié)省600t鋼材，即使是經(jīng)濟(jì)性極好的杜伊斯堡鋼廠也相當(dāng)于節(jié)約了11 100GJ的能源。一戶具有通風(fēng)監(jiān)控調(diào)節(jié)裝置的家庭住宅中每1m2居住面積的年度能耗為30kWh。100 m2的該類住宅每年采暖所需要的能源為10.8GJ。據(jù)此計(jì)算，生產(chǎn)600t鋼材所需的能源可供1028家居民使用一年。從EuP歐盟指令(用能產(chǎn)品生態(tài)設(shè)計(jì)框架指令)的意義來講，通過使用ROBA-DS片式聯(lián)軸器所節(jié)約的11 100GJ能源，其更重要的意義在于降低了CO2的排放量。例如，1L民用燃料油能夠產(chǎn)生10kWh或者36MJ的能量。生產(chǎn)600t鋼材所需的能源相當(dāng)于308 333L民用燃料油。而1L民用燃料油燃燒時(shí)所釋放的CO2為3kg，照此計(jì)算共計(jì)要排出925t CO2。
聯(lián)軸器帶來能源節(jié)約
根據(jù)EuP指令的規(guī)定，聯(lián)軸器是不在‘用能產(chǎn)品生態(tài)設(shè)計(jì)框架’之內(nèi)的。但是通過ROBA-DS片式聯(lián)軸器的實(shí)際應(yīng)用卻能夠看出機(jī)械零部件在整個(gè)生產(chǎn)和減少 CO2排放過程中所發(fā)揮的重要作用。Mary驅(qū)動(dòng)技術(shù)公司研發(fā)設(shè)計(jì)的ROBA-DS聯(lián)軸器具有很強(qiáng)的扭轉(zhuǎn)剛性，但也有很好的彎曲適應(yīng)性和軸向、角度及徑向補(bǔ)償性能。目前，ROBA-DS系列聯(lián)軸器能夠傳遞的額定功率為24 000Nm，是一種可靠性高且堅(jiān)固耐用的聯(lián)軸器，可以在非常惡劣的工作環(huán)境中使用。其工作溫度的范圍和功率密度至少能達(dá)到其他類型軸用聯(lián)軸器的水平;若尺寸規(guī)格、安裝和使用方式得當(dāng)，其壽命幾乎是無限長的。該片式聯(lián)軸器還具有耐磨損、免維護(hù)以及很好的扭轉(zhuǎn)剛性等優(yōu)點(diǎn)。許多聯(lián)軸器(約50%~80%)是依靠摩擦力來傳遞扭矩的，其余的則是依靠配合螺栓來傳遞。當(dāng)負(fù)載超過了摩擦傳動(dòng)的力矩時(shí)，片式聯(lián)軸器之間會(huì)出現(xiàn)很小的相對位移，這就帶來了很多的缺陷和不足。隨負(fù)載大小和方向的變化，各個(gè)零件之間會(huì)出現(xiàn)相對位移，導(dǎo)致聯(lián)軸器處于不穩(wěn)定的平衡狀態(tài)中。
片式聯(lián)軸器各片之間的相對運(yùn)動(dòng)，會(huì)導(dǎo)致配合螺栓的預(yù)緊力下降，螺栓承受的彎曲載荷增加，最終導(dǎo)致螺栓斷裂。為了避免這種惡果，片式聯(lián)軸器的生產(chǎn)廠通常會(huì)限制交變力矩的傳遞或采取其他措施。盡管產(chǎn)品目錄中對承載能力有著明確的規(guī)定，但一般情況下用戶還是會(huì)選擇更大規(guī)格的聯(lián)軸器，以避免配合螺栓的斷裂。
圖3 具有環(huán)保意識的設(shè)計(jì)
大功率密度與絕對無間隙的結(jié)合
ROBA- DS聯(lián)軸器的應(yīng)用情況則與上述聯(lián)軸器完全不同。為了將大功率密度與絕對的無間隙傳動(dòng)結(jié)合在一起，ROBA-DS聯(lián)軸器在其緊固部位采取了特殊的噴砂處理工藝。除此以外，其還采取了其他的保障措施，即在聯(lián)軸器轂以及中間連接件中使用特殊形狀的軸套，使得配合螺栓的預(yù)緊力能夠傳遞到無間隙連接的聯(lián)軸器轂上，從而保證了在聯(lián)軸器動(dòng)力輸入端和輸出端大功率密度的傳遞。相比而言，其所使用的配合螺栓的尺寸規(guī)格較小，因此配合螺栓的自由彎曲長度較短，所以也就無需對螺栓的位移性能有所限制，從而，可以不受任何限制的傳遞產(chǎn)品目錄中所規(guī)定的額定扭矩。
歐盟對能源效率的要求
歐盟采取了一系列措施，以減少在產(chǎn)品生產(chǎn)、使用和排污方面對環(huán)境造成的危害。在驅(qū)動(dòng)技術(shù)領(lǐng)域中，驅(qū)動(dòng)技術(shù)產(chǎn)品的研發(fā)設(shè)計(jì)必須遵守WEEE“電氣和電子產(chǎn)品廢棄物指令”以及RoHS“關(guān)于在電子電氣設(shè)備中限制使用某些有害物質(zhì)指令”的相關(guān)要求和規(guī)定。此外，還要加上EuP用能產(chǎn)品生態(tài)設(shè)計(jì)框架指令，這是一個(gè)以降低CO2排放為目的的歐盟指令。而要實(shí)現(xiàn)這一指令的要求就必須采取能有效提高能源利用率的措施。然而，僅靠一個(gè)機(jī)械部件的改進(jìn)，其效果是極其微弱的，如僅僅依靠發(fā)動(dòng)機(jī)的性能改進(jìn)，是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。必須對整套驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，其中就包括聯(lián)軸器、制動(dòng)器、變速器以及其他傳動(dòng)零部件的優(yōu)化改進(jìn)。通過這些優(yōu)化改進(jìn)措施，人類和環(huán)境都會(huì)因更少的CO2排放和更少的電力消耗而受益。
