机械设计与分析基础 李会文 教案 第10章补充内容-轴间连接

１０ 轴间连接将两轴直接连接起来以传递运动和转矩的连接形式称为轴间连接，通常采用联轴器和离合器来实现轴间连接。在机器工作时，联轴器只能保持两轴的接合状态，而离合器却可随时完成两轴的接合和分离。图１０１所示为联轴器和离合器的应用实例。图１０２联轴器与离合器的应用ａ）带式运输机１—电动机 ２、４—联轴器 ３—减速器 ５—卷筒ｂ）曲柄压力机１—电动机 ２—带传动 ３—离合器 ４—齿轮传动 ５—曲轴 ６—冲头图１０２ａ是带式运输机。电动机１的高速回转通过减速器３变成卷筒５的低速回转。该系统分为电动机１、减速器３、卷筒５三个部件，分别用联轴器２、４连接起来，以方便加工、装配、运输和维修。图１０２ｂ是曲柄压力机，其中带传动２和齿轮传动４是减速装置，将电动机１的高速回转变成曲轴５的低速回转和冲头６的低速往复运动。为了便于操作，在从动带轮轴上装有离合器３，使电动机１连续回转时，可以随时控制冲头６的启停。１０ 联轴器的类型、特点和应用１联轴器的分类联轴器所连接的两轴，由于制造和安装误差，受载后的变形以及工作温度变化等原因，可能产生某种程度的位移（图１０３），使机器的工作情况恶化。因此，要求联轴器具有补偿两轴间相对位移的能力。具有这种补偿能力的联轴器称为挠性联轴器，否则称为刚性联轴器。图１０３两轴轴线相对位移的型式ａ）轴向位移ｘｂ）径向位移ｙｃ）角位移αｄ）综合位移ｘ、ｙ、α当轴的转速较高或工作载荷不平稳时，轴将发生冲击振动，为缓冲吸振，可在联轴器内设置弹性元件。因此，挠性联轴器又分为有弹性元件的挠性联轴器和无弹性元件的挠性联轴器。此外，在传递的转矩超过允许的极限转矩时，联轴器中的特定元件将发生折断，从而自动停止传动，以保护机器中的重要零件不致损坏，这种具有过载保护作用的联轴器称为安全联轴器。常用联轴器类型、特点及应用见表１０４。１表１０４常用联轴器类型、特点及应用类型结 构特点及应用刚性联轴器凸缘联轴器凸缘联轴器是应用最广的刚性联轴器。它由两个带凸缘的半联轴器组成。两个半联轴器分别用键与两轴连接，并用螺栓将两个半联轴器联为一体有ＧＹ、ＧＹＳ和ＧＹＨ三种型式。ＧＹ型是基本型，利用铰制孔用螺栓连接来实现两轴对中，靠螺栓承受剪切和挤压传递转矩；ＧＹＳ型是有对中凸榫凸缘联轴器，利用两半联轴器的凸肩与凹槽的相互配合来保证两轴对中，靠两半联轴器结合面间的摩擦力传递转矩。前者能传递的转矩大，后者对中精度高。ＧＹＨ型是有对中环凸缘联轴器结构简单、刚性好、对中精确、能传递较大的转矩。但无补偿两轴相对位移和缓冲减振能力，且要求两轴对中精度高。通常用于载荷平稳、速度较低、两轴能很好对中的场合ＧＢ／Ｔ５８４３—２００３套筒联轴器它是用一个套筒通过键或销等连接件与两轴相联结构简单，容易制造，径向尺寸小，转动惯量也小，但装拆较困难，无补偿两轴相对位移和缓冲减振能力。常用于径向尺寸受限、两轴对中性高、工作较平稳、轻载、低速、经常正反转的场合图ｂ所示的联轴器中，若销的尺寸设计适当，过载时销被剪断，可防止损坏机器中的重要零件，即可作为安全联轴器使用无弹性元件的挠性联轴器十字滑块联轴器１、３—半联轴器 ２—中间圆盘它由端面开有凹槽的两个半联轴器１、３和一个两端具有相互垂直凸块的中间圆盘２所组成。凸块与凹槽嵌合，并可相对滑动，以补偿两轴的相对位移。当转速较高且两轴线有相对位移时，中间圆盘的偏心将会产生较大的离心力和磨损，并给轴和轴承带来较大的附加载荷。为了减小磨损，由中间圆盘的小孔中注入润滑剂，并使工作面有较高硬度（～６０Ｃ）结构简单，具有一定补偿两轴相对位移的能力，但转动惯量大，需润滑。适用于转速不高、轴的刚度较大且无冲击载荷的场合齿式联轴器１、４—半联轴器 ２、３—外壳 ５—螺栓它主要由两个具有外齿圈的半联轴器１、４和两个具有内齿圈的外壳２、３组成，内、外齿圈齿数相等，均采用２０°压力角的渐开线齿廓。两外壳用螺栓５连成一体，两半联轴器分别用键装在主动轴和从动轴上。工作时，靠内外轮齿相啮合传递转矩由于外齿的齿顶制成椭球面，且保证与内齿啮合后具有适当的顶隙和侧隙，故具有较大的综合位移补偿能力。为减少轮齿之间磨损与相对移动时的摩擦阻力，在外壳内腔注入润滑油，并在联轴器两端设有密封装置能传递很大的转矩，工作可靠，允许有较大的综合位移量。但结构复杂，制造困难，成本高；有噪声，不能缓冲吸振；不适于连接立轴。适用于起动频繁、经常正反转的重型机械和长轴连接鼓形齿式联轴器：ＪＢ／Ｔ８８５４１～３—２００３十字轴万向联轴器１、２—叉形接头 ３—十字头它主要是由两个分别固定在主、从动轴上的叉形接头１、２和一个十字形零件（称十字头）３铰接而成（图ａ）。因此允许两轴间有较大的角位移，两轴夹角α最大可达４５°。但当两轴线不重合时，主动轴以等角速度ω１转动，而从动轴角速度ω２在一定范围内作周期性变化，因而在传动中产生附加动载荷。为避免这种情况，通常成对使用十字轴万向联轴器，或采用双十字轴万向联轴器（图ｂ）。但安装时必须保证：①主动轴、从动轴与中间轴之间的夹角相等；②中间轴两端的叉形接头在同一平面内；③主动轴、从动轴和中间轴三轴线在同一平面内，以使主、从动轴同步转动结构紧凑，维护方便，可用于连接两相交轴或平行轴，或用于工作时有较大角位移的场合，在汽车、拖拉机、多头钻床等机器的传力系统中得到广泛应用ＳＷＰ型（剖分式轴承座）：ＪＢ／Ｔ３２４１—２００５ＳＷＺ型（整体式轴承座）：ＪＢ／Ｔ３２４２—１９９３２（续）类型结 构特点及应用有弹性元件的挠性联轴器弹性套柱销联轴器１—弹性套圈２—柱销其结构与凸缘联接螺栓。利用蛹状间的位移结构简单，制造且具有一定补偿两寿命较短。适用于ＬＴ型（基本型）轴套容轴经、器相似圈的弹易，装相对位常正反ＬＴＺ型，性拆移转（只，、能、制是用不仅维护力和起动动轮套能方一频型有吸便般繁）：弹性套圈１的柱销２代收振动和冲击，还能补，成本较低；承载能减振性能。但弹性套、转速较高、载荷平稳ＧＢ／Ｔ４３２３—２００２替偿力易的了两较磨场连轴大，损，合弹性柱销联轴器１—弹性柱销２—挡板它可视为由弹性套圈和金属柱销。轴间的角位移量。板２结构简单，制造对位移的能力和一高及对缓冲要求不ＬＸ型（弹性柱ＧＢ／Ｔ５０１４—２００３套弹为、般高销柱销联性柱销了防止安装、减振性的场合联轴器轴的柱维能。）器一销护。可、简化端为滑出方便常用代替ＬＸＺ而柱，，于弹型成形在耐正性（。即采用弹性柱销１代，另一端制成鼓形，以半联轴器外侧用螺钉固久性好。具有一定补偿反转较多、起动频繁、套柱销联轴器带制动轮弹性柱销联替增定两转轴弹大了轴速器性两挡相较）：２联轴器的选择选用标准联轴器时，应根据具体工作要求，综合考虑两轴间的相对位移、联轴器的载荷特性、工作转速、联轴器的外廓尺寸、工作环境、经济性等方面的因素，参考国家标准或企业产品说明书，先选择合适的类型，再根据被连接两轴的直径、计算转矩和转速从标准系列中查出适合的型号。必要时才校核其薄弱零件的承载能力（本书从略）。选择联轴器时所采用的计算转矩由式 （１０２）确定ｎＴｃ＝ＫＴ＝Ｋ×９５５０×ＰＷ≤Ｔｎ （１０２）ｎ式中 Ｔｃ———传递的转矩 （Ｎ·ｍ）；Ｔｎ———公称转矩 （Ｎ·ｍ）；ＰＷ———驱动功率 （ｋＷ）；ｎ———工作转速 （ｒ／ｉｎ）；Ｋ———工作情况系数，它是考虑机器起动时的惯性力和过载等影响的修正系数，其值的大小由表１０５选取。表１０５工作情况系数Ｋ载荷类别工作状况设备名称举例工作情况系数ＫⅠ均匀载荷离心式鼓风机和压缩机、发电机、（均匀加载）运输机、废水处理设备、搅拌设备等１０～１５Ⅱ中等冲击载荷洗衣机、木材加工机械、工具机、混凝土搅拌机、旋转式粉碎机、起重机和卷扬机等１５～２５Ⅲ重冲击载荷破碎机、往复式给料机、摆动运输机、可逆输送辊道等２５注：１本表所列工况系数适用于原动机为电动机和蒸汽涡轮机传动系统。２大功率非连续工作电动机及设备，在承受激烈冲击载荷或易产生事故的工作情况时，工况系数应作特殊考虑，不按本表选用。１０ 离合器的类型和应用在机器运转时，离合器应根据需要随时将主、从动轴接合或分离，故要求其工作可靠，接合、分３离迅速而平稳，操作灵活，调节和维修方便，外廓尺寸小，重量轻等。其离合作用可以靠嵌合、摩擦等方式来实现。按离合动作的过程可分为操纵式（机械式、电磁式、液压式、气动式）和自控式（如超越式、离心式、安全式）。下面介绍几种常用的离合器。１牙嵌式离合器如图１０４所示，它主要由端面带牙的两个半离合器１、２组成。其中半离合器１固装在主动轴上；而半离合器２利用导向平键安装在从动轴上。工作时，利用操纵杆（图中未画出）带动滑环３，使半离合器２作轴向移动，实现离合器的接合或分离，并依靠两个半离合器接触端的凸牙和凹槽相互嵌合来传递转矩。这种离合器沿圆柱牙面上展开的牙型有矩形、三角形、梯形和锯齿形等，其特点与应用见表１０６。

图１０４牙嵌式离合器１、２—半离合器 ３—滑环 ４—对中环表１０６牙嵌式离合器常用牙型、特点与应用牙型牙型角牙数特点应用α＝０３～１５矩形牙传递转矩大，制造容易，但接合和分离较困难。为便于结合常采用较大的牙间间隙适合于重载，可以传递双向转矩，一般用于不经常离合的传动中。须在静止或极低转速下才能结合。常用于手动结合α＝３０°～４５°１５～６０三角形牙接合和分离容易，但牙的强度较弱适合于轻载低速、双向传递转矩的离合器。应在运转速度低时结合α＝２°～８°３～１５正梯形牙强度较大，接合和分离也较容易，结合后牙间间隙较小适合于较大速度和载荷，能双向传递转矩，能自动补偿牙的磨损和间隙，能避免速度变化时因间隙而产生的冲击。常用于自动结合α＝２°～８°β＝５０°～７０°３～１５斜梯形牙结合比正梯形牙更快，强度较大只能单向传递转矩，适合于较大速度和载荷，能自动补偿牙的磨损和间隙，能避免速度变化时因间隙而产生的冲击。常用于自动结合α＝１°～１５°３～１５强度高、结合容易可传递较大转矩，但只能单向传动，反转时工作面将受较大的轴向分力，迫使离合器自行分离牙嵌式离合器结构简单，外廓尺寸小，能传递较大转矩，接合后牙间无相对滑动，使两轴同步转动。但只宜在两轴的转速差较小或停车的情况下接合，否则可能将牙撞断。２摩擦式离合器摩擦式离合器中常用的是圆盘摩擦离合器，有单盘式和多盘式两种。单盘式圆盘摩擦离合器，如图１０５所示。圆盘１固装在主动轴上，圆盘２利用导向平键（或花键）安装在从动轴上，通过操纵滑环３实现离合。工作时，两圆盘相互压紧，靠接触面间产生的摩擦力来传递转矩。这种离合器结构简单，散热性好，但传递的转矩较小。当必须传递较大转矩时，可采用如图１０６所示的多盘式圆盘摩擦离合器。它有两组摩擦片，其中外摩擦片组４利用外圆上的花键与外鼓轮２相连 （鼓轮２与主动轴１固连），内摩擦片组５利用内圆上４的花键与内套筒１０相连 （套筒１０与从动轴９固连）。当滑环８作轴向移动时，将拨动曲臂压杆７，使压板３压紧或松开内、外摩擦片组，从而使离合器接合或分离。螺母６用来调节摩擦片间的压力。 图１０５单盘式圆盘摩擦离合器１、２—半离合器 ３—滑环

图１０６多盘式圆盘摩擦离合器１—主动轴 ２—鼓轮 ３—压板 ４—外摩擦片组５—内摩擦片组 ６—螺母 ７—曲臂压杆８—滑环 ９—从动轴 １０—套筒外摩擦片和内摩擦片的结构形状，如图１０７所示。若将内摩擦片改为右图所示的碟形，使其具有一定的弹性，在离合器分离时碟形片能自行弹开，有利于迅速分离，接合时也较平稳。这种离合器可以将在机器运转时有较大转速差的两轴连接起来，并且操纵方便，接合平稳，分离迅速；其所传递的最大转矩可以调整，且有过载保护作用。但结构较复杂，外廓尺寸较大，成本高；离合时因摩擦片间相对滑动，导致摩擦片磨损及产生较大的摩擦热，且不能保证两轴精确地同步转动。常用于频繁起动、制动或经常改变速度大小和方向的机械中，如汽车、机床等。３磁粉离合器磁粉离合器是以磁粉为介质，借助磁粉间的结合力

图１０７摩擦片ａ）外摩擦片 ｂ）内摩擦片和磁粉与工作面间的摩擦力传递转矩，其工作原理如图１０８所示。主动轴７与磁铁轮芯５固联，在轮芯外缘的凹槽内绕有环形激磁线圈４，线圈与接触环６相连，接触环与电源相通，从动外鼓轮２与齿轮１相连，并与磁铁轮芯间约有０５～２ｍｍ的间隙，其中填充磁导率高的铁粉和油或石墨的混合物３。当线圈通电时，形成一个经轮芯、外鼓轮又回到轮芯的闭合磁通，使铁粉磁化而产生磁连接力。当主动轴旋转时，借助磁粉间的结合力和磁粉与主、从动件间的摩擦力带动外鼓轮一起旋转来传递转矩。当线圈断电时，磁粉恢复为松散状态，离合器立即分离。这种离合器接合平稳，动作迅速，使用寿命长，可以远距离操纵，并有过载保护作用。但尺寸和重量较大。它适宜用作自动控制元件和高频快速离合，如数控机床，电子计算机中的控制机构，也宜用于过载保护和带负荷起动的重型机械。４定向离合器如前述的锯齿形牙嵌离合器，只能传递单向的转矩，反向时自动分离，这就是一种定向离合器；棘轮机构也可用做定向离合器。但它们在空程时 （分离状态运转）噪声大，故只宜用于低速场合。图１０９所示为应用较广的滚柱式定向离合器。它主要由

图１０８磁粉离合器１—齿轮２—从动外鼓轮３—铁粉和油或石墨的混合物４—环形激磁线圈５—磁铁轮芯６—接触环７—主动轴５星轮１、外圈２、滚柱３和弹簧顶杆４组成。弹簧顶杆４的作用是将滚柱压向星轮的楔形槽内与星轮和外圈相接触。星轮和外圈均可作为主动件。当星轮为主动件并按顺时针方向旋转时，滚柱受摩擦力的作用被楔紧在槽内，因而带动外圈一起转动，这时离合器处于接合状态。当星轮反转时，滚柱受摩擦力的作用，被推到楔槽较宽的部分。这时离合器处于分离状态，故可在机械中用来防止逆转并完成单向传动。当星轮和外圈按顺时针方向作同向旋转时，若外圈转速不大于星轮转速，则离合器处于接合状态；反之，若外圈转速大于星轮转速，则离合器处于分离状态，此时两者以各自的转速旋转，即从动件的转速超越主动