机械设计联轴器离合器和制动器课件

第九章联轴器、离合器和制动器§9-1联轴器§9-2离合器§9-3制动器概述1联轴器是机械装置中常用的部件，它们主要用于轴与轴的联接，以传递运动和转矩。机器运转时两轴不能分离，只有在机器停车时才可使两轴分离。§9-1联轴器一、联轴器的功能与类型1）联轴器的功能2）联轴器的类型联轴器所联接的两轴，由于制造及安装误差，承载后的变形以及温度变化的影响等，往往不能保证严格的对中，而存在着某种程度的相对位移。联轴器的种类和特性1xyxy轴向位移x径向位移y角位移综合位移x、y、这就要求设计联轴器时，从结构上采取措施，使之能够适应一定范围的相对位移。根据联轴器有无弹性元件、对各种相对位移有无补偿能力，联轴器可分为刚性联轴器、挠性联轴器和安全联轴器。套筒联轴器二、常用联轴器的结构特点1.刚性联轴器分套筒式、夹壳式和凸缘式。凸缘联轴器是把两个带有凸缘的半联轴器用键分别与两轴联接，然后用螺栓把两个半联轴器联成一体，以传递运动和转矩。铰制孔用螺栓对中榫刚性联轴器为了安全起见，凸缘联轴器可以作成带防护边的。被联接两轴间的各种相对位移无补偿能力，故对两轴对中性的要求高。当两轴有相对位移时，会在结构内引起附加载荷，使工作情况恶化。凸缘联轴器的材料可用灰铸铁和碳钢，重载时或圆周速度大于30m/s时应用铸钢或锻钢。这类联轴器的结构比较简单、成本低、可传递较大的转矩，故当转速低、无冲击、轴的刚度大、对中性较好时常被采用。2.挠性联轴器对被联接两轴间的各种相对位移有补偿能力，进一步分为：1）无弹性元件挠性联轴器a.十字滑块联轴器联轴器具有挠性，可补偿两轴的相对位移。但因无弹性元件，故不能缓冲减振。由端面开有凹槽的两个半联轴器和一个两端具有凸块的中间圆盘所组成。凹槽和凸块的工作面要求有较高的硬度并加润滑剂。转速高时，中间圆盘的偏心将产生较大离心力，加快磨损，并对轴及轴承带来加大的附加载荷。适用于低速场合。允许径向位移≤0.04d，角位移≤30′。齿式联轴器b.齿轮联轴器由两个具有外齿的半联轴器和两个具有内齿的外壳所组成。轮齿的齿廓常为20°压力角的渐开线齿廓，轮齿间留有较大齿侧间隙。外齿轮齿顶做成球面，球面中心位于齿轮的轴线上，故能补偿两轴的综合位移。能传递较大转矩，但结构复杂，制造困难，在重型机器和起重设备中应用较广。用于高速传动时，必须进行高精度加工，并经动平衡处理，还需要有良好的润滑和密封。不适用于立轴。c.万向联轴器由两个分别固定在主、从动轴上的叉形接头和一个十字形零件所组成。叉形接头和十字头是铰接的，因此允许被联接两轴的轴线夹角很大。当两轴线不重合时，主动轴等速转动，而从动轴将在某一范围内作周期性的变速转动，会在传动中引起附加动载荷。cos/cos121常将万向联轴器成对使用，构成双万向联轴器，但必须保证两轴和中间轴的夹角相等，并且中间轴的两端的叉形接头在同一平面内。此时，。212）有弹性元件挠性联轴器因联轴器中装有弹性元件，不仅可以补偿两轴间的相对位移，而且具有缓冲减振的能力。弹性元件所能储蓄的能量越多，则联轴器的减振能力越强。这类联轴器的品种多，应用广泛。万向联轴器可用于相交两轴间的联接，或工作时有较大角位移的场合。传递转矩和运动可靠，结构比较紧凑，传动效率较高，维修保养比较方便。a.弹性圆柱销联轴器结构和凸缘联轴器类似，但用套有弹性圈的柱销代替了联接螺栓。结构比较简单，制造容易，不用润滑，弹性圈更换方便，具有一定的补偿两轴线相对偏移和减振、缓冲性能。多用于经常正、反转，启动频繁，转速较高的场合。安装时，要注意留出间隙c，以便两轴工作时能作少量的相对轴向位移。b.尼龙柱销联轴器可看作弹性圈柱销联轴器简化而成。采用尼龙柱销代替弹性圈和金属柱销。在柱销两端配置挡圈，防止柱销滑出。装配时要留间隙。结构简单，安装、制造容易，耐久性好，也有吸振和补偿轴向位移的能力。多用于轴向窜动量较大，经常正、反转，启动频繁，转速较高的场合和带载启动的高、低速传动轴系，可代替弹性圈柱销连轴器。不宜用于可靠性要求高、重载和具有强烈冲击与振动的场合。对径向与角向位移大、安装精度低的传动轴系，也不宜选用。剪切销安全联轴器有单剪和双剪的两种。3.其他联轴器1）剪切销安全联轴器单剪的安全联轴器的结构类似凸缘联轴器，用钢制销钉联接。2）带制动轮单面鼓形联轴器用螺栓3将半联轴器1、制动轮2及内齿圈4联接在一起，采用循环冷却、润滑。选用的基本步骤为：选择联轴器的类型计算联轴器的计算转矩进行必要的承载能力校核规定部件相应的安装精度协调轴孔直径校核最大转矩确定联轴器的型号三、联轴器的选择1.联轴器类型的选择应全面了解工作载荷的大小和性质、转速高低、工作环境等，结合常用联轴器的性能、应用范围及使用场合选择联轴器的类型。（1）所需传递转矩的大小和性质，对缓冲、减振功能的要求以及是否可能发生共振等。（2）联轴器所联两轴轴线的相对位移。即由制造和装配误差、轴受载和热膨胀变形以及部件之间的相对运动等引起联轴器所联两轴线的相对位移程度。（3）许用的外形和尺寸的安装方法。为了便于装配、调整和维修，应考虑必需的操作空间。对于大型的联轴器，应能在轴不需要作轴向移动的条件下实现装拆。（4）联轴器的许用转速。当n≥5000r/min时，应考虑联轴器外缘的离心应力和弹性元件的变形等因素，并应进行平衡试验。高速时，不应选用非金属弹性元件和可动元件之间有间隙的挠性联轴器。此外，还应考虑工作环境、使用寿命以及润滑、密封和经济性等条件，再参考各类联轴器特性，选择一种合用的联轴器类型。2.联轴器型号、尺寸的确定选定合适类型后，可按转矩、轴直径和转速等确定联轴器的型号和结构尺寸。联轴器计算转矩TCa：取轴上的最大转矩。TKTACa式中，T为联轴器所需传动的名义转矩；TCa为联轴器所需传动的计算转矩；KA为工作情况系数。式中，[T]为所选联轴器型号的选用转矩；n为被联接轴的转速；nmax为所选联轴器允许的最高转速。根据计算转矩、轴直径和转速等，由下面条件选取型号和结构尺寸：max][nnTTCa离合器是机械装置中常用的部件。（1）外力操纵式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；§9-2离合器一、离合器的功能与类型1）离合器的功能2）离合器的类型分机械式、电磁式、液压式和气动式等等。（2）自动式离合器离心式、安全式、定向式等等。3）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。二、常见离合器的结构特点1.牙嵌离合器由端面带齿的两个半离合器组成，通过啮合的齿来传递转矩。该离合器沿圆柱面上的展开齿形有三角形、矩形、梯形和锯齿形。三角形齿结合和分离容易，但齿的强度较弱，多用于传递小转矩。梯形和锯形齿强度较高，结合和分离也较容易，多用于传递大转矩，但锯形齿只能单向工作，反转时工作面将受较大的轴向分力，迫使离合器自行分离。矩形齿制造容易，但须在齿与槽对准时方能结合，结合困难，同时结合以后，齿与齿接触的工作面间无轴向分力作用，分离困难，故应用较少。牙嵌离合器结构简单，外廓尺寸小，接合后两半离合器没有相对滑动，但只宜在两轴的转速差较小或相对静止的情况下接合；否则，齿与齿之间会发生很大冲击，影响齿的寿命。2.圆盘摩擦离合器依靠两接触面之间的摩擦力，使主、从动轴结合和传递转矩。特点①能在不停车或两轴具有任何大小转速差的情况下进行接合；②控制离合器的接合过程，就能调节从动轴的加速时间，减少接合时的冲击和振动，实现平稳的接合；③过载时，摩擦面间将发生打滑，可以避免其他零件的损坏。1）单片式圆盘摩擦离合器由两个半离合器组成。能传递的最大转矩为：mQfRTmax式中，Q为两片摩擦片间的轴向压力；f为摩擦系数；Rm为平均直径。取环形接合面的外径为D1，内径为D2，则：421DDRm单片式摩擦离合器结构简单，散热性好，但传递的转矩较小。2）多片式圆盘摩擦离合器内、外摩擦片的结构形状如图。若将内摩擦片改为碟形，使其具有一定的弹性，则离合器分离时摩擦片能自行弹开，接合时也较平稳。多片式摩擦离合器能传递的最大转矩为：zQfRTmmax式中，z为接合摩擦面数。摩擦工作表面的外径和内径之比常取1.5～2。摩擦片数目一般不超过10～15对。摩擦离合器的工作过程一般可分为接合、工作和分离三个阶段。为限制磨损和发热，应使接合面上的压强p不超过选用压强。][)(42221pDDQp式中，D1、D2分别为环形接合面的外径和内径；Q为轴向压力；[p]为许用压强。许用压强为基本许用压强[p0]与系数k1、k2、k3的乘积。3210][][kkkpp式中，k1、k2、k3分别为因离合器的平均圆周速度、主动摩擦片以及每小时的接合次数不同而引入的修正系数。3.磁粉离合器由磁铁轮芯5，环形激励线圈4，从动外鼓轮2和齿轮1组成。从动外鼓轮2与齿轮1相连，并与磁铁轮芯间约有0.5~2mm的间隙，内装铁粉和油或石墨的混合物3。当励磁线圈中无电流时，散砂似的粉末不阻碍主、从动件之间的相对运动，离合器处于分离状态。该离合器接触平稳，使用寿命长，可以远距离操纵，但尺寸和重量较大。当通入电流时，电磁粉末即在磁场作用下被吸引而聚集，从而将主、从动件联系起来，离合器即接合。4.自动离合器自动离合器是一种能根据机器运转参数的变化而自动完成接合与分离动作的离合器。常见的自动离合器有安全离合器、离心式离合器和定向离合器。安全联轴器离合器21）安全离合器安全离合器在所传递的转矩超过一定数值时自动分离。摩擦式安全离合器的基本构造与一般摩擦式离合器基本相同，只是没有操纵机构。通过调整螺钉1来调整弹簧2对内、外摩擦片组3、4的压紧力，从而控制离合器所能传递的极限转矩。牙嵌式安全离合器的基本构造与牙嵌离合器基本相同，只是牙面的倾角较大，工作时啮合牙面间能产生较大的轴向力Fa。该离合器没有操纵机构，而用一根弹簧压紧机构使两个半离合器接合，当转矩超过一定值时，Fa将超过弹簧压紧力和有关的摩擦阻力，半离合器1就会向左滑移，使离合器分离；当转矩变小又自动接合。2）离心式离合器在两个拉伸螺旋弹簧的弹力作用下，主动部分的一对闸块与从动部分的鼓轮脱开；当转速达到某一数值后，离心力增加到能克服弹簧拉力时，便使闸块绕其支点向外摆动与从动鼓轮压紧，离合器即进入接合状态。当接合面上产生的摩擦力矩足够大时，主、从动轴即一起转动。3）定向离合器当星轮为主动轮并作顺时针回转时，滚柱将被摩擦力转动而滚向空隙的收缩部分，并楔紧在星轮和套筒间，使套筒随星轮一同回转，离合器即进入接合状态。当星轮反向回转时，滚柱即被滚到空隙的宽敞部分，这时离合器即处于分离状态。因而定向离合器只能传递单方向的转矩，可在机械中用来防止逆转及完成单向传动。如果星轮仍顺时针旋转，而外圈还能从另一条运动链获得与星轮转向相同但转速较大的运动时，按相对运动原理，离合器将处于分离状态。此时星轮和外圈互不相干，各自以不同的转速转动，称之为自由行走离合器。该离合器接合与分离与星轮和外圈之间的转速差有关，又称超越离合器。常用于汽车、拖拉机和机床设备中。三、离合器的选用嵌入式离合器的结构简单，外形尺寸较小，两轴间的联接无相对运动，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。首先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。然后根据被联接的两轴直径，计算转矩和转速，查出适当的型号，必要时，可对其薄弱环节进行承载能力校核。§9-3制动器用来降低机械速度或使机械停止运转，有时也用作限速装置。一、制动器的功能与类型1）制动器的功能2）