1、联轴器的选择联轴器的选择 离合器的类型和应用离合器的类型和应用 机械制图联轴器与离合器的设计机械制图联轴器与离合器的设计 联轴器的类型和应用联轴器的类型和应用 离合器的选择离合器的选择 工程背景工程背景n联轴器和离合器是联轴器和离合器是机械传动中常用的部机械传动中常用的部件，主要用来连接轴件，主要用来连接轴与轴（或连接轴与其与轴（或连接轴与其他回转零件），以传他回转零件），以传递运动与转矩；有时递运动与转矩；有时也可用做安全装置。也可用做安全装置。根据工作特性，它们根据工作特性，它们可分为以下可分为以下4类。类。设计者思维设计者思维作为工程师，在设计联轴器或离合器时，需要考虑以下几个作为工程师
2、，在设计联轴器或离合器时，需要考虑以下几个问题：问题：p何时选用联轴器？何时选用联轴器？p何时采用离合器？何时采用离合器？p要如何选择联轴器或离合器的类型？要如何选择联轴器或离合器的类型？p如何确定联轴器或离合器的型号？如何确定联轴器或离合器的型号？p联轴器或离合器的尺寸要如何确定（轴径联轴器或离合器的尺寸要如何确定（轴径d d，轴孔长，轴孔长L L）？）？p如何校核联轴器或离合器的许用转矩和最大转速？如何校核联轴器或离合器的许用转矩和最大转速？p多盘摩擦离合器的摩擦盘数如何确定？多盘摩擦离合器的摩擦盘数如何确定？p设计出的联轴器或离合器能否满足环境条件的要求？设计出的联轴器或离合器能否满足环
3、境条件的要求？设计者思维设计者思维 简单实例简单实例 图15-1所示的是卷扬机传动布置图，电动机与减速器之间用联轴器连接，减速器与卷筒之间用离合器连接。当卷筒暂停转动时，不用关电动机，操纵离合器就可使之脱开。图15-1 卷扬机传动布置图 15.1联轴器的类型和应用联轴器的类型和应用 联轴器主要是用在轴与轴之间的联接中，联轴器主要是用在轴与轴之间的联接中，使两轴可以同时转动，以传递运动和转矩。使两轴可以同时转动，以传递运动和转矩。用联轴器联接的两根轴，只有在机器停车后，经过拆卸才能把它们分离。联轴器所连接的两根轴，由于制造及安装误差，以及机器在工作受载时基础、机架和其他零部件的弹性变形与温度变形
4、，其轴线不可避免地会产生相对位移，如图15-2所示。图15-2 两根轴间的各种相对位移 根据有无弹性元件和对各种相对位移有无补偿能力，联轴器可分为刚性联轴器刚性联轴器、挠挠性联轴器性联轴器和安全联轴器安全联轴器。一、刚性联轴器一、刚性联轴器 只能传递运动和转矩，不具备其他功能 包括凸缘联轴器、套筒联轴器、夹壳联轴器等 1凸缘联铀器 凸缘联铀器是应用最广的刚性联轴器，如图15-3所示。图15-3 凸缘联轴器 它是把两个带有凸缘的半联轴器用普通平键分别与两根轴连接，然后用螺栓把两个半联轴器连成一体，以传递运动和转矩。两种主要的结构形式两种主要的结构形式 图15-3(a)所示的是普通的凸缘联铀器，通
5、常靠铰制孔用螺栓来实现两轴对中，当当采用铰制孔用螺栓时，采用铰制孔用螺栓时，螺栓杆与钉孔为过渡螺栓杆与钉孔为过渡配合，靠螺栓杆承受配合，靠螺栓杆承受挤压与剪切来传递转挤压与剪切来传递转矩；矩；图15-3(b)所示的是有对中榫的凸缘联铀器，靠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，两个半联轴器此时用普两个半联轴器此时用普通螺栓连接，螺栓杆与通螺栓连接，螺栓杆与孔壁之间存在间隙，装孔壁之间存在间隙，装配时必须拧紧螺栓，转配时必须拧紧螺栓，转矩靠半联轴器接合面的矩靠半联轴器接合面的摩擦力矩来传递。摩擦力矩来传递。为了运行安全，凸缘联轴器可做成带防护边的结构，如图15-3(c)所示。
6、凸缘联轴器的材料可用灰铸铁和碳钢凸缘联轴器的材料可用灰铸铁和碳钢。当重载或圆周速度大于30 m/s时应用铸钢或锻钢，由于凸缘联轴器属于刚性联轴器，对所连两根轴之间的相对位移缺乏补偿能力，故对两对两根轴对中性的要求很高根轴对中性的要求很高。当两根轴有相对位移存在时，就会在机件内引起附加载荷，使工作情况恶化，这是它的主要缺点主要缺点。但由于它构造简单、成本低、可传递较大的转矩，故当转速低、无冲击、轴的刚性大、对中性较好时常被采用。附表15-1 凸缘联轴器（摘自GB/T 58432003）2套筒联轴器 这是一种结构最简单的刚性联轴器，如图15-4所示。这种联轴器是一个圆柱形套筒，可用两个圆锥销来传递
7、转矩，也可以用两个平键代替圆锥销。该联轴器的优点是径向尺寸小，该联轴器的优点是径向尺寸小，结构简单。结构简单。图15-4 套筒联轴器 结构尺寸推荐：D=(1.52)d,L=(2.84)d。此种联轴器尚无标准，需要自行设计，如机床上就经常采用这种联轴器。二、挠性联轴器二、挠性联轴器 1无弹性元件的挠性联轴器 这类联轴器因具有挠性挠性，故可补偿两补偿两根轴的相对位移根轴的相对位移。但由于无弹性元件，故不能缓冲减振。常用的挠性联轴器有以下几种。1）十字滑块联轴器 如图15-5所示，十字滑块联轴器由端面开有凹槽的两个半联轴器1、3和一个两端具有凸牙的中间圆盘2组成。图15-5 十字滑块联轴器 它只宜用
8、于低速的场合，一般不超过300 r/min。十字滑块联轴器零件的工作表面一般都要进行热处理，以提高其硬度。为了减小摩擦及磨损，使用时应从中间盘的油孔中注油进行润滑。2）十字轴式万向联轴器 图15-6所示的是十字轴式万向联轴器的结构图 它主要由两个分别固定在主、从动轴上的叉形接头 1、3，一个十字形零件2（称为十字头）和轴销4、5（包括销套及铆钉）组成；轴销4与5互相垂直配置，并分别把两个叉形接头与中间连接件2连接起来。图15-6 十字轴式万向联轴器 这种联轴器可以允许两根轴之间有较大的夹角（夹角最大可达3545），而在机器运转时，即使夹角发生改变仍可正常传动。但当a 过大时，传动效率会显著降低
9、。如图15-7(a)所示，主动轴上叉形接头1的叉面在图纸的平面内，而从动轴上叉形接头2的叉面则在垂直图纸的平面内，设主动轴以角速度等速转动，可推出从动轴在此位置时的角速度 。当主动轴再转过90时，从动轴也转过90，如图15-7(b)所示，此时叉形接头1的叉面在垂直图纸的平面内，叉形接头2的叉面则在图纸的平面内，可推出从动轴在此位置时的角速度 。当主动轴再转过90时，主、从动轴的叉面位置又回到图15-7(a)所示状态。故当主动轴以等角速度 转动时，从动轴角速度在 范围内周期性地变化，因而在传动中引起附加动载荷。为了改善这种情况，常将万向联轴器成对使用，即使用双万向联轴器，如图15-8所示。121
10、cos/cosaa 注意的是，安装时必须保证主动轴、从动轴与中间轴之间的夹角相等（a1=a2），并且中间轴两端的叉面位于同一平面内，这种双万向联轴器才可以得到 ，从而降低运转时的附加动载荷。2有弹性元件的挠性联轴器 这类联轴器因装有弹性元件，不仅可以补偿两根轴之间的相对位移，而且具有缓冲和减振的能力。弹性元件可储蓄的能量越多，联轴器的缓冲能力越强；弹性元件的弹性滞后性能与弹性变形时零件之间的摩擦功越大，联轴器的减振能力越好。制造弹性元件的材料有金属和非金属两种。非金属有橡胶、塑料等，其特点为质量小，价格便宜，有良好的弹性滞后性能，因而减振能力强。1）弹性套柱销联轴器 弹性套柱销联轴器结构上和凸
11、缘联轴器很近似，但是两个半联轴器的连接不用螺栓而用套有弹性套的柱销，如图15-9所示。图15-9 弹性套柱销联轴器 这种联轴器制造容易，装拆方便，成本较这种联轴器制造容易，装拆方便，成本较低，但弹性套易磨损，寿命较短。低，但弹性套易磨损，寿命较短。它适用于经常反转，启动频繁，转速较高的场合。如电动机与减速器（或其他传动装置）之间就常用这种联轴器。半联轴器的材料常用HT200，有时也采用35号钢或ZG270500；柱销材料多用35号钢。这种联轴器可按附表15-3选用，必要时应验算联轴器的承载能力。2）弹性柱销联轴器 所示，弹性柱销联轴所示，弹性柱销联轴器利用将若干非金属材料器利用将若干非金属材料
12、制成的柱销置于两个半联制成的柱销置于两个半联轴器凸缘的孔中，以实现轴器凸缘的孔中，以实现两根轴的连接。两根轴的连接。柱销通常用尼龙制成，而尼龙具有一定的 弹性。弹性柱销联轴器的结构简单，更换柱销方便。为了防止柱销脱出，在柱销两端配置挡圈。装配时应注意留出间隙c。图15-10 弹性柱销联轴器 这种联轴器与弹性套柱销联轴器很相似，都是动力从主动轴通过弹性件传递到从动轴，但传递转矩的能力更大，结构更简单。它安装、制造方便，耐久性好，弹性柱销有一定的缓冲和吸振能力，允许被连接的两根轴有一定的轴向位移及少量的径向位移和角位移，适用于轴向窜动较大、正反转变化较多和启动频繁的场合。由于尼龙柱销对温度较敏感，
13、故使用温度限制在-2070的范围内。3）金属膜片联轴器 金属膜片联轴器的典型结构如图15-11所示，其弹性元件是由一定数量的很薄的多边环形（或圆环形）金属膜片叠合而成的膜片组，膜片上有沿圆周均匀分布的若干个螺栓孔，使用铰制孔用螺栓交错间隔地把两边的半联轴器连接起来。图15-11 膜片联轴器 这种联轴器结构比较简单，质量轻，拆装方便，工作可靠，平衡校正容易，而且没有相对滑动，故不需要润滑也无噪声，维护方便；但膜片的扭转弹性小，缓冲、吸振能力差，因此其适用于载荷比较平稳的高速传动和工作环境恶劣的场合。有金属弹性元件的挠性联轴器除上述金属膜片联轴器外，还有多种形式，如定刚度的圆柱弹簧联轴器、变刚度的
14、蛇形弹簧联轴器及径向弹簧片联轴器等。三、安全联轴器三、安全联轴器 安全联轴器的作用安全联轴器的作用是，当其传递的转矩超过机器允许的极限转矩时，其连接件被剪断而使传动中断，以保护机器中的重要零件不被损坏。软启动型 硬启动型 如钢球与钢砂离心式软启动安全联轴器 如剪切销、弹性块和液压安全联轴器 剪切销安全联轴器有单剪的（图15-12(a)）和双剪的（图15-12(b)）两种 图15-12 剪切销安全联轴器 现以单剪的为例加以说明。单剪的剪切销安全联轴器的结构类似凸缘联轴器，用钢制销钉连接。销钉装在经过淬火的两段钢制套管中，过载时即被剪断。这类联轴器由于销钉材料机械性能的不稳定和制造尺寸误差等原因，
15、使工作精度不高，而且销钉剪断后，不能自动恢复工作能力，必须停车更换销钉。但由于它结构简单，所以在很少过载的机器中常采用。15.2联轴器的选择联轴器的选择 常用的联轴器大多已标准化或规格化。设计时，一般只需要正确选择联轴器的类型，确定联轴器的型号及尺寸。联轴器的选择原则联轴器的选择原则 具体选择时可考虑以下几点（1）联轴器所需传递转矩的大小和性质，对缓冲、减振等功能的要求。（2）联轴器两根轴轴线的相对位移的大小。（3）联轴器工作转速的高低和引起的离心力的大小。（4）联轴器的制造、安装、维护和成本。联轴器尺寸的确定联轴器尺寸的确定 由于机器启动时的动载荷和运转过程中可能出现过载等现象，故应取轴上的
16、最大转矩作为计算转矩Tca，Tca 可按下式计算：Tca=KAT T为联轴器所需传递的名义转矩（Nm）；Tca为联轴器所需传递的计算转矩（Nm）；KA为工作情况系数，其值见附表15-4（此系数也适用于离合器的选择）。通过计算转矩、转速及所选的联轴器类型，根据相关设计手册选取联轴器的型号和结构尺寸：Tca T n nmax T为所选联轴器型号的许用转矩（Nm）；n为被连接轴的转速（r/min）；nmax为所选联轴器型号允许的最高转速（r/min）。在多数情况下，每个型号的联轴器所适用的轴径均有一个范围。标准中已给出轴径的最大值与最小值，或者给出适用直径的尺寸系列，被连接的两根轴的直径都应在此范围
17、之内。【工程实例15-1】电动机与减速箱之间的联轴器设计计算 电动机经减速器拖动水泥搅拌机工作。已知电动机的功率P=11 kW，转速n=970 r/min，电动机轴的直径和减速器输入轴的直径均为42 mm，试选择电动机与减速器之间的联轴器。解：（1）选择类型。为了缓和冲击和减小振动，选用弹性套柱销联轴器。（2）求计算转矩。1195509550108 N m970PTn查附表15-4得，工作机为水泥搅拌机时的工作情况系数KA=1.9，故计算转矩为（3）确定型号。Tca=KAT=1.9 108=205 Nm 附表15-4 工作情况系数KA 在附表15-3中选取弹性套柱销联轴器LT6。它的公称转矩（
18、即许用转矩）为250 Nm，当半联轴器材料为钢时，许用转速为3800 r/min，允许的轴孔直径在3242 mm之间。以上数据均能满足本题的要求，故适用。附表15-3 弹性套柱销联轴器（摘自GB/T 43232002）15.3离合器的类型和应用离合器的类型和应用 离合器主要也是用做轴与轴之间的连接。离合器主要也是用做轴与轴之间的连接。与联轴器不同的是，用离合器连接的两根轴，与联轴器不同的是，用离合器连接的两根轴，在机器工作中能方便地使它们分离或接合。在机器工作中能方便地使它们分离或接合。对离合器的基本要求有：接合平稳，分离迅速而彻底；调节和修理方便；外廓尺寸小；质量小；耐磨性好，有足够的散热能
19、力；操纵方便、省力。离合器的类型很多，如表15-2所示，常用的可分为牙嵌式与摩擦式两大类。表15-2 离合器的分类 一、牙嵌离合器一、牙嵌离合器 牙嵌离合器的零件数量少，主要由两个端面有牙的半离合器组成，如图15-13所示。1主动轴；2，3半离合器；4从动轴；5操纵机构；6对中环 图15-13 牙嵌离合器 其中，半离合器2固定在主动轴1上，半离合器3用导键（或花键）与从动轴4连接。通过操纵机构5可使半离合器3沿导键作轴向移动，以实现离合器的分离与接合。两轴靠两个半离合器端面上的牙嵌接合来连接，以传动运动和转矩。为了使两轴对中，在半离合器2上固定有对中环6，从动轴可以在对中环内自由地转动。牙嵌离
20、合器常用的牙型有三角形、矩形、梯形和锯齿形，如图15-14所示。图15-14 牙嵌离合器的牙型 三角形接合和分离容易，但齿的强度较弱，多用于传递小转矩，接合后不能自锁。梯形和锯齿形强度较高，接合和分离也较容易，多用于传递大转矩的场合，但锯齿形只能单向工作，反转时工作面将受到较大的轴向分力，迫使离合器自行分离。矩形制造容易，但必须在与槽对准后方能接合，因而接合困难；而且接合以后，与接触的工作面间无轴向分力作用，所以分离也较困难，故应用较少。牙嵌离合器结构简单，外廓尺寸小，接合后两个半离合器之间没有相对滑动，但只能在两根轴的转速差很小或相对静止的情况下才能接合，否则牙的相互嵌合会发生很大冲击，影响
21、牙的寿命，甚至会使牙折断。牙嵌离合器可以借助电磁线圈的吸力来操纵，称为电磁牙嵌离合器。电磁牙嵌离合器通常采用嵌入方便的三角形细牙。由于该离合器依据信息而动作，所以便于遥控和程序控制。二、圆盘摩擦离合器二、圆盘摩擦离合器 圆盘摩擦离合器是利用主、从动摩擦盘间产生的摩擦力矩来传递转矩的，其结构上有单盘式单盘式和多盘式多盘式两种。根据摩擦副的润滑状态不同，又可分为干式干式与湿式湿式两种。1主动轴；2从动轴；3，4摩擦盘；5操纵环 图15-15 单盘摩擦离合器 在主动轴1和从动轴2上，分别安装摩擦盘3和4，操纵环5可以使摩擦盘4沿从动轴移动。接合时以力F将盘4压在盘3上，主动轴上的转矩即由两盘接触面间
22、产生的摩擦力矩传到从动轴上。能传递的最大转矩为 Tmax=FfRm 设摩擦力的合力作用在平均半径的圆周上。取环形接合面的外径为D1，内径为D2，则 12m4DDR 这种单盘摩擦离合器为常开式，接合平稳、柔顺，散热性好，但传递的转矩较小，可用于传递转矩范围为153000 Nm的场合。当需要传递较大转矩时，可采用多盘摩擦离合器。图15-16所示的是多盘摩擦离合器，它有两组摩擦盘，其中外摩擦盘4利用外圆上的花键与外鼓轮2相连（外鼓轮2与输入轴1相固连），内摩擦盘5利用内圆上的花键与内套筒9相连（内套筒9与输出轴10相连）。1输入轴；2外鼓轮；3压板；4外摩擦盘；5内摩擦盘；6螺母；7曲臂压杆；8滑环
23、；9内套筒；10输出轴 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、外摩擦盘组，从而使离合器接合或分离。螺母6是用来调节内、外摩擦盘组间隙大小的。外摩擦盘和内摩擦盘的结构形状如图15-17所示。若将内摩擦盘改为图15-17(c)中的碟形，使其具有一定的弹性，则离合器分离时摩擦盘能自行弹开，接合时也较平稳。图15-17 内、外摩擦盘的结构形状 多片式摩擦离合器能传递的最大转矩为 Tmax=FfRmz KAT z为接合摩擦面数（在图15-16中，z=6），其他符号的含义同前 摩擦盘工作表面的内、外直径之比，是摩擦离合器的一个重要的结构参数。增加摩擦盘数目，可以提高离合器传递转矩的
24、增加摩擦盘数目，可以提高离合器传递转矩的能力，但摩擦盘过多会影响分离动作的灵活性，故能力，但摩擦盘过多会影响分离动作的灵活性，故一般不超过一般不超过1015对。对。摩擦离合器的工作过程一般可分为接合接合、工作工作和分离分离三个阶段。在接合和分离过程中，在接合和分离过程中，从动轴的转速总低于主动轴的转速，因此两从动轴的转速总低于主动轴的转速，因此两个摩擦盘工作面间必将产生相对滑动个摩擦盘工作面间必将产生相对滑动，从而会消耗一部分能量，并引起摩擦盘的磨损和发热。为了限制磨损和发热，应使接合面上的压强不超过许用压强p，即 22124 FppDD-许用压强p为基本许用压强p0与系数k1、k2、k3的乘
25、积，即 p=p0k1k2k3 k1、k2、k3分别为因离合器的平均圆周速度、主动摩擦片数及每小时的接合次数不同而引入的修正系数。圆盘摩擦离合器利用摩擦盘作为接合元件，结构形式多，传递转矩大，安装调整方便，摩擦材料种类多，能保证在不同工况下，具有良好的工作性能。两根轴可在任意大小转速差的工况下接合和分离（特别是能在高速下进行平稳离合），并可通过改变摩擦盘间的压力来调节从动轴的加速时间，减小接合的冲击振动。过载时摩擦面间将打滑，具有安全保护作用。但在接合过程中会摩擦发热，同时还要调整摩擦面的间隙。圆盘摩擦离合器广泛应用于交通运输、机床、建筑、轻工和纺织等机械中。15.4离合器的类型和应用离合器的类
26、型和应用 大多数离合器已标准化或规格化，设计时，只需参考有关设计手册对其进行类比设计或选择即可。选择离合器时，有以下几点要求。（1）根据机器的工作特点和使用条件，结合各种离合器的性能 特点，确定离合器的类型。（2）类型确定后，可根据被连接的两根轴的直径、计算转矩和 转速，从相关设计手册中查出适当的型号。（3）必要时，需要对其薄弱环节进行承载能力校核。【工程实例15-2】摩擦离合器的设计计算 设计一个普通车床主轴箱中用机械操纵的湿式多盘摩擦离合器。已知电动机额定功率P1=6 kW，额定转速n1=970 r/min，电动机通过V带减速传动到摩擦离合器主动轴，其轴径d=40 mm，减速比i=1.43
27、，每小时接合120次。（1）计算主动轴转速及转矩。取V带传动效率h=0.96，离合器主动轴传递的功率为 P=P1h=60.96=5.76 kW 离合器主动轴转速为 n=n1/i=960/1.43=672 r/min 离合器主动轴传递的名义转矩为 665.769.55 109.55 1081 857 N mm672PTn（2）选定离合器的有关尺寸。对于湿式摩擦离合器，有 D2=(1.52)d=(1.52)40=6080 mm 取D2=60 mm。D1=(1.52)D2=(1.52)60=90120 mm 取D1=110 mm。（3）计算允许的轴向压力。选择摩擦盘材料为淬火钢淬火钢（湿式）。查附表
28、15-5，选取f=0.06，p0=0.7 MPa。k1与摩擦盘平均圆周速度有关，有 12m()(11060)6722.99 m/s260 1000260 1000DD nv附表15-5 摩擦系数f和基本许用压强p0 查附表15-6，选取k1=0.94；k2与主动摩擦盘的数目有关，此时摩擦盘数未知，可暂取为7，查附表15-6，选取k2=0.88；因每小时结合120次，故选取k3=0.95。因此，由式(15-8)求得许用压强为 附表15-6 修正系数k1、k2、k3 p=p0k1k2k3=0.7 0.94 0.88 0.95=0.55 MPa 则由式(15-7)求得轴向压力为 222212()(1
29、1060)0.553672 N44DDpF-（4）计算摩擦盘数目。由式(15-6)、式(15-5)得摩擦离合器能传递的最大转矩为 12maxmA4DDTFfR zFfzK T其中，查附表15-4，选取KA=1.5，所以 1244 1.5 8185713.1()36720.06(11060)KTzFf DD选取z=14，外摩擦盘数（主动）z1=z/2=7，内摩擦盘数（从动）z2=z1+1=8。（5）确定轴向压力最小值，并验算压强。由公式 A1244 1.5 81 8573439 N()14 0.06(11060)K TFzf DD2222124434390.52 MPa()(11060)FpDD-由于求得的主动摩擦盘数z1=7，与初设值相同，故p=0.55 MPa不变。因此p=0.52 MPa p 故安全。
