联轴器离合器设计

单击此处编辑母版标题样式,特别申明：本电子教案中所有素材的版权归原创作者国防科技大学潘存云教授所有。购买方有权复制多份光盘用于本单位的教学。但不得提供给第三方。未经作者同意，也不得在公开出版物中引用其中的素材，违者应承担相应的法律责任。作者：潘存云 教授 2004年2月,第二级,第三级,第四级,第五级,广西工学院专用 作者： 潘存云教授,*,第14章联轴器、离合器和制动器,14-0联轴器和离合器概述,14-1联轴器的种类和特性,14-5特殊功用及特殊结构的联,轴器及离合器,14-2联轴器的选择,14-3离合器,14-4安全联轴器及安全离合器,14-6制动器,作用：,主要用于,将两根轴连接在一起，使它们一起旋,转，并传递扭矩，,也可用作安全装置,。,联轴器,用于将两轴连接在一起，机器运转时两,轴不能分离，只有在机器停车时才可将两轴分离；,离合器,在机器运转过程中，可使两轴随时接合,或分离的一种装置。 它可用来操纵机器传动的断,续，以便进行变速或换向,安全联轴器与离合器,机器工作时，若转矩超过,规定值，即可自行断开或打滑， 以保证机器中的,主要零件不因过载而损坏,特殊功用的联轴器与离合器,用于某些特殊要,求处，如：在一定的回转方向或达到一定转速,时， 联轴器或离合器即可自动接合或分离等,14-0,联轴器和离合器概述,联轴器和离合器种类繁多，在选用标准件或自行设计时应考虑如下因素：,传递转矩大小,转速高低,扭转刚度变化,体积大小,缓冲吸振能力,一、联轴器所连两轴的相对位移,两轴线的相对位移:,轴向、径向、角度、综合。,由于制造、安装或工作时零件的变形等原因，被连接的两轴不一定度能精确对中，因此会出现两轴之间的轴向位移、径向位移和角位移，或其组合。,y,x,y,轴向,x,径向,角度,综合,制造误差,安装误差,受力变形,被连接的两轴不能精确对中,14-1联轴器的种类和特性,二、 联轴器与离合器的,分类,无弹性元件联轴器,刚性联轴器,联轴器,套筒联轴器,凸缘,联轴器,夹壳,联轴器,齿式联轴器,十字滑块联轴器,挠性联轴器,有弹性元件联轴器,滑块联轴器,万向联轴器,滚子链联轴器,弹性套柱销联轴器,弹性套柱销联轴器,梅花形弹性联轴器,轮胎联轴器,膜片联轴器,星形弹性联轴器,下面将对各种联轴器作详细介绍,潘存云教授研制,潘存云教授研制,（一）刚性,联轴器,结构：,用一个套筒通过键将两轴连接在一起。用紧定,螺钉来实现轴向固定。,套筒,联轴器,型式,半圆键,普通平键,特点：,结构简单、使用方便、传递扭矩较大，但不,能缓冲减振 。,应用：,用于载荷较平稳的,两轴连接 。,套筒,联轴器,潘存云教授研制,2.凸缘,刚性联轴器,结构：,半联轴器通过键与轴相连，用螺栓将两个半联,轴器的凸缘连接在一起。,普通凸缘,联轴器,型式,有对中榫的凸缘联轴器,普通凸缘联轴器,靠铰制孔螺栓对中。,靠榫头对中。,潘存云教授研制,普通螺栓,对中榫,绞制孔螺栓,潘存云教授研制,潘存云教授研制,制造与安装要求：,半联轴器的凸缘端面应与轴线垂直，,安装时应使两轴精确对中。,90,材料：,一般用铸铁、当重载或,V30 m/s,时，用铸,钢或锻钢 。,特点：,结构简单、使用方便、传递扭矩较大，但不能,缓冲减振 。,应用：,用于载荷较平稳的两轴连接 。,应用：,用于低速传动轴，常用于垂直传动轴的连接。,3.,夹壳,联轴器,结构：,将套筒做成剖分夹壳结构，通过拧紧螺栓产生的预紧力使两夹壳与轴连接，并依靠键以及夹壳与轴表面之间的摩擦力来传递扭矩。有一个剖分式对中环。,特点：,无需沿轴向移动即可方便装拆，但不能连接直径不同的两轴，外形复杂且不易平衡，高速旋转时会产生离心力 。,潘存云教授研制,潘存云教授研制,潘存云教授研制,1.齿式联轴器,功用：,能补偿轴不对中和偏斜。,工作范围：,正常齿：,30,腰鼓齿：,3,潘存云教授研制,(二) 无弹性元件联轴器,潘存云教授研制,结构：,两个有内齿的外壳，两个有外齿的套筒，两者齿数相同，外齿做成球形齿顶的腰鼓齿。套筒与轴用键连接，两外壳用螺栓连接。两端密封，空腔内储存润滑油。,潘存云教授研制,优点：,传递扭矩大、能补偿综合位移。,缺点：,结构笨重、造价高。,应用：,用于重型传动。,潘存云教授研制,潘存云教授研制,十字滑块联轴器,结构：,两个端面开有径向凹槽的半联轴器，两端各具有凸榫的中间滑块，且两端榫头互相垂直，嵌入凹槽中，构成移动副。,工作,原理,：,当两轴存在不对中和偏斜时，滑块将在凹槽内滑动。,优缺点：,结构简单、制造容易。滑块因偏心产生离心力和磨损，并给轴和轴承带来附加动载荷。,适用范围：,30,y,0.04,d,，,v,300 r/min,y,潘存云教授研制,滑块联轴器,优点：,结构简单、尺寸紧凑。,应用：,适用于小功率，高转速而无剧烈冲击的场合。,结构：,与十字滑块联轴器结构相似，只是沟槽很宽，中间为不带凸牙的方形滑块，其材料为夹布胶木。,工作特点：,由于中间滑块质量小，且有弹性，故允许较高的极限转速。,潘存云教授研制,万向联轴器,作用：,用于传递两相交轴之间的动力和运动，而且在传动过程中，两轴之间的夹角还可以改变。,共轴、 有夹角,应用：,广泛应用于汽车、机床等机械传动系统中。,单万向联轴器,潘存云教授研制,v,A1,=,r,1,结构特点：,两传动轴末端各有一个叉形支架，用铰链与中间的“十字形”构件相联，“十字形”构件的中心位于两轴交点处，,运动分析,两轴平均传动比为1，但瞬时传动比是动态变化的。,在图示位置I, 以轴1为参考系，对,A,点有：,以轴2为参考系，对A点有 ：,v,A2,=,r,2,A,2,A,1,B,r,r,=,r,cos,2,显然有,v,A1,=,v,A2,=0,45,轴间角为 ：,潘存云教授研制,r,其它位置,代入得,1,B,B,A,2,在图示位置II, 以轴2为参考系，对,B,点有,v,B2,=,r,2,以轴1为参考系，对,B,点有 ：,v,B1,=,r,1,=,1,r,cos,同样有,v,B1,=,v,B2,r,代入得,2,=,1,cos,2,1,=,2,1,1,cos,1,cos,2,1,=,cos,2,潘存云教授研制,5、双万向铰链机构,将两个单万向铰链机构串联使用，构成双万向铰链机构。,安装要求：,主动、从动、中间三轴共面；,主动轴、从动轴的轴线与中间轴的轴线之间的夹,角应相等；,中间轴两端的叉面应在同一平面内。,C,2,1,2,1,C,为了消除从动轴变速转动的缺点，常,潘存云教授研制,潘存云教授研制,小型双万向联轴器,结构如图所示，通常采用合金钢制造。,A,A,潘存云教授研制,A,A,A,A,A,A,潘存云教授研制,滚子,链,联轴器,结构：,利用一条公用的双排链条同时与两个齿数相同,的并列链轮啮合来实现两半链轴器的连接。,特点：,结构简单、尺寸紧凑、质量小、装拆方便、维修容易、成本低廉。,优点：,结构简单、尺寸紧凑、质量小、装拆方便、维修容易、成本低廉，有一定的补偿性能和缓冲性能。,缺点：,因链条的套筒与链轮之间存在间隙，不适于逆向传动和启动频繁或立式轴传动。同时受离心力的影响不适于高速传动。,潘存云教授研制,潘存云教授研制,弹性套柱销联轴器,(三) 有弹性元件联轴器,结构特点：,外观与凸缘联轴器相似，用带橡胶弹性套的柱销连接两个半联轴器。,预留安装空间以便与更换橡胶套,A,预留间隙以补偿轴向位移。,c,圆柱孔,圆锥孔,潘存云教授研制,弹性柱销联轴器,结构：,用尼龙制成的柱销置于两个半联轴器凸缘的孔中。,尼龙销,挡板,c,c,销与挡板之间留有间隙,结构简单、更换柱销方便。,特点：,上述两种联轴器的动力通过弹性元件传递，缓和冲击、吸收振动。,应用：,适用于正反向变化多，启动,频繁的高速轴。,适用范围：,-12,t,6,0,，,v,8000 r/min,能补偿较大的轴向位移，并允许微量的径向位移和角位移。,两种柱销,潘存云教授研制,轮胎环,D,3、,轮胎式弹性联轴器,结构：,中间为橡胶制成的轮胎环，用止退垫板与半联,轴器联接。,特点：,结构简单、易于变形。允,许较大的综合,hdv x,位移。,应用：,适用于启动频繁、正反向运转、有冲击振动、有较大轴向位移、潮湿多尘的场合。,适用范围：,5,12,，,x0.02D,y0.01D， n5000 r/min,止退垫板,梅花形弹性联轴器,工作温度：,-35,+80,传递扭矩：,T,=16,25000 N,M,结构：,半联轴器与轴的配合可以做成圆柱形或圆锥形，,中间的弹性元件形状似梅花，故得名。选用不,同硬度的矩胺酯橡胶，铸形尼龙等材料制造。,A,A,A,A,潘存云教授研制,潘存云教授研制,潘存云教授研制,5、膜片联轴器,结构：,弹性元件为多个环形金属薄片叠合而成的膜片组，膜片圆周上有若干个螺栓孔。用铰制孔螺栓交错间隔与半联轴器联接。,特点：,结构简单、弹性元件的联接之间没有间隙，不需要润滑，维护方便、质量小、对环境的适应性强。但扭转减振性能差。,应用：,主要用于载荷平稳的高速传动。如直升机尾翼轴。,潘存云教授研制,潘存云教授研制,星形弹性联轴器,结构：,两个半联轴器上均制有凸牙，用橡胶等材料制成星形弹性元件，放置在两半联轴器的凸牙之间。工作时，星形弹性元件受压冰传递扭矩。,应用范围：,允许两轴的相对径向位移约为：,0.2 mm，,偏角位移约为：,1 30,大多数联轴器已经标准化或规格化，一般机械设计者的任务是选用联轴器，不需要设计。,一、链轴器类型的选择 原则,转矩、转速、轴径、相对位移、工作环境、成本等,(1) 考虑传递转矩的大小、性质以及对缓冲减振要求,确定型号与规格,14-2联轴器的选择,具体应考虑如下要求,对大功率重载传动，宜选用齿轮联轴器,严重冲击载荷或消除轴系扭转振动的传动，宜选用轮胎联轴器,选用原则：,考虑工作转速的高低和引起离心力的大小,对高速传动轴，宜选用平衡精度较高的膜片联轴器，不能选用存在偏心的滑块联轴器；,安装调整两轴难以精确对中、或者工作中产生较大位移时，应选用挠性联轴器：,两轴相对位移的大小和方向,径向位移较大时，,使用滑块联轴器,角位移较大，或两轴相交时，,使用,滑块联轴器,考虑可靠性和工作环境,由金属制成的不需要润滑的联轴器工作比较可靠,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、腐蚀介质、,强光等比较敏感，而且容易老化,在满足使用要求的前提下，压选择装拆方便、维护简单、成本低廉的联轴器。,联轴器的制造、安装、维护和经济性,刚性,联轴器不仅结构简单，而且装拆方便，可用于,低速、刚性大的传动,弹性联轴器具有较好的综合性能，广泛应用于一般,的中、小传动,安全性要求,有安全保护要求的轴，应选用安全联轴器。,表14-1 工作情况系数,K,A,原动机 (,K,A,),发电机、小型通风机、小型离心机 1.3 1.5 1.8 2.2,透平压缩机、木工机械、输送机 1.5 1.7 2.0 2.4,搅拌机、增压机、有飞轮的压缩机 1.7 1.9 2.2 2.6,织布机、水泥搅拌机、拖拉机 1.9 2.1 2.4 2.8,挖掘机、起重机、碎石机、造纸机械 2.3 2.5 2.8 3.2,电动机 多缸 双缸 单缸,汽轮机 内燃机 内燃机 内燃机,工 作 机,压延机、重型初轧机、无飞轮活塞泵 3.1 3.3 3.6 4.0,二、 计算联轴器的扭矩,计算转矩,T,ca,=,K,A,T,K,A,为工作情况系数。,见下页,T,为公称扭矩。,三、 确定联轴器的型号,选型依据,T,ca,T,， 由相关标准确定型号。,四、 校核最大转速,n,n,max,六、规定部件相应的安装精度,被连接轴的转速,n,，不应超过联轴器许用的最高转速,n,max,，即,五、协调轴孔直径,被连接两轴的直径和形状（圆柱或圆锥）均可以不同，但必须使直径在所选联轴器型号规定的范围内，形状也应满足相应要求。,联轴器允许轴的相对位移偏差是有一定范围的，因此，必须保证轴及相应部件的安装精度。,潘存云教授研制,七、进行必要的校核,联轴器除了要满足转矩和转速的要求外，必要时还应对联轴器中的零件进行承载能力校核，如对非金属元件的,许用温度,校核等。,选择联轴器的类型,计算联轴器的计算转矩,确定联轴器的型号,协调轴孔直径,校核最大转矩,规定部件相应的安装精度,进行必要的承载能力校核,联轴器的选择流程,作用：,在机器运转过程中，使两轴随时接合或分离；,用来操纵机器传动的断续，以便进行变速或换向；,14-3离合器,分类,一、离合器的分类,按其工作原理分,机械离合器,电磁离合器,液压离合器,气压离合器,超越离合器,离心离合器,安全离合器,嵌入式,摩擦式,按离合控制方法分,操纵式,自动式,按操纵方式分,二、对离合器的基本要求,分离、接合迅速，平稳无冲击，分离彻底，动作,准确可靠,结构简单，重量轻，惯性小，外形尺寸小，工作,安全，效率高,接合元件耐磨性好，使用寿命长，散热条件好,操纵方便省力，制造容易，调整维修方便,潘存云教授研制,牙嵌式离合器,结构：,由端面带牙的固定套筒、活动套筒、对中环组成。,固定套筒,活动套筒,滑环,对中环,工作原理：,利用操纵杆移动滑环，实现两套筒的结合与分离。,三、常用离合器简介,潘存云教授研制,牙型,30,40,2,8,2,8,60,三角形,梯 形,锯齿形,传递中小转矩、牙数为,1660,传递较大转矩、牙数为,315,梯形牙可以补偿磨损后的牙侧间隙。,锯齿形只能单向工作。,反转时具有较大的轴向分力，会迫使离合器自行分离。,制造要求：,各牙应精确等分，以使载荷均匀分布。,潘存云教授研制,特点：,结构简单、外廓尺寸小、能传递较大的转矩。,材料：,低碳合金钢：,20Cr 、 20MnB。,渗碳淬火后牙面,硬度：,5662 HRC;,中碳合金钢：,40Cr 、 45MnB。,表面淬火后牙面,硬度：,4858 HRC;,承载能力：,取决于齿根的弯曲强度:,hK,A,T,zWD,0,b,=,b,2,K,A,T,zD,0,ah,p,=,p,W,为齿根弯曲截面系数；,D,0,为牙平均直径；,a,为牙的宽度。,D,0,a,h,式中,h,为牙齿高度；,z,为牙齿数；,潘存云教授研制,2,3,单片式圆盘,摩擦离合器,摩擦扭矩,T,max,=,F,a,f R,f,结构：,由固定圆盘1、活动圆盘2、滑环组成。,工作原理：,移动滑环，可实现两圆盘的结合与分离，靠,摩擦力带动从动轴转动。,（2）,过载时打滑，起保护作用；,（3）,结合平稳、冲击和振动小。,优点：,（1）,在任何转速条件下两轴都可以进行结合；,F,a,2,1,3,F,a,1,R,f,缺点：,结合过程中不可避免出现,打滑，引起磨损和发热。,潘存云教授研制,主动摩擦片,杠杆,滑环,工作原理：,移动滑环，通过杠杆作用，压紧或放松磨擦片，来实现两轴的结合与分离。,调整螺母,被动摩擦片,潘存云教授研制,多片式圆盘,摩擦离合器,结构特点：,多个摩擦片叠加在一起；,摩擦片材料：,淬火钢片、压制石棉片。,摩擦片数量,z,传递扭矩,T,但,z,过大将使各层间压力不均匀，一般取:,z,=1215,摩擦扭矩,T,max,=,z F,a,f R,f,z F,a,f,(,D,1,+,D,2,),=,4,K,A,T,4,F,a,p,=,(,D,1,+,D,2,),表面压强,p,D,1,D,2,有润滑剂 无润滑剂 p/ MPa,表14-2常用摩擦片材料的,f,和,p,摩擦片材料,f,圆盘摩擦离合器,铸铁铸铁或钢,0.050.06 0.15 0.2 0.250.30,淬火钢淬火钢,0.050.06 0.18 0.60.8,青铜钢或铸铁,0.08 0.17 0.18 0.40.5,压制石棉钢或铸铁,0.12 0.3 0.5 0.200.30,对于频繁启动的离合器，可将表中,p,降低1530%。,类型,反应敏捷，但摩擦片易磨损。,油式磨擦离合器,干式磨擦离合器,磨损轻微、寿命长、并能,在繁重的条件下运转。,潘存云教授研制,810,圆锥式,摩擦离合器,结构：,锥台表面为摩擦接触面。,优点：,由于采用了槽面摩擦原理，因此只需要很小的,操纵力即能使离合器传递较大的转矩。,缺点：,径向尺寸较大，不如多盘式紧凑。,潘存云教授研制,离合器的操纵方式,机械力,电磁力,气动力,液压力,电磁,摩擦离合器,结构：,其结构特点与机械式多片摩擦离合器一样。,优点：,由于采用了电磁力进行控制，因此控制灵活，,容易实现自动化。,四、离合器的选用,嵌入式离合器的结构简单，外形尺寸较小，两轴间的连接无相对运动，一般适用于低速接合，转矩不大的场合,摩擦式离合器可在任何转速下实现两轴的接合或分离；接合过程平稳，冲击振动较小；可有过载保护作用。但尺寸较大，在接合或分离过程中要产生滑动摩擦，故发热量大，磨损也较大,电磁摩擦离合器可实现远距离操纵，动作迅速，没有不平衡的轴向力，因而在数控机床等机械中获得了广泛的应用,潘存云教授研制,潘存云教授研制,14-4安全联轴器及安全离合器,作用：,当工作转矩超过机器允许的极限转矩时，连接件将发生折断、脱开或打滑，从而使从动轴自动停止转动，以保护机器中的重要零件不致损坏。,一、剪切销安全联轴器,安全联轴器,断开连接后不能自动恢复工作能力，用于很少过载处；,双剪式,单剪式,安全离合器,断开连接后能够自动恢复工作能力，用于经常过载处；,分,单剪,和,双剪,两种类型。,结构：,类似于凸缘联轴器，但不用螺钉，而用钢制销钉连接。销钉装入经过淬火的两个套管中，过载时被剪断。,潘存云教授研制,销钉直径可按如下公式计算,D,m,其中,T,公称扭矩；,D,m,销钉分布圆直径；,z,销钉数目；,许用剪切应力；,K,为过载限制系数。,表14-过载限制系数,K,载 荷,发电机、小型通风机、离心机械等 1.1倍静载荷 接近静载荷 1.1,轻型传动装置、车床、铣床、输送机 1.5倍静载荷 有微小变化 1.6,刨床、插床、有飞轮的压缩机等 2 倍静载荷 有较大变化 2.1,工程机械、破碎机、螺旋压力机 3 倍静载荷 冲击载荷 3.2,启动 工作,机器名称,K,销钉材料：,45钢淬火，或高碳钢。在剪端处应预,先切槽。,特点：,由于材料机械性能不稳定，以及制造尺寸误差等原,因，使得销钉剪断载荷不精确,销钉被剪断后，不能自动恢复工作能力，需要停车,更换,结构简单，常用于很少过载的机器中,潘存云教授研制,弹簧,主动齿轮,从动盘,外套筒,调节螺母,二、滚珠安全离合器,转动方向,工作原理：,扭矩 主动齿轮 滚珠 从动盘,外套筒 键 从动轴。,过载时，弹簧被压缩，从动盘右移，主动齿轮空转，从动轴即停止转动。,弹簧压力的大小可用螺母来调节。,当载荷恢复正常时，重新传递转矩。,转动方向,转动方向,转动方向,潘存云教授研制,转动方向,潘存云教授研制,当外环反向转动时，则带动滚柱克服弹簧力而滚到楔形空间的宽敞位置，离合器处于分离状态。,结构：,由星轮、外环、滚柱、弹簧推杆等零件组成。,工作原理：,当外环逆时钟转动时，以摩擦力带动滚柱向前滚动，进一步楔紧内外接触面，从而驱动星轮一起旋转。,滚柱式定向离合器,一、定向离合器,滚柱在弹簧推杆作用下处于半楔紧状态。,潘存云教授研制,14-5,特殊功用及特殊结构的联轴器及离合器,潘存云教授研制,结构：,由内环、外环、楔块、支撑环、拉簧等零件组成。,楔块式定向离合器,优点：,楔块曲率半径大，装入数量多，相同尺寸时传递的转矩更大。,缺点：,高速运转时有较大磨损，寿命较短。,工作原理：,内外环工作面都为圆形，整圈拉簧压着楔块始终与内环接触，并力图使楔块绕自身作逆时钟方向偏摆。当外环顺时钟方向旋转时，楔块克服弹簧力而作顺时钟方向摆动，从而在内外环间越楔越紧，离合器处于结合状态。反向时斜块松开而成分离状态。,潘存云教授研制,结构：,由转子轴、左右轮辐、励磁线圈、磁粉等组成。,工作原理：,通电后磁粉被磁化，彼此相互吸引聚集，依靠磁粉的结合力以及磁粉与两工作面之间的摩擦力拉传递转矩。,二、 电磁粉末,离合器,输出,磁粉性能要求：,导磁率高、剩磁小、流动性好、耐磨、耐热、不烧结性。,输入,磁粉材料,铁钴镍、铁钴钒等合金粉，加入少量二硫化钼。,形状为球形或椭球形，颗粒直径为,2070,m,。,优点：,（1）,励磁电流 I 与转矩T呈线性关系、转矩调节简单,而且精确，调节范围宽；,（2）,可用作恒张力控制，是造纸机、纺织机、印刷机、,绕线机等的理想装置；,（3）,若将主动件固定，则可作制动器使用；,缺点：,相对而言比较笨重。,（4）,操纵方便、离合平稳、工作可靠。,潘存云教授研制,14-6制 动 器,结构：,由瓦块、制动轮等零件组成。,工作原理：,通电松开，断电后靠弹簧拉力实现制动。,借助于瓦块与制动轮之间的摩擦力来实现制动。断电制动是为了保证设备安全。,作用：,降低机械运转速度或停止运转的装置。,应用：,车辆、起重机械等。,一、块式制动器,潘存云教授研制,a,b,a,F,潘存云教授研制,D,h,H,制动力矩的计算：,F,F,弹簧力,F,N,F,N,制动反力,F,N,=0.95,FH,/,h,0.95,摩擦损耗的系数,杠杆连接处,制动力矩,T,=,F,N,f D,瓦块材料,：,铸铁、或铸铁表面复以皮革或石棉带。,特点：,结构简单、紧凑。,二、带式制动器,F,F,瓦块制动器已经规范化，可根据所需的制动力矩选型。,工作原理：,在外力的作用下，闸带收紧抱住制动轮实现制动。,潘存云教授研制,计算,F,a,b,a,F,t,=,F,1,F,2,F,1,=,F,2,e,f,F,2,=,e,f,-1,F,t,=,D,2,T,1,e,f,-1,F,= (,F,2,+,F,1,),a,+,b,a,F,t,=,D,2,T,=,D,a,+,b,e,f,-1,2,T,a,e,f,+1,F,1,F,2,圆周力,拉力,由欧拉公式得,制动力,为了增加摩擦，钢带复以石棉或夹铁纱帆布。,闸带的包角；,