第十三章-联轴器和离合器

§13-1概述§13-2联轴器§13-3离合器第十三章联轴器和离合器第一节概述联轴器和离合器是用来联接两轴或其他旋转件，使其一同转动并传递转矩的通用机械部件。用联轴器联接的轴，在机器运转时两轴不能分离，只有停车后经过拆卸才能分离。而用离合器联接的轴，可根据工作需要，在机器运转中随时使两轴互相接合或分离。离合器通常用作机械传动系统的起动、停止、换向和变速等。此外，某些具有特殊功能的联轴器和离合器，还可以起到保护和自动控制的作用。例如，当轴传递的转矩或转速超过规定值时，这类联轴器或离合器可自动断开、滑脱或自动接合，以保护机器中的主要零件不致因过载而破坏。联轴器和离合器的类型很多，其中有些已标准化、系列化，在机械设计中可以选用。选用时先根据工作要求，如载荷大小及特性、工作转速、补偿性能、工作环境等确定适当的类型，再根据计算转矩的大小和被联接轴的直径从设计手册中查出适当的型号。必要时应对其中某些零件的强度进行验算。联轴器工作情况系数K离合器工作情况系数K联轴器和离合器以工作过程中可能出现的最大转矩（起动或过载）为计算转矩Tc，即：Tc=KT式中K——工作情况系数；T——公称转矩，单位为N·mm。概述第二节联轴器一、联轴器的工作情况联轴器联接的两轴常属于两个不同的机械或部件，由于制造和安装的误差，运转时零件的受载变形、轴承的磨损、温度的变化，基础下沉和转动零件的不平衡等原因，都可使被联接的两轴相对位置发生变化，出现如图13-1所示的相对位移和偏斜。如果联轴器对上述各种偏差没有适应（补偿）能力，将会产生附加动载荷，使机器的工作情况恶化。由上述分析可知，联轴器应具有下列工作性能：1、能补偿两轴线的偏斜或相对位移。2、当传递冲击载荷和周期性振动载荷时，具有缓冲和吸振的能力。3、能保护机器不致因过载而损坏。二、联轴器的分类联轴器可分为刚性联轴器、挠性联轴器和安全联轴器三大类。刚性联轴器不具有补偿两轴间偏移的能力，要求被联接的两轴中心线严格对中。挠性联轴器对两轴间的偏移具有一定的补偿能力。安全联轴器在其传递的转矩超过允许的极限转矩时，联轴器中的特定元件将发生破坏，从而自动停止传动，以保护机器中的重要零件不致损坏。联轴器的种类很多，在此只介绍常用并具有代表性的几种联轴器。1．刚性联轴器刚性联轴器全由刚性零件通过刚性联接组成。其优点是结构简单、尺寸小、成本低、承载能力大。但对被联接两轴的轴线偏移无补偿能力，也无缓冲减振作用。只能用于被联接两轴在安装和运转中相对位移极小且载荷比较平稳的传动系统中。（1）凸缘联轴器这是应用最广的一种刚性联轴器。凸缘联轴器由两个半联轴器通过凸缘用螺栓刚性联接而成，两个半联轴器的轴孔通过键分别与两轴联接。两个半联轴器轴孔的对中和转矩的传递主要有两种形式：两轴间的相对位移形式a）轴向位移b）径向位移c）偏角位移d）综合位移联轴器1）用配合螺栓保证两个半联轴器轴孔对中，靠螺栓杆剪切和挤压来传递转矩（图a）。2）用凸缘端面上的止口对中，靠普通螺栓联接的预紧力在凸缘端面上产生的摩擦力来传递转矩（图b）。第一种形式铰孔麻烦，但承载能力大；第二种形式对中精度高，但装拆不方便。凸缘联轴器可用于中、小功率的传动系统。中等以下载荷、v35m/s时采用中等强度铸铁，重载、35m/sv70m/s时可采用锻钢或铸钢。此处v为联轴器外缘的圆周速度。a)b)凸缘联轴器联轴器（2）套筒联轴器套筒联轴器是利用套筒、键或锥销把两轴端联接起来的一种结构最简单的联轴器。零件最少，制造最容易，径向尺寸最小。但它要求被联接两轴的轴线重合，且拆装不方便。套筒一般用45钢制造。对于不重要、传递转矩不大的情况也可用铸铁制造。a）平键联接b）圆锥销联接套筒联轴器联轴器2、挠性联轴器挠性联轴器可分为无弹性元件挠性联轴器、非金属弹性元件挠性联轴器、金属弹性元件挠性联轴器和组合挠性联轴器。后三类挠性联轴器内部包含有弹性元件，因而具有缓冲减振的能力。制造弹性元件的材料有非金属和金属两类。非金属材料有橡胶、塑料等，其特点是质量小、价格低、减振能力强。特别适用于工作载荷有较大变化的场合。金属材料制成的弹性元件（主要为各种弹簧）则强度高、尺寸小、寿命较长。（1）无弹性元件挠性联轴器这类联轴器的组成零件间具有相对可移性，因而可以补偿两轴间的偏移，但因无弹性元件，故不能缓冲减振。常用的有以下几种：1）齿式联轴器齿式联轴器是无弹性元件挠性联轴器中应用最广泛的一种。齿式联轴器由两个带外齿的内套筒和两个带内齿及凸缘的外套筒2组成。两个内套筒的轴孔用键分别与两被联接轴联接，两个外套筒用螺栓3联成一体。内、外套的齿数相等，齿廓为渐开线。齿式联轴器内装有润滑油，以润滑齿轮，并设有密封结构(图a)。联轴器为了取得对被联接两轴的轴线偏移的补偿性能，齿轮副有较大的侧隙，外齿轮的齿顶不是圆柱面而是直径为da的球面。为了改善齿式联轴器的性能，还设计了鼓形齿的齿式联轴器。可以在两轴线有偏移的情况下避免发生边缘接触，使载荷分布均匀，增大对偏角的补偿能力(图b)。齿式联轴器的结构较紧凑，承载能力大，工作可靠，具有对两轴线间径向位移、偏角位移及其综合位移的补偿能力，适用的速度范围广，但制造成本高。常用于重载，或高速运转的水平轴的联接(图c)。齿式联轴器当其节圆的圆周速度v15m/s时，用45钢、ZG310－570或40Cr调质等材料制造；当v15m/s时，用高强度合金钢，如35CrMoA等制造，齿面进行硬化处理，并磨齿。联轴器齿式联轴器1－内套筒2－外套筒3－螺栓2）滑块联轴器滑块联轴器是由两个端面上开有径向凹槽的半联轴器1、3和一个两端带有凸榫的中间盘2所组成。安装时中间盘两面的凸榫分别嵌入两半联轴器的凹槽中，工作中靠凹槽和凸榫的相互嵌合传递转矩。因为凸榫可以在凹槽中滑动，故可补偿安装及运转中两轴间的偏移。由于中间盘与两半联轴器间组成移动副，不会发生相对转动，所以工作时主动轴与从动轴的角速度相等。当联轴器在两轴间有偏移的情况下工作时，中间盘会产生较大的离心惯性力，从而增大了动载荷和磨损，因而选用时应注意使其工作转速不得超过规定值。为了减小摩擦和磨损，使用时应从中间盘的油孔中注油进行润滑。两个半联轴器和中间盘的材料常用45钢，工作表面须经热处理以提高硬度。要求较低时也可用Q275钢制造，不进行热处理。滑块联轴器一般用于转速较低、轴的刚度较大、无剧烈冲击的场合。联轴器滑块联轴器1、3－半联轴器2－中间盘3）链条联轴器链条联轴器利用公用的链条同时与两个齿数相等的并列链轮相啮合，从而实现两个半联轴器的联接。链条可用滚子链、齿形链或套筒链。其中双排滚子链联轴器如图13-7所示，只需将链条接头拆开便可将两轴分离。这种联轴器结构简单，质量小，工作可靠，寿命长，装拆方便，适用于潮湿、多尘、高温场合，但不宜用于起动频繁、经常正反转以及剧烈冲击的场合或垂直传动的场合。近年来，链条联轴器的应用日益广泛。双排滚子链联轴器联轴器4）十字轴万向联轴器十字轴万向联轴器由两个叉形接头1、3和两根互相垂直轴的中间联接件2组成。每一个叉形接头可绕中间联接件的一根轴转动，形成对被联接两轴轴线偏角△α的补偿能力，△α可达35°~45°。不过当主动轴1以等角速度1回转一圈，虽然从动轴也回转一圈，但回转过程中角速度2却在一定范围内周期性变化。为了在工作中消除从动轴转速不均匀现象，使从动轴与主动轴的角速度相等，可将两个万向联轴器成对使用，称为双万向联轴器。联接时应使中间轴上两端的叉形接头位于同一平面内，而且应使中间轴与主动轴、从动轴的夹角相等，这样就能够保证主动轴和从动轴的瞬时角速度相等。万向联轴器中的主要零件常用40Cr或40CrNi钢制造，并进行热处理，以使结构紧凑和耐磨性高。这种联轴器可适应两轴间较大的综合位移，且维护方便，因而在汽车、多头钻床中得到广泛应用。十字轴万向联轴器双万向联轴器（2）非金属弹性元件挠性联轴器非金属弹性元件挠性联轴器的类型很多，下面仅介绍常用的两种。1）弹性套柱销联轴器弹性套柱销联轴器的结构与凸缘联轴器的结构相似，只是用套有弹性套的柱销代替了联接螺栓。半联轴器与轴配合的孔可做成圆柱形或圆锥形。半联轴器的材料常用HT200，有时也采用ZG310－570，柱销材料多用45钢，弹性套采用耐油橡胶制成。弹性套柱销联轴器制造容易，装拆方便，成本较低，但弹性套易磨损，寿命较短，主要适用于起动频繁、需正反转的中、小功率场合，工作环境温度应在-20~+70℃的范围内。弹性套柱销联轴器可从有关标准中选用，必要时应验算弹性套与孔壁间的挤压强度和柱销的抗弯强度。弹性套柱销联轴器联轴器2）弹性柱销联轴器弹性柱销联轴器与弹性套柱销联轴器相似，只是将弹性套柱销换为弹性柱销，为了防止柱销窜出，在半联轴器的外端面用螺钉装上挡板。两半联轴器之间通过弹性柱销传递转矩。这种联轴器传递的转矩大，结构简单，制造、安装方便，柱销用尼龙或胶木制造，使用寿命长，有一定的缓冲减振能力和少量的补偿能力。只是柱销对温度较敏感，使用温度限制在-20~+70℃之间。该联轴器适用于轴向窜动大，正反转和起动频繁的传动，所传递的转矩和转速范围宽。弹性柱销联轴器联轴器(3)金属弹性元件联轴器金属弹性元件联轴器的类型近年来逐渐增多，这里仅介绍蛇形弹簧联轴器。蛇形弹簧联轴器是由两个分装在两轴上的半联轴器和一个被分为几段的蛇形片弹簧所组成。半联轴器上有50～100个齿，弹簧嵌在齿间。为防止弹簧在离心力作用下脱出来，在联轴器上装有外壳，同时利用外壳储存润滑油。联轴器工作时，转矩是通过齿和蛇形弹簧联轴器弹簧传递的。蛇形弹簧联轴器缓冲减振性能好，对被联接轴的许用径向位△y=0.38~1.14mm，轴向位移△x=2~6.4mm，偏角位移△α=1°15′。工作可靠，外形尺寸不大，传递转矩范围为18~100000N.m。广泛用于压气机、混凝土搅拌机、碎矿机、起重机、提升机、真空泵及重型机械的传动中。蛇形弹簧联轴器联轴器3．安全联轴器安全联轴器可分为挠性安全联轴器、刚性安全联轴器和永磁联轴器三类，在此仅介绍其中的剪切销安全联轴器。剪切销安全联轴器的结构类似于凸缘联轴器，但不用螺栓，而是用钢制销钉联接两半联轴器。销钉装入经过淬火的两段硬质钢套中，过载时销钉即被剪断，销钉直径可按抗剪强度计算。销钉材料可采用45钢或高碳工具钢。准备剪断处应预先切槽，这样可使剪断处的塑性变形较小，以免毛刺过大，给更换销钉带来不便。由于销钉材料力学性能的不稳定和制造误差等原因的影响，致使剪切销安全联轴器的工作准确性不高。同时，销钉剪断后必须停车更换。但因其结构简单，所以常用于过载可能性不大的机器中。剪切销安全联轴器1—销钉2—钢套联轴器第三节离合器一、离合器的功用、分类及基本要求离合器是在传递运动和动力的过程中通过各种操纵方式使联接的两轴随时接合或分离的一种机械装置。对离合器的基本要求是：1、接合平稳，分离彻底，动作准确可靠。2、结构简单，质量小，外形尺寸小，工作安全。3、操作省力、方便，容易调节和维护，寿命长，散热性好。离合器可分为操纵离合器和自控离合器两大类。操纵离合器必须通过操纵才具有接合或分离的功能。自控离合器工作时在主动部分或从动部分的某些性能参数（如转速、转矩等）发生变化时，能自行接合或分离。此外，根据离合器内部主、从动部分接合元件的工作原理不同，可分为嵌合式离合器和摩擦式离合器两大类。嵌合式离合器利用机械嵌合副的接合来传递转矩。摩擦式离合器利用摩擦副的摩擦力来传递转矩。二、操纵离合器1．牙嵌式离合器牙嵌式离合器的典型结构由端面带牙的半联轴器1、3定心套2和滑环4组成。主动半联轴器以平键与主动轴联接，从动半联轴器以导键或花键与从动轴联接。定心套2固定在主动轴上，从动轴可在定心套孔内自由转动，以实现两轴的对中。通过一套杠杆机械带动滑环4以操作从动半离合器3在从动轴上滑动，使两端面的牙嵌合、退出，实现离合。牙嵌式离合器依靠相互嵌合的牙来传递运动和转矩。常用的牙型有三角形、梯形、锯齿形等，其中以梯形应用最广，因为它具有强度高，传递转矩大，能自动补偿磨损和间隙从而减少冲击等优点。牙嵌离合器尚无标准，其主要尺寸