《机械设计基础》课件第15章

15.1联轴器15.2离合器

15.3制动器15.4弹簧

思考题和习题第15章联轴器、离合器、制动器和弹簧

15.1联轴器

15.1.1联轴器的功用与类型用联轴器联接的两轴，由于制造和安装等误差，零件的变形、磨损和基础的下沉等原因，将引起两轴轴线位置的偏移。可能产生的偏移有轴向位移x、径向位移y、角度位移α和综合位移，如图15-1所示。由于这些位移的存在，运转时将引起轴的附加应力和振动，使机器的工作情况恶化。有的联轴器能对轴线的偏移进行补偿，消除或降低上述不良影响。图15-1两轴轴线的偏移形式对于载荷不平稳并有严重冲击或振动的两轴联接，联轴器还必须具有吸振和缓冲作用。有些联轴器还必须考虑当机器在过载时能对机件起安全保护作用。联轴器可分为固定式和可移式两大类。前者用于两轴对中严格，且在工作时不发生轴线偏移的场合;后者则可用于两轴有一定限度的轴线偏移场合。

1.固定式刚性联轴器

(1)套简联轴器。如图15-2所示，套筒联轴器由套筒和联接零件(销钉或键)组成。这种联轴器构造简单，价格低廉，径向尺寸小；但对两轴的轴线偏移无补偿作用。套简联轴器多用于两轴对中严格、低速轻载的场合。当用圆锥销作联接件时，若按过载时圆锥销被剪断条件进行设计，则可用作安全联轴器。图15-2套筒联轴器

(2)刚性凸缘联轴器。如图15-3所示，刚性凸缘联轴器是由两个半联轴器分别用键联接在两轴的轴端，并用螺栓将两个凸缘盘接起来。当采用普通螺纹连接时，螺杆与孔之间有少量间隙，因此它是靠两个凸缘盘之间的摩擦力矩来传递转矩的;若采用铰制孔螺栓，螺杆与孔之间配合紧密，转矩直接通过周圈的螺栓来传递，则可传递较大的转矩。图15-3刚性凸缘联轴器刚性凸缘联轴器的对中方法有两种:一种是凸肩与凹坑对中；另一种是靠铰制孔螺栓对中。刚性凸缘联轴器结合简单，能传递较大转矩，但不能补偿轴线偏移，没有吸振、缓冲作用。宜用于转速不大、载荷平稳、转矩较大、能准确对中的两轴联接。刚性凸缘联轴器已标准化，使用时可根据轴径、传递功率、转速等按国家标准选择型号和尺寸。

2.可移式刚性联轴器

(1)十字滑块联轴器。图15-4所示为十字滑块联轴器，它由两个端面开有凹槽的套筒1、3及一个两侧具有互相垂直凸榫的中间盘2所组成。中间盘两面的凸榫分别嵌于左右套简的凹槽中，以实现两轴的转矩传递。由于凸榫可在凹槽中滑动，故可以补偿两轴的轴线偏移。十字滑块联轴器结构简单，径向尺寸小，且对两轴轴线的综合位移有补偿作用。若轴的转速较高，则轴线的径向位移将使中间盘产生较大的离心力，从而产生附加动载荷，加剧接触面的磨损。因此，这种联轴器主要用于两轴间有径向位移和角度位移、冲击小、转速不高的场合。图15-4十字滑块联轴器

(2)万向联轴器。图15-5所示为万向联轴器，它由两个叉形的万向接头和一个十字销组成，可用于两轴线交角较大的场合。当两轴交角为α时，若主动轴以角速度ω1作匀速转动，从动轴则作周期性变角速度ω2转动，因而将在传动中引起附加动载荷。从动轴角速度的变化范围与两轴交角α有关，即ω1cosα≤ω2≤ω1/cosα。图15-5万向联轴器为了避免这一缺点，可采用双万向联轴器(见图15-6)。使用时必须使中间轴两端的叉形接头位于同一平面内，且要使中间轴与主、从动轴夹角相等。万向联轴器结构紧凑、维护方便，广泛应用于汽车、拖拉机、金属切削机床等机械。图15-6万向联轴器示意图

(3)弹性套柱销联轴器。图15-7所示的弹性套柱销联轴器与凸缘联轴器在结构上很相似，不同之处在于它不用螺栓直接联接，而是通过装有弹性套的圆柱销来联接。弹性套用耐油橡胶制成，利用其弹性，可以缓和冲击、吸收振动，以及补偿两轴轴线间的小量偏移(y≤0.2~0.6mm，α<30′~1°30′)。弹性套柱销联轴器常用于转速较高、启动频繁、转向经常改变的中小转矩的各种机械中。图15-7弹性套柱销联轴器15.1.2联轴器的选择常用联轴器多已标准化，选用时，首先按工作条件选择合适的类型，然后按转矩、轴径及转速选择联轴器的型号尺寸，必要时应对个别薄弱零件进行强度验算。

1.类型的确定两轴对中精确，轴本身刚度较好时，可选用凸缘联轴器;对中困难，轴的刚性差时，可选用具有补偿偏移能力的联轴器;两轴成一定夹角时，可选用万向联轴器;转速高，要求能吸振和缓冲的，可采用弹性套柱销联轴器。

2.型号的确定类型确定以后，可根据转矩、轴径及转速从有关标准手册中选择联轴器的型号、尺寸。选择时要注意下列几个要求：

(1)计算转矩不超过所选型号的规定值；

(2)工作转速不大于所选型号的规定值；

(3)两轴轴径在所选型号的孔径范围内。计算转矩时，应考虑机械运转不平稳性而引起的附加动载荷及过载的最大转矩。计算转矩可由下式求得：Tc=KA×T

式中：Tc——计算转矩(N·m)；

T——传递转矩(N·m)；

KA——工作情况系数，参考表15-1选取。表15-1工作情况系数

15.2离合器

15.2.1牙嵌离合器

如图15-8所示为带辊子接合机构的牙嵌离合器，当左端接合子向右滑移时，通过辊子推动从动牙嵌盘向右移动，弹簧被压缩，此时主、从动牙嵌盘啮合，离合器实现接合。当接合子向左滑移时，在弹簧恢复力的作用下，主、从动牙嵌盘脱离，实现离合器的分离。这种离合器在接合时牙面上存在轴向分力，因此要求其接合机构在离合器接合后具有自锁功能。图15-8牙嵌离合器牙嵌离合器的牙型有矩形、梯形、锯齿形等各种形式。矩形牙必须在牙与牙槽对准时才能接合，且牙与牙之间没有轴向力，分离困难，应用较少。梯形牙强度较高，能传递较大扭矩，牙间有轴向力，易分离，且能自动补偿牙的磨损和牙侧间隙，应用很广泛。锯形牙强度最高，但只能单方向传递扭矩。牙嵌离合器结构简单，外廓尺寸小，工作可靠，价格较低，但由于牙是刚性接触，为避免接触时产生过大的冲击，接合时必须使之低速或停车，否则易打牙。15.2.2圆盘摩擦离合器

圆盘摩擦离合器是依靠接触面上的摩擦力矩来传递扭矩的。它分为单圆盘式和多圆盘式。图15-9(a)为单圆盘式摩擦离合器，依靠两盘接触面间产生的摩擦力来传递转矩。如图15-9(b)所示为一种多盘式摩擦离合器，它拥有两组摩擦盘:一组为外摩擦盘，安装在主动轴上，可作轴向移动;另一组为内摩擦盘，安装在从动轴上，也可作轴向移动。工作时在推力作用下，接合子向左移动通过曲臂压杆压紧摩擦片，实现离合器接合。当操纵接合子向右移动时，压紧力消失，离合器分离。显然，多摩擦离合器比单盘摩擦离合器能传递更大的转矩。图15-9圆盘摩擦离合器15.3制动器15.3.1制动器的功用制动器是使机器在很短时间内停止运转并闸住不动的装置。制动器的工作原理是，利用摩擦副中产生的摩擦力矩来实现制动作用，或者利用制动力与重力的平衡，使机器运转速度保持恒定。制动器也可在短期内用来降低或调整机器的运转速度。为了减小制动力矩和制动器的尺寸，通常将制动器配置在机器的高速轴上。15.3.2制动器的类型及特点

制动器是利用摩擦力矩来实现制动的。如果把制动器的从动部分固定起来，就构成了一制动器，接合时就起制动作用。制动器应满足的基本要求是:能产生足够大的制动力矩，制动平稳、可靠，操纵灵活、方便，散热好，体积小，有较高的耐磨性。制动器应满足的基本要求是：能产生足够的制动力(矩)，制动平稳可靠，操纵灵活，散热好，体积小，足够的寿命，结构简单，维修方便等。常用的制动器有锥形制动器、带式制动器、电磁制动器、盘式制动器等。带式制动器如图15-10所示。其特点是:结构简单、紧凑，制动力矩大。图15-10带式制动器块式制动器如图15-11所示。其特点是：构造简单，使用可靠，制造和安装方便，双瓦块无轴向力，维护方便，价格便宜，但制动时有冲击和振动。它适用于各种起重运输机械、工程机械和建筑机械等。图15-11块式制动器15.4弹簧

15.4.1概述

弹簧是一种弹性元件，承载后会产生弹性变形并且吸收能量，卸载后又能恢复原状并释放能量。很多机械正是利用弹簧的这一特性来满足一些特殊要求的。

1.弹簧的功用

(1)控制运动。例如凸轮机构中使凸轮与从动杆保持接触的弹簧。

(2)缓冲吸振。例如汽车减振弹簧以及各种机械中的缓冲弹簧。

(3)储存能量。例如机械钟表的发条以及枪械中的弹簧。

(4)测量力和力矩。例如弹簧秤中的弹簧。

2.弹簧的类型

为了满足机械的不同使用要求，人们设计制造了各种各样的弹簧。按载荷不同，弹簧可以分为拉伸弹簧、压缩弹簧、扭转弹簧和弯曲弹簧。按外形弹簧又可以分为螺旋弹簧、板弹簧、盘形弹簧、碟形弹簧和环形弹簧等。螺旋弹簧是用弹性金属丝按螺旋线卷绕而成的，因其制造方便，所以应用广泛。螺旋弹簧按承载情况又可分为螺旋压缩弹簧(图15-12(a))、螺旋拉伸弹簧(图15-12(b))和螺旋扭转弹簧(图15-12(c))；按外形又可分为圆柱螺旋弹簧和圆锥螺旋弹簧等，其中圆柱螺旋弹簧已经标准化。图15-12螺旋弹簧板弹簧是用若干曲度不同的条状弹性板叠合而成的(图15-13(a))。板弹簧的刚度很大，主要用于各种车辆的减振装置中。盘形弹簧是用弹性金属带卷绕而成的(图15-13(b))。盘形弹簧主要用于仪表、玩具的储能装置中。碟形弹簧是由冲压制成的无底碟状钢片叠合而成的，装在导杆或套筒中工作(图15-13(c))。环形弹簧是用若干带锥面的内外圆环交错叠合而成的(图15-13(d))。环形弹簧只能承受轴向压缩载荷。与碟形弹簧相似，环形弹簧也具有刚度大的特点，常用于缓冲装置中。由于环形弹簧在内外锥面间会产生很大的摩擦力，消耗较多能量，所以环形弹簧具有更好的吸振能力。

图15-13各类常见弹簧15.4.2弹簧的材料和制造

1.弹簧的材料

弹簧在工作中常受到冲击载荷和交变载荷的作用，所以弹簧材料应具有较高的弹性极限和疲劳极限，同时应具有足够的冲击韧性和良好的热处理性能。常用弹簧材料有碳素弹簧钢、硅锰弹簧钢(65Mn，60Si2Mn)、铬钒钢(50CrVA)等。此外，在一些要求防磁或工作在腐蚀性介质中的弹簧，也常用青铜和不锈钢等材料制造。在选择弹簧材料时，应考虑弹簧的功用、重要程度、使用条件(包括载荷性质、大小及循环特性、工作温度、环境介质以及设计寿命)、加工、热处理和经济性等因素。

2.弹簧的制造

螺旋弹簧的制造工艺过程包括卷绕、挂钩制作(拉伸弹簧)或端面加工(压缩弹簧)、热处理等。卷绕是把符合技术条件的弹簧丝卷绕在芯棒上。大量生产时用万能自动卷绕机卷制，单件生产可在车床或手动卷绕机上卷制。卷制分冷卷和热卷两种。冷卷用于钢丝直径(d<8mm)的弹簧，弹簧丝直径较大时应采用热卷。卷绕后的弹簧再制作挂钩或磨平端面。对于弹簧丝直径较小(d<0.8mm)的不重要压缩弹簧，可以不磨平端面。常见的几种拉伸、压缩弹簧的端面形式如图15-14所示。图15-14弹簧端面形式弹簧热处理工艺有淬火、低温回火等。冷卷弹簧制作后应进行低温回火处理，以消除内应力。特别指出的是，弹簧丝表面质量对弹簧持久强度和冲击强度有很大影响。所以，弹簧丝表面应光洁，并严格控制脱碳层深度和其他表面缺陷。15.4.3圆柱螺旋压缩、拉伸弹簧的几何参数和特性曲线

1.几何参数计算

普通圆柱螺旋弹簧的主要几何参数有外径D、中径D2、内径D1、节距t、螺旋升角θ及弹簧丝直径d，以及左旋、右旋两种，如图15-15所示。其中D2与d的比值称为弹簧指数，用C表示：C=D2/d图15-15普通圆柱螺旋弹簧的几何参数弹簧指数C是弹簧的一个重要参数。当弹簧丝直径一定时，C值越小，弹簧中径越小，弹簧刚度越大，但卷绕也越困难；反之弹簧越软，承载能力越小。一般限制4≤C≤16，常用值为5~8。弹簧在自由状态下的节距为t，对于压缩弹簧，t=d+δ

式中：δ——弹簧间距。为使弹簧在最大工作载荷下各圈之间不致相互接触，应使相邻两圈间留有一定的间隙δ′，通常δ′≥0.1d。对于拉伸弹簧，一般自由状态下各圈之间是并拢的，故t=d。普通圆柱螺旋弹簧几何尺寸的计算公式见表15-2。表15-2普通圆柱螺旋弹簧几何尺寸的计算公式

2.特性曲线

弹簧特性曲线是表示弹簧工作载荷F与变形量y之间的关系曲线。纵坐标表示载荷的大小，横坐标表示变形量。对于等螺距的圆柱螺旋弹簧，在弹性范围内，变形量与载荷成正比，所以特性曲线为一斜直线。

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