機(jī)械設(shè)計(jì)與分析基礎(chǔ) 李會文 教案 第10章補(bǔ)充內(nèi)容-軸間連接

１０ 軸間連接將兩軸直接連接起來以傳遞運(yùn)動和轉(zhuǎn)矩的連接形式稱為軸間連接，通常采用聯(lián)軸器和離合器來實(shí)現(xiàn)軸間連接。在機(jī)器工作時，聯(lián)軸器只能保持兩軸的接合狀態(tài)，而離合器卻可隨時完成兩軸的接合和分離。圖１０１所示為聯(lián)軸器和離合器的應(yīng)用實(shí)例。圖１０２聯(lián)軸器與離合器的應(yīng)用ａ）帶式運(yùn)輸機(jī)１—電動機(jī) ２、４—聯(lián)軸器 ３—減速器 ５—卷筒ｂ）曲柄壓力機(jī)１—電動機(jī) ２—帶傳動 ３—離合器 ４—齒輪傳動 ５—曲軸 ６—沖頭圖１０２ａ是帶式運(yùn)輸機(jī)。電動機(jī)１的高速回轉(zhuǎn)通過減速器３變成卷筒５的低速回轉(zhuǎn)。該系統(tǒng)分為電動機(jī)１、減速器３、卷筒５三個部件，分別用聯(lián)軸器２、４連接起來，以方便加工、裝配、運(yùn)輸和維修。圖１０２ｂ是曲柄壓力機(jī)，其中帶傳動２和齒輪傳動４是減速裝置，將電動機(jī)１的高速回轉(zhuǎn)變成曲軸５的低速回轉(zhuǎn)和沖頭６的低速往復(fù)運(yùn)動。為了便于操作，在從動帶輪軸上裝有離合器３，使電動機(jī)１連續(xù)回轉(zhuǎn)時，可以隨時控制沖頭６的啟停。１０ 聯(lián)軸器的類型、特點(diǎn)和應(yīng)用１聯(lián)軸器的分類聯(lián)軸器所連接的兩軸，由于制造和安裝誤差，受載后的變形以及工作溫度變化等原因，可能產(chǎn)生某種程度的位移（圖１０３），使機(jī)器的工作情況惡化。因此，要求聯(lián)軸器具有補(bǔ)償兩軸間相對位移的能力。具有這種補(bǔ)償能力的聯(lián)軸器稱為撓性聯(lián)軸器，否則稱為剛性聯(lián)軸器。圖１０３兩軸軸線相對位移的型式ａ）軸向位移ｘｂ）徑向位移ｙｃ）角位移αｄ）綜合位移ｘ、ｙ、α當(dāng)軸的轉(zhuǎn)速較高或工作載荷不平穩(wěn)時，軸將發(fā)生沖擊振動，為緩沖吸振，可在聯(lián)軸器內(nèi)設(shè)置彈性元件。因此，撓性聯(lián)軸器又分為有彈性元件的撓性聯(lián)軸器和無彈性元件的撓性聯(lián)軸器。此外，在傳遞的轉(zhuǎn)矩超過允許的極限轉(zhuǎn)矩時，聯(lián)軸器中的特定元件將發(fā)生折斷，從而自動停止傳動，以保護(hù)機(jī)器中的重要零件不致?lián)p壞，這種具有過載保護(hù)作用的聯(lián)軸器稱為安全聯(lián)軸器。常用聯(lián)軸器類型、特點(diǎn)及應(yīng)用見表１０４。１表１０４常用聯(lián)軸器類型、特點(diǎn)及應(yīng)用類型結(jié) 構(gòu)特點(diǎn)及應(yīng)用剛性聯(lián)軸器凸緣聯(lián)軸器凸緣聯(lián)軸器是應(yīng)用最廣的剛性聯(lián)軸器。它由兩個帶凸緣的半聯(lián)軸器組成。兩個半聯(lián)軸器分別用鍵與兩軸連接，并用螺栓將兩個半聯(lián)軸器聯(lián)為一體有ＧＹ、ＧＹＳ和ＧＹＨ三種型式。ＧＹ型是基本型，利用鉸制孔用螺栓連接來實(shí)現(xiàn)兩軸對中，靠螺栓承受剪切和擠壓傳遞轉(zhuǎn)矩；ＧＹＳ型是有對中凸榫凸緣聯(lián)軸器，利用兩半聯(lián)軸器的凸肩與凹槽的相互配合來保證兩軸對中，靠兩半聯(lián)軸器結(jié)合面間的摩擦力傳遞轉(zhuǎn)矩。前者能傳遞的轉(zhuǎn)矩大，后者對中精度高。ＧＹＨ型是有對中環(huán)凸緣聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)簡單、剛性好、對中精確、能傳遞較大的轉(zhuǎn)矩。但無補(bǔ)償兩軸相對位移和緩沖減振能力，且要求兩軸對中精度高。通常用于載荷平穩(wěn)、速度較低、兩軸能很好對中的場合ＧＢ／Ｔ５８４３—２００３套筒聯(lián)軸器它是用一個套筒通過鍵或銷等連接件與兩軸相聯(lián)結(jié)構(gòu)簡單，容易制造，徑向尺寸小，轉(zhuǎn)動慣量也小，但裝拆較困難，無補(bǔ)償兩軸相對位移和緩沖減振能力。常用于徑向尺寸受限、兩軸對中性高、工作較平穩(wěn)、輕載、低速、經(jīng)常正反轉(zhuǎn)的場合圖ｂ所示的聯(lián)軸器中，若銷的尺寸設(shè)計(jì)適當(dāng)，過載時銷被剪斷，可防止損壞機(jī)器中的重要零件，即可作為安全聯(lián)軸器使用無彈性元件的撓性聯(lián)軸器十字滑塊聯(lián)軸器１、３—半聯(lián)軸器 ２—中間圓盤它由端面開有凹槽的兩個半聯(lián)軸器１、３和一個兩端具有相互垂直凸塊的中間圓盤２所組成。凸塊與凹槽嵌合，并可相對滑動，以補(bǔ)償兩軸的相對位移。當(dāng)轉(zhuǎn)速較高且兩軸線有相對位移時，中間圓盤的偏心將會產(chǎn)生較大的離心力和磨損，并給軸和軸承帶來較大的附加載荷。為了減小磨損，由中間圓盤的小孔中注入潤滑劑，并使工作面有較高硬度（～６０Ｃ）結(jié)構(gòu)簡單，具有一定補(bǔ)償兩軸相對位移的能力，但轉(zhuǎn)動慣量大，需潤滑。適用于轉(zhuǎn)速不高、軸的剛度較大且無沖擊載荷的場合齒式聯(lián)軸器１、４—半聯(lián)軸器 ２、３—外殼 ５—螺栓它主要由兩個具有外齒圈的半聯(lián)軸器１、４和兩個具有內(nèi)齒圈的外殼２、３組成，內(nèi)、外齒圈齒數(shù)相等，均采用２０°壓力角的漸開線齒廓。兩外殼用螺栓５連成一體，兩半聯(lián)軸器分別用鍵裝在主動軸和從動軸上。工作時，靠內(nèi)外輪齒相嚙合傳遞轉(zhuǎn)矩由于外齒的齒頂制成橢球面，且保證與內(nèi)齒嚙合后具有適當(dāng)?shù)捻斚逗蛡?cè)隙，故具有較大的綜合位移補(bǔ)償能力。為減少輪齒之間磨損與相對移動時的摩擦阻力，在外殼內(nèi)腔注入潤滑油，并在聯(lián)軸器兩端設(shè)有密封裝置能傳遞很大的轉(zhuǎn)矩，工作可靠，允許有較大的綜合位移量。但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造困難，成本高；有噪聲，不能緩沖吸振；不適于連接立軸。適用于起動頻繁、經(jīng)常正反轉(zhuǎn)的重型機(jī)械和長軸連接鼓形齒式聯(lián)軸器：ＪＢ／Ｔ８８５４１～３—２００３十字軸萬向聯(lián)軸器１、２—叉形接頭 ３—十字頭它主要是由兩個分別固定在主、從動軸上的叉形接頭１、２和一個十字形零件（稱十字頭）３鉸接而成（圖ａ）。因此允許兩軸間有較大的角位移，兩軸夾角α最大可達(dá)４５°。但當(dāng)兩軸線不重合時，主動軸以等角速度ω１轉(zhuǎn)動，而從動軸角速度ω２在一定范圍內(nèi)作周期性變化，因而在傳動中產(chǎn)生附加動載荷。為避免這種情況，通常成對使用十字軸萬向聯(lián)軸器，或采用雙十字軸萬向聯(lián)軸器（圖ｂ）。但安裝時必須保證：①主動軸、從動軸與中間軸之間的夾角相等；②中間軸兩端的叉形接頭在同一平面內(nèi)；③主動軸、從動軸和中間軸三軸線在同一平面內(nèi)，以使主、從動軸同步轉(zhuǎn)動結(jié)構(gòu)緊湊，維護(hù)方便，可用于連接兩相交軸或平行軸，或用于工作時有較大角位移的場合，在汽車、拖拉機(jī)、多頭鉆床等機(jī)器的傳力系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用ＳＷＰ型（剖分式軸承座）：ＪＢ／Ｔ３２４１—２００５ＳＷＺ型（整體式軸承座）：ＪＢ／Ｔ３２４２—１９９３２（續(xù)）類型結(jié) 構(gòu)特點(diǎn)及應(yīng)用有彈性元件的撓性聯(lián)軸器彈性套柱銷聯(lián)軸器１—彈性套圈２—柱銷其結(jié)構(gòu)與凸緣聯(lián)接螺栓。利用蛹狀間的位移結(jié)構(gòu)簡單，制造且具有一定補(bǔ)償兩壽命較短。適用于ＬＴ型（基本型）軸套容軸經(jīng)、器相似圈的彈易，裝相對位常正反ＬＴＺ型，性拆移轉(zhuǎn)（只，、能、制是用不僅維護(hù)力和起動動輪套能方一頻型有吸便般繁）：彈性套圈１的柱銷２代收振動和沖擊，還能補(bǔ)，成本較低；承載能減振性能。但彈性套、轉(zhuǎn)速較高、載荷平穩(wěn)ＧＢ／Ｔ４３２３—２００２替償力易的了兩較磨場連軸大，損，合彈性柱銷聯(lián)軸器１—彈性柱銷２—擋板它可視為由彈性套圈和金屬柱銷。軸間的角位移量。板２結(jié)構(gòu)簡單，制造對位移的能力和一高及對緩沖要求不ＬＸ型（彈性柱ＧＢ／Ｔ５０１４—２００３套彈為、般高銷柱銷聯(lián)性柱銷了防止安裝、減振性的場合聯(lián)軸器軸的柱維能。）器一銷護(hù)。可、簡化端為滑出方便常用代替ＬＸＺ而柱，，于彈型成形在耐正性（。即采用彈性柱銷１代，另一端制成鼓形，以半聯(lián)軸器外側(cè)用螺釘固久性好。具有一定補(bǔ)償反轉(zhuǎn)較多、起動頻繁、套柱銷聯(lián)軸器帶制動輪彈性柱銷聯(lián)替增定兩轉(zhuǎn)軸彈大了軸速器性兩擋相較）：２聯(lián)軸器的選擇選用標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)軸器時，應(yīng)根據(jù)具體工作要求，綜合考慮兩軸間的相對位移、聯(lián)軸器的載荷特性、工作轉(zhuǎn)速、聯(lián)軸器的外廓尺寸、工作環(huán)境、經(jīng)濟(jì)性等方面的因素，參考國家標(biāo)準(zhǔn)或企業(yè)產(chǎn)品說明書，先選擇合適的類型，再根據(jù)被連接兩軸的直徑、計(jì)算轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速從標(biāo)準(zhǔn)系列中查出適合的型號。必要時才校核其薄弱零件的承載能力（本書從略）。選擇聯(lián)軸器時所采用的計(jì)算轉(zhuǎn)矩由式 （１０２）確定ｎＴｃ＝ＫＴ＝Ｋ×９５５０×ＰＷ≤Ｔｎ （１０２）ｎ式中 Ｔｃ———傳遞的轉(zhuǎn)矩 （Ｎ·ｍ）；Ｔｎ———公稱轉(zhuǎn)矩 （Ｎ·ｍ）；ＰＷ———驅(qū)動功率 （ｋＷ）；ｎ———工作轉(zhuǎn)速 （ｒ／ｉｎ）；Ｋ———工作情況系數(shù)，它是考慮機(jī)器起動時的慣性力和過載等影響的修正系數(shù)，其值的大小由表１０５選取。表１０５工作情況系數(shù)Ｋ載荷類別工作狀況設(shè)備名稱舉例工作情況系數(shù)ＫⅠ均勻載荷離心式鼓風(fēng)機(jī)和壓縮機(jī)、發(fā)電機(jī)、（均勻加載）運(yùn)輸機(jī)、廢水處理設(shè)備、攪拌設(shè)備等１０～１５Ⅱ中等沖擊載荷洗衣機(jī)、木材加工機(jī)械、工具機(jī)、混凝土攪拌機(jī)、旋轉(zhuǎn)式粉碎機(jī)、起重機(jī)和卷揚(yáng)機(jī)等１５～２５Ⅲ重沖擊載荷破碎機(jī)、往復(fù)式給料機(jī)、擺動運(yùn)輸機(jī)、可逆輸送輥道等２５注：１本表所列工況系數(shù)適用于原動機(jī)為電動機(jī)和蒸汽渦輪機(jī)傳動系統(tǒng)。２大功率非連續(xù)工作電動機(jī)及設(shè)備，在承受激烈沖擊載荷或易產(chǎn)生事故的工作情況時，工況系數(shù)應(yīng)作特殊考慮，不按本表選用。１０ 離合器的類型和應(yīng)用在機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)時，離合器應(yīng)根據(jù)需要隨時將主、從動軸接合或分離，故要求其工作可靠，接合、分３離迅速而平穩(wěn)，操作靈活，調(diào)節(jié)和維修方便，外廓尺寸小，重量輕等。其離合作用可以靠嵌合、摩擦等方式來實(shí)現(xiàn)。按離合動作的過程可分為操縱式（機(jī)械式、電磁式、液壓式、氣動式）和自控式（如超越式、離心式、安全式）。下面介紹幾種常用的離合器。１牙嵌式離合器如圖１０４所示，它主要由端面帶牙的兩個半離合器１、２組成。其中半離合器１固裝在主動軸上；而半離合器２利用導(dǎo)向平鍵安裝在從動軸上。工作時，利用操縱桿（圖中未畫出）帶動滑環(huán)３，使半離合器２作軸向移動，實(shí)現(xiàn)離合器的接合或分離，并依靠兩個半離合器接觸端的凸牙和凹槽相互嵌合來傳遞轉(zhuǎn)矩。這種離合器沿圓柱牙面上展開的牙型有矩形、三角形、梯形和鋸齒形等，其特點(diǎn)與應(yīng)用見表１０６。

圖１０４牙嵌式離合器１、２—半離合器 ３—滑環(huán) ４—對中環(huán)表１０６牙嵌式離合器常用牙型、特點(diǎn)與應(yīng)用牙型牙型角牙數(shù)特點(diǎn)應(yīng)用α＝０３～１５矩形牙傳遞轉(zhuǎn)矩大，制造容易，但接合和分離較困難。為便于結(jié)合常采用較大的牙間間隙適合于重載，可以傳遞雙向轉(zhuǎn)矩，一般用于不經(jīng)常離合的傳動中。須在靜止或極低轉(zhuǎn)速下才能結(jié)合。常用于手動結(jié)合α＝３０°～４５°１５～６０三角形牙接合和分離容易，但牙的強(qiáng)度較弱適合于輕載低速、雙向傳遞轉(zhuǎn)矩的離合器。應(yīng)在運(yùn)轉(zhuǎn)速度低時結(jié)合α＝２°～８°３～１５正梯形牙強(qiáng)度較大，接合和分離也較容易，結(jié)合后牙間間隙較小適合于較大速度和載荷，能雙向傳遞轉(zhuǎn)矩，能自動補(bǔ)償牙的磨損和間隙，能避免速度變化時因間隙而產(chǎn)生的沖擊。常用于自動結(jié)合α＝２°～８°β＝５０°～７０°３～１５斜梯形牙結(jié)合比正梯形牙更快，強(qiáng)度較大只能單向傳遞轉(zhuǎn)矩，適合于較大速度和載荷，能自動補(bǔ)償牙的磨損和間隙，能避免速度變化時因間隙而產(chǎn)生的沖擊。常用于自動結(jié)合α＝１°～１５°３～１５強(qiáng)度高、結(jié)合容易可傳遞較大轉(zhuǎn)矩，但只能單向傳動，反轉(zhuǎn)時工作面將受較大的軸向分力，迫使離合器自行分離牙嵌式離合器結(jié)構(gòu)簡單，外廓尺寸小，能傳遞較大轉(zhuǎn)矩，接合后牙間無相對滑動，使兩軸同步轉(zhuǎn)動。但只宜在兩軸的轉(zhuǎn)速差較小或停車的情況下接合，否則可能將牙撞斷。２摩擦式離合器摩擦式離合器中常用的是圓盤摩擦離合器，有單盤式和多盤式兩種。單盤式圓盤摩擦離合器，如圖１０５所示。圓盤１固裝在主動軸上，圓盤２利用導(dǎo)向平鍵（或花鍵）安裝在從動軸上，通過操縱滑環(huán)３實(shí)現(xiàn)離合。工作時，兩圓盤相互壓緊，靠接觸面間產(chǎn)生的摩擦力來傳遞轉(zhuǎn)矩。這種離合器結(jié)構(gòu)簡單，散熱性好，但傳遞的轉(zhuǎn)矩較小。當(dāng)必須傳遞較大轉(zhuǎn)矩時，可采用如圖１０６所示的多盤式圓盤摩擦離合器。它有兩組摩擦片，其中外摩擦片組４利用外圓上的花鍵與外鼓輪２相連 （鼓輪２與主動軸１固連），內(nèi)摩擦片組５利用內(nèi)圓上４的花鍵與內(nèi)套筒１０相連 （套筒１０與從動軸９固連）。當(dāng)滑環(huán)８作軸向移動時，將撥動曲臂壓桿７，使壓板３壓緊或松開內(nèi)、外摩擦片組，從而使離合器接合或分離。螺母６用來調(diào)節(jié)摩擦片間的壓力。 圖１０５單盤式圓盤摩擦離合器１、２—半離合器 ３—滑環(huán)

圖１０６多盤式圓盤摩擦離合器１—主動軸 ２—鼓輪 ３—壓板 ４—外摩擦片組５—內(nèi)摩擦片組 ６—螺母 ７—曲臂壓桿８—滑環(huán) ９—從動軸 １０—套筒外摩擦片和內(nèi)摩擦片的結(jié)構(gòu)形狀，如圖１０７所示。若將內(nèi)摩擦片改為右圖所示的碟形，使其具有一定的彈性，在離合器分離時碟形片能自行彈開，有利于迅速分離，接合時也較平穩(wěn)。這種離合器可以將在機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)時有較大轉(zhuǎn)速差的兩軸連接起來，并且操縱方便，接合平穩(wěn)，分離迅速；其所傳遞的最大轉(zhuǎn)矩可以調(diào)整，且有過載保護(hù)作用。但結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，外廓尺寸較大，成本高；離合時因摩擦片間相對滑動，導(dǎo)致摩擦片磨損及產(chǎn)生較大的摩擦熱，且不能保證兩軸精確地同步轉(zhuǎn)動。常用于頻繁起動、制動或經(jīng)常改變速度大小和方向的機(jī)械中，如汽車、機(jī)床等。３磁粉離合器磁粉離合器是以磁粉為介質(zhì)，借助磁粉間的結(jié)合力

圖１０７摩擦片ａ）外摩擦片 ｂ）內(nèi)摩擦片和磁粉與工作面間的摩擦力傳遞轉(zhuǎn)矩，其工作原理如圖１０８所示。主動軸７與磁鐵輪芯５固聯(lián)，在輪芯外緣的凹槽內(nèi)繞有環(huán)形激磁線圈４，線圈與接觸環(huán)６相連，接觸環(huán)與電源相通，從動外鼓輪２與齒輪１相連，并與磁鐵輪芯間約有０５～２ｍｍ的間隙，其中填充磁導(dǎo)率高的鐵粉和油或石墨的混合物３。當(dāng)線圈通電時，形成一個經(jīng)輪芯、外鼓輪又回到輪芯的閉合磁通，使鐵粉磁化而產(chǎn)生磁連接力。當(dāng)主動軸旋轉(zhuǎn)時，借助磁粉間的結(jié)合力和磁粉與主、從動件間的摩擦力帶動外鼓輪一起旋轉(zhuǎn)來傳遞轉(zhuǎn)矩。當(dāng)線圈斷電時，磁粉恢復(fù)為松散狀態(tài)，離合器立即分離。這種離合器接合平穩(wěn)，動作迅速，使用壽命長，可以遠(yuǎn)距離操縱，并有過載保護(hù)作用。但尺寸和重量較大。它適宜用作自動控制元件和高頻快速離合，如數(shù)控機(jī)床，電子計(jì)算機(jī)中的控制機(jī)構(gòu)，也宜用于過載保護(hù)和帶負(fù)荷起動的重型機(jī)械。４定向離合器如前述的鋸齒形牙嵌離合器，只能傳遞單向的轉(zhuǎn)矩，反向時自動分離，這就是一種定向離合器；棘輪機(jī)構(gòu)也可用做定向離合器。但它們在空程時 （分離狀態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)）噪聲大，故只宜用于低速場合。圖１０９所示為應(yīng)用較廣的滾柱式定向離合器。它主要由

圖１０８磁粉離合器１—齒輪２—從動外鼓輪３—鐵粉和油或石墨的混合物４—環(huán)形激磁線圈５—磁鐵輪芯６—接觸環(huán)７—主動軸５星輪１、外圈２、滾柱３和彈簧頂桿４組成。彈簧頂桿４的作用是將滾柱壓向星輪的楔形槽內(nèi)與星輪和外圈相接觸。星輪和外圈均可作為主動件。當(dāng)星輪為主動件并按順時針方向旋轉(zhuǎn)時，滾柱受摩擦力的作用被楔緊在槽內(nèi)，因而帶動外圈一起轉(zhuǎn)動，這時離合器處于接合狀態(tài)。當(dāng)星輪反轉(zhuǎn)時，滾柱受摩擦力的作用，被推到楔槽較寬的部分。這時離合器處于分離狀態(tài)，故可在機(jī)械中用來防止逆轉(zhuǎn)并完成單向傳動。當(dāng)星輪和外圈按順時針方向作同向旋轉(zhuǎn)時，若外圈轉(zhuǎn)速不大于星輪轉(zhuǎn)速，則離合器處于接合狀態(tài)；反之，若外圈轉(zhuǎn)速大于星輪轉(zhuǎn)速，則離合器處于分離狀態(tài)，此時兩者以各自的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，即從動件的轉(zhuǎn)速超越主動