《机械设计基础》-第9章

9.1联轴器

联轴器和离合器是机械传动中常用的部件，主要用于连接两轴，使其一同旋转并传递转矩，有时也可用作安全装置。联轴器和离合器不同之处是:用联轴器连接的两轴，在机械运转时两轴是不能脱开的，只有在机械停车时才能将连接拆开，使两轴分离。离合器可以根据工作需要，在机械运转时随时使两轴脱开或结合，而不必停车。下一页返回9.1联轴器

联轴器所连接的两轴，由于制造和安装误差以及承载后变形和热变形等影响往往不能保证严格的对中，两轴将会产生某种形式的相对位移误差，如图9-1所示，图9-1(a)所示为轴向位移误差，图9-1(b)所示为径向位移误差，图9-1(c)所示为角位移误差，图9-1(d)所示为综合位移误差。这就要求联轴器在结构上具有补偿能力。下一页返回上一页9.1联轴器

根据联轴器有无弹性元件，可以将联轴器分为两大类，即刚性联轴器和弹性联轴器。刚性联轴器又根据其结构特点分为固定式和可移动式两类，固定式联轴器要求被连接的两轴中心线严格对中。而可移动式联轴器允许两轴有一定的安装误差，对两轴的位移有一定的补偿能力。弹性联轴器视其所具有弹性元件材料的不同，又可以分为金属弹簧式和非金属弹性元件式两类。弹性联轴器不仅能在一定范围内补偿两轴线间的位移，还具有缓冲减振的作用。下一页返回上一页9.1联轴器9.1.1常用联轴器的结构和特点

1.刚性固定式联轴器刚性固定式联轴器具有结构简单、成本低的优点。但对被连接的两轴间的相对位移缺乏补偿能力，故对两轴对中性要求很高。如果两轴线发生相对位移时，就会在轴、联轴器和轴承上引起附加的载荷，使工作情况恶化。所以常用于无冲击、轴的对中性好的场合。这类联轴器常见的有凸缘式、套筒式等。下一页返回上一页9.1联轴器(1)凸缘联轴器如图9-2所示，凸缘联轴器由两个带凸缘的半联轴器用螺栓连接而成。半联轴器用键与两轴相连接。图9-2(a)所示为两半联轴器用铰制孔螺栓连接，靠孔与螺栓对中，拆装方便，传递转矩大。图9-2(b)所示的两半联轴器靠凸桦对中，用普通螺栓连接，对中精度高，但装拆时轴必须做轴向移动。凸缘联轴器结构简单，价格低廉，能传递较大的转矩，但不能补偿两轴线的相对位移，也不能缓冲减振，故只适用于两轴能严格对中、载荷平稳的场合。下一页返回上一页9.1联轴器(2)套筒联轴器如图9-3所示，套筒联轴器利用套筒将两轴套接，然后用键或销将套筒和轴连接。套筒联轴器结构简单，制造容易，径向尺寸小，但两轴线要求严格对中，装拆时必须做轴向移动，适用于工作平稳、起动频繁的传动中。下一页返回上一页9.1联轴器2.刚性可移式联轴器

(1)十字滑块联轴器十字滑块联轴器是由两个端面带槽的套筒1、3和两侧面各具有凸块的浮动盘2组成，如图9-4所示。浮动盘两侧的凸块相互垂直，分别嵌装在两个套筒的凹槽中。浮动盘的凸块可在套筒的凹槽中滑动，故允许一定的径向位移(即偏心距)y≤0.04d，和角位移a≤0.5°。下一页返回上一页9.1联轴器

因为半联轴器与中间盘组成移动副，不能发生相对转动，故主动轴与从动轴的角加速度应该相等。但在两轴间有相对位移的情况下工作时，中间盘会产生很大的离心力，从而增大动载荷及磨损。因此，选用时应该注意其工作速度不得大于规定值。下一页返回上一页9.1联轴器(2)十字轴万向联轴器如图9-5所示，十字轴万向联轴器由两个叉形接头1、3和一个十字轴2组成。它利用叉形接头与十字轴之间构成的转动副，使被连接的两轴线能成任意角度a,一般a可达35°~45°

。当十字轴万向联轴器单个使用、主动轴以等角速度转动时，从动轴作变角速度回转，造成在传动中产生附加动载荷。为此，常将十字轴万向联轴器成对使用，如图9-6所示。要获得等角速度效果，在安装时各轴的相互位置必须满足:①主、从动轴与中间轴夹角相等，即a1=a3②中间轴两端的叉形平面必须位于同一平面内。应该注意到，这样安装后虽然获得输入轴和输出轴的等角速度转动，但中间转轴2仍然是不等角速度的。下一页返回上一页9.1联轴器(3)齿式联轴器齿式联轴器如图9-7所示，是由两个带外齿环的套筒Ⅰ和两个带内齿环的套筒且所组成。下一页返回上一页9.1联轴器

内、外齿环的轮齿数、模数相同，齿廓都是压力角为20°的渐开线。套筒Ⅰ分别装在被连接的两轴端，由螺栓连成一体的套筒Ⅱ通过齿环与套筒Ⅰ啮合。为能补偿两轴的相对位移，将外齿环的轮齿做成鼓形齿，齿顶做成中心线在轴线上的球面[图9-7(b)]，齿顶和齿侧留有较大的间隙。齿式联轴器允许两轴有较大的综合位移。当两轴有位移时，联轴器齿面间因相对滑动产生磨损。为减少磨损，联轴器内注有润滑剂。联轴器上的螺塞、密封圈封住注油孔和防止润滑剂外泄的作用。下一页返回上一页9.1联轴器

齿式联轴器同时啮合的齿数多，承载能力大，外廓尺寸较紧凑，可靠性高，但结构复杂，制造成本高，通常在高速、重载的重型机械中使用。下一页返回上一页9.1联轴器3.弹性可移式联轴器在弹性联轴器中，由于安装有弹性元件，它不仅可以补偿两轴间的相对位移，而且有缓冲和吸振的能力。故此，适用于频繁起动、经常正反转、变载荷及高速运转的场合。制造弹性元件的材料有金属和非金属两种。非金属材料有橡胶、尼龙和塑料等。其特点为重量轻、价格便宜，有良好的弹性滞后性能，因而减振能力强，但橡胶寿命较短。金属材料制造的弹性元件，主要是各种弹簧，其强度高、尺寸小、寿命长，主要用于大功率。这些联轴器可参考有关设计手册选用。下一页返回上一页9.1联轴器

下面仅介绍几种已经标准化的非金属弹性元件联轴器。

(1)弹性套柱销联轴器弹性套柱销联轴器的结构与凸缘式联轴器很近似，不同的是用装有弹性套的柱销代替连接螺栓(图9-8)。弹性套的变形可以补偿两轴线的径向位移和角位移，并且有缓冲和吸振作用。这种联轴器结构简单，容易制造，装拆方便，成本较低;但弹性套容易磨损，寿命较短。适用于经常正反转、起动频繁、载荷平稳的高速运动中。如电动机与减速器(或其他装置)之间就常使用这类联轴器。下一页返回上一页9.1联轴器(2)弹性柱销联轴器弹性柱销联轴器是用若干个弹性柱销将两个半联轴器连接而成(图9-9)。为了防止柱销滑出，两侧用挡环封闭。弹性柱销一般用尼龙6制造。为了增加补偿量，常将柱销的一端制成鼓形。这种联轴器结构简单，两半联轴器可以互换，加工容易，维修方便，尼龙柱销的弹性不如橡胶，但强度高、耐磨性好。当两轴相对位移不大时，这种联轴器的性能比弹性套柱销联轴器还要好些，特别是寿命长、结构尺寸紧凑，适用于轴向窜动较大、冲击不大，经常正反转的中、低速以及较大转矩的传动轴系。下一页返回上一页9.1联轴器9.1.2联轴器的选用联轴器大多已标准化，选用时先根据工作条件确定合适的类型，再按转矩、轴径及转速选择联轴器的型号，必要时再校核其承载能力。下一页返回上一页9.1联轴器1.联轴器类型的选择根据工作载荷的大小和性质、转速高低、两轴相对偏移的大小、装拆维护等方面的因素，结合各类联轴器的性能，选择合适的类型。例如，两轴的对中要求高，轴的刚度又大时，可选用套筒联轴器或凸缘联轴器;载荷不平稳，两轴对中困难，轴的刚度较差时，可选弹性柱销联轴器;两轴相交时，则选用万向联轴器等。下一页返回上一页9.1联轴器2.联轴器的型号选择根据计算转矩、轴的直径和转速，从标准中选择联轴器的型号和相关尺寸。转矩按式(9-1)计算，即

Tc=KT(9-1)式中K——工作情况系数，见表9-1;T——联轴器的工作转矩。所选型号的联轴器应使计算转矩不超过联轴器的公称转矩Tm，即Tc≤[Tm]。被连接轴的工作转速不超过许用转速[n]，即n≤[n]。联轴器的孔径、长度与相连接两轴的相关参数协调一致。联轴器轴孔和键槽形式见有关设计手册。返回上一页9.2离合器

使用离合器是为了按需要随时分离和接合机器的两轴，如汽车临时停车而不熄火。对离合器的基本要求是:接合平稳、分离迅速彻底;操纵省力方便，质量和外廓尺寸小，维护和调节方便，耐磨性好等。常用离合器分类如表9-2所示。下一页返回9.2离合器9.2.1牙嵌离合器牙嵌离合器是由两个端面带牙的半离合器所组成，如图9-10所示。其中半离合器Ⅰ固连在主动轴上，半离合器Ⅱ用导键(或花键)与从动轴连接。通过操纵机构可使半离合器Ⅱ沿导键做轴向运动，两轴靠两个半离合器端面上的牙嵌合来连接。为了使两轴对中，在半离合器上固定有对中环，而从动轴可以在对中环中自由地转动。下一页返回上一页9.2离合器

牙嵌离合器常用的牙型有三角形、矩形、梯形、锯齿形等，其径向剖面如图9-11所示。三角形牙多用于轻载的情况，容易接合、分离，但牙齿强度较低。矩形牙不便于接合、分离也困难，仅用于静止时手动接合。梯形牙的侧面制成a=2°~8°的斜角，牙根强度较高，能传递较大的转矩，并可补偿磨损而产生的齿侧间隙，接合与分离比较容易，因此梯形牙应用较广。三角形、矩形、梯形牙都可以作双向工作，而锯齿形牙只能单向工作，但它的牙根强度很高，传递转矩能力最大，多在重载情况下使用。下一页返回上一页9.2离合器

牙嵌离合器结构简单，外廓尺寸小，接合后所连接的两轴不会发生相对转动，宜用于主、从动轴要求完全同步的轴系。牙嵌离合器的尺寸已经系列化，通常根据轴的直径及传递的转矩选定尺寸，并校核齿的弯曲强度和接触齿面上的压强。下一页返回上一页9.2离合器9.2.2摩擦离合器利用主、从动半离合器接触表面之间的摩擦力来传递转矩的离合器，通常称为摩擦离合器，它是能在高速下离合的机械式离合器。下一页返回上一页9.2离合器

最简单的摩擦离合器如图9-12所示，主动盘固定在主动轴上，从动盘导键与从动轴连接，它可以沿轴向滑动。为了增加摩擦系数，在一个盘的表面上装有摩擦片。工作时利用操纵机构，在可移动的从动盘上施加轴向压力FA(可由弹簧、液压缸或电磁吸力等产生)，使两盘压紧，产生摩擦力来传递转矩。下一页返回上一页9.2离合器

摩擦离合器与牙嵌离合器比较，其优点是:两轴能在不同速度下接合;接合和分离过程比较平稳、冲击振动小;从动轴的加速时间和所传递的最大转矩可以调节;过载时将发生打滑，避免使其他零件受到损坏。故摩擦离合器的应用较广。缺点是结构复杂、成本高;当产生滑动时不能保证被连接两轴间的精确同步转动;摩擦会产生发热，当温度过高时会引起摩擦系数的改变，严重的可能导致摩擦盘胶合和塑性变形。所以，一般对钢制摩擦盘应限制其表面最高温度不超过300~400℃，整个离合器的平均温度不超过100~120℃。下一页返回上一页9.2离合器9.2.3定向离合器定向离合器是一种随速度的变化或回转方向的变换而能自动接合或分离的离合器，它只能单向传递转矩。如锯齿形牙嵌离合器，只能单向传递转矩，反向时自动分离。棘轮机构也可以作为定向离合器。下一页返回上一页9.2离合器

图9-13所示为一种滚柱式定向离合器，它由星轮、外环、滚柱和弹簧顶杆等组成。弹簧顶杆的推力使滚柱与星轮和外环经常接触。如果星轮为主动件并按图示方向顺时针回转，滚柱受摩擦力的作用被楔紧在槽内，从而带动外环回转，这时离合器处于接合状态。当星轮反向回转时，滚柱则被推到槽中宽敞部分，离合器处于分离状态。这种离合器工作时没有噪声，故适用于高速传动，但制造精度要求较高的场合。下一页返回上一页9.2离合器

当外环与星轮做顺时针方向的同向回转时，根据相对运动原理，若外环的速度大于星轮转速，则离合器处于分离状态;反之，如外环的转速小于星轮的转速，则离合器处于接合状态，故又称为超越离合器。定向离合器常用于汽车、拖拉机和机床等的传动装置中，自行车后轴上也安装有超越离合器。下一页返回上一页9.2离合器9.2.4滚珠安全联轴器滚珠安全离合器的结构形式很多，图9-14所示为其中之一。该离合器由主动齿轮1、从动盘2、外套筒3、弹簧4、调节螺母5组成。主动齿轮1活套在轴上，外套筒3用花键与从动盘2连接，同时又用键和轴相连。在主动齿轮1和从动盘2的端