《机械设计基础》第12章 联轴器、离合器和制动器

1、12.1 概述概述联轴器：联轴器： 作用：作用：主要用作轴与轴之主要用作轴与轴之间的联接，以传递运动和间的联接，以传递运动和转矩。转矩。特点：特点：停机时才能联接或停机时才能联接或分离。分离。 离合器：离合器：作用：作用：在机器工作中可随时使两轴结合或分离。在机器工作中可随时使两轴结合或分离。特点：特点：随时控制启动和停车，随时控制启动和停车， 控制变速和换档，控制变速和换档， 过载安全保护。过载安全保护。制动器：制动器：迫使机器迅速停止运转或降低机器运转速度。迫使机器迅速停止运转或降低机器运转速度。联轴器与离合器：联轴器与离合器：相同点：相同点： 联接两轴、传递运动和转矩联接两轴、传递运动和

2、转矩不同点：不同点：联轴器联轴器联接的两轴只有停车后联接的两轴只有停车后经拆卸才能分离经拆卸才能分离离合器离合器联接的两轴可在机器工联接的两轴可在机器工作中方便地实现分离与作中方便地实现分离与接合接合式中：式中：T-联轴器、离合器传递的名义转矩，联轴器、离合器传递的名义转矩， 单位：单位：联轴器、离合器联轴器、离合器的计算转矩的计算转矩校核强度时的计算转矩为校核强度时的计算转矩为:cTKTN mmK-工作情况系数工作情况系数轴的相对位移：轴的相对位移：轴向位移、径向位移、角位移、综轴向位移、径向位移、角位移、综合位移，联轴器应具有补偿这些位移的能力。合位移，联轴器应具有补偿这些位移的能力。刚性

3、刚性联轴器联轴器弹性弹性联轴器联轴器固定式固定式刚性联轴器刚性联轴器要求被联接两轴要求被联接两轴轴线严格对中轴线严格对中可移式可移式刚性联轴器刚性联轴器可以通过两半联轴器间可以通过两半联轴器间的相对运动来补偿被联的相对运动来补偿被联接两轴的相对位移。接两轴的相对位移。弹性联轴器包含有弹性元件，不仅具弹性联轴器包含有弹性元件，不仅具有吸收振动和缓解冲击的能力，而且有吸收振动和缓解冲击的能力，而且能够通过弹性元件的变形来补偿两轴能够通过弹性元件的变形来补偿两轴的相对位移。的相对位移。机械式联轴器、液力联轴器、电磁式联轴器机械式联轴器、液力联轴器、电磁式联轴器 1.套筒联轴器套筒联轴器特点：特点：结

4、构简单结构简单,径向尺寸小。常用于要求径向尺寸径向尺寸小。常用于要求径向尺寸紧凑或空间受限制的场合。缺点是装拆时需轴向移紧凑或空间受限制的场合。缺点是装拆时需轴向移动。动。特点：特点：是径向尺寸小且装拆方便是径向尺寸小且装拆方便,克服了套筒联轴克服了套筒联轴器装拆需轴向移动的不足；缺点是器装拆需轴向移动的不足；缺点是转动平衡性较差转动平衡性较差,故常用于低速。故常用于低速。2.夹壳联轴器夹壳联轴器3.凸缘联轴器凸缘联轴器特点：特点：对两轴对中性的要求很高对两轴对中性的要求很高,结构简单、成本结构简单、成本低、传递转矩大应用最广。缺点是对轴的位移补低、传递转矩大应用最广。缺点是对轴的位移补偿能力

5、差。偿能力差。普通螺栓联接普通螺栓联接铰制孔螺栓联接铰制孔螺栓联接GB/T5843-2003 二、可移式刚性联轴器二、可移式刚性联轴器1.十字滑块联轴器十字滑块联轴器十字滑块联轴器允许的径向位移十字滑块联轴器允许的径向位移 0.04yd d轴的直径允许的角位移允许的角位移 30。特点：特点：十字滑块十字滑块联轴器联轴器径向尺寸径向尺寸小小,结构简单结构简单,用于低速。需要润用于低速。需要润滑滑2.齿轮联轴器齿轮联轴器允许的径向位移允许的径向位移 0.3 0.4ymm允许角位移允许角位移 115特点：特点：传递转矩大传递转矩大,外形尺寸紧外形尺寸紧凑凑,工作可靠工作可靠,但结构复杂但结构复杂,成

6、本成本高，需要润滑和密封高，需要润滑和密封,常用于低常用于低速的重型机械中。速的重型机械中。齿顶做成齿顶做成球面；球面；齿侧做成齿侧做成鼓形。鼓形。3.万向联轴器万向联轴器 当一轴固定时当一轴固定时,另一轴可以在任意方向偏斜另一轴可以在任意方向偏斜 角角,角位移最大可达角位移最大可达45。当主动轴以等角速度当主动轴以等角速度回转时回转时,1从动轴的角速度从动轴的角速度2将在一定范围将在一定范围121cos/cos内作周期性的变化内作周期性的变化,从而引起动载荷。从而引起动载荷。 为消除从动轴的速度波动为消除从动轴的速度波动,通常将万向联轴器成通常将万向联轴器成对使用对使用,并使中间轴的两个叉子

7、位于同一平面上并使中间轴的两个叉子位于同一平面上,还应还应使主、从动轴的轴线与中间轴的轴线间的偏斜角使主、从动轴的轴线与中间轴的轴线间的偏斜角 相等相等 ，转速不宜太高。，转速不宜太高。12小型万向联轴节的结构小型万向联轴节的结构u靠弹性补偿径向位移、靠弹性补偿径向位移、角位移，预留角位移，预留C补偿轴补偿轴向位移向位移u设计时预留距离设计时预留距离Au结构简单结构简单,制造容易制造容易,装拆方便装拆方便,成本较低。成本较低。u适用于转矩小、转速适用于转矩小、转速高、频繁正反转、需要高、频繁正反转、需要缓和冲击的地方。缓和冲击的地方。三、弹性联轴器三、弹性联轴器GB/T4323-2002 2.

8、弹性柱销联轴器弹性柱销联轴器u尼龙柱销，端部设有挡圈尼龙柱销，端部设有挡圈u靠弹性补偿径向位移、角位移，预留靠弹性补偿径向位移、角位移，预留C补偿轴向位补偿轴向位移，结构简单移，结构简单,制造方便制造方便,成本低。适用于转矩小、转成本低。适用于转矩小、转速高、正反向变化多、起动频繁的高速轴。速高、正反向变化多、起动频繁的高速轴。3.轮胎式联轴器轮胎式联轴器 橡胶轮胎易于变形，允许的相对位移较大，橡胶轮胎易于变形，允许的相对位移较大，角位移可达角位移可达512,轴向位移可达轴向位移可达0.02D,径向位移可达径向位移可达0.01D,其中其中D为联轴器的外径。为联轴器的外径。 结构简单结构简单,使

9、用可使用可靠，弹性大靠，弹性大,寿命长寿命长,不不需润滑，但径向尺寸需润滑，但径向尺寸大。可用于潮湿多尘大。可用于潮湿多尘,起动频繁之处。起动频繁之处。GB/T5844-2002 由圆形截面的金属弹簧钢丝插入在两个半联轴由圆形截面的金属弹簧钢丝插入在两个半联轴器凸缘上的孔中。结构简单，价格便宜，尺寸小，应器凸缘上的孔中。结构简单，价格便宜，尺寸小，应用较广泛，用于风机、泵等机械设备中。用较广泛，用于风机、泵等机械设备中。 5、波纹管联轴器、波纹管联轴器由两个轴套和波纹管组成。由两个轴套和波纹管组成。特点：特点：结构简单，惯性小，弹性回差小，运转稳定。结构简单，惯性小，弹性回差小，运转稳定。主要

10、用于仪器和控制系统中。主要用于仪器和控制系统中。其它联轴器、离合器其它联轴器、离合器其它联轴器、离合器其它联轴器、离合器滚子链联轴器滚子链联轴器GB/T6069-2002 蛇形弹性联轴器蛇形弹性联轴器 JB/T8869-2000 弹性管联轴器弹性管联轴器 带制动轮鼓形齿带制动轮鼓形齿式联轴器式联轴器JB/ZQ 4644-97 梅花形弹性联轴器梅花形弹性联轴器GB/T5272-2002 产品特征产品特征拆装迅速，具有很高的装配重复性。拆装迅速，具有很高的装配重复性。 无需润滑，无噪音，磨损。无滑动、摩擦、转动部件，可降低能量损失。无需润滑，无噪音，磨损。无滑动、摩擦、转动部件，可降低能量损失。

11、结构简单，重量轻。不需维护，停机时肉眼可检查故障。结构简单，重量轻。不需维护，停机时肉眼可检查故障。 良好的环境适应性，可高温下运转。转动精度高，可靠性高，寿命长。良好的环境适应性，可高温下运转。转动精度高，可靠性高，寿命长。单型弹性膜片联轴器单型弹性膜片联轴器(胀紧套联接胀紧套联接) JB/T9147-1999 带制动轮弹性套柱销联轴器带制动轮弹性套柱销联轴器GB/T4323-2002 离合器的分类离合器的分类v便于接合与分离；便于接合与分离；v接合与分离迅速、可靠；接合与分离迅速、可靠；v接合时振动小，耐磨性好、散热性好；接合时振动小，耐磨性好、散热性好；v调节维修方便；调节维修方便；v尺

12、寸小、重量轻。尺寸小、重量轻。一、操纵式离合器一、操纵式离合器1.1.牙嵌离合器牙嵌离合器1 1、2 2 半离合器；半离合器；3 3 导向平键导向平键4 4 操纵滑环；操纵滑环；5 5 对中环对中环v三角形齿：三角形齿：接合容易、强度低，用于小载荷。接合容易、强度低，用于小载荷。v梯形齿：梯形齿：强度高、可补偿间隙，用于较大载荷。强度高、可补偿间隙，用于较大载荷。v锯齿形齿：锯齿形齿：单向工作、强度最高。单向工作、强度最高。v离合器的牙齿数一般取离合器的牙齿数一般取360v要求牙齿有较大的硬度（表面淬火或渗碳淬火）要求牙齿有较大的硬度（表面淬火或渗碳淬火） 牙嵌离合器的承载能力主要取决于齿根弯

13、曲强度。牙嵌离合器的承载能力主要取决于齿根弯曲强度。对于频繁离合的牙嵌离合器，将产生齿面磨损，常通对于频繁离合的牙嵌离合器，将产生齿面磨损，常通过限制齿面压强过限制齿面压强p来控制磨损。即来控制磨损。即 牙嵌离合器结构简单，尺寸小，工作时无滑动，牙嵌离合器结构简单，尺寸小，工作时无滑动，应用广泛。但只宜在两轴不回转或转速差很小时进应用广泛。但只宜在两轴不回转或转速差很小时进行离合，否则会因撞击而断齿。行离合，否则会因撞击而断齿。b0bbKThZDWMPa 02KTppZD AMPa强度计算：强度计算：单盘摩擦离合器单盘摩擦离合器1 1主动轴主动轴2 2从动轴从动轴3 3、4 4摩擦盘摩擦盘5

14、5操纵滑环操纵滑环F FQ Q轴向压力轴向压力1、3 主、从动轴主、从动轴 2、4 半离合器半离合器5、6 外、内摩擦片外、内摩擦片 7 操纵滑环操纵滑环8 杠杆杠杆 9 弹簧弹簧10 螺母螺母v摩擦离合器传递的最大转矩摩擦离合器传递的最大转矩v摩擦面上的最大压强摩擦面上的最大压强12max4QDDTZfFKT 22214()QFppDDMPa 0vznpK K Kpv基本许用压强基本许用压强Nmm离合器的摩擦片离合器的摩擦片正压力变大正压力变大sinQFN传递转矩的能力变大传递转矩的能力变大 自动离合器是一种能根据机器运动或动力参数的自动离合器是一种能根据机器运动或动力参数的变化而自动完成结

15、合和分离的离合器。变化而自动完成结合和分离的离合器。1.安全离合器安全离合器特点特点: 是当转矩超过允许数值时能自动分离是当转矩超过允许数值时能自动分离摩擦式安全离合器摩擦式安全离合器当主动轴的转速达到某一定值时能自行结合或分离。当主动轴的转速达到某一定值时能自行结合或分离。瓦块式瓦块式常开式离合器：常开式离合器：主要用于起动装置主要用于起动装置常闭式离合器：常闭式离合器：主要用作安全装置主要用作安全装置,当机器转速过当机器转速过高时起安全保护作用。高时起安全保护作用。 只能按一个转向传递转只能按一个转向传递转矩，反向时自动分离。矩，反向时自动分离。 这种离合器工作时没有这种离合器工作时没有噪

16、声，宜于高速转动，但制噪声，宜于高速转动，但制造精度要求高。造精度要求高。1、星轮，、星轮，2、外圈、外圈3、滚柱，、滚柱，4、顶杆、顶杆电磁粉末离合器电磁粉末离合器 牙嵌式电磁离合器牙嵌式电磁离合器 电磁离合器电磁离合器 利用摩擦力来减低运动物体的速度或迫使其停利用摩擦力来减低运动物体的速度或迫使其停止运动的装置。止运动的装置。按着制动零件的结构特征分按着制动零件的结构特征分,有带式、有带式、块式、盘式制动器。块式、盘式制动器。一、带式制动器一、带式制动器 带式制动器制动带式制动器制动轮轴和轴承受力大，轮轴和轴承受力大，带与轮间压力不均匀带与轮间压力不均匀,从而磨损也不均匀从而磨损也不均匀,

17、且易断裂且易断裂,但结构简但结构简单单,尺寸紧凑尺寸紧凑,可以产可以产生较大的制动力矩生较大的制动力矩,常应用。常应用。1、制动轮，、制动轮，2、闸带，、闸带，3、杠杆、杠杆 电磁块式制动器：电磁块式制动器：起动和开启迅速，尺寸小，起动和开启迅速，尺寸小，重量轻，易于调整瓦块间隙，更换瓦块、电磁铁也重量轻，易于调整瓦块间隙，更换瓦块、电磁铁也方便，但制动时冲击大，电能消耗也大，不宜用于方便，但制动时冲击大，电能消耗也大，不宜用于制动力矩大和需要频繁制动的场合。制动力矩大和需要频繁制动的场合。1 1电磁线圈，电磁线圈，2 2衔铁，衔铁，3 3套杆，套杆，4 4拉簧，拉簧，5 5瓦块，瓦块，6 6

18、制动轮制动轮 这种制动器结构紧凑广泛应用于各种车辆以及这种制动器结构紧凑广泛应用于各种车辆以及结构尺寸受到限制的机械中。结构尺寸受到限制的机械中。1 1、8 8销轴销轴2 2、7 7蹄片蹄片3 3、6 6摩擦片摩擦片4 4油缸油缸5 5拉簧拉簧v作业：作业：习题习题12-1；习题习题12-3；齿轮联轴器齿轮联轴器弹性套柱销联轴器弹性套柱销联轴器弹性柱销联轴器弹性柱销联轴器轮胎联轴器轮胎联轴器载荷平稳的低速轴，轴的刚度大而对中严格载荷平稳的低速轴，轴的刚度大而对中严格 固定式联轴器固定式联轴器冲击、振动较大，有相对位移的高速轴冲击、振动较大，有相对位移的高速轴 弹性可移式联轴器弹性可移式联轴器载

19、荷平稳的低速轴，轴的刚度小，有相对位移载荷平稳的低速轴，轴的刚度小，有相对位移 刚性可移式联轴器刚性可移式联轴器T工作转矩工作转矩K工作情况系数工作情况系数对角位移较大的两轴对角位移较大的两轴万向联轴器万向联轴器Tn标称转矩标称转矩()m mN Nn nP PT T= 9 95 55 50 0n nc cT TK KT TT T =二、联轴器的选择二、联轴器的选择1 1、选联轴器类型、选联轴器类型: :2 2、确定计算扭矩、确定计算扭矩T Tc c: :nn由由d、Tc、n定型号（按标准）定型号（按标准）3 3、定型号、定型号4 4、校核转速、校核转速5 5、协调轴孔直径、协调轴孔直径6 6、

20、规定部件安装精度、规定部件安装精度第二节第二节 常用离合器类型及选择常用离合器类型及选择牙嵌式动作过程牙嵌式动作过程一、常用离合器的特点及应用一、常用离合器的特点及应用牙嵌式结构组成牙嵌式结构组成1 1、牙嵌式离合器、牙嵌式离合器 单片离合器动作过程单片离合器动作过程2 2、摩擦式离合器、摩擦式离合器 动作过程动作过程结构组成结构组成多片离合器多片离合器二、离合器的选择二、离合器的选择1.1.主从动轴同步转动且传递转矩较大主从动轴同步转动且传递转矩较大牙嵌式离合器牙嵌式离合器2.2.高速下平稳接合而主从动轴同步性要求低高速下平稳接合而主从动轴同步性要求低 单片单片/多片摩擦式离合器。多片摩擦式

21、离合器。3.3.特定条件下（一定转矩、转速及转向）能自动接合特定条件下（一定转矩、转速及转向）能自动接合或分离时或分离时超越离合器。超越离合器。1、套筒式联轴器、套筒式联轴器这是一类最简单的联轴器，如图所示。这种联轴器是一个圆柱型套筒，用两个圆锥销键或螺钉与轴相联接并传递扭矩。此种联轴器没有标准，需要自行设计，例如机床上就经常采用这种联轴器。 图图1532、凸缘式联轴器、凸缘式联轴器 刚性联轴器种使用最多的就是凸缘式联轴器。它由两个带凸缘的半联轴器组成，两个半联轴器通过键分别与两轴相联接，并用螺栓将两个半联轴器联成一体，如图所示。 图图154 按对中方式分为型和型：型用凸肩和凹槽（D1）对中，

22、并用普通螺栓联接，工作时靠两半联轴器接触面间的摩擦力传递转矩，装拆时需要作轴向移动。型用铰制孔螺栓对中，螺栓与孔为略有过盈的紧配合，工作时靠螺栓受剪与挤压来传递转矩。装拆时不需要作轴向移动，但要配铰螺栓孔。 图图154图图15143、梅花形弹性联轴器、梅花形弹性联轴器 这种联轴器如图所示。其半联轴器与轴的配合孔可做成圆柱形或圆锥形。 装配联轴器时，将梅花形弹性元件的花瓣部分夹紧在两半联轴器端面的凸齿交错插进所形成的齿侧空间，以便在联轴器工作时起到缓冲减振的作用。弹性元件可根据使用要求选用不同硬度的聚氨酯橡胶、铸型尼龙等材料制造。工作范围为35C80C，短时工作温度可达100C，传递的公称转矩范

23、围为1625000Nm。 图图15165、膜片联轴器、膜片联轴器 膜片式联轴器的典型结构如图所示 其弹性元件为一定数量的很薄的多边形（或椭圆形）金属膜片叠合而成的膜片组，膜片上有沿圆周方向均布的若干个螺栓孔，用铰制孔用螺栓交错间隔与半联轴器相联接。这样弹性元件上的弧段分别为交错受压缩和受拉伸的两部分。拉伸部分传递转矩，压缩部分趋于皱褶。当缩联接的两轴存在轴向、径向和角位移时，金属膜片便产生波状变形。 当然，还有其它多种联轴器，我们在需要时可以查阅有关手册根据需要选定，我们在此就不作进一步讲解了。 绝大多数联轴器都已经能够标准化或规格化，一般设计这的任务就是根据实际合理的选用，而不是设计。选择的

24、基本步骤可按以下进行。一、选择联轴器的类型一、选择联轴器的类型 根据传递的转矩的大小、轴转速的高低，被联接两部件的安装精度，参考各种类型联轴器的特性，选择一种合用的联轴器。具体如下： 1）所需传递的转矩的大小和性质以及对缓）所需传递的转矩的大小和性质以及对缓冲减振功能的要求。冲减振功能的要求。例如，对大功率的重载传动，可选用齿式联轴器；对严重冲击载荷或要求消除轴系扭转振动的传动，可选用轮胎式联轴器等具有较高弹性的联轴器。2）联轴器的工作转速高低和引起的离心力）联轴器的工作转速高低和引起的离心力大小。大小。对于高转速传动轴，应选用平衡精度高的联轴器，如膜片联轴器等，而不宜选用存在偏心的滑块联轴器

25、等。 3）两轴相对位移的大小和方向。）两轴相对位移的大小和方向。当安装调整后，难以保持两轴严格精确对中，或者工作过程中两轴将产生较大的附加相对位移时，应选用有补偿作用的联轴器。例如当径向位移较大时，可选用滑块联轴器，角位移较大时或相交两轴的联接可用万向联轴器等。4）联轴器的可靠性和工作环境。）联轴器的可靠性和工作环境。通常由金属元件制成的布需要润滑的联轴器比较可靠；需要润滑的联轴器，其性能易受润滑完善程度的影响，且可能污染环境。含有橡胶等非金属元件的联轴器对温度、腐蚀性介质及强光等比较敏感，而且容易老化。5）联轴器的制造、安装、维护和成本。）联轴器的制造、安装、维护和成本。在满足使用性能的前提

26、下，应选用拆装方便、维护简单、成本低的联轴器。例如，刚性联轴器不但简单，而且拆装方便，可用于低速、刚性大的传动轴。一般的非金属弹性元件联轴器，由于具有良好的综合性能，广泛适用于一般中小功率传动。 二、计算联轴器的计算转矩二、计算联轴器的计算转矩 由于及其启动时的动载荷和运转中可能出现过载现象，所以应当按轴上的最大转矩作为计算转矩Tca，计算转矩按下式进行： 其中：T为公称转矩，单位Nm；KA为工况系数，可以查阅有关设计资料得到。 TKTAca三、确定联轴器的型号三、确定联轴器的型号 根据计算转矩Tca及所选的联轴器类型，按照 的条件由联轴器标准中选定联轴器型号。四、校核最大转速四、校核最大转速 被联接轴的转速n不应超过所选联轴器的允许最高转速nmax，即 TTcamaxnn 五、协调轴孔直径五、协调轴孔直径 多数情况下，每一型号联轴器适用的轴的直径均有一个范围。标准中或者给出轴直径的最小值和最大值，或者给出适用直径的尺寸系列，被联接两轴的直径应当在此范围内。一般情况下被联接两轴的直径是不同的，两个轴端的形状也可能是不同的，如主动轴轴端为圆柱形，所