机械设计基础

第17章

联轴器、离合器§17-1§17-2§17-3§17-4§17-5§17-6§17-7§17-8联轴器、离合器的类型和应用固定式刚性联轴器可移动刚性联轴器弹性联轴器牙嵌式离合器

圆盘摩擦离合器磁粉离合器定向离合器1．基本内容联轴器的组成与分类；几种常用联轴器的结构、工作原理、特点以及选择和计算方法。离合器的组成与分类；几种常用离合器的结构、工作原理、特点及其选择。制动器的组成与分类；几种常用制动器的工作原理。一、基本内容及学2．学了解联轴器、离合器和制动器的功用。掌握联轴器连接两轴间位置的补偿原理，联轴器与离合器在功能上的异同点。掌握常用联轴器、离合器和制动器的主要类型、结构特点、工作原理、性能和选择及计算方法。一、基本内容及学重点几种常用联轴器、离合器和制动器的种类、工作原理、结构、特点。难点各种联轴器、离合器的选用。一、基本内容及学17-1

联轴器、离合器的类型和应用刚性联轴器弹性联轴器

牙嵌式离合器摩擦式离合器电磁离合器自动离合器固定式联轴器移动式联轴器作用：主要用于将两根轴联接在一起，使它们一起旋转，并传递扭矩。工作特点：联轴器用于刚性静态联接；而离合器则用于两轴之间的动态联接。分类：联轴器离合器应用实例：手腕驱

构、汽车后桥驱动、车辆启停等。17-1

联轴器、离合器的类型和应用联轴器、离合器大都已经标准化了，可直接选用。转矩选类型

2.

转速

确定型号与规格轴径1.工作条件计算转矩：

Tc=KATKA---工作情况系数；

T---名义转矩；表17-1

工作情况系数KA工

作

机原 为电

时发电机、小型通风机、小型离心机1.3透平压缩机、木工机械、输送机1.5搅拌机、增压机、有飞轮的压缩机1.7织布机、水泥搅拌机、拖拉机1.9挖掘机、起重机、碎石机、造纸机械2.317-1

联轴器、离合器的类型和应用17-2

固定式刚性联轴器①套筒联轴器②凸缘联轴器17-2

固定式刚性联轴器α两轴线的相对位移:由于制造、安装或工作时零件的变形等原因，被联接的两轴不一定度能精确对中，因此会出现两轴之间的轴向位移、径向位移和角位移，或其组合。轴向、径向、角度、综合。如果联轴器没有适应这种相对位移的能力就会在联轴器、轴和轴承中引起附加载荷，甚至引起强烈振动。联接特点：构成动联接，具有一个或几个方向的活动度能补偿两轴的相对位移。xyαxy轴向17-3

可移式刚性联轴器一、齿式联轴器17-3

可移式刚性联轴器优点：传递扭矩大、能补偿综合位移。缺点：结构笨重、造价高。应用：用于重型传动。17-3

可移式刚性联轴器二、滑块联轴器结构：两个端面开有径向凹槽的半联轴器，两端各具有凸榫的中间滑块，且两端榫头互相垂直，嵌入凹槽中，构成移动副。工作原理：当两轴存在不对中和偏斜时，滑块将在凹槽内滑动。优缺点：结构简单、制造容易。滑块因偏心产生离心力和磨损，并给轴和轴承带来附加动载荷。适用范围：α≤30’,y≤0.04d，v≤300

r/min17-3

可移式刚性联轴器三、万向联轴器作用：用于传递两相交轴之间的动力和运动，而且在传动过，两轴之间的夹角还可以改变。共轴、有夹角应用：广泛应用于汽车、机床等机械传动系统中。17-3

可移式刚性联轴器1.

单万向铰链机构结构特点：两传动轴末端各有一个叉形支架，用铰链与中间的“

形”构件相联，“十字形”构件的中心位于两轴交点处，

轴间角为

：α= 0~

45˚。运动分析：两轴平均传动比为1，但瞬时传动比是动态变化的。Aω'2Aαω1Bα

rr’在图示位置I,

以轴1为参考系，对A点有：

vA1

=

rω1以轴2为参考系，对A点有：vA2

= =

r

cosαω’

2显然r’有ω’：2vA1

=vA217-3

可移式刚性联轴器r”其它位置：代入得：ω1

=cosαω’2在图示位置II,

以轴2为参考系，对B点有：αω1BB

αAω"2vB2=rω”2以轴1为参考系，对B点有：vB1

=

r”ω1

=ω1

r

cosα同样有：vB1

=vB2代入得：ω’’2=ω1

cosαrω’2

>ω1=>ω”2

<ω1ω1cosαω1cos

α

≤

ω2

≤17-3

可移式刚性联轴器2.双万向铰链机构安装要求：①主动、从动、中间三轴共面；②主动轴、从动轴与中间件轴线间的夹角必须相等；③中间轴两端的叉面应在同一平面内。ααC2αα11

2

C

17-3

可移式刚性联轴器17-4

弹性联轴器预留安装空间以便与更换橡胶套A预留间隙以补偿轴向位移。c一、弹性套柱销联轴器结构特点：外观与凸缘联轴器相似，用带橡胶弹性套的柱销联接两个半联轴器。圆柱孔圆锥孔二、弹性柱销联轴器结构：用尼龙制成的柱销置于两个半联轴器凸缘的孔中。尼龙销挡板cc结构简 柱销方便。性元件传递 缓和冲击、吸应启动适用用偿较大的轴向位移，并允能补

许微量的径向位移和角位移。

销与挡板之间留有间隙特点：上述两种联轴器的动力通过弹

两种柱销17-4

弹性联轴器三、梅花型弹性联轴器特点：两半联轴器间放置梅花型非金属弹性元件。四、弹性活块联轴器特点：两半联轴器间放置非金属弹性元件，各元件间不相连。具有较大径向和角向补偿量，公称转矩和许用转五、轮胎式联轴器1、允许相对位移较大，角位移可达5˚~12˚，轴向位移可达0.02D，径向位可达0.01D，D为联轴器外径。2、适用于启动频繁、正反向运转、有冲击振动、两轴间有较大的相对位移量以及潮湿多尘之处。3、径向尺寸庞大，轴向尺寸较窄，利于缩短串接机组的总长度。17-4

弹性联轴器17-5

牙嵌离合器结构组成：端面带牙的固定套筒、活动套筒、对工作原理：利用杆移动滑环，实现两套筒的结合与分离。牙型60˚~90˚2˚~8˚2˚~8˚60˚三角形

----传递中小转矩、牙数为15~60梯

形

----传递较大转矩、牙数为3~15锯齿形梯形牙可以补偿磨损后的牙侧间隙。锯齿形只能单向工作。反转时具有较大的轴向分力，会迫使离合器自行分离。制造要求：各牙应精确等分，以使载荷均匀分布。17-5

牙嵌离合器承载能力：取决于齿根的弯曲强度。hkATzWD0bσ

=b≤

[σ

]0zD

ahp

=

2kAT≤

[p

]D0a式中：h为牙齿高度；z为牙齿数；

hW-齿根弯曲截面系数；D0-牙平均直径；a-牙的宽度。特点：结构简单、外廓尺寸小、能传递较大的转矩。材料：低碳合金钢：20Cr

、20MnB。渗碳淬火后牙面硬度：56~62

HRC;中碳合金钢：40Cr

、45MnB。表面淬火后牙面硬度：48~58

HRC;17-5

牙嵌离合器一、单片式圆盘摩擦离合器结

构：由固定圆盘1、活动圆盘2、滑环组成。工作原理：移动滑环，可实现两圆盘的结合与分离，靠摩擦力带动从动轴转动。摩擦扭矩:Tmax=Faf

Rf优

点：在任何转速条件下两轴都可以进行结合；过载时打滑，起保护作用；结合平稳、冲击和振动小。缺

点：结合过

不可避免出现打滑，引起磨损和发热；17-6

圆盘摩擦离合器二、多片式圆盘摩擦离合器结构特点：多个摩擦片叠加在一起。工作原理：移动滑环，通过杠杆作用，压紧

或放松磨擦片，来实

现两轴的结合与分离。17-6

圆盘摩擦离合器摩擦片材料：淬火钢片、压制石棉片。摩擦片数量z↑

→传递扭矩T↑但z过大将使各层间压力不均匀，一般取:z=12~15maxT =z

F

f

Ra

f4

Fa摩擦扭矩:表面压强:

p

==

z

Fa

f

(D1

+D2)

≥K4ATπ(D1

+D2)≤[p]D1D217-6

圆盘摩擦离合器摩擦片材料f圆盘摩擦离合器有润滑剂无润滑剂[p]/

MPa铸铁—铸铁或钢0.05~0.060.15~

0.20.25~0.30淬火钢—淬火钢0.05~0.060.180.6~0.8青铜—钢或铸铁0.080.17~

0.180.4~0.5压制石棉—钢或铸铁0.120.3~

0.50.20~0.3017-6

圆盘摩擦离合器表17-2

常用摩擦片材料的

f

和[p]类型对于频繁启动的离合器，可将表中[p]降低15~30%。干式磨擦离合器

→反应敏捷，但摩擦片易磨损。油式磨擦离合器

→磨损轻微、长、并能在繁重的条件下运转。离合器的

方式机械力电磁力气动力力17-6

圆盘摩擦离合器三、

方式磁粉材料：铁钴镍、铁钴钒等合金粉，加入少量二硫化钼。形状为球形或椭球形，颗粒直径为：20~70 μm。优点：励磁电流I

与转矩T呈线性关系、转矩调节简单而且精确，调节范围宽。

可用作恒张力控制，是造纸机、纺织机、印刷机、绕线机等的理想装置。若将主动件固定，则可作制动器使用。方便、离合平稳、工作可靠。缺点：相对而言比较笨重。17-7

磁粉离合器一、滚柱式定向离合器结构：由星轮、外环、滚柱、弹簧推杆等零件组成。滚柱在弹簧推杆作用下处于半楔紧状态。工作原理：当外环逆时钟转动时，以摩擦力带动滚柱向前滚动，进一步楔紧内外接触面，从而驱动星轮一起旋转。当外环反向转动时，则带动滚柱克服弹簧力而滚到楔形空间的宽敞位置，离合器处于分离状态。17-8

定向离合器二、楔块式定向离合器结构：由内环、外环、楔块、支撑环、拉簧等零件组成。工作原理：内外环工作面都为圆形，整圈拉簧压着楔块始终与内环接触，并力图使楔块绕自身作逆时钟方向偏摆。当外环顺时钟方向旋转时，楔块克服弹簧力而作顺时钟方向摆动，从而在内外环间越楔越紧，离合器处于结合状态。反向时斜块松开而成分离状态。优点：楔块曲率半径大，装入数量多，相同尺寸时传递的转矩更大。缺点：高速运转时有较大磨损，较短。17-8

定向离合器三、典型实例分析例13-1

一碎石机轴与齿轮已知工作转矩T=2.5kN·m，器输出轴相连接。器输出轴轴径d1=90mm；碎石机轴径d2=100mm，转速n=800r／min，试确定联轴器的型号，并写出其标记。三、典型实例分析解：⑴类型选择因用于低速轴，传递转矩较大，为使结构紧凑，选用齿式联轴器。⑵求计算转矩Tc根据原

为电

，工作机为碎石机查得：工作情况系数K=2.3，求得计算转矩为Tc=KT=（2.3×2.5）kN·m

=5.75kN·m三、典型实例分析⑶型号选择从机械设计手册（ZB/T19013—1989）查得：GⅡCL7型鼓形齿式联轴器的许用转矩为6300N·m，许用最大转速为3750r/min，轴径范围为50~105mm，故合用。器轴端半联轴器用Y型轴孔，轴孔直径d1=90mm，轴孔长度L1=172mm；碎石机轴端半联轴器用J1型轴孔，轴孔直径d2=100mm，轴孔长度L2=167mm。所以联轴器的标记为GⅡCL7

联轴器ZB

J10913

89Y

90

172J1100

167三、典型实例分析常用联轴器的特点和使用条件，类别型

式特

点使用条件刚联性

固轴定

式器套筒联轴器结构较简单，径向尺寸小，但装拆不方便用于两轴直径较小同心度高、工作平稳的连接凸缘联轴器结构简单，成本低，能传递较大的转矩对中精度较高，载荷平稳的连接三、典型实例分析常用联轴器的特点和使用条件类别型

式特

点使用条件刚联性

可轴移

式器滑块联轴器径向尺寸小，较长，但制造复杂，需要润滑用于低速传动，两轴同轴度误差较大的情况齿式联轴器承载能力大，工作可靠，但制造成本高可在高温重载条件下工作，常用在起动频繁，正反转变化较多的场合万向联轴器径向尺寸小，结构紧凑，方便，单个使用有附加动载荷所以常成对使用用于两轴夹角大、或两轴平行但连接距离大的场，合三、典型实例分析常用联轴器的特点和使用条件类别型

式特

点使用条件弹性联轴器弹性套柱销联轴器弹性较好，装拆方便，成本低，但弹性套易损坏，短，要限制使用温度用于连接载荷平稳，需正反转，起动频繁，高速轻载的场合弹性柱销联轴器结构简单，

制造容易，

方便，长，但要限制使用温度用于正反转变化较多，起动频繁的高、低速传动合1.

问答题⑴联轴器和离合器的功用是什么？两者的功用有何异同？⑵刚性固定式联轴器和刚性可移式联轴器有何区别？各适么工作条件？⑶刚性可移式联轴器和弹性联轴器有何区别？各适合么工作条件？⑷刚性凸缘式联轴器有哪几种对中方法？各有什么特点？⑸单万向联轴器的主要缺点是什么？双万向联轴器正确安装的条件是什么？⑹怎样计算联轴器的计算转矩？工作情况系数K与哪些因素有关？四、复习题⑺在下列工况下，选择哪类联轴器较好？试举出一种联轴器的名称。①载荷平稳、冲击轻微，两轴易于准确对中，同时希望较长；②载荷比较平稳、冲击不大，但两轴轴线具有一定程度的相对偏移；③载荷不平稳，且具有较大冲击和振动。⑻牙嵌离合器常用的牙形有几种？各有什么特点？⑼为什么要限制圆盘摩擦离合器接合面的数目？⑽制动器常用在哪些场合？它们的工作原理是什么？⑾制动器通常是安装在机器的高速轴上还是低速轴上？为什么？四、复习题2.

选择题（1）联轴器与离合器的主要作用是

。(A)

缓和冲击和振动；

(B)

补偿两轴间的偏移；(C)

联接两轴并传递运动和转矩；(D)

防止机器发生过载。刚性联轴器和弹性联轴器的主要区别是

。弹性联轴器内装有弹性件，而刚性联轴器没有；弹性联轴器能补偿两轴间的偏移，而刚性联轴器不能；刚性联轴器要求两轴严格对中，而弹性联轴器不要求对中；弹性联轴器过载时能打滑，而刚性联轴器不能。弹性联轴器不适用于

工作场合。两轴线有相对偏移；

(B)

传递较大转矩；两轴线倾斜一角度；工作中有冲击、振动及起动频繁四、复习题（4）安装凸缘联轴器时，对两轴的要求是

。(A)

两轴严格对中；

(B)

两轴可有径向偏移；(C)

两轴可相对倾斜一角度；(D)

两轴可有综合位移。（5）齿式联轴器的特点是

。(A)

可补偿两轴的综合位移；(B)可补偿两轴的径向偏移；(C)

可补偿两轴的角偏移；

(D)

有齿顶间隙，能吸收振动（6）下列

不是弹性套柱销联轴器的特点。(A)

结构简单，装拆方便；

(B)

价格低廉；(C)

能吸收振动和补偿两轴的综合位移。(D)

弹性套不易损坏，使用

长。（7）用于联接两相交轴的单万向联轴器，其主要缺点是

。(A)

结构庞大， ；(B)

零件易损坏，使用

短；(C)

只能传递小转矩；(D)

主动轴作等速运动，但从动轴作周期性的变速运动。四、复习题（8）桥式起重机两传动轴用齿式联轴器CL2相联，两轴直径相等，轴的转速n

=70r/min，如该联轴器许用最大转矩为1400N·m，取工作情况系数K=1.5，试求联轴器能传递的最大功率Pmax

。(A)

Pmax=10.26kW；

（B）Pmax=6.84kW；(C)Pmax=10kW；

（D）

Pmax=15.39kW。（9