机械设计基础 08联轴器和离合器

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(a)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1.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/T5843—1986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30～80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α。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12IIIcoscos≤≤3030≤2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。m/mm5mm/mmlu12(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－20℃～70℃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。m/mm5mm/mmlu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－20℃～70℃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/ZQ4384—1986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。(a)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。轴孔形式键槽形式代号圆柱形轴孔平键单键槽A120°布置平键双键槽B180°布置平键双键槽B1圆锥形轴孔平键单键槽C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()。cTcTKTNmmcTKTNmm表8-2工作情况系数原动机工作机转矩变化小转矩变化冲击载荷中等转矩变化冲击载荷大电动机、汽轮机1.3～1.51.7～1.92.3～3.1多缸内燃机1.5～1.71.9～2.12.5～3.3单、双缸内燃机1.8～2.42.2～2.82.8～4.0K3.校核最大转速被联接轴的转速不超过联轴器的许用转速[]，