第十一章　联轴器和离合器

机械设计教程第3版机械工业出版社第十一章联轴器和离合器第一节联轴器

第二节离合器

第一节联轴器

一、联轴器的特性及分类由于制造、安装的误差,以及工作中零部件的变形,用联轴器连接的两轴轴线之间会存在相对位置误差如图11-1所示。这种误差可以分为轴向误差(图11-1a)、径向误差(图11-1b)、角度误差(图11-1c)和综合误差(图11-1d)。具有自动补偿被连接两轴轴线相对位置误差能力的联轴器称为挠性联轴器,不具有自动补偿能力的联轴器称为刚性联轴器。挠性联轴器按照其补偿方法可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。有弹性元件的挠性联轴器依靠联轴器中的弹性元件的变形实现补偿,无弹性元件的挠性联轴器则依靠联轴器中不同零件之间的相对运动实现补偿。有弹性元件的挠性联轴器按照弹性元件的材料可以分为金属弹性元件挠性联轴器和非金属弹性元件挠性联轴器。第一节联轴器

一、联轴器的特性及分类图11-1联轴器所连接两轴的位置误差第一节联轴器

二、联轴器的类型(一)刚性联轴器刚性联轴器不具有自动补偿被连接两轴轴线相对位置误差的能力,要求所连接的两轴具有较高的位置精度和刚度。刚性联轴器具有较高的承载能力。常用的刚性联轴器有套筒联轴器、凸缘联轴器和夹壳联轴器。1.套筒联轴器套筒联轴器连接结构如图11-2所示,它通过联轴套连接两轴,所连接两轴的直径可以相同,也可以不相同,联轴套与轴之间可以通过销连接传递转矩,也可以通过键连接或花键连接传递转矩。套筒联轴器结构简单,制造方便,成本低,占用径向尺寸小;但是装配和拆卸都不方便。套筒联轴器适用于低速、轻载、工作平稳的连接。第一节联轴器

二、联轴器的类型(一)刚性联轴器图11-2套筒联轴器第一节联轴器

二、联轴器的类型(一)刚性联轴器2.凸缘联轴器凸缘联轴器由两个带有凸缘的半联轴器组成。两个半联轴器分别安装在两个被连接的轴端,半联轴器与轴通过轴毂连接传递转矩。两个半联轴器之间通过螺栓连接传递转矩,根据传递转矩的大小,可采用普通螺栓连接,也可以采用加强杆螺栓连接。两个半联轴器之间可以通过加强杆螺栓连接定心,如图11-3a所示;也可以用对中榫定心,如图11-3b所示;还可以通过对中环定心,如图11-3c所示。凸缘联轴器结构简单,制造和使用都较方便,工作可靠,承载能力大,适用于高速、载荷平稳、两轴具有较高位置精度和刚度的场合。第一节联轴器

二、联轴器的类型(一)刚性联轴器图11-3凸缘联轴器第一节联轴器

二、联轴器的类型(二)挠性联轴器1.无弹性元件挠性联轴器无弹性元件的挠性联轴器依靠联轴器中不同零件之间的相对运动来补偿两轴轴线之间的位置误差,通常需要在良好的润滑和密封条件下工作,不具有缓解载荷冲击的能力。常用的类型有滑块联轴器、齿式联轴器、万向联轴器和链条联轴器等。(1)滑块联轴器滑块联轴器如图11-4所示,两个半联轴器端部开有滑槽,中间滑块两端榫块断面形状为矩形,矩形宽度与半联轴器端部滑槽宽度相等,滑块同时嵌入两个半联轴器的滑槽中,通过滑块与半联轴器滑槽之间的相对滑动,滑块联轴器可以补偿所连接两轴之间的径向位置误差。滑块联轴器工作中有噪声、传动效率低、滑块磨损较快,常用于低速、无冲击载荷的场合。(2)齿式联轴器齿式联轴器通过齿数相同的内、外齿轮啮合传递转矩,同时承载的齿数多,承载能力大,径向尺寸小,但成本较高。齿式联轴器具有综合误差补偿能力,如图11-5所示。为提高补偿能力,通常将轮齿沿轴向修成球面,球心在轴线上,将齿面沿轴向修成鼓形,齿侧留有较大的间隙。齿式联轴器需要在良好的润滑与密封条件下工作。第一节联轴器

二、联轴器的类型(二)挠性联轴器1.无弹性元件挠性联轴器图11-4滑块联轴器第一节联轴器

二、联轴器的类型(二)挠性联轴器1.无弹性元件挠性联轴器图11-5齿式联轴器误差补偿a)轴向误差补偿b)角度误差补偿c)综合误差补偿第一节联轴器

二、联轴器的类型(二)挠性联轴器2.有弹性元件的挠性联轴器有弹性元件的挠性联轴器通过内部弹性元件的变形,除可补偿被连接两轴轴线相对位置误差以外,还具有缓解冲击载荷、吸收振动的作用。联轴器中的弹性元件可以是金属材料,也可以是非金属材料。(1)弹性套柱销联轴器弹性套柱销联轴器如图11-6所示,由两个半联轴器和多组带有弹性套的柱销(弹性元件)组成,形状与凸缘联轴器相近,将带有弹性套的柱销装入半联轴器的凸缘孔中,通过柱销在两个半联轴器之间传递转矩。弹性套柱销联轴器结构简单,制造和使用都很方便,成本低,但是弹性元件工作寿命短,承载能力小。在结构设计中,应为更换弹性套留出必要的空间。第一节联轴器

二、联轴器的类型(二)挠性联轴器2.有弹性元件的挠性联轴器图11-6弹性套柱销联轴器第一节联轴器

二、联轴器的类型(二)挠性联轴器2.有弹性元件的挠性联轴器(2)弹性柱销齿式联轴器弹性柱销齿式联轴器(图11-7)将尼龙柱销置于两个半联轴器与联轴器外套之间,通过柱销的剪切,在半联轴器外表面的圆弧槽与联轴器外套内表面圆弧槽之间传递转矩。为防止柱销沿轴向脱落,在外套两端设有挡板。弹性柱销齿式联轴器结构简单,制造和使用方便,工作寿命长,使用中不需要采取专门的润滑和密封措施,成本低,承载能力强。由于弹性零件的刚性较大,减振效果较差,工作中有噪声。图11-7弹性柱销齿式联轴器第一节联轴器

二、联轴器的类型(二)挠性联轴器2.有弹性元件的挠性联轴器(3)梅花形弹性联轴器梅花形弹性联轴器(图11-8)由两个形状相同的、端部带有凸爪的半联轴器和梅花形弹性元件组成。梅花形弹性元件置于两个半联轴器的凸爪之间,通过凸爪与弹性元件之间的挤压传递转矩。梅花形弹性联轴器结构简单,零件数量少,结构尺寸小,不需润滑,承载能力较高,但是更换弹性元件时需要将半联轴器沿轴向移动。图11-8梅花形弹性联轴器第一节联轴器

二、联轴器的类型(二)挠性联轴器2.有弹性元件的挠性联轴器(4)蛇形弹簧联轴器蛇形弹簧联轴器(图11-9)将蛇形弹簧嵌在两个半联轴器凸缘的齿间,通过蛇形弹簧在两个半联轴器之间传递转矩。蛇形弹簧用金属材料制造,承载能力大,工作寿命长,通过改变与弹簧接触的齿面形状可以得到不同的刚度特性。由于弹簧与齿面接触点处有相对滑动,为改善润滑条件,并防止弹簧因离心力被甩出,需要将联轴器的工作空间封闭,并加注润滑油。图11-9蛇形弹簧联轴器第一节联轴器

二、联轴器的类型(二)挠性联轴器2.有弹性元件的挠性联轴器(5)膜片联轴器膜片联轴器如图11-10所示,用螺栓连接将多组金属膜片交错地安装在两个半联轴器之间,通过膜片在两个半联轴器之间传递转矩,通过膜片的弹性变形实现对所连接的两轴相对位置误差的补偿。这种补偿方法无工作间隙,无相对滑动,工作无噪声,不需要润滑,承载能力大,工作寿命长。通过改变每组膜片的数量,可以改变其承载能力。膜片形状可以是连杆式,也可以是整片式。图11-10膜片联轴器第一节联轴器

三、联轴器的选用联轴器是常用标准部件,除了有关于各种类型联轴器的尺寸、形状、承载能力、最高转速等内容的标准外,GB/T12458—2017中还定义了联轴器的分类方法,GB/T3507—2008中规定了联轴器的转矩系列,GB/T3852—2017中规定了联轴器的轴孔和连接形式与尺寸。常用联轴器多已标准化,用户只需根据有关标准和产品样本选用。选用联轴器包括选择联轴器的类型、尺寸(型号)及联轴器与轴的连接方式。第一节联轴器

三、联轴器的选用1.联轴器的类型选择不同类型联轴器的工作性能差异很大,选择联轴器的类型应综合考虑工作条件对联轴器各方面工作性能的要求,合理选用。原动机的种类和工作机的载荷性质是选择联轴器类型的重要依据,电动机的输出转速平稳,而内燃机的输出转速波动随内燃机缸数的减少而加剧;工作机如有较大的冲击、振动、载荷变化较大、频繁起动或频繁变换传动方向等都会对联轴器的工作能力有较大影响,应选用具有缓冲、减振特性的弹性联轴器。如果被联轴器连接的两轴轴线位置精度较高,可以选用刚性联轴器;如果由于制造、安装的误差,受力后结构的变形及零部件的磨损等原因使轴线位置精度变差,应选用具有补偿两轴轴线相对位移能力的挠性联轴器。第一节联轴器

三、联轴器的选用不同类型和尺寸的联轴器由于材料、结构、径向尺寸不同,所允许的转速范围不同,在要求转速较高的情况下除应选择许用转速较高的联轴器类型外,还应对联轴器进行动平衡。如果工作环境中具有灰尘、蒸汽或腐蚀性介质,应考虑环境对联轴器材料的影响。例如在高温、低温、有油及酸、碱介质的条件下,应避免选用橡胶弹性元件的弹性联轴器。有些联轴器(如弹性柱销齿式联轴器)的工作噪声较大,对噪声有严格要求的场合不宜选用。不同类型的联轴器由于结构的复杂程度不同,所用材料不同,对加工精度的要求不同,成本差异很大,使用中不应盲目选择性能好、精度高、价格高的联轴器,应综合考虑各方面的要求,选择最适合需要的联轴器。第一节联轴器

三、联轴器的选用2.选择联轴器型号确定联轴器的类型后应根据工作能力确定联轴器的型号(尺寸)。JB/T7511—1994中规定了机械式联轴器的选用计算方法,下面介绍的方法是对这一标准的简化。根据机械设计手册或相关国家标准等可以查询各种型号的联轴器许用转矩[T],如果原动机和工作机引起严重的载荷波动,将对联轴器的工作能力产生较大影响,应根据有关手册推荐的方法对许用转矩进行修正。所确定的联轴器型号应保证Tca=KT≤[T](11-1)式中,Tca为联轴器需要传递的计算转矩(N·m);T为联轴器传递的转矩(N·m);K为使用系数,见表11-1;[T]为所选择联轴器的许用转矩(N·m)。为保证所选联轴器正常工作,在确定联轴器型号时还应保证n≤nmax(11-2)式中,n为联轴器的转速(r/min);nmax为所选联轴器允许的最高转速(r/min)。第一节联轴器

三、联轴器的选用第一节联轴器

三、联轴器的选用3.确定联轴器与轴的连接方式同一型号的联轴器一般允许有几种不同的直径尺寸系列值可供选用,可以选择圆柱孔或圆锥孔,同时可以选用多种不同的轴毂连接方式,具体可参考有关手册或标准。第二节离合器使用离合器连接的两轴可以在工作中随时结合或分离,如果这种工作状态的转换需要通过人为操纵实现则称为操纵式离合器,如果工作状态转换可根据工况(转速、转矩等)自动完成则称为自动式离合器。通过摩擦力在零件之间传递转矩的离合器称为摩擦式离合器,通过工作表面之间的啮合传递转矩的离合器称为啮合式离合器。以下介绍离合器的常用类型。第二节离合器一、操纵式离合器1.单圆盘式摩擦离合器单圆盘式摩擦离合器依靠圆盘表面间的摩擦力在两个半离合器之间传递转矩,如图11-11所示的单圆盘式摩擦离合器只有一对摩擦表面,通过移动右侧半离合器上的操纵环可以使离合器结合或分离。单圆盘式摩擦离合器在汽车、摩托车等车辆上得到广泛应用。图11-11单圆盘式摩擦离合器第二节离合器一、操纵式离合器2.多盘式摩擦离合器图11-12所示为多盘式摩擦离合器,分别由外侧带齿的外摩擦盘和内侧带齿的内摩擦盘交错放置构成。外摩擦盘通过外齿与外轮毂及左侧轴相连,内摩擦盘通过内齿与套筒及右侧轴相连。当滑环移动到左侧(图示位置)时,压杆压紧摩擦盘,使离合器结合;当滑环移动到右侧时,摩擦盘松开,离合器分离。多盘式摩擦离合器在机床等机械中应用广泛。图11-12多盘式摩擦离合器第二节离合器二、自动式离合器1.牙嵌安全离合器图11-13所示为一种牙嵌安全离合器,通过两个半离合器端面齿牙的啮合传递转矩。牙嵌式离合器的牙形可以是三角形、梯形或锯齿形等。图11-13中离合器的牙形为梯形。当所传递的转矩过大时,啮合齿面间所产生的轴向推力使左侧弹簧压缩,离合器自动分离。牙嵌离合器用于低速轻载的场合。当传递载荷过大时,安全离合器自动分离,中断传动链,防止过载,对传动链中的其他传动零件起到保护作用。图11-13牙嵌安全离合器第二节离合器二、自动式离合器2.剪切销安全离合器图11-14所示为剪切销安全离合器,通过销在两个半离合器之间传递转矩。通常离合器处于结合状态。当传动过载,销工作断面上的切应力超过其抗剪强度时,销被剪断,离合器分离,对其他零件起到保护作用。通过改变销的尺寸、数量、材料及热处理方式,可以改变离合器传递的最大载荷。由于材料的力学性能比较离散,所以剪切销安全离合器的工作精度不高。图11-14剪切销安全离合器第二节离