机械设计基础 第17章联轴离合制动器

1、17-1 联轴器、离合器的类型和应用联轴器、离合器的类型和应用17-2 固定式刚性联轴器固定式刚性联轴器17-3 可移动刚性联轴器可移动刚性联轴器17-4 弹性联轴器弹性联轴器17-5 牙嵌式离合器牙嵌式离合器17-6 摩擦离合器摩擦离合器第第17章章 联轴器、离合器和制动器联轴器、离合器和制动器17-7 磁粉离合器磁粉离合器17-8 定向离合器定向离合器17-9 制动器制动器17-1 联轴器、离合器联轴器、离合器的类型和应用的类型和应用工作特点：工作特点：联轴器用于刚性静态联接；而离合器则用联轴器用于刚性静态联接；而离合器则用 于于两轴之间的动态联接。两轴之间的动态联接。分类：分类：弹性联轴

2、器弹性联轴器刚性联轴器刚性联轴器固定式联轴器固定式联轴器移动式联轴器移动式联轴器作用：作用：主要用于主要用于将两根轴联接在一起，使它们一起旋将两根轴联接在一起，使它们一起旋 转，并传递扭矩。转，并传递扭矩。联轴器联轴器牙嵌式离合器牙嵌式离合器离合器离合器摩擦式离合器摩擦式离合器电磁离合器电磁离合器自动离合器自动离合器应用实例：应用实例：手腕驱动机构手腕驱动机构、汽车后桥驱动、车辆启停等。、汽车后桥驱动、车辆启停等。联轴器、离合器联轴器、离合器大都已经标准化了，可直接选用。大都已经标准化了，可直接选用。工作条件工作条件=选类型选类型转矩转矩转速转速轴径轴径=确定型号与规格确定型号与规格计算转矩：

3、计算转矩： Tc=KATKA为工作情况系数；为工作情况系数；T为名义转矩；为名义转矩；表表17-1 工作情况系数工作情况系数KA工工 作作 机机 原动机为电动机时原动机为电动机时发电机、小型通风机、小型离心机发电机、小型通风机、小型离心机 1.3透平压缩机、木工机械、输送机透平压缩机、木工机械、输送机 1.5搅拌机、增压机、有飞轮的压缩机搅拌机、增压机、有飞轮的压缩机 1.7织布机、水泥搅拌机、拖拉机织布机、水泥搅拌机、拖拉机 1.9挖掘机、起重机、碎石机、造纸机械挖掘机、起重机、碎石机、造纸机械 2.3设计：潘存云设计：潘存云17-2 固定式刚性联轴器固定式刚性联轴器结构：结构：半联轴器通过

4、键与轴相联，用螺栓将两个半联半联轴器通过键与轴相联，用螺栓将两个半联 轴器的凸缘联接在一起。轴器的凸缘联接在一起。普通凸缘普通凸缘联轴器联轴器绞制孔螺栓绞制孔螺栓 型式：型式：有对中榫的凸缘联轴器有对中榫的凸缘联轴器普通凸缘联轴器普通凸缘联轴器 -靠铰制孔螺栓对中。靠铰制孔螺栓对中。-靠榫头对中。靠榫头对中。普通螺栓普通螺栓 对中榫对中榫 设计：潘存云制造与安装要求：制造与安装要求：半联轴器的凸缘端面应与轴线垂直，半联轴器的凸缘端面应与轴线垂直， 安装时应使两轴精确对中。安装时应使两轴精确对中。9090材料：材料：一般用铸铁、当重载或一般用铸铁、当重载或 V30 m/sV30 m/s时，用铸时

5、，用铸 钢或锻钢钢或锻钢 。特点：特点：结构简单、使用方便、传递扭矩较大，但不能结构简单、使用方便、传递扭矩较大，但不能 缓冲减振缓冲减振 。应用：应用：用于载荷较平稳的两轴联接用于载荷较平稳的两轴联接 。设计：潘存云设计：潘存云设计：潘存云设计：潘存云y yx x 两轴线的相对位移两轴线的相对位移: : 轴向、径向、角度、综合。轴向、径向、角度、综合。 17-3 可移动刚性联轴器可移动刚性联轴器由于制造、安装或工作时零件的变形等原因，被联接的两轴不一定度能精确对中，因此会出现两轴之间的轴向位移、径向位移和角位移，或其组合。联接特点：联接特点：构成动联接，具有一个或几个方向的活动度。构成动联接

6、，具有一个或几个方向的活动度。 能补偿两轴的相对位移。能补偿两轴的相对位移。 x xy y轴向轴向如果联轴器没有适应这种相对位移的能力就会在联轴器、轴和轴承中引起附加载荷，甚至引起强烈振动。设计：潘存云设计：潘存云一、齿式联轴器一、齿式联轴器结构：结构：两个有内齿的外壳，两个有外齿的套筒，两者齿两个有内齿的外壳，两个有外齿的套筒，两者齿数相同，外齿做成球形齿顶的腰鼓齿。套筒与轴用键联数相同，外齿做成球形齿顶的腰鼓齿。套筒与轴用键联接，两外壳用螺栓联接。两端密封，空腔内储存润滑油。接，两外壳用螺栓联接。两端密封，空腔内储存润滑油。功用：功用：能补偿轴不对中和偏斜。能补偿轴不对中和偏斜。工作范围：

7、工作范围：正常齿：正常齿：3030 腰鼓齿：腰鼓齿：3 3 设计：潘存云设计：潘存云优点：优点：传递扭矩大、能补偿综合位移。传递扭矩大、能补偿综合位移。缺点：缺点：结构笨重、造价高。结构笨重、造价高。应用：应用：用于重型传动。用于重型传动。设计：潘存云二、滑块联轴器二、滑块联轴器结构：结构：两个端面开有径向凹槽的半联轴器，两端各具两个端面开有径向凹槽的半联轴器，两端各具有凸榫的中间滑块，且两端榫头互相垂直，嵌入凹槽有凸榫的中间滑块，且两端榫头互相垂直，嵌入凹槽中，构成移动副。中，构成移动副。工作工作原理原理：当两轴存在不对中和偏斜时，滑块将在凹当两轴存在不对中和偏斜时，滑块将在凹槽内滑动。槽内

8、滑动。优缺点：优缺点：结构简单、制造容易。滑块因偏心产生离心结构简单、制造容易。滑块因偏心产生离心力和磨损，并给轴和轴承带来附加动载荷。力和磨损，并给轴和轴承带来附加动载荷。适用范围：适用范围：3030, , y y0.04d0.04d，v300 r/minv300 r/min y y设计：潘存云设计：潘存云三、万向联轴器三、万向联轴器作用：作用：用于传递两相交轴之间的动力和运动，而且在用于传递两相交轴之间的动力和运动，而且在传动过程中，两轴之间的夹角还可以改变。传动过程中，两轴之间的夹角还可以改变。共轴、 有夹角应用：应用：广泛应用于汽车、机床等机械传动系统中。广泛应用于汽车、机床等机械传动

9、系统中。单万向联轴器单万向联轴器设计：潘存云设计：潘存云vA1 = r1结构特点：结构特点：两传动轴末端各有一个叉形支架，用铰链两传动轴末端各有一个叉形支架，用铰链与中间的与中间的“十字形十字形”构件相联，构件相联，“十字形十字形”构件的中构件的中心位于两轴交点处，心位于两轴交点处，运动分析：运动分析：两轴平均传动比为两轴平均传动比为1，但，但瞬时传动比是动态变化的。瞬时传动比是动态变化的。在图示位置在图示位置I, 以轴以轴1为参考为参考系，对系，对A点有点有 ： 以轴以轴2为参考系，对为参考系，对A点有点有 ：vA2 = r2A2A1 1Brr= r cos 2显然有显然有 ： vA1 =

10、vA2 =0=04545轴间角为轴间角为 ：设计：潘存云 r”其它位置：其它位置：代入得：代入得：1 1BBA2在图示位置在图示位置II, 以轴以轴2为参考为参考系，对系，对B点有点有 ： vB2 = r”2以轴以轴1为参考系，对为参考系，对B点有点有 ：vB1 = r”1= 1 r cos同样有同样有 ： vB1 = vB2 r代入得：代入得：2=1 cos2 1=”2 11cos1cos 2 2 1 =cos2 设计：潘存云设计：潘存云2.双万向铰链机构双万向铰链机构将两个单万向铰链机构串联使用，构成双万向铰链机构。将两个单万向铰链机构串联使用，构成双万向铰链机构。安装要求：安装要求：主动

11、、从动、中间三轴共面；主动、从动、中间三轴共面；主动轴、从动轴的轴线与中间轴的轴线之间的夹主动轴、从动轴的轴线与中间轴的轴线之间的夹 角应相等；角应相等；中间轴两端的叉面应在同一平面内。中间轴两端的叉面应在同一平面内。C2121C为了消除从动轴变速转动的缺点，常设计：潘存云设计：潘存云3. 小型双万向联轴器小型双万向联轴器 结构如图所示，通常采用合金钢制造。结构如图所示，通常采用合金钢制造。AAA-AAAAA模型演示模型演示设计：潘存云设计：潘存云一、弹性套柱销联轴器一、弹性套柱销联轴器17-4 弹性联轴器弹性联轴器结构特点：结构特点：外观与凸缘联轴器相似，用带橡胶弹性套外观与凸缘联轴器相似，

12、用带橡胶弹性套的柱销联接两个半联轴器。的柱销联接两个半联轴器。预留安装空间以便与更换橡胶套预留安装空间以便与更换橡胶套 A预留间隙以补偿预留间隙以补偿轴向位移。轴向位移。c圆柱孔圆柱孔圆锥孔圆锥孔设计：潘存云二、弹性柱销联轴器二、弹性柱销联轴器结构：结构：用尼龙制成的柱销置于两个半联轴器凸缘的孔用尼龙制成的柱销置于两个半联轴器凸缘的孔中。中。尼龙销尼龙销挡板挡板cc销与挡板之销与挡板之间留有间隙间留有间隙结构简单、更换柱销方便。结构简单、更换柱销方便。特点：特点：上述两种联轴器的动力通过弹性上述两种联轴器的动力通过弹性元件传递，缓和冲击、吸收振动。元件传递，缓和冲击、吸收振动。应用：应用：适用

13、于正反向变化多，启适用于正反向变化多，启动动 频繁的高速轴。频繁的高速轴。适用范围：适用范围：-12-12t t660 0， v8000 r/min v8000 r/min 能补偿较大的轴向位移，并允能补偿较大的轴向位移，并允许微量的径向位移和角位移。许微量的径向位移和角位移。两种柱销设计：潘存云三、轮胎式弹性联轴器三、轮胎式弹性联轴器结构：结构：中间为橡胶制成的轮胎环，用止退垫板与半联中间为橡胶制成的轮胎环，用止退垫板与半联 轴器联接。轴器联接。特点：特点：结构简单、易于变形。允结构简单、易于变形。允 许较大的综合许较大的综合hdv x位移位移。应用应用：适用于启动频繁、正反适用于启动频繁、

14、正反向运转、有冲击振动、有较大向运转、有冲击振动、有较大轴向位移、潮湿多尘的场合。轴向位移、潮湿多尘的场合。适用范围：适用范围：5 51212， x0.02Dx0.02D y0.01Dy0.01D， n5000 r/minn5000 r/min 轮胎环轮胎环D D止退垫板止退垫板设计：潘存云17-5 牙嵌式离合器牙嵌式离合器结构：结构：由端面带牙的固定套筒、活动套筒、对中环组成。由端面带牙的固定套筒、活动套筒、对中环组成。 固定套筒固定套筒活动套筒活动套筒滑环滑环对中环对中环工作原理：工作原理： 利用操纵杆移动滑环，实现两套筒的结合与分离。利用操纵杆移动滑环，实现两套筒的结合与分离。 牙型牙型

15、303040402 28 82 28 86060三角形三角形梯梯 形形锯齿形锯齿形-传递中小转矩、牙数为传递中小转矩、牙数为1660-传递较大转矩、牙数为传递较大转矩、牙数为315梯形牙可以补偿磨损后的牙侧间隙。梯形牙可以补偿磨损后的牙侧间隙。锯齿形只能单向工作。锯齿形只能单向工作。反转时具有较大的轴向分力，会迫使离合器自行分离。制造要求：制造要求：各牙应精确等分，以使载荷均匀分布。各牙应精确等分，以使载荷均匀分布。特点：特点：结构简单、外廓尺寸小、能传递较大的转矩。结构简单、外廓尺寸小、能传递较大的转矩。材料：材料：低碳合金钢：低碳合金钢：20Cr 、 20MnB。渗碳淬火后牙面渗碳淬火后牙

16、面硬度：硬度：5662 HRC;中碳合金钢：中碳合金钢：40Cr 、 45MnB。表面淬火后牙面表面淬火后牙面硬度：硬度：4858 HRC;承载能力：承载能力：取决于齿根的弯曲强度取决于齿根的弯曲强度:hKATzWD0b b= = b b 2KATzD0ah p = = p W-齿根弯曲截面系数；齿根弯曲截面系数；D0-牙平均直径；牙平均直径；a-牙的宽度。牙的宽度。D0ah式中：式中：h为牙齿高度；为牙齿高度；z为牙齿数；为牙齿数；设计：潘存云17-6 摩擦离合器摩擦离合器123一、单片式圆盘一、单片式圆盘摩擦离合器摩擦离合器摩擦扭矩摩擦扭矩: Tmax=Fa f Rf结构：结构：由固定圆盘

17、由固定圆盘1、活动圆盘、活动圆盘2、滑环组成。、滑环组成。 工作原理：工作原理：移动滑环，可实现两圆盘的结合与分离，靠移动滑环，可实现两圆盘的结合与分离，靠摩擦力带动从动轴转动。摩擦力带动从动轴转动。 缺点：缺点：结合过程中不可避免出现打滑，结合过程中不可避免出现打滑，引起磨损和发热；引起磨损和发热； 2.2.过载时打滑，起保护作用；过载时打滑，起保护作用； 3.3.结合平稳、冲击和振动小。结合平稳、冲击和振动小。优点：优点： 1.1.在任何转速条件下两轴都在任何转速条件下两轴都可以进行结合；可以进行结合；Fa213FaRf设计：潘存云主动摩擦片主动摩擦片杠杆杠杆滑环滑环工作原理：工作原理：移

18、动滑移动滑环，通过杠杆作用，环，通过杠杆作用，压紧或放松磨擦片，压紧或放松磨擦片，来实现两轴的结合与来实现两轴的结合与分离。分离。 调整螺母调整螺母被动摩擦片被动摩擦片二、多片式圆盘二、多片式圆盘摩擦离合器摩擦离合器结构特点：结构特点：多个摩擦片叠加在一起；多个摩擦片叠加在一起；摩擦片材料：摩擦片材料：淬火钢片、压制石棉片。淬火钢片、压制石棉片。 摩擦片数量摩擦片数量z z传递扭矩传递扭矩T 但但z z过大将使各层间压力不均匀，一般取过大将使各层间压力不均匀，一般取: : z=1215摩擦扭矩摩擦扭矩:Tmax= z Fa f Rfz Fa f (D1 +D2)=4 KA T4 Fap =(D

19、1 +D2)表面压强表面压强:p D1D2有润滑剂有润滑剂 无润滑剂无润滑剂 p/ MPa表表17-2 常用摩擦片材料的常用摩擦片材料的 f 和和 p 摩擦片材料摩擦片材料 f 圆盘摩擦离合器圆盘摩擦离合器铸铁铸铁铸铁或钢铸铁或钢 0.050.06 0.15 0.2 0.250.30淬火钢淬火钢淬火钢淬火钢 0.050.06 0.18 0.60.8青铜青铜钢或铸铁钢或铸铁 0.08 0.17 0.18 0.40.5压制石棉压制石棉钢或铸铁钢或铸铁 0.12 0.3 0.5 0.200.30对于频繁启动的离合器，可将表中对于频繁启动的离合器，可将表中p降低降低1530%。类型类型反应敏捷，但摩擦

20、片易磨损。反应敏捷，但摩擦片易磨损。油式磨擦离合器油式磨擦离合器干式磨擦离合器干式磨擦离合器磨损轻微、寿命长、并能磨损轻微、寿命长、并能 在繁重的条件下运转。在繁重的条件下运转。设计：潘存云设计：潘存云离合器的操纵方式离合器的操纵方式机械力机械力电磁力电磁力气动力气动力液压力液压力810 三、圆锥式三、圆锥式摩擦离合器摩擦离合器结构：结构：锥台表面为摩擦接触面。锥台表面为摩擦接触面。优点：优点：由于采用了槽面摩擦原理，由于采用了槽面摩擦原理，因此只需要很小的操纵力即能使因此只需要很小的操纵力即能使离合器传递较大的转矩。离合器传递较大的转矩。缺点：缺点：径向尺寸较大，不如多盘式紧凑。径向尺寸较大

21、，不如多盘式紧凑。设计：潘存云17-7 磁粉离合器磁粉离合器结构：结构：由转子轴、左右轮辐、励磁线圈、磁粉等组成。由转子轴、左右轮辐、励磁线圈、磁粉等组成。 工作原理：工作原理：通电后磁粉被磁化，彼此相互吸引聚集，依通电后磁粉被磁化，彼此相互吸引聚集，依靠磁粉的结合力以及磁粉与两工作面之间的摩擦力拉传靠磁粉的结合力以及磁粉与两工作面之间的摩擦力拉传递转矩。递转矩。 输出输出磁粉性能要求：磁粉性能要求：导磁率高、剩磁小、流导磁率高、剩磁小、流动性好、耐磨、耐热、动性好、耐磨、耐热、不烧结性。不烧结性。 输入输入磁粉材料：磁粉材料：铁钴镍、铁钴钒等合金粉，加入少量二硫化钼。铁钴镍、铁钴钒等合金粉，

22、加入少量二硫化钼。 形状为球形或椭球形，颗粒直径为：形状为球形或椭球形，颗粒直径为：2070 m。 优点：优点：1）励磁电流励磁电流 I 与转矩与转矩T呈线性关系、转矩调节简单而呈线性关系、转矩调节简单而 且精确，调节范围宽。且精确，调节范围宽。 2) 可用作恒张力控制，是造纸机、纺织机、印刷机、可用作恒张力控制，是造纸机、纺织机、印刷机、 绕线机等的理想装置。绕线机等的理想装置。 3) 若将主动件固定，则可作制动器使用。若将主动件固定，则可作制动器使用。 缺点：缺点：相对而言比较笨重。相对而言比较笨重。 4) 操纵方便、离合平稳、工作可靠。操纵方便、离合平稳、工作可靠。 设计：潘存云当外环反

23、向转动时，则带动滚当外环反向转动时，则带动滚柱克服弹簧力而滚到楔形空间柱克服弹簧力而滚到楔形空间的宽敞位置，离合器处于分离的宽敞位置，离合器处于分离状态。状态。结构：结构：由星轮、外环、滚柱、弹簧推杆等零件组成。由星轮、外环、滚柱、弹簧推杆等零件组成。工作原理：工作原理：当外环逆时钟转动时，以摩擦当外环逆时钟转动时，以摩擦力带动滚柱向前滚动，进一步力带动滚柱向前滚动，进一步楔紧内外接触面，从而驱动星楔紧内外接触面，从而驱动星轮一起旋转。轮一起旋转。 一、滚柱式定向离合器一、滚柱式定向离合器 17-8 定向离合器定向离合器滚柱在弹簧推杆作用下处于半楔紧状态。滚柱在弹簧推杆作用下处于半楔紧状态。设

24、计：潘存云结构：结构：由内环、外环、楔块、支撑环、拉簧等零件组成。由内环、外环、楔块、支撑环、拉簧等零件组成。二、楔块式定向离合器二、楔块式定向离合器 优点：优点：楔块曲率半径大，装楔块曲率半径大，装入数量多，相同尺寸时传递入数量多，相同尺寸时传递的转矩更大。的转矩更大。缺点：缺点：高速运转时有较大磨高速运转时有较大磨损，寿命较短。损，寿命较短。工作原理：工作原理：内外环工作面都为圆形，整圈拉簧压着楔块始终与内内外环工作面都为圆形，整圈拉簧压着楔块始终与内环接触，并力图使楔块绕自身作逆时钟方向偏摆。当环接触，并力图使楔块绕自身作逆时钟方向偏摆。当外环顺时钟方向旋转时，楔块克服弹簧力而作顺时钟外环顺时钟方向旋转时，楔块克服弹簧力而