机械设计基础与项目实践 课件 模块10 联轴器的设计

第十模块

联轴器的设计在冲床的传动系统中，传动路线为电动机——带传动——齿轮减速器——执行机构，减速器的输出轴Ⅲ与曲柄轴w之间用联轴器相联，并传递运动和转矩，如图10-1所示。图10-1减速器与曲柄轴用联轴器相联1—电动机2—带传动3—齿轮减速器4—联轴器5—曲柄轴6—执行机构常用联轴器大多已标准化和系列化，设计时一般不需重新设计结构，只需直接在标准中选用即可。本模块的具体内容包括：正确选择联轴器的类型、确定联轴器的型号。任务1选择联轴器的类型任务2选择联轴器的型号工作任务学习目标掌握联轴器的类型及选择的方法掌握常用联轴器的结构及使用特点掌握选择联轴器的型号和选择的方法掌握联轴器的标记第十模块

联轴器的设计10.1任务1——选择联轴器的类型【任务描述与分析】如图10-1所示，联轴器用来联接减速器的输出轴与曲柄轴，减速器输出轴的扭矩为＝4.88×105Nmm，转速为=69.91r/min，现在要选择联轴器类型。根据冲床的工作情况可知该联轴器的工作条件是：1）使用时间10年（每年工作250天），两班制，连续单向运转；2）有冲击载荷，经常满载，空载启动。本任务要根据冲床的工作条件和使用要求，选择联轴器的类型，具体内容包括：1）联轴器的类型；2）选择联轴器类型时应考虑的因素。10.1任务1——选择联轴器的类型【相关知识与技能】

联轴器是用来联接两轴使其一同回转并传递运动和转矩的一种机械装置，用联轴器联接轴时只有在机器停止运转，经过拆卸后才能使两轴分离。用联轴器联接的两轴，由于制造及安装误差、受载后的变形以及温度变化等因素的影响，往往不能保证严格的对中，两轴间会产生一定程度的相对位移与偏斜，如图10-2所示。10.1任务1——选择联轴器的类型【相关知识与技能】

图10-2两轴间相对偏移的形式10.1任务1——选择联轴器的类型【相关知识与技能】

联轴器除了能传递所需的转矩外，还应在一定程度上具有补偿两轴间偏移的性能，以避免轴、轴承和联轴器在工作中引起附加动载荷和强烈的振动而破坏机器的正常工作。同时为了减少机械传动系统的振动，还应具有一定的缓冲减震性能，有时还能作为一种安全装置用来防止被连接件承受过大的载荷，起到过载保护作用。10.1任务1——选择联轴器的类型10.1.1联轴器的类型10.1.2选择联轴器类型时应考虑的因素10.1.3选择冲床传动系统中联轴器的类型10.1.1联轴器的类型

根据联轴器有无弹性元件、对各种相对位移有无补偿能力以及联轴器的用途等，联轴器可分为三大类：刚性联轴器，挠性联轴器和安全联轴器。刚性联轴器不具有补偿两轴间偏移的能力，使用时要求被联接两轴的中心线严格对中。挠性联轴器对两轴间的偏移具有一定的补偿能力。安全联轴器在其传递的转矩超过允许的极限值时，联轴器中的特定元件将发生折断，从而自动停止传动，以保护机器中的重要零件不致损坏。联轴器的种类很多，在此只介绍常用并具有代表性的几种联轴器。1.刚性联轴器刚性联轴器由刚性元件组成，因而不具有缓冲减振能力。刚性联轴器主要有凸缘联轴器、套筒联轴器、夹壳联轴器等几种形式，其中凸缘联轴器的应用最为广泛。10.1.1联轴器的类型1）凸缘联轴器凸缘联轴器由两个带凸缘的半联轴器和联接螺栓组成，凸缘联轴器有两种对中方式：（1）如图10-3a）所示，采用凸肩和凹槽对中，利用两个半联轴器接合端面上的凸肩和凹槽相配合来对中，用普通螺栓联接两个半联轴器，靠接合面的摩擦力来传递转矩，对中精度高，但装拆时轴必须作轴向移动，多用于不常装拆的场合。（2）如图10-3b）所示，采用铰制孔用螺栓对中，靠螺栓杆承受挤压与剪切来传递转矩。其传递转矩的能力较大，装拆时轴不必作轴向移动，只需拆卸螺栓即可，可用于经常装拆的场合。10.1.1联轴器的类型1）凸缘联轴器图10-3凸缘联轴器(a)(b)(a)凸肩和凹槽对中(b)铰制孔用螺栓对中10.1.1联轴器的类型2）套筒联轴器如图10-4所示，套筒联轴器通过一个套筒并采用键、销或花键等联接零件使两轴相联接，结构简单，径向尺寸小，传递的转矩较小，装拆时轴需作轴向移动。常用于两轴间对中性良好、径向尺寸受限制、传递转矩不大、转速低（≤250r/min）的场合。图10-4套筒联轴器(a)键联接(b)销联接10.1.1联轴器的类型2.挠性联轴器挠性联轴器可分为无弹性元件的挠性联轴器和带有弹性元件的挠性联轴器两类，前一类只具有补偿两轴相对位移的能力，后一类还具有缓冲和减振的能力。1）无弹性元件挠性联轴器这类联轴器的组成零件间具有相对可移性，因而可以补偿两轴间的偏移，但因无弹性元件，故不能缓冲减振。常见的有以下几种：10.1.1联轴器的类型（1）十字滑块联轴器如图10-5所示，十字滑块联轴器是由两个端面上开有凹槽的半联轴器1、3和一个两面带有凸牙的中间圆盘2组成。凸牙相互垂直布置，安装时凸牙分别嵌入两个半联轴器的凹槽中，工作中靠凹槽和凸牙的相互嵌合传递转矩，工作中凸牙可以在凹槽中滑动，故可以补偿安装及运转中两轴间的偏移。图10-5十字滑块联轴器1、3—半联轴器2—中间圆盘十字滑块联轴器的结构简单，径向尺寸小，一般用于转速较低（≤250r/min），轴的刚度较大，无剧烈冲击的场合。10.1.1联轴器的类型（1）十字滑块联轴器如图10-5所示，十字滑块联轴器是由两个端面上开有凹槽的半联轴器1、3和一个两面带有凸牙的中间圆盘2组成。凸牙相互垂直布置，安装时凸牙分别嵌入两个半联轴器的凹槽中，工作中靠凹槽和凸牙的相互嵌合传递转矩，工作中凸牙可以在凹槽中滑动，故可以补偿安装及运转中两轴间的偏移。图10-5十字滑块联轴器1、3—半联轴器2—中间圆盘十字滑块联轴器的结构简单，径向尺寸小，一般用于转速较低（≤250r/min），轴的刚度较大，无剧烈冲击的场合。10.1.1联轴器的类型（2）齿式联轴器齿式联轴器利用内、外齿的相互啮合而实现两轴间的联接，它具有良好的对两轴间综合偏移的补偿能力，其中鼓形齿联轴器应用最广。鼓形齿联轴器如图10-6所示，由两个带有外齿的内套筒1、4和两个带有内齿及凸缘的外套筒2、3所组成，两个内套筒分别用键与两轴相联接，两个外套筒用螺栓联成一体。图10-6齿轮联轴器1.4—内套筒2.3—外套筒5—密封圈齿式联轴器能传递很大的转矩，使用转矩范围广，工作可靠，对安装精度要求不高，但结构复杂、质量大、制造成本高，主要用于在重型机器和起重设备中。10.1.1联轴器的类型（3）万向联轴器万向联轴器的种类很多，其中十字轴万向联轴器最为常用，如图10-7所示。十字轴万向联轴器由两个叉形的半联轴器1、2、一个十字轴3以及销钉、套筒、圆锥销等组成。销钉与圆柱销互相垂直配置，分别将两个半联轴器与十字轴联接起来，形成一个可动的连接。这种联轴器允许两轴间具有较大的偏角位移，最大夹角可达35°~45°，并且允许工作中两轴间夹角变化。图10-7万向联轴器1、2—叉形半联轴器3—十字轴该联轴器可适应两轴间较大的综合位移，结构紧凑且维护方便，因而在汽车、多轴钻床中得到广泛应用。10.1.1联轴器的类型

2）非金属弹性元件挠性联轴器该类联轴器因装有弹性元件，不仅可以补偿两轴间的相对位移，而且具有缓冲减振能力。下面介绍常用的两种。10.1.1联轴器的类型（1）弹性套柱销联轴器如图10-8所示，弹性套柱销联轴器的结构与凸缘联轴器相似，只是用套有弹性套1的柱销2代替了联接螺栓。半联轴器与轴配合的孔可做成圆柱形或圆锥形。弹性套柱销联轴器制造容易、拆装方便、成本较低。但弹性套易磨损、寿命较短，主要适用于起动频繁、需正反转的中小功率传动、转速较高的场合，工作环境温度应在-20°~+70°的范围内。图10-8弹性套柱销联轴器1—弹性套2—柱销10.1.1联轴器的类型（2）弹性柱销联轴器图10-9所示，弹性柱销联轴器的结构更简单，柱销1由尼龙制成。为了防止柱销滑出，在半联轴器的外侧设置有固定挡板2。该联轴器适用于轴向窜动量较大、起动频繁、经常正反转、转速较高的场合，工作环境温度应在-20°~+70°的范围内。图10-9弹性柱销联轴器1—柱销2—固定挡板10.1.1联轴器的类型（2）弹性柱销联轴器图10-9所示，弹性柱销联轴器的结构更简单，柱销1由尼龙制成。为了防止柱销滑出，在半联轴器的外侧设置有固定挡板2。该联轴器适用于轴向窜动量较大、起动频繁、经常正反转、转速较高的场合，工作环境温度应在-20°~+70°的范围内。图10-9弹性柱销联轴器1—柱销2—固定挡板10.1.1联轴器的类型3.安全联轴器安全联轴器在所传递的转矩超过规定值时，其中的联接元件便会折断、分离或打滑，使传动中断，从而保护其他重要零件不致损坏。安全联轴器的种类很多，在此仅介绍其中的剪切销安全联轴器。剪切销安全联轴器的结构类似于凸缘联轴器，但不用螺栓，而是用钢制销钉联接两半联轴器。销钉装入经过淬火的两段硬质钢套中，过载时即被剪断。销钉直径可按抗剪强度计算。销钉材料可采用45钢或工具钢，准备剪断处应预先切槽，这样可使剪断处的塑性变形最小，以免毛刺过大，给更换销钉带来不便。图10-10剪切销安全联轴器1—销钉2—钢套10.1.2选择联轴器类型时应考虑的因素

联轴器的类型应根据使用要求和工作条件来确定，具体选择时可考虑以下几方面：（1）传递转矩的大小和性质以及对缓冲减振的要求。（2）工作转速的高低，一般不得超过相应联轴器的许用最高转速。（3）被联接两轴间的相对位移程度。（4）联轴器的制造、安装、维护及成本、工作环境、使用寿命等。10.1.2选择联轴器类型时应考虑的因素此外，应结合各类联轴器特性，并参照同类机器的使用经验来选择。（1）当两轴的刚度较好、安装精度高、两轴严格对中、无冲击载荷时，可选用刚性联轴器；（2）当两轴的对中困难或轴的刚度较小，则应选用对轴的偏移具有补偿能力的挠性联轴器；（3）如所传递的转矩较大，宜选用凸缘联轴器和齿轮联轴器；（4）如轴的转速较高且有振动，应选用有弹性元件的挠性联轴器；（5）如两轴相交，则应选用万向联轴器。10.1.3选择冲床传动系统中联轴器的类型减速器输出轴的扭矩为＝4.88×105Nmm，转速为=69.91r/min，因为有较大冲击，经常满载，空载启动，载荷有变化，使用时间10年（每年工作250天），两班制，连续单向运转。宜选用有补偿两轴间的相对位移，而且具有缓冲减振能力的挠性联轴器。设计步骤如下：设计项目计算及说明选择联轴器的类型弹性柱销联轴器

原因如下：1）该联轴器结构简单、制造容易、安装方便、有补偿功能；2）能缓冲减振。10.2任务2——选择联轴器的型号【任务描述与分析】减速器的输出轴为Ⅲ轴，其转矩为＝4.88×105Nmm，转速为=69.91r/min，输出轴轴端的直径＝45mm，两轴之间采用弹性柱销联轴器联接。本任务要选择联轴器的型号，具体内容包括：1）确定联轴器型号时应满足的条件；2）联轴器的标记方法。10.2任务2——选择联轴器的型号10.2.1确定联轴器型号时应满足的条件10.2.2联轴器的标记方法10.2.3选择冲床传动系统中联轴器的型号10.2.1确定联轴器型号时应满足的条件联轴器的型号是根据所传递的转矩、轴的直径和转速，从联轴器标准中选用的。选择的型号应满足以下条件：1）计算转矩应小于或等于所选型号的公称转矩，即≤考虑到机器启动和制动时的惯性力和工作中可能出现的过载，联轴器的计算转矩可按下式计算：式中：

T

——联轴器的名义转矩(Nmm)；

TC

——联轴器的计算转矩(Nmm)；KA——工作情况系数，其值见表10-1。10.2.1确定联轴器型号时应满足的条件表10-1工作情况系数KA分类工作情况及举例电动机汽轮机四缸及其以上内燃机双缸内燃机单缸内燃机Ⅰ转矩变化很小，如发电机、小型通风机、小型离心泵1.31.51.82.2Ⅱ转矩变化小，如透平压缩机、木工机床、运输机1.51.72.02.4Ⅲ转矩变化中等，如搅拌机、增压泵、有飞轮的压缩机、冲床1.71.92.22.6Ⅳ转矩变化和冲击载荷中等，如织布机、水泥搅拌机、拖拉机1.92.12.42.8Ⅴ转矩变化和冲击载荷大，如造纸机、挖掘机、起重机、碎石机2.32.52.83.2Ⅵ转矩变化大并有极强烈冲击载荷，如压延机、无飞轮的活塞泵、重型初轧机3.13.33.64.010.2.1确定联轴器型号时应满足的条件2）转速应小于或等于所选型号的许用转速，即≤3）轴的直径应在所选型号的孔径范围之内，即dmin≤d≤dmax多数情况下，每一型号的联轴器适用的轴径均有一个范围。标准中已给出轴径的最大与最小值，或者给出适用直径的尺寸系列，被联接的两轴应在此范围之内。一般情况下，被联接的两轴的直径是不同的，两个轴端的形状也可能不同。10.2.2联轴器的标记方法

联轴器的标记方法按GB/T5014-2003的规定为：10.2.2联轴器的标记方法1）轴孔型式的代号如图10-11所示：（a）（b）（c）（d）（e）（a）长圆柱形轴孔(Y型)（b）有沉孔的短圆柱形轴孔(J型)（c）无沉孔的短圆柱形轴孔(J1型)（d）有沉孔的圆锥形轴孔(Z型)（e）无沉孔的圆锥形轴孔(Z1型)图10-11联轴器的轴孔型式

10.2.2联轴器的标记方法2）键槽型式及代号为：圆柱形轴孔：平键单键槽（A型）、120º布置平键双键槽（B型）、180º平键双键槽（B1型）。圆锥形轴孔：平键单键槽（C型）。若联轴器两端轴孔和键槽的型式、尺寸相同时，只标记一端，另一端省略。Y型孔和A型键槽的代号，标记中可省略。如凸缘联轴器的型号GY3，主动端：J型轴孔，A型键槽，d1=30mm，L=60mm。从动端：J1型轴孔，B型键槽，d2=28mm，L=44mm。则其标记为:GY3联轴器GB/T5014—200310.2.3选择冲床传动系统中联轴器的型号原动机为电动机，工作机为冲床。有冲击载荷，转矩为=＝4.88×105Nmm，==69.91r/min，根据所传递的转矩、轴的直径和转速，在手册中就能选定联轴器的型号。设计步骤如下：10.2.3选择冲床传动系统中联轴器的型号设计项目计算及说明1、计算转矩

原动机为电动机，工作机为冲床，查表10-2得K=1.7=1.7×4.88×105=8.30×105Nmm=830Nm2、选择联轴器的型号查设计手册，选LX3型弹性柱销联轴器

公称转矩Tn=1250Nm＞TC；许用转速[n]=4700r/min＞n；轴孔直径在30～48mm，符合要求（d=45mm）。3、标记主动端安装在Ⅲ轴上，取J型轴孔，A型键槽，d=45mm，L=84mm从动端安装在w轴上，取J1型轴孔，B型键槽，d=48mm，L=84mm其标记为：LX3联轴器GB/T5014—200310.3模块小结本模块详细介绍了联轴器的设计方法与步骤，结合冲床传动系统中联轴器的设计，重点阐述了联轴器设计的两个阶段，即选择联轴器的类型、选择联轴器的型号。与之相关的知识点主要有：联轴器的分类常用联轴器的结构及使用特点联轴器类型选择的方法联轴器型号选择的方法联轴器的标记10.4知识拓展10.4.1离合器10.4.2制动器10.4.1离合器离合器主要用于轴与轴之间的联接，使它们一起回转并传递转矩。在机器运转中，离合器可以根据需要随时将主、从动轴接合或分离，它应满足以下几点要求：1）

接合平稳、分离彻底、动作准确可靠；2）

结构简单、质量小、外形尺寸小、从动部分惯性小；3）

操纵省力、方便，容易调节和维护；4）

接合元件耐磨损、使用寿命长。10.4.1离合器离合器按其工作原理不同，可分为两大类：1）嵌合式离合器利用牙齿的啮合来传递转矩，能保证两轴同步运转，但接合的功能只能在停车或低速时进行，否则牙齿可能会因受撞击而拆断。2）摩擦式离合器利用工作表面的摩擦力来传递转矩，能在任何转速下离合，并能防止过载（过载时打滑），但不能保证两轴完全同步运转，它适用于转速较高的场合。嵌合式离合器根据其接合元件的结构形状可分为牙嵌式离合器、齿形离合器、销式离合器、键式离合器、棘轮离合器等。摩擦式离合器按其结构不同可分为片式离合器、圆锥离合器、摩擦块是离合器、鼓式离合器等。10.4.1离合器下面以牙嵌式离合器和单盘摩擦离合器为例，说明离合器的工作过程及特点，见表10-2。嵌合式离合器1、3—套筒2—对中环4—滑环牙嵌式离合器牙嵌式离合器由两个端面带牙的半离合器1和3和组成，其中：1用键或螺钉固定在主动轴上，3用导键或花键与从动轴联接，并通过操纵机构将滑环4沿轴向移动，实现离合器的接合或分离。对中环2与主动轴相连，从动轴可以在对中环内自由转动，以保证两轴的对中。牙嵌式离合器的常用牙形有梯形、锯齿形和矩形等。牙嵌式离合器结构简单，外形尺寸小，传动比固定不变，但接合时有冲击，应在低速或停车时接合。摩擦式离合器1、2—摩擦盘3—滑环单片摩擦离合器摩擦式离合器利用主、从动半离合器摩擦片接触面间的摩擦力传递转矩。主要由摩擦盘1、2和滑环3组成，摩擦盘1紧固在轴上，摩擦盘2可以沿导键在轴上作轴向移动。摩擦式离合器接合或分离不受主、从动轴转速的限制，接合过程平稳，冲击、振动较小，过载时可发生打滑以保护其他重要零件不致损坏。但在接合或分离过程中会发生滑动摩擦，故发热量较大，磨损较大，外形