机械设计基础第15章联轴器分析解析

机械设计基础第15章联轴器分析解析第一页，共26页。第15章联轴器、离合器和制动器

了解常用联轴器、离合器的结构、原理及性能特点，从而指导选用。第二页，共26页。§15-1概述联轴器分刚性和弹性两大类，刚性联轴器由刚性传力元件组成，又可分为固定式和可移式两类，固定式刚性联轴器不能补偿两轴的相对位置误差；可移式刚性联轴器则能补偿两轴的相对位置误差。刚性联轴器不能缓冲减振；弹性联轴器包含有弹性元件，不仅能补偿两轴的相对位置误差，而且能减缓冲击，有的甚至能吸收振动。根据传力性质，离合器主要分牙嵌式和摩擦式两类，一般来讲，摩擦式工作性能好些，应用广泛得多。根据工作性质，离合器可分为操纵离合器与自动离合器(能够在特定的工作下自动接合或分离)两类，离合器分类见右图。制动器是用来降低机械运转速度或迫使机械停止运转的装置。在车辆、起重机等机械中，广泛采用各种型式的制动器。4/30/20233§15-1概述第三页，共26页。联轴器、离合器种类很多且大多已标准化。一般的选用步骤是：首先根据机器的使用工况确定合适的类型，然后根据计算转矩、轴的转速和轴头直径从标准中选择所需的型号和尺寸。必要时还应对其中某些零件进行验算。计算转矩已将机器启动时的惯性力和工作中的过载等因素考虑在内。联轴器和离合器的计算转矩可按式Tc=KAT

式中：T为名义转矩；为工作情况系数，。表17-1工作情况系数工作机原动机为电动机转矩变化很小：如发电机、小型通风机、小型离心泵

转矩变化较小：如透平压缩机、木工机械、输送机

转矩变化中等：如搅拌机、增压机、有飞轮的压缩机

转矩变化和冲击载荷中等：如织布机、水泥搅拌机、拖拉机

转矩变化和冲击载荷大：如挖掘机、起重机、碎石机、造纸机械1.3

1.5

1.7

1.9

2.34/30/20234§15-1概述第四页，共26页。§15-2联轴器这类联轴器的组成元件都是金属，工作时各元件之间不允许任何相对运动，因而既不能补偿两轴相对位置误差，也不能缓冲减振。使用这类联轴器联接的两轴必须严格对中且载荷平稳。一、刚性联轴器

1、套筒联轴器

由联接两轴轴端的套筒和联接套筒与轴的联接零件(键、销)组成。销联接用于传递转矩较小的场合。轴径d≤80mm时，套筒用35或45钢制造；d＞80mm时也允许采用铸铁。这种联接的径向尺寸较小，所以在机床中应用很广。这种联接的显著缺点是拆卸不方便。4/30/20235§15-2联轴器第五页，共26页。一、刚性联轴器2、凸缘联轴器

固定式刚性联轴器中应用最广的是凸缘联轴器。如图所示，它是用螺栓联接两个半联轴器的凸缘以实现两轴联接的，工作时，联轴器和两轴构成一个刚性整体。

这种联轴器有两种结构型式：图a是用普通螺栓联接的凸缘联轴器，由于螺栓杆与孔壁间有间隙，为了保证两轴的准确对中，两半联轴器分别制有凸肩和凹槽(即对中榫口)。图b是用铰制孔用螺栓联接的凸缘联轴器，铰制孔用螺栓既用来传递转矩，也用来实现两轴对中。由于前者借助摩擦力传递载荷的，因此在传递载荷相同的情况下，其结构尺寸较后者大。制造凸缘联轴器时，应准确保持两半联轴器的凸缘端面与孔的轴线垂直(通常是将两半联轴器联接起来以后再镗孔，这样可保证安装时两轴精确对中)。半联轴器的材料通常为灰铸铁，当载荷过大或圆周速度υ≥30m/s时，可采用铸钢或锻钢。凸缘联轴器结构简单、使用方便、可传递的转矩较大，但既不能缓冲减振，也不允许两轴有相对位移，因此常用于载荷平稳、两轴能够精确对中的场合。4/30/20236§15-2联轴器第六页，共26页。一、刚性联轴器3、夹壳联轴器

由纵向剖分的两半筒形夹壳和联接它们的螺栓所组成。由于这种联轴器在装卸时不用移动轴，所以使用起来很方便。夹壳材料一般为铸铁，少数情况下也用铸钢。中小尺寸的夹壳联轴器主要借助夹壳与轴之间的摩擦力来传递转矩，即使在联轴器中安装有键，计算承载能力时也不计入键的作用，计算方法与夹紧联接相似。大尺寸的夹壳联轴器主要由键传递转矩。为了改善平衡状况，螺栓应正、倒相间安装。

夹壳联轴器主要应用于外缘速度v≤5m/s的低速场合，在超过5m/s的情况下使用时，必须对其进行平衡检验。4/30/20237§15-2联轴器第七页，共26页。二、无弹性元件绕性联轴器1.十字滑块联轴器滑块联轴器由两个端面开有径向凹槽的半联轴器和两端各具凸榫的中间滑块所组成。中间滑块两面的径向榫相互垂直，分别嵌装在两个半联轴器的凹槽中，构成移动副。当两轴线存在径向位移或偏斜时，滑块将在凹槽内滑动以适应位移。滑块联轴器允许的径向位移e≤0.04d(d为轴的直径)，角位移α≤30′。

由于工作时滑块在凹槽中滑动，所以凹槽和滑块的工作面间要加润滑剂以降低摩擦，凸榫和凹槽通常都经淬火硬化以提高耐磨性。

此外，由于滑块的凸榫是嵌在两个凹槽中的，由图可以看出，轴每转90度，滑块的中心沿直径为e的圆周转180度，当轴的转速较高时，由滑块质心的圆周运动引起的离心力将会很大，从而给轴和轴承带来附加动载荷，因此这种联轴器只适用于低速，轴的转速一般不超过300r/min。这类联轴器的组成元件都是金属，从结构上保证工作时有些元件之间可产生相对运动，从而达到补偿两轴相对位置误差的目的，但都不能缓冲减振。使用这类联轴器联接的两轴必须载荷平稳，且应对联轴器内部加以润滑。4/30/20238§15-2联轴器第八页，共26页。二、无弹性元件绕性联轴器2.齿式联轴器齿式联轴器由两个有内齿的外壳3和两个有外齿的套筒4所组成(图17-7)。套筒与轴用键相联，两个外壳用螺栓2联成一体，外壳与套筒之间设有密封圈1。内齿轮齿数与外齿轮齿数相等。轮齿通常采用压力角为20°的渐开线齿廓。工作时靠啮合的轮齿传递转矩。由于轮齿间留有较大的间隙(更好的情况是将齿轮的齿制成鼓形齿、球形齿顶)，所以能补偿两轴的轴向、径向、偏斜和综合位置误差(图17-9)。为了减小轮齿的磨损和相对移动时的摩擦阻力，在外壳内贮有润滑油。一般齿式联轴器允许角位移在30′以下，若将外壳轮做成鼓形齿(图17-8)，则允许角位移可达3°。齿式联轴器的优点是能传递很大的转矩和补偿适量的综合位移，因此常用于重型机械中。但是当传递巨大转矩时，齿间的压力也随着增大，使联轴器的灵活性降低，而且其结构笨重、造价较高。

4/30/20239§15-2联轴器第九页，共26页。二、无弹性元件绕性联轴器3.万向联轴器

右图所示为以十字轴为中间件的万向联轴器。十字轴的四端用铰链分别与两轴上的叉形接头相联。因此当一轴的位置固定后，另一轴可以在任意方向偏斜一个角度，角位移α可达40°～45°。为了增加其灵活性，应在铰链处配置滚针轴承。但是，单个万向联轴器两轴的瞬时角速度并不是时时相等的，即当主动轴1以等角速度回转时，从动轴2作变速转动，从而引起动载荷。由分析可知：角速度ω1变化的幅度与两轴的夹角α有关，α越大，则ω2变动幅度越大。为了克服单个万向联轴器的上述缺点，机器中常将万向联轴器成对使用，如图所示。这种由两个万向联轴器组成的装置称为双万向联轴器。对于联接相交或平行二轴的双万向联轴器，欲使主、从动轴的角速度相等，必须满足两个条件：

1）主、从动轴与中间件Ｃ的夹角必须相等，α1=α2；

2）中间件两端的叉面必须位于同一平面内。显然，中

间件本身的转速是不均匀的。但因它的惯性小，由它产生的动载荷、振动等一般不致引起显著危害。4/30/202310§15-2联轴器第十页，共26页。二、无弹性元件绕性联轴器4.牙嵌式联轴器

这是一种可补偿轴向位移的联轴器，由两个端面都有凸牙和凹槽的半联轴器组成。每个凸牙都嵌在对应的半联轴器中的凹槽中，当两轴作轴向移动时，凸牙可在凹槽内滑动，从而构成一动联接。为便于对中，在其中的一个半联轴器中装有对中环，并用螺钉固定，另一端的轴则伸入对中环内。半联轴器的材料通常采用中等强度的铸铁，有时也用铸钢。牙嵌联轴器的计算请参考牙嵌离合器。4/30/202311§15-2联轴器第十一页，共26页。二、无弹性元件绕性联轴器

5.滚子链联轴器它是利用一公共滚子链

(单排或双排)同时与两个齿

数相同的并列链轮相啮合以

实现两半联轴器联接的一种

联轴器。其特点是：结构简

单，装卸方便，径向尺寸紧

凑，质量轻、转动惯量小，

效率高，具有一定的补偿能

力(径向位移小于0.02个节

距，角位移小于1度)，工作

可靠，寿命长(可达20000小时)，成本低，恶劣工作环境(高温、潮湿、多尘、油污等)下也能工作。其缺点是：离心力过大会加速各元件间的磨损和发热，因而适宜的转速不能太大；基本上无缓冲减振能力，不宜在频繁起动、强烈冲击下工作；不能传递轴向力。滚子链联轴器一般应有润滑，可根据轴的转速n来定：n＜10时每月涂润滑脂一次；10＜n≤200时，每周涂润滑脂一次；200＜n≤300时则要求充分润滑并装备罩壳。4/30/202312§15-2联轴器第十二页，共26页。三、有弹性元件绕性联轴器

由于这类联轴器的弹性元件是非金属，因而具有如下特点：

1)具有弹性滞后特性和一定的消振能力；

2)单位重量所储存的能量比金属材料大许多(橡胶比钢约大10倍)，缓冲能力强；

3)结构简单，价格便宜。但这类联轴器的尺寸较大，寿命也相对较短。这类联轴器主要有：弹性套柱销联轴器、弹性柱销联轴器轮胎联轴器、弹性柱销齿式联轴器、梅花形联轴器。4/30/202313§15-2联轴器第十三页，共26页。三、有弹性元件绕性联轴器

1.弹性套柱销联轴器弹性套柱联轴器结构上和凸缘联轴器很近似，但是两个半联轴器的联接不用螺栓，而是用带橡胶弹性套的柱销，如图所示。为了更换橡胶套时简便而不必拆移机器，设计中应注意留出距离Ａ；为了补偿轴向位移，安装时应注意留出相应大小的间隙Ｃ。这种联轴器主要用来联接起动频繁的或在变载荷下运转的轴。联轴器的工作环境温度应在（-20～+50)℃的范围内，且应确保无油质及其它有害于橡胶的介质与联轴器接触。视尺寸的不同，这种联轴器所允许的最大位移为：

轴向——2～7.5mm；径向——0.2～0.7mm；

角位移——30'～1°30'。

联轴器的最大圆周速度≤30m/s。4/30/202314§15-2联轴器第十四页，共26页。三、有弹性元件绕性联轴器2.弹性柱销联轴器弹性柱销联轴器如图所示，它是用若干非金属材料制成的柱销置于两个半联轴器凸缘的孔中以实现两半联轴器联接的一种联轴器。它具有结构简单、制造容易、更换柱销方便、允许轴向位移大等特点。柱销材料通常为尼龙。尼龙具有一定弹性，弹性模量比金属低得多，可缓和冲击。尼龙耐磨性好，摩擦系数小，有自润滑作用，但对温度比较敏感，不宜用于温度较高的场合(使用温度范围为-20～60°)。为了装卸柱销方便，柱销与孔之间为H9/h9间隙配合，同时在两端配置挡板以防止柱销滑出。4/30/202315§15-2联轴器第十五页，共26页。三、有弹性元件绕性联轴器3.轮胎联轴器

轮胎式联轴器有较好的缓冲、吸振能力，适用于正反向变化多、启动频繁的高速轴，最大转速可达8000r/min。轮胎式联轴器的结构如图17-17所示，中间为橡胶制成的轮胎环，用止退垫板与半联轴器联接。它结构简单，富有弹性，有很好的缓冲性能和一定的吸振能力，因此它允许的相对位移较大，角位移可达5°～12°，轴向位移可达0.02D，径向位移可达0.01D(D为联轴器外径)，特别适用于启动频繁、正反向运转、两轴间有较大的相对位移量、以及潮湿多尘之处。它的缺点是径向尺寸较大，对轴有附加轴向力作用。这种联轴器的外缘速度一般不宜大于30m/s。4/30/202316§15-2联轴器第十六页，共26页。三、有弹性元件绕性联轴器4.弹性柱销齿式联轴器弹性柱销齿式联轴器的结构如图所示，柱销(材料常用尼龙)分别置于两半联轴器的内、外环对合的圆孔中。这种联轴器的特点是：传递转矩大，体积小、重量轻，轴径范围大(12～850mm)，结构简单，使用寿命长，不用润滑，更换销轴方便。5.梅花形联轴器

梅花形弹性联轴器结构如图。它是利用梅花形弹性元件置于两半联轴器凸爪之间实现联接的一种联轴器。制造弹性元件的材料有丁腈橡胶、聚氨酯、尼龙等。特点是结构简单、价格低廉、具有良好的补偿位移能力和减振能力。

这种联轴器允许的外缘速度半联轴器的材料有关：铸铁为30～50m/s，铸钢为60m/s，锻钢为100～120m/s，铝合金为80～100m/s。4/30/202317§15-2联轴器第十七页，共26页。§15-3离合器一、牙嵌离合器

牙嵌离合器由两个端面带牙的套筒所组成，其中套筒1固接在轴上，而套筒2可沿导向平键3在另一根轴上移动，利用操纵杆移动滑环4可使两个套筒接合或分离。为避免滑环的过量磨损，可动套筒应装在从动轴上。为便于两轴对中，在套筒1中装有对中环5，从动轴端可在对中环中自由转动。

离合器的牙形有三角形、梯形和锯齿形。三角形牙传递中、小转矩，牙数15～60；梯形、锯齿形牙可传递较大的转矩，牙数3～15。梯形牙可补偿磨损后的牙侧间隙。锯齿形牙只能单向工作，反转时由于有较大的轴向分力，会迫使离合器自行分离。各牙应精确等分，以使载荷均布。

牙嵌离合器结构简单，外廓尺寸小，能传递较大的转矩，故应用较多。但牙嵌离合器只宜在两轴不回转或转速差很小时进行接合，否则牙齿可能会因受撞击而拆断。4/30/202318§15-3离合器第十八页，共26页。二、摩擦离合器

与牙嵌离合器比较，摩擦离合器具有下列优点：２）在任何不同转速条件下两轴都可进行接合或断开；２）过载时摩擦面间将发生打滑，可以防止损坏其它零件；3）接合较平稳，冲击和振动较小。但摩擦离合器在接合过程中。从动轴转速从零逐渐加速到主动轴的转速，因而两摩擦面间不可避免地会发生相对滑动。这种相对滑动要消耗一部分能量，并引起摩擦片的摩损和发热。圆盘摩擦离合器有单片式和多片式两种。单片式摩擦离合器多用于转矩在2000Nm以下的轻型机械(如包装机械、纺织机械)。4/30/202319§15-3离合器第十九页，共26页。二、摩擦离合器摩擦离合器可用机械方式控制，也可用电、液或气控，还可改摩擦片为磁粉，构成磁粉离合器。4/30/202320§15-3离合器第二十页，共26页。三、定向离合器如图所示：图中星轮1和外环2分别装在主动件和从动件上，星轮和外环间的楔形空腔内装有滚柱3，滚柱数目一般为3～8个。每个滚柱都被弹簧推杆4以不大的推力向前推进而处于半楔紧状态。

星轮和外环均可作为主动件。现以外环为主动件来分析，当外环逆时针方向回转时，摩擦力和弹簧力推动滚柱向前滚动，进一步楔紧内外接触面，从而驱动星轮一起转动，离合器处于接合状态；反之，当外环顺时针方向回转时，摩擦力带动滚柱克服弹簧力而滚到楔形空腔的宽敞部分，离合器处于分离状态，所以称为定向离合器。当星轮与外环均按顺时针方向作同向回转时，根据相对运动原理，若外环转速小于星轮转速，则离合器处于接合状态；反之，如外环转速大于星轮转速，则离合器处于分离状态，因此这种离合器又称为超越离合器。如所周知，自行车后飞的棘轮机构、自行车转铃也是超越离合器。定向离合器常用于汽车、机床等的传动装置中。4/30/202321§15-3离合器第二十一页，共26页。四、离心离合器离心离合器工作原理如图