《机械设计》-第十六章联轴器、离合器与制动器

第一节联轴器一、被连接轴的相对偏移用联轴器连接的两轴轴线在理论上应该是对中的，但由于制造及安装误差，承载后的变形以及温度变化的影响等原因，往往很难保证被连接的两轴严格对中，因此，两轴间就会出现相对的轴向偏移x(图16一1(a)、径向偏移y,(图16一1(b)、角向偏移a(图16一1(c))或这些偏移组合的综合偏移(图16一1(d)。如果联轴器没有适应这种相对偏移的能力，就会在联轴器、轴和轴承中产生附加载荷，甚至引起剧烈振动。这就要求设计选择联轴器时，要采取各种结构措施，使其具有适应上述相对偏移的性能。下一页返回第一节联轴器二、联轴器的分类联轴器的种类很多，按照性能可分为刚性联轴器和挠性联轴器。刚性联轴器不具有补偿性能，但有结构简单、制造容易、不需维护、成本低等特点，因而仍有其应用范围，其常用类型有套筒联轴器、夹壳联轴器和凸缘联轴器等;挠性联轴器中又分为无弹性元件挠性联轴器和有弹性元件挠性联轴器。无弹性元件联轴器只具有补偿两轴相对偏移的能力，其常用类型有滑块联轴器、齿式联轴器和万向联轴器等。有弹性元件联轴器除具有补偿性能外，还具有缓冲和减振作用，但在传递转矩的能力上，因受弹性元件的强度限制，一般不及无弹性元件联轴器，其常用类型有弹性套柱销联轴器、弹性柱销联轴器和轮胎联轴器等。有弹性元件联轴器中，按弹性元件的材质不同，又可再分为金属弹性元件和非金属弹性元件。金属弹性元件的主要特点是强度高、传递转矩能力大、使用寿命长、不易变质且性能稳定。非金属弹性元件的特点是制造方便、易获得各种结构形状、具有较高的阻尼性能。上一页下一页返回第一节联轴器三、刚性联轴器刚性联轴器结构简单、零件数量少、重量轻、制造容易、成本低，适用于转速不高、载荷平稳的场合。用刚性联轴器连接的两轴可看作一个刚性的整体，当安装时调整未达到对中要求或工作过程因各种原因引起两轴相对偏移时，将使联轴器承受弯矩，产生附加径向力，增加轴和轴承上的作用力，降低轴承的使用寿命。因此，刚性联轴器对两轴的对中性要求较高。1.套筒联轴器套筒联轴器是利用一公用套筒以销、键、紧定螺钉或过盈配合等连接方式与两轴相连。套筒将被连接的两轴连成一体;键连接实现套筒与轴的周向固定并传递转矩;紧定螺钉或销钉被用作套筒与轴的轴向固定。图16-2(a)为平键套筒联轴器，图16一2(b)为圆锥销套筒联轴器。上一页下一页返回第一节联轴器2.夹壳联轴器夹壳联轴器是利用沿轴向剖分的两半联轴器—夹壳，通过拧紧螺栓产生的预紧力使夹壳与轴连接，并依靠夹壳和轴表面之间的摩擦力来传递转矩。夹壳联轴器的结构如图16一3所示，其特点是装卸方便、不需要沿轴向移动即可进行装拆，但夹壳联轴器只能连接具有相同直径的圆柱形轴伸的两轴。由于外形复杂不易平衡，且高速转动时产生的离心力会降低夹紧表面的摩擦力，夹壳联轴器一般用于低速轴，常用于一些垂直布置的轴。为使两轴对中方便，并使联轴器固定在垂直轴上，在两轴的端部还有一剖分的半环，固定在轴端相应的环形槽中。3.凸缘联轴器凸缘联轴器是把两个带有凸缘的半联轴器用键分别与两轴连接，然后用螺栓把两个半联轴器连成一体，以传递运动和转矩。上一页下一页返回第一节联轴器它的结构简单、工作可靠、传递转矩大、装拆较方便、可以连接不同直径的两轴，也可连接圆锥形轴伸，因此，凸缘联轴器是应用最广泛的一种刚性联轴器。由于凸缘联轴器属于刚性联轴器，对所连接两轴间的偏移缺乏补偿能力，故对两轴对中性的要求较高。图16-4(a)所示为凹凸桦对中方式，这种方式用一个半联轴器上的凸肩与另一个半联轴器上的凹槽相配合而对中，采用普通螺栓连接，转矩靠半联轴器接合面之间的摩擦力矩来传递，这种凸缘加工方便，但装拆时需沿轴向移动。图16-4(b)所示为采用铰制孔螺栓来实现两轴对中，这种螺栓连接依靠螺栓杆承受剪切及螺栓杆与孔壁承受挤压来传递转矩，不但可以减轻螺栓的预紧力，而且能提高传递转矩的能力，同时装拆时不需沿轴向移动。上一页下一页返回第一节联轴器四、无弹性元件挠性联轴器无弹性元件挠性联轴器利用自身具有相对可动的元件或间隙而允许两轴存在一定的相对偏移，适用于调整和运转时很难达到两轴完全对中的场合。1.滑块联轴器滑块联轴器由两个在端面开有凹槽的半联轴器和一个两面都有凸桦的十字滑块组成，凹槽的中心线分别通过两轴的中心，两桦中线互相垂直并通过滑块的中心，图16-5为其外形简图。滑块联轴器的主要特点是允许两轴有较大的径向偏移，并允许有不大的角向偏移和轴向偏移。当两轴轴线存在径向偏移时，在轴回转过程中，滑块上的两桦可在两半联轴器的凹槽中滑动，以补偿两轴轴线的径向偏移。上一页下一页返回第一节联轴器一般，滑块联轴器允许的径向偏移量不大于0.04d(d为轴的直径)，角向偏移量不大于30‘。由于滑块偏心运动产生离心力，故这种联轴器不适宜高速运转。2.齿式联轴器齿式联轴器是用途最广泛的一种无弹性元件挠性联轴器。它是由两个具有外齿的半联轴器和用螺栓连接起来的具有内齿的外壳组成，利用内外齿啮合以实现两半联轴器的连接。齿式联轴器允许两轴发生综合偏移。一般，允许的径向偏移量为0.3~0.4mm，轴向偏移量为4~20mm，角向偏移量为1015'。齿式联轴器两轴之间的相对偏移如图16-6所示。上一页下一页返回第一节联轴器齿式联轴器一般有两种连接方式，图16-7(a)是由两个外齿轮轴套和两个内齿圈组成的GICL型齿式联轴器。图16-7(b)所示是GICLZ型齿式联轴器，这种联轴器由两个联轴器组成，两个联轴器用一中间轴连接起来，见图16一6(c)，每一齿式联轴器有一个外齿轮轴套和一个内齿圈，齿圈固定在凸缘上或直接与凸缘制成一体，这种连接方式适用于连接长距离的传动。为了补偿两轴的相对偏移，齿式联轴器内外轮齿啮合较普通齿轮传动具有较大的侧隙。此外，还将外齿轮的齿顶制成半径为Ra的球面。齿式联轴器齿轮的齿形，除普通的直齿外，还可制成鼓形齿，见图16-8。当两轴有相对角向偏移时，鼓形齿可以避免轮齿发生边缘接触，改善啮合面上压力分布的均匀性，并可增加许用角向偏移，由于鼓形齿性能好，且已有专用加工设备，故口前新设计的机械设备都采用鼓形齿。上一页下一页返回第一节联轴器齿式联轴器工作时齿面间产生相对滑动，为减少摩擦和磨损，在外壳内贮有润滑油对齿面进行润滑，用唇形密封圈密封。齿式联轴器的特点是结构紧凑、承载能力大、使用的速度范围广、工作可靠，具有综合补偿两轴相对偏移的能力，但制造困难、需要良好的润滑和密封、反转时有冲击，适用于重载下工作或高速运转的水平轴的连接。3.万向联轴器万向联轴器由两个叉形零件和一个十字形零件组成，见图16一9。十字形零件的四端分别用铰链与两个叉形零件相连接。因此，当一轴固定时，另一轴可以在任意方向偏斜a角，角向偏移最大可达350~450.上一页下一页返回第一节联轴器为消除从动轴的速度波动，通常将万向联轴器成对使用，并使中间轴的两个叉子位于同一平面上，同时，还应使主、从动轴的轴线与中间轴的轴线间的偏斜角a相等，即a1=a2，如图16一10所示，从而主、从动轴的角速度相等。应指出，中间轴的角速度仍旧是不均匀的，所以转速不宜太高.万向联轴器的结构如图16一11所示。五、有弹性元件挠性联轴器有弹性元件挠性联轴器依靠弹性元件的弹性变形来补偿两轴轴线的相对偏移，以缓和载荷的冲击并吸收振动，适用于需要经常启动或反转的场合。上一页下一页返回第一节联轴器1.蛇形弹簧联轴器蛇形弹簧联轴器由两半联轴器和蛇形弹簧片组成，图16一12所示为金属弹性元件挠性联轴器的一种。在两半联轴器上制有50~100个齿，在齿间嵌装蛇行弹簧片，该弹簧可分为6一8段。弹簧被外壳罩住，防止其脱出，并能贮存润滑油。两半联轴器通过蛇形弹簧传递转矩。这种联轴器适用于转矩变化不大的两轴连接，多用于有严重冲击载荷的重型机械。2.弹性阻尼簧片联轴器弹性阻尼簧片联轴器如图16一13所示，主要由花键轴丘外套圈2和若干组径向呈辐射状布置的金属簧片7等零件组成。簧片组由不同长度的簧片叠合而成。簧片内端的最长簧片插在花键轴5的齿槽内，组成可动连接。通过连接盘1,簧片7和花键轴5就可传递转矩。上一页下一页返回第一节联轴器为了增强联轴器的缓冲减振效果，在密封的簧片组之间的空腔内，充满一定压力的润滑油，簧片弯曲时产生阻尼作用。当联轴器承受的转矩过大时，簧片组的弯曲变形就受到支承块6的限制，避免损坏。此时的联轴器就变成刚性联轴器。3.弹性套柱销联轴器弹性套柱销联轴器在结构上和刚性凸缘联轴器的很相似，只是两半联轴器的连接不用螺栓而采用带橡胶套的柱销，如图16一14所示。弹性套柱销联轴器靠橡胶套传递力并靠其弹性变形来补偿径向偏移和角向偏移，通常允许的径向偏移不超过0.3~0.6mm，角向偏移不超过10。当角向偏移较大时，橡胶套磨损较快，故寿命较低。弹性套柱销联轴器结构简单、制造容易、装拆方便、成本较低，适用于转矩小、转速高、频繁正反转、需要缓和冲击振动的场合，尤其在高速轴上应用十分广泛。上一页下一页返回第一节联轴器4.弹性柱销联轴器弹性柱销联轴器在结构上和刚性凸缘联轴器也很相似，它用尼龙圆柱销代替连接螺栓(图16一15)。为了防止柱销滑出，在半联轴器两端设有挡圈。尼龙柱销联轴器结构简单、制造方便、成本低，适用于转矩小、转速高、正反向变化多、启动频繁的高速轴。5.轮胎式联轴器轮胎式联轴器的结构如图16一16所示。两半联轴器1和5通过紧固螺栓2和内压板4与轮胎环3连接在一起。轮胎环是由橡胶及帘线制成的轮胎形弹性元件。轮胎式联轴器的结构简单、使用可靠、弹性大、寿命长、不需润滑，但径向尺寸大，可用于潮湿多尘、启动频繁的场合。上一页下一页返回第一节联轴器六、联轴器的选择1.联轴器类型的选择在选择标准联轴器时，应根据使用要求和工作条件，如承载能力、转速、两轴相对偏移、缓冲吸振以及装拆、维修、更换易损元件等综合分析来确定。具体选择时可考虑以下因素:(1)原动机和工作机的机械特性。原动机的类型不同，其输出功率和转速，有的是平稳恒定的，有的是波动不均匀的，而各种工作机的载荷性质差异更大，有的甚至是强烈冲击或振动，这将直接影响联轴器类型的选择，是选型的主要依据之一。对于载荷为平稳的，可选用刚性联轴器，否则宜选用挠性联轴器。(2)联轴器连接的轴系及其运转情况。对于连接轴系的质量大、转动惯量大，而又经常启动、变速或反转的，应考虑选用能承受较大瞬时过载，并能缓冲吸振的联轴器。上一页下一页返回第一节联轴器(3)工作机的转速高低。对于需高速运转的两轴连接，应考虑选择联轴器的结构具有高平衡精度特性，以消除离心力产生的振动和噪声，避免相关元件因磨损和发热而降低传动质量和使用寿命。(4)联轴器的对中和对中保持程度。保持良好的对中是正常运转的前提，可防止产生过大附加载荷及其他不良工况。选择的联轴器不但要补偿安装时难免存在的相对偏差，还应能补偿两轴在运转中出现的相对偏移。(5)联轴器的结构及工作特性。联轴器的外形尺寸，安装、拆卸所需的空间大小和难易程度以及对维护的要求等都应与连接装置的具体配置和要求相适应。(6)联轴器的可靠性、使用寿命和工作环境。对于要求运转可靠，不允许运转工作临时中断的传动，最好选用不需润滑、无非金属弹性元件的联轴器。高温和含有腐蚀性介质的场所应避免使用橡胶弹性元件的联轴器。有灰尘、潮湿的环境应使用有罩壳的联轴器。上一页下一页返回第一节联轴器(7)联轴器的制造、安装和维护的成本。2.联轴器的选用计算联轴器的品种、形式、规格很多，每一种都有各自的特点和适用范围，其中常用的已经标准化，一般情况下，设计人员无须自行设计，只需要根据工作条件和工作要求选择合适的类型然后按照轴的直径d,转速n和计算转矩Tc从标准中选择所需要的型号和尺寸，必要时对少数关键零件做校核计算。在选择和计算联轴器时，传递的最大转矩应考虑启动时的惯性力矩以及过载等因素，一般以联轴器所需传递的计算转矩Tc小于所选联轴器的许用转矩[T]为原则。由于轴系载荷变化性质不同以及联轴器本身的结构特点和性能不同，联轴器实际传递的转矩与轴系理论上所需传递的转矩不同，但确定机器的这些载荷往往需要繁琐的计算。上一页下一页返回第一节联轴器考虑了影响系数以后的计算转矩Tc(N·m)为式中，T为轴的名义转矩(N·m);KA为工作情况系数，见表16一1;KW为原动机系数，见表16-2;KZ为启动系数，指每小时启动次数，见表16一3，其中Z表示启动频率;Kt为温度系数，仅用于带有非金属弹性元件的联轴器，见表16一4，对于其他类型联轴器，取Kt=1。上一页返回第二节离合器一、离合器的功用和分类离合器具有各种不同的用途。根据原动机和工作机之间或机械中各部件之间的工作要求，离合器可以实现相对启动或停止，以及改变传动件的工作状态。此外，离合器还可以作为启动或过载时控制传递转矩大小的安全保护装置。离合器按接合元件传动的工作原理可分为嵌合式离合器和摩擦式离合器;按实现离、合动作的过程又可分为操纵离合器和自控离合器;按离合器的操纵方式，则可分为机械离合器、气压离合器、液压离合器和电磁离合器等。离合器应满足下列基本要求:便于接合与分离;接合与分离迅速可靠;接合时振动小;调节维修方便:尺寸小，重量轻:耐磨性好，散热性好等。下一页返回第二节离合器二、操纵离合器1.牙嵌离合器牙嵌离合器主要由端面带齿的两个半离合器组成，如图16一17所示，通过齿面接触来传递转矩。半离合器1固定在主动轴上。可动的半离合器2装在从动轴上，操纵滑环4使其沿着导向平键3移动，以实现离合器的接合与分离。在固定的半离合器中装有对中环5，从动轴端可在对中环中自由转动，以保持两轴对中。离合器的牙形有三角形、梯形、锯齿形等，如图16一18所示。三角形齿的齿顶尖、强度低、易损坏，用于传递小转矩的低速离合器。梯形牙的强度高，能传递较大的转矩，且齿面磨损后能自动补偿间隙，应用较广。锯齿形牙强度最高，但只能单向工作，因另一牙面有较大倾斜角，工作时可产生较大轴向力迫使离合器分离。上一页下一页返回第二节离合器离合器牙数一般取3~60个。要求传递转矩大时，应取较少牙数;要求接合时间短时，应取较多牙数。但牙数越多，载荷分布越不均匀。为提高齿面耐磨性，牙嵌离合器的齿面应具有较大的硬度。牙嵌离合器的材料通常用低碳钢(渗碳淬火处理)或中碳钢(表面淬火处理)，对不重要的或静止时离合的牙嵌离合器也可采用铸铁。牙嵌离合器结构简单，尺寸小，工作时无滑动，因此应用广泛。但它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。2.摩擦离合器摩擦离合器可以在不停车或主、从动轴转速差较大的情况下进行接合与分离，并且较为平稳，但在接合与分离过程中，两摩擦盘间必然存在相对滑动，引起摩擦片的发热和磨损。摩擦离合器的类型很多，有单盘式、多盘式和圆锥式。上一页下一页返回第二节离合器图16一19所示的单圆盘摩擦离合器是最简单的摩擦离合器，其中摩擦盘3固定在主动轴1上，操纵滑环5可使摩擦盘4沿导向键在从动轴2上移动从而实现两摩擦盘的接合与分离。接合时，轴向压力FQ使两圆盘的接合面间产生足够大的摩擦力以传递转矩。图16一20(a)所示为多盘摩擦离合器结构图。这种离合器有内外两组摩擦片，外摩擦片组4利用外圆上的花键与外鼓轮2相连(外鼓轮2与轴1相固连)，内摩擦片组5利用内圆上的花键与内套筒10相连(内套筒10与轴9相固连)。当滑环8做轴向移动时，将拨动曲臂压杆7，使压板3压紧或松开内、外摩擦片组，从而使离合器接合或分离。螺母6用来调节内、外摩擦片组的间隙大小。外摩擦片和内摩擦片的结构形状如图16一20

(b)、(c)所示。若将内摩擦片改为图16-20(d)所示的碟形，使其具有一定的弹性，则离合器分离时摩擦片能自行弹开，接合时也较平稳。上一页下一页返回第二节离合器增加摩擦片数目，可以提高离合器传递转矩的能力，但摩擦片过多会影响分离动作的灵活性，一般接合面数目不超过10~15对。图16一21为圆锥式摩擦离合器。与单圆盘摩擦离合器相比较，由于锥形结构的存在，使圆锥式摩擦离合器可以在同样外径尺寸和同样轴向压力FQ的情况下产生较大的摩擦力，从而传递较大的转矩。三、自控离合器自控离合器是一种能根据机器运动或动力参数(转矩、转速、转向等)的变化而自动完成接合和分离动作的离合器。自控离合器主要有三种:①当传递转矩达到某一定值时能自动分离的离合器，由于这种离合器有防止过载的安全作用，故称为安全离合器;②当轴的转速达到某一转速后能自动接合或分离的离合器，由于这种离合器是利用离心力的原理工作，故称为离心离合器;③根据主、从动部分的相对运动速度变化或回转方向的变换，能自动接合或分离的离合器称为超越离合器。上一页下一页返回第二节离合器1.安全离合器安全离合器用来精确限定传递的转矩。当传递转矩未超过限定值时，其作用相当于联轴器，故又称为安全联轴器。图16-22所示的剪销式安全离合器是破坏元件式安全离合器中应用最广泛的一种结构。这种离合器的结构类似于刚性凸缘联轴器，但不用螺栓，而用钢制销钉连接。过载时，销钉被剪断。销钉的尺寸d0由强度条件决定。为了加强剪断销钉的效果，常在销钉孔中紧配一硬质的钢套。因更换销钉既费时又不方便，因此这种联轴器不宜用在经常发生过载的场合。图16一23为摩擦式安全离合器，其结构类似多盘摩擦离合器，但不用操纵机构，而是用适当的弹簧1将摩擦盘压紧，弹簧施加的轴向压力F}的大小可由螺母2进行调节。调节完毕并将螺母固定后，弹簧的压力就保持不变。上一页下一页返回第二节离合器当工作转矩超过要限制的最大转矩时，摩擦盘间即发生打滑而起到安全保护作用。当转矩降低到某一值时，离合器又自动恢复接合状态。2.离心离合器离心离合器依靠离心体产生的离心力达到自动接合或分离。图16-24所示为闸块式离心离合器的工作原理。在静止状态下，弹簧力F使闸块m受拉，从而使离合器分离(图16一24(a))，或使闸块m受压，从而使离合器接合(图16一24(b)。前者称为开式，后者称为闭式。当主动轴达到一定转速时，离心力Fe>弹簧力Fa，而使离合器相应地接合或分离。调整弹簧力F，可控制需要接合或分离的转速。上一页下一页返回第二节离合器3.超越离合器超越离合器的特点是只能按一个转向传递转矩，反向时自动分离。图16-25为一种应用广泛的滚柱式超越离合器。它是由星轮卜外圈2、滚柱3和弹簧顶杆4等组成。滚柱被弹簧顶杆以不大的推力向前推进而处于半楔紧状态，当星轮为主动轮做顺时针方向转动时，滚柱被楔紧在星轮和外圈之间的楔形槽内，因而外圈将随星轮一起旋转，离合器处于接合状态。但当星轮反向做逆时针方向转动时，滚柱被推向楔形槽的宽敞部分，不再楔紧在槽内，外圈就不会随星轮一起旋转，离合器处于分离状态。这种离合器工作时没有噪声，适用于高速传动，但制造精度要求较高。上一页返回第三节制动器一、带式制动器最为常见的带式制动器的工作原理如图16-26所示。当施加外力口时，利用杠杆3收紧闸带2而抱住制动轮1，依靠带和制动轮间的摩擦力达到制动的目的。为了增强摩擦效果，闸带材料一般在钢带上覆以石棉基摩擦材料。带式制动器制动轮轴和轴承承受力大，带与轮间压力不均匀，从而磨损也不均匀，且易断裂，但结构简单、尺寸紧凑，可产生较大的制动力矩，所以口前经常使用。下一页返回第三节制动器二、块式制动器块式制动器如图16-27所示，依靠瓦块与制动轮间的摩擦力来制动。通电时，电磁线圈1的吸力吸住衔铁2，再通过弹簧4及制动杆3使瓦块5松开，将制动轮6释放，机器便能自由运转。当需要制动时，则切断电流，电磁线圈释放衔铁2，依靠弹簧力使瓦块5抱紧制动轮6。其工作