機械設(shè)計基礎(chǔ)課件第15章 聯(lián)軸器

1、機械設(shè)計基礎(chǔ)武漢理工大學(xué)物流工程學(xué)院 機械設(shè)計與制造系羅齊漢 2022-2-18Foundation of Machine Design 第第15章章 聯(lián)軸器、聯(lián)軸器、離合器和制動器離合器和制動器 了解常用聯(lián)軸器、離合器的結(jié)構(gòu)、原理及性能特點，從而指導(dǎo)選用。15-1 概述32022-2-1815-1 概述概述 聯(lián)軸器分剛性和彈性兩大類，剛性聯(lián)軸器由剛性傳力元件組成，又可分為固定式和可移式兩類，固定式剛性聯(lián)軸器不能補償兩軸的相對位置誤差；可移式剛性聯(lián)軸器則能補償兩軸的相對位置誤差。剛性聯(lián)軸器不能緩沖減振；彈性聯(lián)軸器包含有彈性元件，不僅能補償兩軸的相對位置誤差，而且能減緩沖擊，有的甚至能吸收振動。

2、根據(jù)傳力性質(zhì)，離合器主要分牙嵌式和摩擦式兩類，一般來講，摩擦式工作性能好些，應(yīng)用廣泛得多。根據(jù)工作性質(zhì)，離合器可分為操縱離合器與自動離合器(能夠在特定的工作下自動接合或分離)兩類，離合器分類見右圖。 制動器是用來降低機械運轉(zhuǎn)速度或迫使機械停止運轉(zhuǎn)的裝置。在車輛、起重機等機械中，廣泛采用各種型式的制動器。 15-1 概述42022-2-18 聯(lián)軸器、離合器種類很多且大多已標(biāo)準(zhǔn)化。一般的選用步驟是：首先根據(jù)機器的使用工況確定合適的類型，然后根據(jù)計算轉(zhuǎn)矩、軸的轉(zhuǎn)速和軸頭直徑從標(biāo)準(zhǔn)中選擇所需的型號和尺寸。必要時還應(yīng)對其中某些零件進(jìn)行驗算。 計算轉(zhuǎn)矩已將機器啟動時的慣性力和工作中的過載等因素考慮在內(nèi)。聯(lián)

3、軸器和離合器的計算轉(zhuǎn)矩可按式 Tc=KAT 式中：T為名義轉(zhuǎn)矩；為工作情況系數(shù)，。 表表17-1 工作情況系數(shù)工作情況系數(shù) 工作機原動機為電動機轉(zhuǎn)矩變化很小：如發(fā)電機、小型通風(fēng)機、小型離心泵轉(zhuǎn)矩變化較?。喝缤钙綁嚎s機、木工機械、輸送機轉(zhuǎn)矩變化中等：如攪拌機、增壓機、有飛輪的壓縮機轉(zhuǎn)矩變化和沖擊載荷中等：如織布機、水泥攪拌機、拖拉機轉(zhuǎn)矩變化和沖擊載荷大：如挖掘機、起重機、碎石機、造紙機械1.31.51.71.92.315-2 聯(lián)軸器52022-2-1815-2 聯(lián)軸器聯(lián)軸器 這類聯(lián)軸器的組成元件都是金屬，工作時各元件之間不允許任何相對運動，因而既不能補償兩軸相對位置誤差，也不能緩沖減振。使用這類

4、聯(lián)軸器聯(lián)接的兩軸必須嚴(yán)格對中且載荷平穩(wěn)。一、一、剛性聯(lián)軸器剛性聯(lián)軸器1 1、套筒聯(lián)軸器套筒聯(lián)軸器 由聯(lián)接兩軸軸端的套筒和聯(lián)接套筒與軸的聯(lián)接零件(鍵、銷)組成。銷聯(lián)接用于傳遞轉(zhuǎn)矩較小的場合。軸徑d80mm時，套筒用35或45鋼制造；d80mm時也允許采用鑄鐵。 這種聯(lián)接的徑向尺寸較小，所以在機床中應(yīng)用很廣。這種聯(lián)接的顯著缺點是拆卸不方便。 15-2 聯(lián)軸器62022-2-18一、一、剛性聯(lián)軸器剛性聯(lián)軸器 2、凸緣聯(lián)軸器、凸緣聯(lián)軸器 固定式剛性聯(lián)軸器中應(yīng)用最廣的是凸緣聯(lián)軸器。如圖所示，它是用螺栓聯(lián)接兩個半聯(lián)軸器的凸緣以實現(xiàn)兩軸聯(lián)接的，工作時，聯(lián)軸器和兩軸構(gòu)成一個剛性整體。 這種聯(lián)軸器有兩種結(jié)構(gòu)型式

5、：圖a是用普通螺栓聯(lián)接的凸緣聯(lián)軸器，由于螺栓桿與孔壁間有間隙，為了保證兩軸的準(zhǔn)確對中，兩半聯(lián)軸器分別制有凸肩和凹槽(即對中榫口)。圖b是用鉸制孔用螺栓聯(lián)接的凸緣聯(lián)軸器，鉸制孔用螺栓既用來傳遞轉(zhuǎn)矩，也用來實現(xiàn)兩軸對中。由于前者借助摩擦力傳遞載荷的，因此在傳遞載荷相同的情況下，其結(jié)構(gòu)尺寸較后者大。制造凸緣聯(lián)軸器時，應(yīng)準(zhǔn)確保持兩半聯(lián)軸器的凸緣端面與孔的軸線垂直(通常是將兩半聯(lián)軸器聯(lián)接起來以后再鏜孔，這樣可保證安裝時兩軸精確對中)。半聯(lián)軸器的材料通常為灰鑄鐵，當(dāng)載荷過大或圓周速度30m/s時，可采用鑄鋼或鍛鋼。凸緣聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、可傳遞的轉(zhuǎn)矩較大，但既不能緩沖減振，也不允許兩軸有相對位移，因

6、此常用于載荷平穩(wěn)、兩軸能夠精確對中的場合。15-2 聯(lián)軸器72022-2-18一、一、剛性聯(lián)軸器剛性聯(lián)軸器 3、夾殼聯(lián)軸器、夾殼聯(lián)軸器 由縱向剖分的兩半筒形夾殼和聯(lián)接它們的螺栓所組成。由于這種聯(lián)軸器在裝卸時不用移動軸，所以使用起來很方便。夾殼材料一般為鑄鐵，少數(shù)情況下也用鑄鋼。 中小尺寸的夾殼聯(lián)軸器主要借助夾殼與軸之間的摩擦力來傳遞轉(zhuǎn)矩，即使在聯(lián)軸器中安裝有鍵，計算承載能力時也不計入鍵的作用，計算方法與夾緊聯(lián)接相似。大尺寸的夾殼聯(lián)軸器主要由鍵傳遞轉(zhuǎn)矩。為了改善平衡狀況，螺栓應(yīng)正、倒相間安裝。 夾殼聯(lián)軸器主要應(yīng)用于外緣速度v5m/s的低速場合，在超過5m/s的情況下使用時，必須對其進(jìn)行平衡檢驗。

7、15-2 聯(lián)軸器82022-2-18二、無彈性元件繞性聯(lián)軸器二、無彈性元件繞性聯(lián)軸器1.1.十字滑塊聯(lián)軸器十字滑塊聯(lián)軸器滑塊聯(lián)軸器由兩個端面開有徑向凹槽的半聯(lián)軸器和兩端各具凸榫的中間滑塊所組成。中間滑塊兩面的徑向榫相互垂直，分別嵌裝在兩個半聯(lián)軸器的凹槽中，構(gòu)成移動副。當(dāng)兩軸線存在徑向位移或偏斜時，滑塊將在凹槽內(nèi)滑動以適應(yīng)位移?；瑝K聯(lián)軸器允許的徑向位移e0.04d(d為軸的直徑)，角位移30。由于工作時滑塊在凹槽中滑動，所以凹槽和滑塊的工作面間要加潤滑劑以降低摩擦，凸榫和凹槽通常都經(jīng)淬火硬化以提高耐磨性。此外，由于滑塊的凸榫是嵌在兩個凹槽中的，由圖可以看出，軸每轉(zhuǎn)90度，滑塊的中心沿直徑為e的圓

8、周轉(zhuǎn)180度，當(dāng)軸的轉(zhuǎn)速較高時，由滑塊質(zhì)心的圓周運動引起的離心力將會很大，從而給軸和軸承帶來附加動載荷，因此這種聯(lián)軸器只適用于低速，軸的轉(zhuǎn)速一般不超過300r/min。 這類聯(lián)軸器的組成元件都是金屬，從結(jié)構(gòu)上保證工作時有些元件之間可產(chǎn)生相對運動，從而達(dá)到補償兩軸相對位置誤差的目的，但都不能緩沖減振。使用這類聯(lián)軸器聯(lián)接的兩軸必須載荷平穩(wěn)，且應(yīng)對聯(lián)軸器內(nèi)部加以潤滑。15-2 聯(lián)軸器92022-2-18二、無彈性元件繞性聯(lián)軸器二、無彈性元件繞性聯(lián)軸器2. 齒式聯(lián)軸器齒式聯(lián)軸器齒式聯(lián)軸器由兩個有內(nèi)齒的外殼3和兩個有外齒的套筒4所組成(圖17-7)。套筒與軸用鍵相聯(lián)，兩個外殼用螺栓2聯(lián)成一體，外殼與套筒

9、之間設(shè)有密封圈1。內(nèi)齒輪齒數(shù)與外齒輪齒數(shù)相等。輪齒通常采用壓力角為20的漸開線齒廓。工作時靠嚙合的輪齒傳遞轉(zhuǎn)矩。由于輪齒間留有較大的間隙(更好的情況是將齒輪的齒制成鼓形齒、球形齒頂)，所以能補償兩軸的軸向、徑向、偏斜和綜合位置誤差(圖17-9)。為了減小輪齒的磨損和相對移動時的摩擦阻力，在外殼內(nèi)貯有潤滑油。一般齒式聯(lián)軸器允許角位移在30以下，若將外殼輪做成鼓形齒(圖17-8)，則允許角位移可達(dá)3。齒式聯(lián)軸器的優(yōu)點是能傳遞很大的轉(zhuǎn)矩和補償適量的綜合位移，因此常用于重型機械中。但是當(dāng)傳遞巨大轉(zhuǎn)矩時，齒間的壓力也隨著增大，使聯(lián)軸器的靈活性降低，而且其結(jié)構(gòu)笨重、造價較高。15-2 聯(lián)軸器102022-

10、2-18二、無彈性元件繞性聯(lián)軸器二、無彈性元件繞性聯(lián)軸器3. 萬向聯(lián)軸器萬向聯(lián)軸器右圖所示為以十字軸為中間件的萬向聯(lián)軸器。十字軸的四端用鉸鏈分別與兩軸上的叉形接頭相聯(lián)。因此當(dāng)一軸的位置固定后，另一軸可以在任意方向偏斜一個角度，角位移可達(dá)4045。為了增加其靈活性，應(yīng)在鉸鏈處配置滾針軸承。 但是，單個萬向聯(lián)軸器兩軸的瞬時角速度并不是時時相等的，即當(dāng)主動軸1以等角速度回轉(zhuǎn)時，從動軸2作變速轉(zhuǎn)動，從而引起動載荷。 由分析可知：角速度1 變化的幅度與兩軸的夾角有關(guān)，越大，則2 變動幅度越大。 為了克服單個萬向聯(lián)軸器的上述缺點，機器中常將萬向聯(lián)軸器成對使用，如圖所示。這種由兩個萬向聯(lián)軸器組成的裝置稱為雙

11、萬向聯(lián)軸器。對于聯(lián)接相交或平行二軸的雙萬向聯(lián)軸器，欲使主、從動軸的角速度相等，必須滿足兩個條件：1）主、從動軸與中間件的夾角必須相等，1=2 ；2）中間件兩端的叉面必須位于同一平面內(nèi)。顯然，中間件本身的轉(zhuǎn)速是不均勻的。但因它的慣性小，由它產(chǎn)生的動載荷、振動等一般不致引起顯著危害。15-2 聯(lián)軸器112022-2-18二、無彈性元件繞性聯(lián)軸器二、無彈性元件繞性聯(lián)軸器4.牙嵌式聯(lián)軸器牙嵌式聯(lián)軸器這是一種可補償軸向位移的聯(lián)軸器，由兩個端面都有凸牙和凹槽的半聯(lián)軸器組成。每個凸牙都嵌在對應(yīng)的半聯(lián)軸器中的凹槽中，當(dāng)兩軸作軸向移動時，凸牙可在凹槽內(nèi)滑動，從而構(gòu)成一動聯(lián)接。為便于對中，在其中的一個半聯(lián)軸器中裝

12、有對中環(huán)，并用螺釘固定，另一端的軸則伸入對中環(huán)內(nèi)。半聯(lián)軸器的材料通常采用中等強度的鑄鐵，有時也用鑄鋼。牙嵌聯(lián)軸器的計算請參考牙嵌離合器。15-2 聯(lián)軸器122022-2-18二、無彈性元件繞性聯(lián)軸器二、無彈性元件繞性聯(lián)軸器 5.滾子鏈聯(lián)軸器滾子鏈聯(lián)軸器 它是利用一公共滾子鏈(單排或雙排)同時與兩個齒數(shù)相同的并列鏈輪相嚙合以實現(xiàn)兩半聯(lián)軸器聯(lián)接的一種聯(lián)軸器。其特點是：結(jié)構(gòu)簡單，裝卸方便，徑向尺寸緊湊，質(zhì)量輕、轉(zhuǎn)動慣量小，效率高，具有一定的補償能力(徑向位移小于0.02個節(jié)距，角位移小于1度)，工作可靠，壽命長(可達(dá)20000小時)，成本低，惡劣工作環(huán)境(高溫、潮濕、多塵、油污等)下也能工作。其缺點

13、是：離心力過大會加速各元件間的磨損和發(fā)熱，因而適宜的轉(zhuǎn)速不能太大；基本上無緩沖減振能力，不宜在頻繁起動、強烈沖擊下工作；不能傳遞軸向力。滾子鏈聯(lián)軸器一般應(yīng)有潤滑，可根據(jù)軸的轉(zhuǎn)速n來定：n10時每月涂潤滑脂一次；10n200時，每周涂潤滑脂一次；200n300時則要求充分潤滑并裝備罩殼。15-2 聯(lián)軸器132022-2-18三、有彈性元件繞性聯(lián)軸器三、有彈性元件繞性聯(lián)軸器 由于這類聯(lián)軸器的彈性元件是非金屬，因而具有如下特點：1) 具有彈性滯后特性和一定的消振能力；2) 單位重量所儲存的能量比金屬材料大許多(橡膠比鋼約大10倍)，緩沖能力強；3) 結(jié)構(gòu)簡單，價格便宜。但這類聯(lián)軸器的尺寸較大，壽命也

14、相對較短。這類聯(lián)軸器主要有：彈性套柱銷聯(lián)軸器、彈性柱銷聯(lián)軸器 輪胎聯(lián)軸器、彈性柱銷齒式聯(lián)軸器、梅花形聯(lián)軸器。15-2 聯(lián)軸器142022-2-18三、有彈性元件繞性聯(lián)軸器三、有彈性元件繞性聯(lián)軸器1.1.彈性套柱銷聯(lián)軸器彈性套柱銷聯(lián)軸器彈性套柱聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)上和凸緣聯(lián)軸器很近似，但是兩個半聯(lián)軸器的聯(lián)接不用螺栓，而是用帶橡膠彈性套的柱銷，如圖所示。為了更換橡膠套時簡便而不必拆移機器，設(shè)計中應(yīng)注意留出距離；為了補償軸向位移，安裝時應(yīng)注意留出相應(yīng)大小的間隙。這種聯(lián)軸器主要用來聯(lián)接起動頻繁的或在變載荷下運轉(zhuǎn)的軸。聯(lián)軸器的工作環(huán)境溫度應(yīng)在（-20+50)的范圍內(nèi)，且應(yīng)確保無油質(zhì)及其它有害于橡膠的介質(zhì)與聯(lián)軸器接

15、觸。視尺寸的不同，這種聯(lián)軸器所允許的最大位移為：軸向27.5mm；徑向0.20.7mm；角位移30130。聯(lián)軸器的最大圓周速度30m/s。15-2 聯(lián)軸器152022-2-18三、有彈性元件繞性聯(lián)軸器三、有彈性元件繞性聯(lián)軸器2. 彈性柱銷聯(lián)軸器彈性柱銷聯(lián)軸器 彈性柱銷聯(lián)軸器如圖所示，它是用若干非金屬材料制成的柱銷置于兩個半聯(lián)軸器凸緣的孔中以實現(xiàn)兩半聯(lián)軸器聯(lián)接的一種聯(lián)軸器。它具有結(jié)構(gòu)簡單、制造容易、更換柱銷方便、允許軸向位移大等特點。柱銷材料通常為尼龍。尼龍具有一定彈性，彈性模量比金屬低得多，可緩和沖擊。尼龍耐磨性好，摩擦系數(shù)小，有自潤滑作用，但對溫度比較敏感，不宜用于溫度較高的場合(使用溫度范

16、圍為-2060)。為了裝卸柱銷方便，柱銷與孔之間為H9/h9間隙配合，同時在兩端配置擋板以防止柱銷滑出。15-2 聯(lián)軸器162022-2-18三、有彈性元件繞性聯(lián)軸器三、有彈性元件繞性聯(lián)軸器3. 輪胎聯(lián)軸器輪胎聯(lián)軸器 輪胎式聯(lián)軸器有較好的緩沖、吸振能力，適用于正反向變化多、啟動頻繁的高速軸，最大轉(zhuǎn)速可達(dá)8000r/min。輪胎式聯(lián)軸器的結(jié)構(gòu)如圖17-17所示，中間為橡膠制成的輪胎環(huán)，用止退墊板與半聯(lián)軸器聯(lián)接。它結(jié)構(gòu)簡單，富有彈性，有很好的緩沖性能和一定的吸振能力，因此它允許的相對位移較大，角位移可達(dá)512，軸向位移可達(dá)0.02D，徑向位移可達(dá)0.01D(D為聯(lián)軸器外徑)，特別適用于啟動頻繁、正

17、反向運轉(zhuǎn)、兩軸間有較大的相對位移量、以及潮濕多塵之處。它的缺點是徑向尺寸較大，對軸有附加軸向力作用。這種聯(lián)軸器的外緣速度一般不宜大于30m/s。15-2 聯(lián)軸器172022-2-18三、有彈性元件繞性聯(lián)軸器三、有彈性元件繞性聯(lián)軸器4.彈性柱銷齒式聯(lián)軸器彈性柱銷齒式聯(lián)軸器 彈性柱銷齒式聯(lián)軸器的結(jié)構(gòu)如圖所示，柱銷(材料常用尼龍)分別置于兩半聯(lián)軸器的內(nèi)、外環(huán)對合的圓孔中。這種聯(lián)軸器的特點是：傳遞轉(zhuǎn)矩大，體積小、重量輕，軸徑范圍大(12850mm)，結(jié)構(gòu)簡單，使用壽命長，不用潤滑，更換銷軸方便。5.梅花形聯(lián)軸器梅花形聯(lián)軸器 梅花形彈性聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)如圖。它是利用梅花形彈性元件置于兩半聯(lián)軸器凸爪之間實現(xiàn)聯(lián)接

18、的一種聯(lián)軸器。制造彈性元件的材料有丁腈橡膠、聚氨酯、尼龍等。特點是結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、具有良好的補償位移能力和減振能力。這種聯(lián)軸器允許的外緣速度半聯(lián)軸器的材料有關(guān)：鑄鐵為3050m/s，鑄鋼為60m/s，鍛鋼為100120m/s，鋁合金為80100m/s。15-3 離合器182022-2-1815-3 離合器離合器一、牙嵌離合器一、牙嵌離合器 牙嵌離合器由兩個端面帶牙的套筒所組成，其中套筒1固接在軸上，而套筒2可沿導(dǎo)向平鍵3在另一根軸上移動，利用操縱桿移動滑環(huán)4可使兩個套筒接合或分離。為避免滑環(huán)的過量磨損，可動套筒應(yīng)裝在從動軸上。為便于兩軸對中，在套筒1中裝有對中環(huán)5，從動軸端可在對中環(huán)中自由

19、轉(zhuǎn)動。 離合器的牙形有三角形、梯形和鋸齒形。三角形牙傳遞中、小轉(zhuǎn)矩，牙數(shù)1560；梯形、鋸齒形牙可傳遞較大的轉(zhuǎn)矩，牙數(shù)315。梯形牙可補償磨損后的牙側(cè)間隙。鋸齒形牙只能單向工作，反轉(zhuǎn)時由于有較大的軸向分力，會迫使離合器自行分離。各牙應(yīng)精確等分，以使載荷均布。牙嵌離合器結(jié)構(gòu)簡單，外廓尺寸小，能傳遞較大的轉(zhuǎn)矩，故應(yīng)用較多。但牙嵌離合器只宜在兩軸不回轉(zhuǎn)或轉(zhuǎn)速差很小時進(jìn)行接合，否則牙齒可能會因受撞擊而拆斷。15-3 離合器192022-2-18二、摩擦離合器二、摩擦離合器 與牙嵌離合器比較，摩擦離合器具有下列優(yōu)點：）在任何不同轉(zhuǎn)速條件下兩軸都可進(jìn)行接合或斷開；）過載時摩擦面間將發(fā)生打滑，可以防止損壞其

20、它零件；3）接合較平穩(wěn)，沖擊和振動較小。但摩擦離合器在接合過程中。從動軸轉(zhuǎn)速從零逐漸加速到主動軸的轉(zhuǎn)速，因而兩摩擦面間不可避免地會發(fā)生相對滑動。這種相對滑動要消耗一部分能量，并引起摩擦片的摩損和發(fā)熱。 圓盤摩擦離合器有單片式和多片式兩種。單片式摩擦離合器多用于轉(zhuǎn)矩在2000Nm以下的輕型機械(如包裝機械、紡織機械)。15-3 離合器202022-2-18二、摩擦離合器二、摩擦離合器 摩擦離合器可用機械方式控制，也可用電、液或氣控，還可改摩擦片為磁粉，構(gòu)成磁粉離合器。15-3 離合器212022-2-18三、定向離合器三、定向離合器 如圖所示：圖中星輪1和外環(huán)2分別裝在主動件和從動件上，星輪和外

21、環(huán)間的楔形空腔內(nèi)裝有滾柱3，滾柱數(shù)目一般為38個。每個滾柱都被彈簧推桿4以不大的推力向前推進(jìn)而處于半楔緊狀態(tài)。星輪和外環(huán)均可作為主動件?，F(xiàn)以外環(huán)為主動件來分析，當(dāng)外環(huán)逆時針方向回轉(zhuǎn)時，摩擦力和彈簧力推動滾柱向前滾動，進(jìn)一步楔緊內(nèi)外接觸面，從而驅(qū)動星輪一起轉(zhuǎn)動，離合器處于接合狀態(tài)；反之，當(dāng)外環(huán)順時針方向回轉(zhuǎn)時，摩擦力帶動滾柱克服彈簧力而滾到楔形空腔的寬敞部分，離合器處于分離狀態(tài)，所以稱為定向離合器。當(dāng)星輪與外環(huán)均按順時針方向作同向回轉(zhuǎn)時，根據(jù)相對運動原理，若外環(huán)轉(zhuǎn)速小于星輪轉(zhuǎn)速，則離合器處于接合狀態(tài)；反之，如外環(huán)轉(zhuǎn)速大于星輪轉(zhuǎn)速，則離合器處于分離狀態(tài)，因此這種離合器又稱為超越離合器。如所周知，自行車后飛的棘輪機構(gòu)、自行車轉(zhuǎn)鈴也是超越離合器。定向離合器常用于汽車、機床等的傳動裝置中。15-3 離合器222022-2-18四、離心離合器四、離心離合器 離心離合器工作原理如圖所示。對常開式來講，正常工作情況下，彈簧拉力克服離心力使離合器斷開；當(dāng)轉(zhuǎn)速大到一定程度，離心力克服彈簧力，將摩擦塊緊緊壓向從動的半聯(lián)軸器內(nèi)壁，借助摩擦力使離合器實現(xiàn)接合。 對常閉式來講，正常工作情況下，彈簧壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于離心力，摩擦塊緊緊地壓在從動的半聯(lián)軸器外圓柱面上，借助摩擦力實現(xiàn)接合；當(dāng)