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第8章 联轴器和离合器, 8.1 常用联轴器 8.1.1 联轴器的类型 8.1.2 联轴器的标记 8.1.3 联轴器的选择 8.2 离合器简介 8.2.1 常用离合器 8.2.2 离合器的选择, 8.1 常用联轴器 联轴器和离合器是机械传动中常用的部件。它们主要用来联接不同部件之间的两根轴或轴与其他回转零件，使其一起转动并传递转矩，有时也可用做安全装置。所不同的是，在机械运转过程中，用联轴器实现的联接不能被断开，而用离合器实现的联接则可通过操纵机构或自动控制装置随时断开或接通。 图8.1所示卷扬机示意图中电动机1与减速器3之间用的是联轴器2联接，减速器3与卷筒5之间用的是离合器4联接，当卷筒5需要暂停转动时，不必切断电动机1的电源，只要操纵离合器4使之脱开即可。,图8.1 卷扬机示意图1电动机 2联轴器 3减速器 4离合器 5卷筒,由于制造及安装误差、承载后变形、工作温度变化等影响，联轴器所联接的两轴轴线往往不能共线(对中)，且在工作时两轴之间可能还会产生一定范围的相对位移，如图8.2所示。如果联轴器不具备适应这些情况的补偿能力，就会在联轴器、轴和轴承中产生附加载荷，甚至引起强烈振动。, 8.1.1 联轴器的类型,轴向位移(b) 径向位移 (c) 角位移(d) 综合位移图8.2 两轴间的相对位移,刚性联轴器 刚性联轴器具有结构简单、成本低的优点。组成刚性联 轴 器的各元件，联接后成为一个刚性的整体，工作中没有相对运动。但对被联接的两轴间的相对位移缺乏补偿能力，故要求被联接的两轴要严格对中。刚性联轴器常用于无冲击、无位移补偿要求的场合。这类联轴器常见的有套筒联轴器和凸缘联轴器。 1) 套筒联轴器 这是一种最简单的联轴器，如图8.3所示，套筒联轴器用圆锥销、键或螺钉将圆柱形套筒和两根轴相联接起来并传递扭矩。被联接的轴径一般不超过80mm，套筒用35或45钢制。这种联轴器结构简单，径向尺寸小，但传递转矩较小，不能缓冲和吸振，被联接的两轴必须严格对中，装拆时轴需要作轴向移动，常用于机床传动系统中。此种联轴器没有标准，需要自行设计。,在图8.3b所示的联轴器中，如果销的尺寸设计得当，过载时销被剪断，可以防止损坏机器的其他零件。这种能起安全保护作用的联轴器称为安全联轴器。,(a) 键联接 (b) 销联接图8.3 套筒联轴器,2) 凸缘联轴器 凸缘联轴器是应用较为广泛的一种刚性联轴器。它由两个带凸缘的半联轴器组成，两个半联轴器通过键分别与两轴相联 接，并用螺栓将两个半联轴器联成一体，如图8.4所示。,按对中方式的不同，凸缘联轴器有YLD型和YL型两种。YLD型凸缘联轴器如图8.4(a)所示利用半联轴器的凸肩与凹槽(D1)对中，并用普通螺栓联接，工作时靠两半联轴器接触面间的摩擦力传递转矩，装拆时轴需作轴向移动，多用于不常拆卸的场合。 YL型凸缘联轴器如图8.4(b)所示利用铰制孔螺栓对中，螺栓与孔为紧配合，工作时靠螺栓受剪与挤压来传递转矩。装拆时轴不需要作轴向移动，但要配铰螺栓孔。常用于经常装拆的场合。 当联轴器外缘的圆周速度30时，半联轴器可用HT200制造；当50时，半联轴器可用ZG270-500或35钢制造。,凸缘联轴器结构简单，对中精度高，传递转矩较大，但不能缓冲和吸振。要求被联接的两轴必须安装准确，对中性好。它适用于工作平稳、刚性好和速度较低的场合。凸缘联轴器的尺寸可以按照标准GB/T 58431986选用(见附表8-1)。,(a) YLD型 (b) YL型图8.4 凸缘联轴器,2. 无弹性元件挠性联轴器 由于这类联轴器无弹性元件，位移的补偿是利用联轴器中各零件间的相对移动来实现的，所以通常不能缓冲和减振。 1) 十字滑块联轴器 如图8.5所示，联轴器由两个带有凹槽的半联轴器1和3 及一个两端面都有凸榫的中间圆盘2组成。半联轴器固装在两根轴端，中间圆盘两端面的凸榫相互垂直，且分别嵌在两个半联轴器的凹槽中。中间圆盘的凸榫可在两个半联轴器的凹槽中往返滑动，可补偿两轴间的径向位移和轻微角位移。 滑块联轴器材料多为中碳钢，凸榫和凹槽的工作表面须淬硬，为了减少摩擦及磨损，使用时应在中间圆盘的油孔注入润滑剂进行润滑。这种联轴器结构简单，径向尺寸小，但中间圆盘的偏心将会引起很大的离心力，从而增大动载荷及磨损，故只用于最高转速250，载荷平稳的场合。如将中间圆盘制成空心的，可减轻其质量，从而减小上述不利影响。,图8.5 十字滑块联轴器,2) 齿式联轴器 如图8.6(a)所示，齿式联轴器是由两个带外齿环的套筒1和两个带内齿环的套筒2所 组成。套筒1分别装在被联接的两轴端，套筒1与由螺栓5联成一体的套筒2通过齿环相啮合。内外齿环的齿数、模数都相等，齿数一般为3080个齿，齿廓齿形压力角为20°的渐开线。齿式联轴器允许被联接的两轴有较大的综合位移。为能补偿两轴间的相对位移，,(a) 结构图 (b) 齿顶制成球面和齿形制成鼓形图8.6 齿式联轴器 1套筒 2套筒 3螺塞 4密封圈,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，齿顶和齿侧留有较大的间隙，如图8.6(b)所示。当两轴有位移时，联轴器齿面间因相对滑动会产生磨损。为减少齿面磨损，联轴器内需注入润滑剂。联轴器上的螺塞3、密封圈4有封住注油孔和防止润滑剂外泄的作用。,齿环材料通常为45钢或ZG310-570，轮齿齿面一般需淬火，当齿环分度圆的圆周速度5时，轮齿可调质处理。齿式联轴器承载能力大，外廓尺寸较紧凑，可靠性高，安装精度要求不高，具有补偿综合位移的能力，且补偿量较大。但结构复杂，制造成本高，不适用于立轴，通常在高速重载的重型机械中使用。,3) 万向联轴器 万向联轴器用以传递两相交轴之间的运动，如图8.7所示。万向联轴器由两个叉形半联轴器1、2和十字轴3组成。适用于两轴有较大偏斜角的地方，两轴线所夹的锐角为。,图8.7 万向联轴器示意图,变化的幅度与两轴间的夹角 有关。当 越大，其变化的范围也越宽。所以，为使从动轴速度波动的幅度不致过大，通常工程上限制两轴间的夹角 在 以内，即 。 从动轴2的角速度 变化必将产生附加动载荷，使传动失去平稳性。为了克服这一缺点，万向联轴器常成对使用，组成双万向联轴器(如图8.8所示)。,当主动轴1以等角速度 匀速转动时，从动轴2的角速度 却是不断变化的，从动轴的瞬时角速度是周期性变化的，其变化范围为,为了保证从动轴与主动轴以同步的角速度运转，机构要满足如下三个条件： (1) 主动轴、从动轴、中间轴的三根轴线应位于同一平面内。 (2) 主动轴、从动轴与中间轴的轴间夹角应相等， 。 (3) 中间轴两端的叉面应位于同一平面内。 万向联轴器结构紧凑，维修方便，能补偿较大的角位移，广泛应用于汽车、拖拉机、轧钢机和金属切削机床等机械设备中。,(a) (b)图8.8 双万向联轴器的安装,3. 弹性元件挠性联轴器 弹性元件挠性联轴器简称弹性联轴器，是利用弹性元件的弹性变形来补偿两轴间相对位移的，具有缓冲和吸振功能。常用于频繁起动、变载荷、高速运转、经常正反转工作和两轴不便于严格对中的场合。 弹性元件挠性联轴器分为非金属弹性元件挠性联轴器和金属弹性元件挠性联轴器两类。非金属弹性元件与金属弹性元件相比，储存能量较多、弹性滞后性能较好，其缓冲能力和消振能力较强，且非金属弹性元件联轴器结构简单、价格便宜，故应用广泛；其缺点是尺寸较大，而且寿命较短。非金属弹性元件可以用橡胶、尼龙和塑料等材料制作，金属弹性元件主要是各种弹簧。,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相似，所不同的是用装有弹性套的柱销代替联接螺栓(如图8.9所示)，因此可以缓冲和减真振。安装时，两半联轴器之间要留有一定的间隙C，以便补偿两轴间的轴向位移。为了更换易损元件弹性套而不必拆移机器，应留出一定的空间距离A。半联轴器通常用HT200制造，也可用35钢或ZG270-500制造；柱销用35钢制造；弹性套用天然橡胶或合成橡胶为材料，以提高其弹性。 弹性套柱销联轴器结构简单、容易制造、装拆方便、成本较低，可传递中小转矩。它适用于经常正反转、启动频繁的场合。弹性套容易磨损、寿命较短，用于工作环境温度在2070范围内、无油质及其他对橡胶无害的介质中与联轴器接触。如电动机与减速器之间就常使用这类联轴器。,2) 弹性柱销联轴器 如图8.10所示，弹性柱销联轴器在结构上类似于弹性套柱销联轴器，所不同的是用尼龙柱销代替弹性套柱销作为中间联接件。为了增加补偿量，常将柱销的一端制成鼓形。为了防止柱销从半联轴器的孔中滑出，在两端安装有固定挡圈。,图8.9 弹性套柱销联轴器,与弹性套柱销联轴器相比，弹性柱销联轴器能传递较大的转矩，两半联轴器可以互换，加工容易，维修方便，但补偿两轴的相对位移量要小些。弹性柱销联轴器适用于轴向串动较大和经常正反转的中、低速以及较大转矩的传动轴系中。由于尼龙柱销对温度比较敏感，故使用温度限制在2070的范围内。 3) 滑块联轴器 滑块联轴器与十字滑块联轴器相似，所不同的是两半联轴器1、3上的沟槽很宽，用夹布胶木或尼龙制成的方形滑块2嵌合在两半联轴器的凹槽内代替中间圆盘(如图8.11所示)，这种联轴器又名挠性爪型联轴器。由于中间滑块的质量减小，又有弹性，故具有较高的极限转速。,这种联轴器结构简单、尺寸紧凑，适用于小功率、中等转速且无剧烈冲击的场合。在一般油泵中常用这种联轴器，使用时可以按照JB/ZQ 43841986选用。,图8.11 滑块联轴器, 8.1.2 联轴器的标记,联轴器标记的构成如下：,其中，轴孔型式及其代号如图8.12所示。,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) 有沉孔的锥形轴孔(Z型) (e) 无沉孔的锥形轴孔(Z1型)图8.12 联轴器的轴孔型式,键槽形式及其代号见表8-1。若选用的联轴器是Y型轴孔、A型键槽时键槽的代号在标记中可省略；若联轴器两端轴孔和键槽的形式、尺寸相同时，只标记一端，另一端省略。 联轴器的标记示例见附表8-1和附表8-2。,表8-1 联轴器轴孔键槽的形式及代号,绝大多数联轴器都已经标准化，可根据实际情况合理的选用，选择的基本步骤可按以下进行。1. 选择联轴器的类型 根据传递转矩的大小、轴转速的高低，被联接两部件的安装精度、参考各种类型联轴器的特性，选择一种合适的联轴器。具体依据是： (1) 所需传递转矩的大小和性质以及对缓冲减振功能的要求。如对大功率的重载传 动，可选用齿式联轴器；对严重冲击载荷或要求消除轴系扭转振动的传动，可选用弹性的联轴器。, 8.1.3 联轴器的选择,(2) 两轴相对位移的大小和方向。当安装调整后，难以保持两轴严格精确对中，或者工作过程中两轴将产生较大的附加相对位移时，应选用有补偿作用的联轴器。例如当径向位移较大时，可选用滑块联轴器，角位移较大时或相交两轴的联接可用万向联轴器等。 (3) 联轴器的可靠性和工作环境。通常由金属元件制成的不需要润滑的联轴器比较可靠；需要润滑的联轴器，其性能易受润滑完善程度的影响，且可能污染环境。含有橡胶等非金属元件的联轴器对温度、腐蚀性介质及强光等比较敏感，而且容易老化。 (4) 联轴器的制造、安装、维护和成本。在满足使用性能的前提下，应选用拆装方便、维护简单、成本低的联轴器。例如，刚性联轴器不但简单，而且拆装方便，可用于低速、刚性大的传动轴。一般的非金属弹性元件联轴器，由于具有良好的综合性能，广泛适用于一般中小功率传动。,由于启动时的动载荷和运转中可能出现过载现象，所以应当确定轴上的计算转矩 ，计算转矩按下式进行式中： 轴的计算转矩 ( )； 工作情况系数，见表8-2； 轴的名义转矩( )。,表8-2 工作情况系数,3. 校核最大转速 被联接轴的转速不超过联轴器的许用转速 ，即 。4. 协调轴孔直径 每一型号联轴器适用的轴的直径均有一个范围。标准中给出轴直径的最小值和最大值，或给出适用直径的尺寸系列，被联接两轴轴端直径一般应在联轴器的孔径范围之内。一般情况下被联接两轴的直径是不同的，两个轴端的形状也可能是不同的。 使用非金属弹性元件的联轴器时，还应注意联轴器所在部位的工作温度不要超过该弹性元件材料允许的最高温度。,【例8.1】 在电动机与增压油泵间用联轴器相联。已知电动机的功率P =7.5kW，转速 =960 r/min，电动机直径 =38 mm，油泵轴直径 =42 mm。试选择联轴器型号。解 (1) 选择联轴器的类型 因为轴的转速较高，启动频繁，载荷有变化，宜选用缓冲性较好的弹性套柱销联轴器。 (2) 确定联轴器的型号 名义转矩：,(查表8-2),载荷经常变化，按中等冲击载荷考虑，工作情况系数：,(3) 校核最大转速 电动机的转速 n960 r/min。由附表8-2查得钢制联轴器许用转速n=3800 r/min。 即 nn，所选联轴器可用。(4) 协调轴孔直径 由附表8-2查得钢制联轴器轴孔 系列为32，35，38，40，42，符合使用要求。,初定联轴器的型号：查附表8-2知可以选用型弹性套柱销联轴器 ，公称转矩 为250 即 。,( ),计算转矩：,取输入端为长圆柱孔，孔径为38 mm，孔长为82 mm，平键单键槽。 取输出端为有沉孔的短圆柱孔，孔径为42mm，孔长为84 mm，平键单键槽。 (5) 联轴器的标记 联轴器 (GB/T 43231984)。, 8.2 离合器简介 用离合器接合的两轴可在机器运转的过程中随时分离或接合，如汽车临时停车而不熄火。对离合器的基本要求是：离合平稳迅速，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，散热能力好。离合器种类繁多，分为操纵离合器和自动离合器。常用的操纵离合器又可分牙嵌式与摩擦式两大类，常用的自动离合器有定向离合器。,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8.13所示。其中半离合器1固联在主动轴上，半离合器2用导键(或花键)与从动轴联接。通过操纵机构4可使半离合器2沿导键作轴向运动，两轴靠两个半离合器端面上的牙相互嵌合来联接。为了使两轴对中，在半离合器1上固定有对中环3，而从动轴可以在对中环中自由地转动。, 8.2.1 常用离合器,图8.13 牙嵌离合器1、2半离合器 3对中环 4操纵机构,牙嵌离合器常用的牙型有三角形、矩形、梯形、锯齿形等，如图8.14所示。三角形牙便于接合与分离，但强度较弱，只适用于传递小转矩的低速离合器；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 2°8°的斜角，梯形牙强度较高，能传递较大转矩，且又能自行补偿牙磨损后出现的牙侧间隙，从而,(a) 三角形 (b) 矩形 (c) 梯形 (d) 锯齿形图8.14 牙嵌离合器常用的牙形,避免由于间隙产生的冲击，故应用较广；锯齿形牙比梯形牙的强度还高，传递的转矩也更大，但只能单向工作，且反转时齿面间会产生很大轴向分力，迫使离合器自动分离，因此仅在特定的工作条件下采用。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。 梯形牙和锯齿形牙的牙数一般为315，三角形牙的牙数一般为1560。要求传递转矩大时，应选用较少的牙数；要求接合时间短时，应选用较多的牙数；牙数越多，载荷分布越不均匀。 离合器的材料常用低碳钢表面渗碳，硬度为56HRC62HRC，或采用中碳钢表面淬火，硬度为48HBC54HBC，不重要的和静止状态接合的离合器，也允许用HT200制造。,2. 摩擦离合器 摩擦离合器是靠工作面上的摩擦力矩来传递力矩的，在接合过程中由于接合面的压力是逐渐增加的，故能在主、从动轴有较大的转速差的情况下平稳地进行接合。过载时，摩擦面间将发生打滑，从而避免其他零件的损坏。 1) 单片式摩擦离合器 单片式摩擦离合器如图8.15所示，主动盘1固定在主动轴上，从动盘2通过导键与从动轴联接，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3，摩擦片常用淬火钢片或压制石棉片材料制成。工作时利用操纵机构4在可移动的从动盘上施加轴向压力 (可由弹簧、液压缸或电磁吸力等产生)，使两盘压紧，圆盘间便产生圆周方向的摩擦力，从而实现转矩的传递。,单片式摩擦离合器结构简单，散热性好，但传递的转矩小，多用于轻型机械。 2) 多片式摩擦离合器 在传递大转矩的情况下，因受摩擦盘尺寸的限制不宜应用单片摩擦离合器，这时要采用多片摩擦离合器，用增加结合面对数的方法来增大传动能力。 图8.16(a)所示为多片式摩擦离合器。主动轴1与外壳3相联接，从动轴2与套筒9相联接。外壳3又通过花键与一组外摩擦片5(如图8.16(b)所示)联接在一起；套筒9也通过花键与另一组内摩擦片6如图8.16(c)所示联接在一起。工作时，向左移动滑环8，通过杠杆7、压板4使两组摩擦片5、6压紧，离合器处于接合状态。若向右移动滑环8时，摩擦片5、6被松开，离合器实现分离。这种离合器常用于车床主轴箱内。,摩擦离合器传递的转矩随摩擦片数目 的增加成正比。但摩擦片数目 过多，将影响离合器分离的灵活性，所以限制 2530。对于湿式摩擦离合器取 =515；对于干式摩擦离合器取 =16。,图8.15 单片式摩擦离合器1主动盘 2从动盘 3摩擦片 4操纵机构,和单片式摩擦离合器相比，多片式摩擦离合器可以在不增加轴向压力和径向尺寸的情况下，通过增加摩擦片的数目，来增加所传递的转矩，所以有利于降低离合器的转动惯量，宜用于高速传动中。,(a) 多片式摩擦离合器结构图,图8.16 多片式摩擦离合器1主动轴 2从动轴 3外壳 4压板 5外摩擦片 6内摩擦片 7杠杆 8滑环 9套筒,和牙嵌离合器相比，圆盘摩擦离合器应用较广，并具有下列优点： (1) 被联接的两轴能在任何转速下进行接合，且接合平稳； (2) 改变摩擦面间的压力能调节从动轴的加速时间和所传递的最大转矩； (3) 过载时将产生打滑现象，可避免其他零件受到损坏。,多片式离合器的缺点是： (1) 结构复杂，外廓尺寸大； (2) 在正常的接合过程中，从动轴转速从零加速到主动轴的转速，摩擦面间会不可避免地产生相对滑动，当产生滑动时不能保证被联接两轴间的精确同步转动； (3) 在接合与分离过程中产生滑动摩擦，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300400，整个离合器的平均温度不超过100120。,离合器的选择方法与联轴器类似。首先根据工作条件和使用要求确定离合器的类型，然后根据计算转矩Tc = KT，在已有的标准或规范中选取适当的型号。工作情况系数 仍按表8-2选取。, 8.2.2 离合器的选择,习 题 1. 试比较刚性联轴器、无弹性元件挠性联轴器和有弹性元件挠性联轴器各有何优缺点？各适用于什么场合？ 2. 十字轴万向联轴器适用于什么场合？为何常成对使用?在成对使用时如何布置才能使主、从动轴的角速度随时相等？ 3. 在联轴器和离合器设计计算中，引入工作情况系数是为了考虑哪些因素的影响？ 4. 选择联轴器类型时，应当考虑哪几方面的因素? 5. 牙嵌离合器和摩擦式离合器各有何优缺点?各适用于什么场合?,6. 解释下列联轴器的标记： 联轴器 GB/T 58431986和 联轴器 GB/T 58431986(2) 联轴器 GB/T 43231984和 联轴器 GB/T43231984,7. 泵与电动机之间用弹性套柱销联轴器联接，已知电动机的型号为 ，传递功率 ，电动机转速 1440r/min ，电动机轴外伸端直径 ，长度 ；泵的轴端直径 ，长度 。试选择联轴器的型号并写出其标记。 8. 有一齿轮减速器的输入轴与电动机相联接的联轴器。已知电动机的型号为 ，传递功率P=22kW ，电动机转速n=970r/min，电动机轴外伸端直径 55mm，减速器的输入轴径 mm，工作机为链式输送机，输送机工作时启动频繁并有轻微冲击。试选择联轴器的类型和型号。,