《机械设计基础 第4版》 课件 朱龙英 第14、15章 其他常用零部件、机械传动系统的设计

教学要求、重点与难点14.1联轴器

14.2

离合器14.3弹簧小结作业第14章联轴器和离合器教学要求、重点与难点

一、教学要求了解常用联轴器、离合器、弹簧的主要类型和用途；了解常用联轴器、离合器和弹簧的结构、工作原理、特点、影响工作性能的因素，以及选择方法。

二、教学重点与难点重点：最常用的几种联轴器特点、结构和应用；区别联轴器和离合器。

难点：联轴器和离合器类型的选择与确定。

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联轴器与离合器的异同点：

相同点：联接两轴、传递运动和转矩。

不同点：联轴器——联接的两轴只有停车后经拆卸才能分离。离合器——联接的两轴可在机器工作中方便地实现分离与接合。返回章目录14.1联轴器

一、联轴器的类型

刚性联轴器：固定式：不补偿位移；可移式：补偿位移。弹性联轴器：补偿位移、缓冲、吸振。安全联轴器：过载保护作用。1、套筒联轴器

二、固定式刚性联轴器

特点：结构简单，但不能缓冲、吸振。适用于两轴严格对中、载荷平稳的场合。2、凸缘联轴器

特点：结构简单，传递转矩较大，但不能缓冲、吸振。适用于两轴严格对中、载荷平稳的场合。二、刚性可移式联轴器

1、十字滑块联轴器

特点：转速高时，两轴不同心，中间盘离心力大，磨损快。适用于低速。2、万向联轴器

特点：能补偿较大的角位移。3、齿轮联轴器

特点：传递转矩较大，允许有较大径向位移和角位移。成本较大。适用于重型机械。三、弹性联轴器

1、弹性套柱销联轴器

特点：结构简单，装配方便，能缓冲、吸振。但弹性圈易损坏，寿命低。用于中、小载荷的高速轴上。2、弹性柱销联轴器

特点：结构简单，制造容易，传递转矩能力较大，能缓冲、吸振，补偿位移较小。适用于正反转、启动频繁的高低速轴。三、安全联轴器特点：有安全销，起过载保护作用。适用于安全性较高的轴。四、联轴器的选择1、选联轴器类型；2、计算传递的扭矩；3、确定联轴器型号。返回章目录一、离合器的要求离合器应该操纵方便省力、离合迅速平稳、动作准确、结构简单。二、离合器的分类

机械式离合器气动式离合器外力操纵液压式离合器电磁式离合器超越离合器自动操纵离心离合器安全离合器

离合器14.2离合器

二、操纵离合器1.牙嵌式离合器

2.摩擦式离合器

二、自控离合器1.安全离合器

2.定向离合器

返回章目录一）弹簧的功用

1.控制机构的位置和运动；

2.缓冲及吸振；

3.储存能量；

4.测量力和力矩。14.3弹簧

一、弹簧的功用和类型二）弹簧的类型

1.按载荷分1)拉伸弹簧2)压缩弹簧3)扭转弹簧2.按外形分

1）螺旋弹簧

2)碟形弹簧3)盘弹簧

4)环形弹簧5)板弹簧弹簧特性线——表示弹簧载何与变形量之间的关系曲线。弹簧的刚度——弹簧的载荷变化量与变形变化量之比，以k表示：拉压弹簧

扭转弹簧

弹簧特性线呈直线的，其刚度为常数，称为定刚度弹簧；当特性线呈折线或曲线时，其刚度是变化的，称为变刚度弹簧。

三）弹簧的工作原理返回章目录

1.要求：弹簧材料应具有高的弹性极限和疲劳极限，足够的韧性和塑性，良好的热处理性能。

2.常用的弹簧材料：碳素弹簧钢（如60、75、65Mn等）；硅锰弹簧钢（如65Si2MnA）；铬钒弹簧钢（如50Cr-VA）；不锈钢（如1Cr18Ni9）；青铜（如QBe2）。二、弹簧的材料和许用应力

弹簧材料的许用应力与弹簧的受载循环次数有关。查表15-2。一）弹簧的材料二）弹簧的许用应力返回章目录一）弹簧的结构基本参数圆柱螺旋弹簧的主要参数有：弹簧丝直径d

弹簧圈外径D

内径D1

中径D2

弹簧节距p

螺旋升角α

弹簧指数C三、圆柱螺旋压缩（拉伸）弹簧的设计计算

二）弹簧特性线

预紧力F1称为弹簧的最小载荷。Fmax为弹簧所承受的最大工作载荷，此时，弹簧高度压缩到H2，相应变形为λmax，该时刻弹簧各圈之间仍应保留δ1的间隙，也称余隙。F3为弹簧的极限载荷。λmax与λ1之差或H2与H1之差，称为弹簧的工作行程λ0

三）圆柱螺旋拉（压）弹簧的强度计算1、弹簧受力

当压缩弹簧承受轴向载荷F的作用时，钢丝剖面A-A上作用着横向力F和扭矩T，A-A剖面呈椭圆形，现取垂直于钢丝轴线的剖面B-B。其中：K——曲度系数2、弹簧应力压缩弹簧最大切应力：四）弹簧的刚度计算1、弹簧的变形2、弹簧刚度和圈数

3、弹簧的稳定性验算

压缩弹簧的自由高度H0与中径D2之比称为长细比，以b表示：当弹簧两端固定时，b<5.3；当弹簧一端固定，一端可转时，b<3.7；当弹簧两端都可转动时，b<2.6。

Fc=CBkH0

其中：Fc——临界稳定载荷

CB——不稳定系数

k——弹簧刚度为保证弹簧的稳定性必须满足：Fc≥(2~2.5)Fmax

若长细比不满足要求，则必须进行稳定性计算其临界稳定载荷：返回章目录本章小结1.联轴器、离合器型号已标准化，它们的设计主要是从标准化的类型中选择。选择时应根据设计要求对主要参数进行计算，再按设计准则选择满足设计要求的联轴器、离合器；

2.联轴器是用于联接两轴。刚性联轴器结构简单、成本低，可传递较大的转矩，但它补偿能力差，故对两轴对中性要求很高，一般用于速度低、无冲击、轴的刚性大、对中性较好的场合；相反，应考虑选择弹性联轴器。返回章目录作业14-114-314-5返回章目录第15章机械传动系统的设计教学要求、重点与难点15.1机械传动系统设计15.2机械传动的运动和动力计算小结作业教学要求、重点与难点

一、教学要求了解机械传动系统传动方案的设计以及运动和动力计算。

二、教学重点与难点

重点：机械传动系统传动方案的设计以及运动和动力计算。

难点：机械传动系统传动方案的设计。

返回章目录15.1机械传动系统设计

一、现代机械系统的组成任何现代机械系统，尽管构造和用途繁多，但是其结构组成均包括：原动机、传动系统和工作机构三个部分。此外，为保证机械系统的正常工作，还应有操作装置或控制系统。二、机械系统的传动方案传动装置是将动力机的动力和运动传递给执行装置的中间装置。设计机械传动系统时，首先应根据生产工作需要提出的动作要求，拟定产品的传动方案。一般以传动动力为主的传动称为动力传动，以传动运动为主的传动称为运动传动。机器中采用不同的传动方式构成的传动装置可以起到以下作用：1）改变运动规律，如减速、增速、间歇运动等。

2）改变运动形式，将连续的匀速旋转运动变为按某种规律变化的旋转、非旋转的其它运动，如曲柄滑块机构、齿轮齿条机构等。

3）实现由一个动力机驱动若干个运动形式和速度各异的驱动机构，如弯曲成型机等。

4）传递动力，即将动力机的动力传递给执行机构。

5）物料输送，如生产线上的物料输送装置。

传动方案是否合适，对机械产品的设计质量具有决定性影响，所以拟定产品的传动系统是设计中至关重要的一环。传动方案与机械产品的工作原理密切相关，而机械产品的工作原理又是多种多样的，即使是完成同一任务，也可以有多种不同的工作原理来完成。例如，加工齿轮可以采用仿形法或展成法。工作原理不同，传动方案不同，即使工作原理相同也可以拟定几种不同方案。因此，在设计机械产品时，应综合考虑各方面因素，对各种传动方案加以比较，选择其中的最佳方案。

根据传动比能否改变，机械传动可分为固定传动比传动、可调传动比传动和变传动比传动三类。可调传动比又分为有级变速和无级变速。

1、选择机械传动类型的依据

工作机的性能参数和工况；原动机的机械特性和调速性能；对机械传动系统的性能、尺寸、重量和安装布置上的要求；工作环境要求；制造工艺性和经济性要求等。三、机械传动型式与选择

2、选择传动系统的原则

1）简化传动环节

a）当原动机的功率、转速和运动形式完全符合工作机构的工况要求时，可将原动机的输出轴与工作机构的输入轴用联轴器直接联接。这种方式结构最简单、传动效率也最高。但是当原动机的输出轴与工作机构的输入轴不在同一轴线上时，如两轴平行、相交或交错，就需要采用一定类型的机械传动装置；b）若原动机可调速而工作机构的载荷又变化不大，或者工作机构有调速要求并与原动机调速范围相适应，可采用固定传动比的机械传动装置。

c）当工作机构要求的调速范围比较大，而原动机调速的机械特性不能满足要求时，可采用可调传动比的机械传动装置。在满足工作要求的前提下应尽量采用有级变速传动，尽量不用结构复杂、造价较高的无级变速传动。

2）提供机械传动效率

a）高速、大功率、长期工作的工况，应选用承载能力高、传动平稳、效率高的传动类型；

b）速度降低，中、小功率，要求传动比比较大的工况，可采用单级蜗杆传动多级齿轮传动、带传动－齿轮传动、带－齿轮－链传动等多种方案，并进行分析比较，从中选择效率较高的方案；

c）传动比较大时，应优先选用结构紧凑的蜗杆传动和行星齿轮传动。原动机输出轴和工作机构输入轴平行时，可采用圆柱齿轮传动，若中心距较大时可采用带传动或链传动。两轴平面相交时可用圆锥齿轮传动，两轴空间相交可用蜗杆传动，两轴同轴布置时可用二级同轴式圆柱齿轮传动或行星齿轮传动。

3）合理安排传动机械的顺序

多种传动协同使用时，带传动应用在高速级以降低所传动的转矩；斜齿轮传动常用在高速级和要求传动平稳的场合；圆锥齿轮传动宜用在高速级以减小尺寸；链传动因运转不均匀宜用在低速级；开式齿轮传动因工作环境差应用在低速级；蜗杆传动与齿轮传动同时使用时，宜用在高速级以节约有色金属。4）确保机械系统安全运转工作环境恶劣，粉尘较多时，尽量采用闭式传动以延长传动零件寿命。工作环境温度较高或易燃易爆场合不宜采用带传动等。5）合理分配传动系统的传动比在进行传动系统方案分析比较中，为确定出最佳方案，可用采用最优化设计的方法，把设计问题转换为数学问题，建立数学模型，借助于计算机求解得到最优方案。也可以采用技术经济评价法。具体可以参考有关资料。返回章目录

设k个机构依次串联，各个机构的效率分别为、、……、则传动系统的效率为：

15.2机械传动的运动和动力计算

一、传动系统的效率

效率是机器的一项重要指标，也是选择动力机的依据之一。一般在设计传动系统时，应该进行效率计算。传动系统的效率与基本机构的传动副性质以及基本机构的组合方式有关。二、传动系统的功率

功率是选择动力机以及进行传动系统设计计算的主要依据之一。由于，所以其中：Pd为传动系统的输入功率（kW），由动力机提供。

Pw为传动系统的输出功率（kW），即工作机构的工作功率。

工作机构所需的工作功率应根据机器的工作阻力和运动参数计算得到。在静载荷作用时工作机影响平稳的情况下，工作功率可按下式计算：或其中：F为工作机阻力（N）；v为工作机的线速度（m/s）；T为工作机的阻力矩（Nm）；

nw为工作机的转速（r/min）；工作机的效率。三、传动系统的转矩

已知轴的输入功率P以及转速n时，则转矩为其中：P为轴的输入功率（kW）；n为轴的转速（r/min）；T为作用于轴上的转矩（Nm）。可知：轴的转矩T与转速n成反比。减速运动时，转矩增大，增速运动时转矩减小。传动系统常采用减速传动获得较大的转矩。四、串联联接的传动比的分配

当电动机选定之后，电动机的转速与工作机的转速之比即为传动系统的总传动比，串联联接系统的总传动比等于各子结构的传动比的乘积，分配传动比时应该考虑以下几点：

1）各传动机构的尺寸协调，结构匀称合理。如由带传动和齿轮减速器组成的传动装置中，一般应使带传动比控制在一定范围，避免大带轮尺寸过大，影响传动质量和安装。2）通过调节各级传动比，应使传动装置的总体尺寸紧凑、重量最轻。

3）闭式齿轮传动，应使各级大齿轮有合理的浸油深度，以利于各级齿轮传动得到良好润滑，以及避免某级大齿轮浸油过深而增加搅油损失。因此高速级的传动比应比低速级传动比略大。

例16-1设计一连续工作的带式输送机的机械传动系统，要求传动平稳、维护方便、效率高、已知输送带的工作拉力F＝6000N，输送带的速度v＝1.0m/s，卷筒直径D＝500mm，效率＝0.96。试设计此机械传动方案。【解】1）确定工作机需要的功率Pw和卷筒的转速nw

＝6.25（kW）2）初定电动机类型和转速初估系统的总效率η为0.8～0.9，需要电动机的功率为：＝6.90～7.81（kW）

根据Ped≥Pd

，则可以选用的电动机有：Y132S2－2、Y132M－4、Y160M－6三种。以这三种方案比较，见下表：

方案电动机型号额定功率/kW满载转速/r˙min-1总传动比重量/N价格/单位1Y132S2－27.5290047.473012Y132M－47.5144023.69301.23Y160M－67.597015.911201.5综合考虑传动装置的传动比、重量、价格三个方面的因素，可以看出选用Y132M－4型号电动机较好。

3）功能分析总传动比为：＝37.68

根据传动比的大小，可以采用两级减速传动。系统的功能是传动运动和转矩，每级传动可以作为子功能，可以列出各级方案矩阵如下表，共可以得到系统的方案总数为24个。子功能局部方案摩擦传动闭式啮合传动123456第一级传动AV带传动直齿传动斜齿传动人字齿传动锥齿轮传动蜗杆传动第二级传动B－直齿传动斜齿传动锥齿轮传动链传动－从中可以初步选出四个较好的方案：方案一（A1＋B2）、方案二（A3＋B2）、方案三（A4＋B5）、方案四（A5＋B3）。四种传动方案简图如下图所示：

以传动平稳、效率高等指标为评价目标，采用5级分制进行技术评价（包含经济因素，如制造简单、寿命长等），见下表，给出了各方案的评分及评价结果。表中加权系数之和为1，加权分为加权系数乘以评分，加权分之和除以评价目标的理想分值，得到技术价值。根据技术评价分析结果，选择方案一。4）确定输入功率Pd和额定功率Ped

传动方案确定后，可以求出传动系统的传动效率，进而可确定传动系统所需的输入功率Pd、电动机的类型及其额定功率Ped、电动机的输出转速nd等参数。方案一为串联方式综合而成，我们取滚动轴承效率η1＝0.99，V带传动效率η2＝0.96，