機械式安全聯(lián)軸器的優(yōu)點在于：在整套機械設備中，每根傳動軸只有幾個安全保護零部件。因此，只需對這幾個零部件的工作情況進行監(jiān)控，就可保證設備工作時的安全。當機床過載時，這些零部件可保證在任何情況下都能可靠的強制斷開動力傳動系統(tǒng)，并保證其本身在zui壞的情況下也不會失效。
圖1 正確的設計在安全聯(lián)軸器零部件的設計過程中，物理學數(shù)據(jù)有著重要影響，如扭矩、扭轉剛性、轉速、彈簧剛度、轉動慣量、動平衡及間隙大小等
在過去的一年里，機床設備傳動系統(tǒng)中的零部件數(shù)量明顯增多。相應的，這些機械零部件的設計和計算工作量，如聯(lián)軸器的設計和計算工作量也隨之增大。在這些零部件的設計過程中，物理學數(shù)據(jù)有著重要影響，如扭矩、扭轉剛性、轉速、彈簧剛度、轉動慣量、動平衡及間隙大小等（圖1）。為了保證驅動系統(tǒng)較高的運轉平穩(wěn)性，整個傳動系統(tǒng)的動平衡誤差應盡可能小。所謂的動平衡誤差源于零部件制造的不對稱，即由于零部件質(zhì)量的不均勻分布引起的離心力令傳動零部件產(chǎn)生了振動。
圖2 雙質(zhì)量模型：驅動系統(tǒng)所有的零部件幾乎都能簡便的同時計算出來
幾種聯(lián)軸器的設計方法
有幾種不同的聯(lián)軸器設計方法可以有效提高傳動系統(tǒng)的動平衡性能（圖2）。利用加工平衡孔使整個零部件的質(zhì)量分布更加均勻就是其中的一個方法。在驅動技術中，對動平衡的精度等級進行了規(guī)定，并對允許的zui大不平衡量進行了限制。常用的動平衡精度等級為g 16、g 6.3和g 2.5，數(shù)字越小，動平衡精度越高（允許的殘余不平衡量越?。?。按照滾珠-棘齒原理進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)脫開扭矩進行工作的。在動態(tài)性能較高的情況下使用時，還要附加考慮諧振頻率的影響，對諧振頻率的大小進行計算，因為扭轉剛度對動平衡也有著重要影響?？焖僬_的聯(lián)軸器設計依賴于額定扭矩或者脫開扭矩的確定。當傳動系統(tǒng)傳遞的扭矩達到額定數(shù)值時，聯(lián)軸器就會發(fā)揮安全保護作用，使傳動系統(tǒng)的動力輸入和輸出斷開。脫開扭矩是正常情況下作用在驅動系統(tǒng)輸入端的扭矩。此外，考慮到加速力矩和其他影響因素，在實際應用中使用的綜合安全系數(shù)為1.5。可根據(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是傳動系統(tǒng)輸入側的額定扭矩，單位也是nm。
圖3 安全聯(lián)軸器把伺服電動機與機床的滾珠絲杠連接在一起
通常情況下，驅動側的額定扭矩tan可以從設備的銘牌中得知。如果銘牌中沒有這一數(shù)據(jù)，則可利用驅動設備的傳遞功率和轉速通過經(jīng)驗公式計算得出，并利用機床設備制造中的常用數(shù)字9550轉換成nm。
式中pan是驅動側功率，單位為kw；n是轉速，單位為r/min。
確定扭矩的另一種方法是利用（無負載啟動時的）加速扭矩。利用這個方法需要考慮質(zhì)量的分布情況和驅動系統(tǒng)的轉動慣量，在設備和使用條件決定的修正系數(shù)（沖擊修正系數(shù)或者負載修正系數(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)和負載系數(shù)：sa＝1（諧波負載）；sa＝2（周期性負載）；sa＝3~4（非周期性負載）。
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是輸出側和聯(lián)軸器件i的扭轉剛度，單位為kgm2；ja是輸入側和聯(lián)軸器件ii的扭轉剛度，單位為kgm2；tas是驅動側的峰值扭矩；sa是沖擊系數(shù)或者負載系數(shù)。
若要求確定扭矩時則必須考慮安全聯(lián)軸器的加速扭矩和負載扭矩（有負載啟動時）。這種計算考慮了經(jīng)常處于負荷加速和制動的工況。除了考慮加速扭矩之外，還要考慮負載扭矩tan。下式描述了它們之間的相互關系。
上述設計方法與生產(chǎn)廠家給出的動力輸入和輸出部件有關。除考慮扭矩數(shù)值外，還要考慮質(zhì)量慣性矩和可能出現(xiàn)的加速度。按照進給力確定脫開扭矩是另一種可行的計算方法。此方法不僅可以用于傳動軸類的傳動系統(tǒng)，而且也適用于齒形皮帶傳動的傳動系統(tǒng)。
在傳動軸驅動系統(tǒng)中，傳動軸的絲杠螺距和效率對驅動扭矩也有著重要影響。輸入的驅動扭矩可按下式計算。
式中s是絲杠螺距，單位為mm；fv是進給力，單位為n；η是傳動軸的效率。
若動力輸入與動力輸出不是由同一傳動軸來實現(xiàn)動力傳遞的，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，則需要詳細了解各個參數(shù)。傳動系統(tǒng)的各個組成部件都有自己的自振頻率。驅動系統(tǒng)不應在所謂的諧振頻率范圍內(nèi)工作。按照下式可以計算聯(lián)軸器和整個傳動系統(tǒng)的諧振頻率。但使用該公式的前提是將傳動系統(tǒng)各個部件的轉動慣量匯集成一個總的轉動慣量?？傓D動慣量的扭矩剛度對振動同樣有著重要影響。
自振頻率的單位是1/min，可按下式計算：
式中?e是傳動系統(tǒng)的自振頻率；ct是扭轉剛度，單位為nm/rad；ne是系統(tǒng)的自振頻率。
整個設備的扭轉剛性在聯(lián)軸器的設計和計算時都有著重要作用。一臺機床設備的剛性和減振性能究竟是設計的高一些還是低一些，與機床設備的使用情況密切相關，原則上應全面考慮所有零部件的剛性。
物體在一定的受力（扭矩）條件下會發(fā)生扭曲，扭轉角度用物體的剛性（抵抗扭轉的功）來表示。下式明確說明了它們之間的關系。
式中φ是扭轉角，單位為度。
按照扭矩、諧振頻率或者扭轉剛性對安全聯(lián)軸器進行準確的設計和計算時，與聯(lián)軸器生產(chǎn)廠家進行適當?shù)摹⒎磸偷膶υ捄图夹g咨詢是非常必要的。他們在該領域的經(jīng)驗可保證其能準確確定聯(lián)軸器的尺寸。
圖4 r+w公司研發(fā)生產(chǎn)的安全聯(lián)軸器的結構非常緊湊根據(jù)安全聯(lián)軸器的規(guī)格大小和所傳遞的扭矩，開關環(huán)的行程距離應在0.7~3mm之間，這樣就可以保證機床和設備的安全了。
快速脫離且僅有很小的殘余摩擦力
今天機床設備中的聯(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。當過載時，聯(lián)軸器需在幾微秒內(nèi)斷開動力輸入和輸出，以保護整個驅動系統(tǒng)。其主要目的是盡可能快的將驅動系統(tǒng)脫開，以降低驅動系統(tǒng)受損后的維修費用。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因轉動慣量過大而繼續(xù)加速。這是因為安全聯(lián)軸器脫開后的殘余摩擦力越小，動力輸入側和輸出側在脫開狀態(tài)下的負載就越小。
利用一個設計精密的碟形彈簧可實現(xiàn)上述兩項功能的要求。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系統(tǒng)輸入扭矩所構成的面積。
使用碟形彈簧后，聯(lián)軸器過載時的反映過程較快，聯(lián)軸器的脫開或動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，如開關環(huán)。其重量應盡可能輕，以便實現(xiàn)快速的軸向移動。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較小的紅色區(qū)域而著稱。一個專門研發(fā)設計的有著特殊彈簧特性的碟形彈簧承擔著穩(wěn)定安全聯(lián)軸器調(diào)節(jié)范圍和降低脫開時動力輸入端和輸出端殘余摩擦力矩的任務。其工作特性不是按照普通的特性曲線來進行的，而是有自己*的工作特性曲線。與其他所有安全聯(lián)軸器需要利用感應式接近開關或者終點開關進行控制一樣，這種開關環(huán)的開關行程也要受到監(jiān)控。為了保證在受到污垢污染時也能可靠的工作，開關環(huán)的控制行程應盡可能大一些。