机械设计基础课件 模块13 其他常用零部件

汇报时间：汇报人：模块13其他常用零部件目录01学习目标03单元13.2离合器05模块小结02单元13.1联轴器04单元13.3AI在联轴器与离合器选型及状态监测中的应用与展望06模块习题PART.01学习目标了解联轴器的分类和应用。联轴器是连接两轴并传递运动和转矩的装置，可分为刚性联轴器和挠性联轴器等类型，广泛应用于各种机械传动系统中。01了解离合器的分类和应用。离合器按工作原理可分为牙嵌式、摩擦式和电磁式等，按控制方式可分为操纵式和自动式，用于实现两轴在运转过程中的接合或分离。02知识目标通过对工程机械工作条件、载荷特性等的分析，结合不同类型联轴器的特点，判断其是否适合特定工况，如转速、转矩、位移补偿需求等。能够根据具体工程机械分析联轴器以及评估联轴器在特定工况下的适用性。01依据工程机械的工作要求，如接合频率、转速差、传递转矩大小等，分析不同类型离合器的性能，评估其在特定工况下的适用性。能够根据具体工程机械分析离合器以及评估离合器在特定工况下的适用性。02技能目标能够理解联轴器与离合器的工作原理、类型及特点，能够分析其在不同机械设备中的应用场景，并具备运用所学知识解决实际工程问题的能力。深入理解联轴器和离合器的工作机制，掌握其各类别特点，结合不同机械设备的工作场景，准确选择和应用，并能运用知识解决实际工程中的传动连接与分离问题。素质目标PART.02单元13.1联轴器联轴器的作用联轴器通常用来连接两轴并传递运动和转矩，也可作为安全装置防止被连接机件承受过大载荷，起到过载保护作用，且用联轴器连接的两轴只有在机器停止运转、经过拆卸后才能分离。联轴器的分类根据联轴器补偿两轴偏移能力的不同，可分为刚性联轴器和挠性联轴器两大类，挠性联轴器又分为无弹性元件联轴器和弹性联轴器，此外还有安全联轴器等特殊用途联轴器。两轴相对位移联轴器所连接的两轴，由于制造及安装误差、承载后的变形以及温度变化等影响，往往存在轴向位移、径向位移、角位移和综合位移等相对位移，设计时需采取措施使联轴器具有补偿这些偏移量的能力。联轴器概述套筒联轴器如图13-2所示，套筒联轴器利用套筒及连接零件（键或销）将两轴连接起来，图13-2(a)为螺钉固定，图13-2(b)的销当轴超载时会被剪断起到安全保护作用；其结构简单、径向尺寸小、容易制造，但拆装时需轴向移动被连接轴，适用于载荷不大、工作平稳、两轴严格对中且径向尺寸小的场合，目前尚未标准化。凸缘联轴器如图13-3所示，凸缘联轴器由两个带凸缘的半联轴器和一组螺栓组成，有两种对中方式：一是通过凹凸槽相互嵌合对中，靠接合面摩擦传递转矩（图13-3(a)）；二是通过铰制孔用螺栓与孔的紧配合对中，靠螺栓杆承受载荷传递转矩（图13-3(b)），后者传递转矩较大且拆装时轴不必轴向移动；其结构简单、成本低、传递转矩大，要求两轴同轴度好，适用于刚性大、振动冲击小和低速大转矩的连接场合，已标准化（GB/T5843）。刚性联轴器十字滑块联轴器如图13-4所示，由两个端面有凹槽的半联轴器和两端面带凸牙的中间盘组成，中间盘凸牙位于相互垂直直径方向并嵌入半联轴器凹槽，因凸牙可在凹槽滑动，能补偿两轴相对位移和偏斜；半联轴器与中间盘组成移动副不能相对转动，主从动轴角速度相等，但两轴有偏移时中间盘离心力大，工作转速不宜过大，适用于转速较低、轴刚性较大、无剧烈冲击的场合。万向联轴器如图13-5(a)所示，由两轴端叉形接头和十字形中间连接件组成，允许两轴间有较大夹角（最大35°~45°），机器工作时夹角改变仍可正常传动，但夹角过大会使传动效率明显降低；缺点是主动轴角速度ω₁为常数时，从动轴角速度ω₂是变量，会引起附加载荷，故常成对使用（图13-5(b)），安装时需保证中间轴两端叉形接头在同一平面，且主从动轴与中间轴夹角相等，以保证ω₁=ω₂。齿式联轴器如图13-6所示，由两个内齿圈和两个外齿轮轴套组成，内齿圈用螺栓连接，外齿轮轴套通过过盈配合或键与轴连接，通过内外齿轮啮合传递转矩；结构紧凑、承载能力大、适用速度范围广，但制造困难，适用于重载高速的水平轴连接；为补偿综合位移，可将外齿轮齿顶制成球面或齿制成鼓形齿（图13-6(c)），已标准化（JB/T8854.3-2001）。无弹性元件联轴器弹性套柱销联轴器如图13-7所示，结构与凸缘联轴器相似，用套有弹性套的柱销代替连接螺栓，利用弹性套弹性变形补偿两轴相对位移；质量轻、结构简单，但弹性套易磨损、寿命较短，用于冲击载荷小、启动频繁的中小功率传动中，已标准化（GB/T4323）。弹性柱销联轴器如图13-8所示，与弹性套柱销联轴器相似，仅用弹性柱销（通常尼龙制成）连接两个半联轴器；传递转矩能力更大、结构更简单、耐用性好，适用于轴向窜动较大、正反转或启动频繁的场合，已标准化（GB/T5014）。弹性联轴器选择联轴器时，先根据工作条件和使用要求确定型号，再根据传递转矩、转速和被连接轴直径确定结构尺寸；标准化联轴器按标准或手册数据选定型号尺寸，特殊场合可自行设计，必要时对关键零件验算。计算转矩联轴器的计算转矩按公式(T_c=KT)计算，其中(T)为名义转矩（N·mm），(T_c)为计算转矩（N·m），(K)为工作情况系数，其值见表13-1。型号确定条件选择联轴器型号时，应同时满足(T_c\leqT_n)和(n\leq[n])，其中(T_n)、([n])为联轴器的额定转矩和许用转速，可在相关手册中查出。选择步骤联轴器的选择PART.03单元13.2离合器用离合器连接的两轴可在机器运转过程中随时进行接合或分离。离合器的作用离合器的分类按工作原理分为牙嵌式离合器、摩擦离合器和电磁式离合器三类；按控制方式分为操纵式（需人力或动力操纵）和自动式（在一定条件下自动分离和接合）两类。标准化离合器选择步骤和计算方法与联轴器相同；非标准化或非标准制造的离合器，先根据工作情况选择类型，再进行具体设计计算，计算方法及内容可查阅有关资料。离合器的选择与设计离合器概述如图13-9所示，由两个端面带牙的半离合器1、3组成，半离合器3用导向平键或花键与轴连接，离合器1用平键与轴连接，对中环2用于两轴对中，滑环4操纵分离或接合。结构组成常用牙型有矩形、梯形和锯齿形等；矩形齿接合分离困难，牙根强度低，磨损后无法补偿，仅用于静止状态手动接合；梯形齿牙根强度高，接合容易，能自动补偿牙的磨损与间隙，应用较广；锯齿形齿牙根强度高，可传递较大转矩，但只能单向工作。常用牙型及特点为减少齿间冲击、延长齿的寿命，牙嵌式离合器应在两轴静止或转速差很小时接合或分离。接合与分离要求牙嵌式离合器利用主、从动半离合器摩擦片接触面间的摩擦力传递转矩，通常采用多片摩擦片以提高传递转矩能力，能在不停车或两轴有较大转速差时平稳接合，过载时因摩擦片间打滑起到过载保护作用。工作原理01如图13-10所示，有两组间隔排列的内、外摩擦片，外摩擦片通过外圆周花键与鼓轮（与轴固连）相连，内摩擦片通过内圆周花键与套筒（与另一轴固连）相连，移动滑环可使杠杆压紧或放松摩擦片，实现接合与分离。多片摩擦离合器结构02摩擦离合器工作特点靠线圈的电磁力操纵，启动力矩大，动作反应快，离合迅速，便于实现自动控制和遥控，通过改变励磁电流可调节转矩大小；但有剩磁问题影响分离彻底性，且线圈存在发热问题。使用条件一般用于相对湿度不大于85%、无爆炸危险的环境，电压波动不得超过±5%；电磁粉末为湿式时，需保持油液纯净、无导电杂质，黏度≤23mm²/s（500℃时）。电磁粉末离合器结构与工作原理如图13-11所示，金属外筒为从动件，嵌有环形励磁线圈的电磁铁与主动轴连接，外筒和电磁铁间留有1.5~2mm间隙，内置铁和石墨的电磁粉末（干式）或羟基铁粉（湿式）；线圈无电流时，电磁粉末不阻碍主从动件相对运动，离合器分离；有电流时，电磁粉末在磁场作用下聚集，将主从动件联系起来，离合器接合；过载滑动时产生高温，超过居里点磁性消失，离合器分离起保护作用，对电磁粉末颗粒大小有要求，磨损后需更换。电磁式离合器当传递转矩超过一定数值后，主、从动轴可自动分离，保护机器其他零件；如图13-12所示牙嵌式安全离合器，与牙嵌式离合器相似但牙倾斜角α较大，无操纵机构，过载时牙面轴向分力大于弹簧压力，迫使离合器退出啮合中断传动，可通过螺母调节弹簧压力控制传递转矩大小。安全离合器超越离合器能根据两轴角速度相对关系自动接合和分离，主动轴转速大于从动轴时接合传递动力，小于时脱离，只能在一定转向传递转矩；如图13-13所示滚柱式超越离合器，由星轮、外壳、滚柱和弹簧组成，滚柱被弹簧压向楔形槽狭窄部分，星轮顺时针转动时滚柱楔紧带动外壳，逆时针时滚柱到宽部无法带动；外壳逆时针转动时滚柱楔紧带动星轮，顺时针时分离。特殊功用离合器PART.04单元13.3AI在联轴器与离合器选型及状态监测中的应用与展望联轴器与离合器是动力传递与中断核心部件，传统选型依赖手册公式与工程师经验，在复杂工况、非标准需求或预测性维护时存在局限。传统选型局限AI技术通过构建知识图谱、进行数据挖掘与状态识别，为精准匹配与智能运维提供全新方案。AI技术优势AI技术应用背景智能选型系统构建面对多样工况和联轴器类型，AI可构建集成产品库、案例库与标准规范的智能选型系统，通过知识图谱整合性能特征、适用工况与标准尺寸。复杂工况匹配对于高速、重载或耐腐蚀等复杂或非标准工况，AI通过机器学习算法训练选型模型，输入包括基本工况参数和历史故障数据，实现从“选对”到“选优”，如“高启动频率、中等冲击、有角向偏差”工况下，推荐弹性柱销联轴器并提示核查弹性元件寿命及加强润滑。参数输入与方案筛选工程师输入关键参数，AI系统通过自然语言处理与案例推理快速筛选合适类型，如需要吸收振动、补偿多向位移时推荐梅花联轴器或膜片联轴器，存在较大角位移时推荐万向联轴器。AI辅助的智能选型与性能匹配联轴器与离合器失效（如弹性元件磨损、齿面点蚀、摩擦片过热等）会引发连锁故障，基于AI的状态监测技术能从运行数据中提前识别异常征兆，实现预测性维护。失效危害与监测需求关键设备联轴器通过振动、温度及声发射传感器持续监测，深度学习模型从振动信号频谱中学习不对中、松动或磨损等独特特征模式，无需人工设定阈值，如检测到与转动频率成倍数关系的高次谐波能量持续增长，预警不对中或基础松动问题。联轴器监测方法AI系统分析离合器接合过程的转矩-转速曲线，通过时序模式识别算法判断摩擦离合器接合是否正常，检测牙嵌式离合器因转速差过大导致的冲击现象，接合时间异常或转矩波动超出范围时，预警摩擦片磨损或驱动系统压力不足。离合器监测方法基于AI的状态监测与故障预警数字孪生与全生命周期管理构建高保真数字孪生模型，实现联轴器与离合器全生命周期性能实时映射与模拟，精准预测剩余寿命并优化维护决策。智能控制与自适应调节智能控制算法与离合器深度集成，根据实时载荷与接合意图动态调整接合压力与速率，实现自适应精准控制与无冲击平稳传动。闭环智能运维生态智能单元状态数据与供应链管理系统无缝联动，形成从状态感知、智能诊断到备件预警、维护调度的闭环智能运维生态。未来展望PART.05模块小结本模块系统介绍了联轴器、离合器的分类和应用。单元13.1学习了刚性联轴器、无弹性元件联轴器、弹性联轴器及联轴器的选择；单元13.2学习了牙嵌式离合器、摩擦离合器、电磁式离合器、特殊功用离合器；单元13.3探讨了AI在联轴器与离合器选型及状态监测中的应用与展望。主要内容总结PART.06模块习题A.弹性联轴器内有弹性元件，而刚性联轴器内则没有。B.弹性联轴器能补偿两轴较大的偏移，而刚性联轴器不能补偿两轴的偏移。C.弹性联轴器过载时打滑，而刚性联轴器不能。(2)刚性联轴器和弹性联轴器的主要区别是______。A.只能在很低转速或停车时接合。B.在任何转速下都能接合。C.在高速转动时接合。(4)牙嵌式离合器______。A.凸缘联轴器。B.滑块联轴器。C.弹性套柱销联轴器。(3)生产实践中，一般电动机与减速器的高速级的连接常选用______。A.只能在很低转速或停车时接合。B.能在不停车或两轴有较大转速差时接合。C.运转中接合时有冲击和噪声。(5)与牙嵌式离合器比较，摩擦离合器的优点是______。A.转速不高、有剧烈的冲击载荷、两轴线有较大相对径向位移的连接。B.转速不高、没有剧烈的冲击载荷、两轴线有较大相对径向位移的连接。C.转速较高、载荷平