联轴器.docx
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联轴器
联轴器
主要内容
1、联轴器的功用与分类；几种常用联轴器的结构、工作原理、特点以及选择和计算方法。
2、离合器的功用与分类；几种常用离合器的结构、工作原理、特点以及选择和设计方法。
基本要求
1、掌握联轴器联接的两轴间位置补偿原理，联轴器与离合器在功能上的异同点。
2、掌握常用联轴器、离合器的主要类型、结构特点、工作原理、性能和选择及计算方法。
重点难点
联轴器、离合器的种类、工作原理、结构、特点及选用。
§10-1 联轴器
一、联轴器的功能与类型
1、联轴器功能
用来把两轴联接在一起，机器运转时两轴不能分离，只有机器停车并将联接拆开后，两轴才能分离。
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，会引起两轴相对位置的变化，往往不能保证严格的对中。
如图10-1所示。
（a）轴向位移x （b）径向位移y
（c）角位移α （d）综合位移x、y、α
图10-1 轴线的相对位移
根据联轴器有无弹性元件、对各种相对位移有无补偿能力，即能否在发生相对位移条件下保持联接功能以及联轴器的用途等，联轴器可分为刚性联轴器，挠性联轴器和安全联轴器。
联轴器的主要类型、特点及其在作用，详见表10-1。
表10-1联轴器类型
类别
在传动系统中的作用
备注
刚性联轴器
只能传递运动和转矩，不具备其他功能
包括凸缘联轴器、套筒联轴器、夹壳联轴器等
挠性联轴器
无弹性元件的挠性联轴器，不仅能传递运动和转矩，而且具有不同程度的轴向、径向、角向补偿性能
包括齿式联轴器、万向联轴器、链条联轴器、滑块联轴器等
有弹性元件的挠性联轴器，能传递运动和转矩；具有不同程度的轴向、径向、角向补偿性能；还具有不同程度的减振、缓冲作用，改善传动系统的工作性能
包括各种非金属弹性元件挠性联轴器和金属弹性元件挠性联轴器，各种弹性联轴器的结构不同，差异较大，在传动系统中的作用亦不尽相同
安全联轴器
传递运动和转矩，过载安全保护。
挠性安全联轴器还具有不同程度的补偿性能
包括销钉式、摩擦式、磁粉式、离心式、液压式等安全联轴器
二、常用联轴器
1、刚性联轴器
类型：
套筒式、夹壳式和凸缘式等。
本章只介绍较为常用的凸缘联轴器。
凸缘联轴器结构型式有两种：
（1）普通凸缘联轴器（图10-2a）：
用铰制孔螺栓来联接两个半联轴器，靠螺栓杆承受挤压与剪切来传递转矩。
（2）对中榫凸缘联轴器（图10-2b）：
用普通孔螺栓来联接两个半联轴器，靠接合面的摩擦力来传递转矩。
一个半联轴器的凸肩与另一个半联轴器上的凹槽相配合而对中。
为了运行安全，凸缘联轴器可作成带防护边的（图10-2c）。
图10-2d描述了凸缘联轴器的装配过程。
材料：
灰铸铁或碳钢，重载时或圆周速度大于30m/s时应用铸钢或锻钢。
特点：
构造简单、成本低、可传递较大转矩，但不能补偿两轴间的相对位移，对两轴对中性的要求很高。
适用于转速低、无冲击、轴的刚性大、对中性较好时的场合。
（a） （b） （c）
（d）
图10-2 凸缘联轴器
2、挠性联轴器
（1）无弹性元件的挠性联轴器
可补偿两轴的相对位移，但不能缓冲减振。
A、十字滑块联轴器
结构：
由两个半联轴器1、3和一个中间圆盘2所组成。
中间圆盘两端的凸块相互垂直，并分别与两半联轴器的凹槽相嵌合，凸块的中线通过圆盘中心（图10-3a、图10-3b）。
特点：
中间圆盘的凸块在半联轴器的凹槽内滑动，可以补偿两轴的相对位移。
对凹槽的和凸块的工作面的硬度要求较高，并需加润滑剂。
转速高时，易磨损，且附加载荷大，故宜用于低速的场合。
它允许的径向位称y
0.04d（d为轴径），角位移α
30°。
（a）
（b）
图10-3 十字滑块联轴器
B、齿轮联轴器
结构：
由两个具有外齿的半联轴器1、4和两个具有内齿的外壳2、3组成，外壳与半联轴器通过内、外齿的相互啮合而相联，如图10-4所示。
轮齿间留有较大的齿侧间隙，外齿轮的齿顶做成球面，球面中心位于轴线上，转矩靠啮合的齿轮传递。
特点：
能补偿两轴的综合位移。
能传递较大的转矩，但结构较复杂，制造较困难，在重型机器和起重设备中应用较广。
不适用于立轴。
图10-4 齿轮联轴器
C、万向联轴器
结构：
由两个分别固定在主、从动轴上的叉形接头1、2和一个十字形零件（称十字头）3组成。
叉形接头和十字头是铰接的，因此允许被联接两轴轴线夹角α很大（图10-5a）。
图10-5a 单万向联轴器结构简图
图10-5b 双万向联轴器结构简图
特点：
若两轴线不重合，即使主动轴等速转动，而从动轴仍将为周期性的变速转动。
双万向联器可避免这一缺点，但必须使主动轴与中间轴的夹角和从动轴与中间轴的夹角相等，且中间轴两端的叉形接头位于同一平面内时，其主、从动轴的角速度才相等（图10-5c、图10-5d），否则从动轴仍将为周期性的变速转动（图10-5e）。
能可靠的传递转矩和运动，结构紧凑，效率高，可用于相交轴间的联接，或有较大角位移的场合。
图10-5c
图10-5d
图10-5e
（2）有弹性元件的挠性联轴器
这类联轴器因装有弹性元件，不仅可以补偿两轴间的相对位移，而且具有缓冲减振能力。
A、弹性圈柱销联轴器
结构：
结构与凸缘联轴器相似，只是用套有弹性圈1的柱销2代替了联接螺栓（图10-6）。
特点：
结构简单，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。
适用于经常正反转，起动频繁，转速较高的场合。
图10-6 弹性圈柱销联轴器（1－弹性圈；2－柱销）
B、尼龙柱销联轴器
结构：
可以看成为弹性圈柱销联轴器简化而成。
即采用尼龙柱销1代替弹性圈和金属柱销。
为了防止柱销滑出，在柱销两端配置挡圈2（图10-7）。
特点：
结构简单，安装、制造方便，耐久性好，也有吸振和补偿轴向位移的能力。
常用于轴向窜动量较大，经常正反转，起动频繁，转速较高的场合，可代替弹性圈柱销联轴器。
图10-7 尼龙柱销联轴器
3、其它联轴器
（1）剪切销安全联轴器
有单剪的和双剪的两种（图10-8），单剪的结构类似凸缘联轴器，用钢制销钉联接。
销钉装入经过淬火的两段钢制套管中，过载时即被剪断。
这类联轴器由于销钉材料机械性能的不稳定及制造尺寸误差等原因，致使联轴器工作精度不高，而且销钉剪断后，不能自动恢复工作能力，必须停车更换销钉。
但由于基结构简单，所以在很少过载的机器中常采用。
（a）单剪 （b）双剪
图10-8 剪切销安全联轴器
（2）带制动轮单面鼓形齿联轴器
图10-9为带制动轮单面鼓形齿联轴器（为重载型结构）。
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。
图10-9 带制动轮单面鼓形齿联轴器
（1－半联轴器；2－制动轮；3－螺栓；4－内齿圈；5－外齿半联轴器）
三、联轴器的选择
常用联轴器大多已标准化或规格化，一般情况下只须正确选择联轴器的类型、确定联轴器的型号及尺寸。
必要时，可对其易损的薄弱环节进行负荷能力的校核计算，转速高时，还应验算其外缘的离心应力和弹性元件的变形，进行平衡检验等。
1、联轴器类型的选择
选择联轴器类型时，应考虑：
（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时否可能发生共振等。
（2）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两轴轴线的相对位移程度。
（3）许用的外形尺寸和安装方法，为了便于装配、调整和维修所必需的操作空间。
对于大型的联轴器，应能在轴不需作轴向移动的条件下实现装拆。
此外，还应考虑工作环境、使用寿命以及润滑和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
对于已标准化和系列化的联轴器，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。
联轴器的计算转矩：
Tca=KAT
式中：
T为联轴器的名义转矩（N.m）；
Tca为联轴器的计算转矩（N.m）；
KA为工作情况系数，其值见表10-2（此系数也适用于离合器的选择）。
根据计算转矩、轴直径和转速等，由下面条件，可从有关手册中选取联轴器的型号和结构尺寸。
Tca
[T]
n
式中：
[T]为所选联轴器的许用转矩（N.m）；
n为被联接轴的转速（r/min）；
为所选联轴器允许的最高转速（r/min）。
多数情况下，每一型号的联轴器适用的轴径均有一个范围。
标准中已给出轴径的最大与最小值，或者给出适用直径的尺寸系列，被联接的两轴应在此范围之内。
一般情况下，被联接的两轴的直径是不同的，两个轴端的形状也可能不同。
表10-2 工作情况系数KA
分类
工作情况及举例
电动机、汽轮机
四缸和四缸以上内燃机
双缸内燃机
单缸内燃机
Ⅰ
转矩变化很小，如发电机、小型通风机、小型离心泵
1.3
1.5
1.8
2.2
Ⅱ
转矩变化小，如透平压缩机、木工机床、运输机
1.5
1.7
2.0
2.4
Ⅲ
转矩变化中等，如搅拌机、增压泵、有飞轮的压缩机、冲床
1.7
1.9
2.2
2.6
Ⅳ
转矩变化和冲击载荷中等，如织布机、水泥搅拌机、拖拉机
1.9
2.1
2.4
2.8
Ⅴ
转矩变化和冲击载荷大，如造纸机、挖掘机、起重机、碎石机
2.3
2.5
2.8
3.2
Ⅵ
转矩变化大并有极强烈冲击载荷，如压延机、无飞轮的活塞泵、重型初轧机
3.1
3.3
3.6
4.0
四、联轴器的选择算例
例10-1 如图10-10所示，在电机与增压油泵用联轴器相联。
已知电机功率P＝7.5kW，转速n＝960r/min,电机伸出轴端的直径d1＝38mm，油泵轴的直径d2=42mm，选择联轴器型号。
解：
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，同时具有可移性的弹性套柱销联轴器。
计算转矩
查表10-2得：
K＝1.7。
名义转矩
所以：
Tca=1.7*74.6=126.8N.m
查手册选用弹性套柱销联轴器
附：
TL6弹性套柱销联轴器的技术参数为
公称扭矩：
250N.m
许用转速：
＝3300r/min （联轴器材料为铁）
＝3800r/min （联轴器材料为钢）
轴孔直径：
＝32mm，
＝42mm。
图10-10 联轴器算例
§10-2 离合器
一、联轴器的功能与类型
1、离合器的功能
离合器是一种在机器运转过程中，可使两轴随时接合或分离的装置。
它的主要功能是用来操纵机器传动系统的断续，以便进行变速及换向等。
2、离合器类型
按操作的方式，离合器可分为
（1）外力操纵式：
机械操纵式、电磁操纵式、液压操纵式和气动操纵式等。
（2）自动离合器：
能够自动进行接合和分离，不需人来操纵。
如离心离合器，当转速达到一定值时，两轴能自动接合或分离；安全离合器，当转矩超过允许值时，两轴即自动分离；定向离合器只允许单向传动，反转时即自动分离等等。
离合器的主要类型见表10-3。
表10-3离合器分类
类型
变型或附属型
自动或可控
是否可逆
典型应用
机械式
刚性
牙嵌
齿型
转键
滑键
拉键
可控
可控
可控
可控
可控
是
是或否
是
是
是
农业机械、机床等
通用机械传动
曲轴压力机
一般机械
小转矩机械传动
摩擦
干式单片
湿式单片
干式多片
湿式多片
锥式
涨圈
扭簧
可控
可控
可控
可控
可控
是
是
是
是
是
拖拉机、汽车
汽车、工程机械、机床
机械传动
机械传动
机械传动
离心
自由闸块式
弹簧闸块式
钢球式
自动
自动
自动
否
否
是或否
离心机、压缩机、搅拌机低起动转矩传动
特殊传动
超越
滚柱式
棘轮式
楔块式
螺旋弹簧式
同步切换式
自动
自动
自动
自动
自动
否
否
否
否
否
升降机、汽车
农机、自行车等
飞轮驱动、飞机
高转矩传动
发电机组等
电磁
磁场
磁滞
涡流
湿式粉末
干式粉末
自动
自动
自动或可控
自动或可控
是或否
是或否
是
是
专用传动
专用传动
小功率仪表、伺服传动
电铲、拔丝、冲压、石油
流体摩擦
气胎
鼓式
缘式
盘式
自动
自动
自动
是
是
是
船舶
液压
盘式
自动
是
船舶、工业机械
流体
液力
变矩器
偶合器
自动
自动
否
是
液力变速箱
挖掘机、矿山机械
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二、常用离合器的结构特点
1、牙嵌离合器
工作原理见图10-11a，它主要由端面带齿的两个半离合器1，2组成，通过啮合的齿来传递转矩。
其中半离合器1固装在主动轴上，而半离合器2利用导向平键安装在从动轴上，它可沿轴线动。
工作时利用操纵杆（图中未画出）带动滑环3，使半离合器2作轴向移动，实现离合器的接合或分离（图10-12b）。
（a）
（b）
图10-11 牙嵌离合器
这种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（图10-12）。
三角形齿接合和分离容易，但齿的强度较弱，多用于传递小转矩。
梯形和锯齿形强度较高，接合和分离也较容易，多用于传递大转矩的场合，但锯齿形齿只能单向工作，反转时工作面将受较大的轴向分力，会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接合，因而接合困难。
同时接合以后，齿与齿接触的工作面间无轴向分力作用，所以分离也较困难，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，否则齿与齿会发生很大冲击，影响齿的寿命。
图10-12 沿圆柱面上展开的齿形
2、圆盘摩擦离合器
原理：
依靠两接触面之间的摩擦力，使主、从动轴接合和传递转矩。
特点：
1）能在不停车或两轴具有任何大小转差的情况下进行接合；
2）能调节从动轴的加速时间，减少接合时的冲击和振动，实现平稳地接合；
3）过载时，摩擦面间将发生打滑，可以避免其他零件的损坏。
分类：
单片式和多片式
（1）单片式圆盘摩擦离合器
图10-13 单片式圆盘摩擦离合器
如图10－13所示，由两个半离合器1、2组成，通过其接触面间的摩擦力来传递转矩。
1固装在主动轴上，2利用导向平键（或花键）安装在从动轴上，通过操纵杆和滑环3可以在从动轴上滑移。
能传递的最大转矩为
式中：
Q为两摩擦片之间的轴向压力；
f为摩擦系数；
为平均半径。
设摩擦的合力作用在平均半径的圆周上。
取环形接合面的外径为
，内径为
，则。
这种单片摩擦离合器结构简单，散热性好，但传递的转矩较小。
当必须传递较大转矩时，可采用多片式摩擦离合器。
（2）多片式摩擦离合器
工作原理见图10-14a，有两组摩擦片，其中外摩擦片组4利用外圆上的花键与处鼓轮2相联（鼓轮2与轴1相固联），内摩擦片组5利用内圆上的花键与内套筒10相联（套筒10与轴9相固联）。
当滑环8作轴向移动时，将拨动曲臂压杆7，使压板3压紧或松开内、外摩擦片组，从而使离合器接合或分离图10-14b。
螺母6是用来调节内、外摩擦片组间隙大小的。
外摩擦片和内摩擦片的结构形状如图10-15所示。
若将内摩擦片改为图右的碟形，使其具有一定的弹性，离合器分离时摩擦片能自行弹开，接合时也较平稳。
（a）
（b）
图10-14 多片式摩擦离合器
（a）外摩擦片 （b）内摩擦片 （c）碟形内摩擦片
图10-15 摩擦片
多片式摩擦离合器能传递的最大转矩为
z
式中：
z为接合摩擦面数（图10-14中，z=6）。
由上式可知，增加摩擦片数目，可以提高离合器传递转矩的能力，但摩擦片过多要影响分离动作的灵活性，故一般不超过12～15片。
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。
在接合和分离过程中，从动轴的转速总是低于主动轴的转速，因而两摩擦工作面间必将产生相对滑动，从而会消耗一部分能量，并引起摩擦片的磨损和发热。
为了限制磨损和发热，应使接合面上的压强p不超过许用压强[p]。
式中：
[p]为许用压强（N/
）。
许用压强[p]为基本许用压强[
]与系数
、
、
的乘积，即
[p]＝[
]
式中：
、
、
分别为离合器的平均圆周速度、主动摩擦片数以及每小时的接合次数不同而引入的修正系数。
各种摩擦副材料的摩擦系数f，基本许用压强[
]见表10-4，修正系数
、
、
分别列于表10-5、表10-6和表10-7。
表10-4 摩擦系数f和基本许用压强[p0]
摩擦副材料与润滑条件
摩擦系数f
圆盘摩擦离合器的基本许用压强[p0]（N/
）
在油中工作
淬火钢-淬火钢
铸铁-铸铁或淬火钢
钢-夹布胶木
淬火钢-粉末冶金材料
0.06
0.08
0.12
0.10
0.6～0.8
0.6～0.8
0.4～0.6
1～2
无油下工作
压制石棉-钢或铸铁
铸铁-铸铁或淬火钢
淬火钢-粉末冶金材料
0.30
0.15
0.30
0.2～0.3
0.2～0.3
0.4～0.6
表10-5 修正系数k1
平均圆周速度（m/s）
1
2
2.5
3
4
6
8
10
15
k1
1.35
1.08
1
0.94
0.86
0.75
0.68
0.63
0.55
表10-6 修正系数k2
主动摩擦片数
3
4
5
6
7
8
9
10
11
k2
1
0.97
0.94
0.91
0.88
0.85
0.82
0.79
0.76
表10-7 修正系数k3
每小时接合系数
90
120
180
240
300
≥360
k3
1
0.95
0.80
0.70
0.60
0.50
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3、磁粉离合器
如图10-16所示，磁粉离合器主要由磁铁轮心5，环形激磁线圈4，从动外鼓轮2和齿轮1组成。
主动轴7与磁铁轮心5相固联，在轮心外缘的凹槽内绕有环形激磁线圈4，线圈与接触环6相联，从动外鼓轮2与齿轮1相联，并与磁铁轮心间约有0.5～2mm的间隙，其中填充导磁率高的铁粉和油或石墨的混合物3。
这样，当线圈通电时，形成一个经轮心、间隙、外鼓轮又回到轮心的闭合磁通，使铁粉磁化。
当主动轴旋转时，由于磁粉的作用，带动外鼓轮一起旋转来传递转矩。
当断电时，铁粉恢复为松散状态，离合器即行分离。
这种离合器接合平稳，使用寿命长，可以远距离操纵，但尺寸和重量较大。
图10-16 磁粉离合器
4、自动离合器
自动离合器是一种能根据机器运转参数（如转矩、转速或转向）的变化而自动完成接合和分离动作的离合器。
常用的自动离合器有安全离合器、离心式离合器和定向离合器三类。
（1）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。
它有许多种类型，如图10-17所示为摩擦式安全离全器。
它的基本构造与一般摩擦离合器基本相同，只是没有操纵机构，而利用调整螺钉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。
当载荷超过极限转矩时，内、外摩擦片接触面间会出现打滑，以此来限制离合器所传递的最大转矩。
图10-18所示为牙嵌式安全离合器。
它的基本构造与牙嵌离合器相同，只是牙面的倾角α较大，工作时啮合牙面间能产生较大的轴向力。
这种离合器也没有操纵机构，而用一弹簧压紧机构使两半离合器接合，当转矩超过一定值时，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；当转矩减小时，离合器又自动接合。
图10-17 摩擦式安全离合器 图10-18 牙嵌式安全离合器
（2）离心式离合器
是利用离心力的作用来控制接合和分离的一种离合器。
离心式离合器有自动接合式和自动分离式两种。
前者当主动轴达到一定转速时，能自动接合；后者相反，当主动轴达到一定转速时能自动分离。
如图10-19所示为一种自动接合式离合器。
它主要由与主动轴4相联的轴套3，与从动轴（图中未画出）相联的外鼓轮1、瓦块2、弹簧5和螺母6组成。
瓦块一端铰接在轴套上，一端通过弹簧力拉向轮心，安装时使瓦块与外鼓轮保持一适当间隙。
这种离合器常用作起动装置，当机器起动后，主动轴的转速逐渐增加，当达到某一值时，瓦块将因离心力带动外鼓轮和从动轴一起旋转。
拉紧瓦块的力可以通过螺母来调节。
这种离合器有时用于电动机伸出轴端，或直接装在皮带轮中，使电动机正、反转时都是空载起动，以降低电机起动电流的延续时间，改善电机的发热现象。
图10-19 自动接合式离合器
（3）定向离合器
定向离合器只能按一个转向传递转矩，反向时能自动分离。
其中应用较为广泛的是滚柱定向离合器（图10-20a），也称超越离合器。
它主要由星轮1、外圈2、弹簧顶杆4和滚柱3组成。
弹簧的作用是将滚柱压向星轮的楔形槽内，使滚柱与星轮、外圈相接触。
（a）
（b）
（c）
图10-20 滚柱式定向离合器
星轮和外圈均可作为主动轮。
当星轮为主动件并按图示方向旋转时，滚柱受摩擦力的作用被楔紧在槽内，因而带动外圈一起转动，这时离合器处于接合状态（图10-20b）。
当星轮反转时，滚柱受摩擦力的作用，被推到槽中较宽的部分，不再楔紧在槽内，这时离合器处于分离状态（图10-20c）。
如果星轮仍按图a左方向旋转，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。
定向离合器常用于汽车、拖拉机和机床等设备中。
三、离合器的选择
大多数离合器已标准化或规格化，设计时，只需参考有关手册对其进行类比设计或选择即可。
选择离合器时，首先根据机器的工作特点和使用条件，结合各种离合器的
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