联轴器离合器和制动器.docx

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联轴器离合器和制动器

第14章联轴器、离合器和制动器

14.1联轴器

14.1.1联轴器的功用和分类

联轴器和离合器主要用于轴与轴之间的联接，使它们一起回转并传递转矩。

用联轴器联接的两根轴，只有在机器停车后，经过拆卸才能把它们分离。

用离合器联接的两根轴，在机器工作中就能方便地使它们分离或接合。

联轴器分刚性和弹性两大类。

刚性联轴器由刚性传力件组成，又可分为固定式和可移式两类。

固定式刚性联轴器不能补偿两轴的相对位移；可移式刚性联轴器能补偿两轴的相对位移。

弹性联轴器包含有弹性元件，能补偿两轴的相对位移，并具有吸收振动和缓和冲击的能力。

联轴器和离合器大都已标准化了。

一般可先依据机器的工作条件选定合适的类型，然后按照计算转矩、轴的转速和轴端直径从标准中选择所需的型号和尺寸。

必要时还应对其中某些零件进行验算。

计算转矩Tc已将机器启动时的惯性力和工作中的过载等因素考虑在内。

联轴器和离合器的计算转矩可按下式确定

Tc=KAT（17－1）

式中：

Tc为名义转矩；KA为工作情况系数，KA值列于下表中。

一、固定式刚性联轴器

联轴器、离合器的种类很多，本章仅介绍几种有代表性的结构。

固定式刚性联轴器中应用最广的是凸缘联轴器。

如下图所示，它是用螺栓联接两个半联轴器的凸缘，以实现两轴联接的。

螺栓可以用普通螺栓，也可以用铰制孔用螺栓。

这种联轴器有两种主要的结构型式：

图a是普通的凸缘联轴器，通常靠铰制孔用螺栓来实现两轴对中；图b是有对中榫的凸缘联轴器，靠凸肩和凹槽（即对中榫）来实现两轴对中。

制造凸缘联轴器时，应准确保持半联轴器的凸缘端面与孔的轴线垂直，安装时应使两轴精确对中。

半联轴器的材料通常为铸铁，当受重载或圆周速度v＞30m／s时，可采用铸钢或锻钢。

凸缘联轴器的结构简单、使用方便、可传递的转矩较大，但不能缓冲减振。

常用于载荷较平稳的两轴联接。

二、可移式刚性联轴器

由于制造、安装误差或工作时零件的变形等原因，被联接的两轴不一定都能精确对中，因此就会出现两轴间的轴向位移x（下图a）、径向位移y（图b）、角位移a（图c），以及由这些位移组合的综合位移。

如果联轴器没有适应这种相对位移的能力，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。

可移式刚性联轴器的组成零件间构成的动联接，具有某一方向或几个方向的活动度，因此能补偿两轴的相对位移。

常用的可移式刚性联轴器有以下几种：

（一）、齿式联轮器

齿式联轴器是由两个有内齿的外壳3和两个有外齿的会简4所组成（上图a）。

套筒与轴用键相联，两个外壳用螺栓2联成一体，外壳与套简之间设有密封圈1。

内齿轮齿数和外齿轮齿数相等。

轮齿通常采用压力角为20°的渐开线齿廓。

工作时靠啮合的轮齿传递转矩。

由于轮齿间留有较大的间隙和外齿轮的齿项制成球形（上图b），所以能补偿两轴的不对中和偏斜（下图）。

为了减小轮齿的磨损和相对移动时的摩擦阻力，在外壳内贮有润滑油。

齿式联轴器允许角位移在30′以下，若将外齿轮做成鼓形齿（上图b），则允许角位移可达3°。

齿式联轴器的优点是能传递很大的转矩和补偿适量的综合位移，因此常用于重型机械中。

但是，当传递巨大转矩时，齿间的压力也随着增大，使联轴器的灵活性降低，而且其结构笨重、造价较高。

（二）、滑块联轴器

滑块联轴器是由两个端面开有径向凹槽的半联轴器1、3和两端各具凸榫的中间滑块2所组成（下图）。

中间滑块两端面上的凸榫相互垂直，分别嵌装在两个半联轴器的凹槽中，构成移动副。

如果两轴线不对中或偏斜、运转时滑块将在凹槽内滑动，所以凹槽和滑块的工作面间要加润滑剂。

若两轴不对中，当转速较高时，由于滑块的偏心将会产生较大的离心力和磨损，并给轴和轴承带来附加动载荷，因此它只适用于低速，轴的转速一般不超过300r／min。

滑块联轴器允许的径向位移（即偏心距）y≤0．04d（d为轴的直径），角位移α≤30°。

（三）、万向联轴器

下图所示为以十字轴为中间件的万向联轴器。

十字轴的四端用铰链分别与轴1、轴2上的叉形接头相联。

因此，当一轴的位置固定后，另一轴可以在任意方向偏斜α角，角位移α可达40°～45°。

为了增加其灵活性，可在铰链处配置滚针轴承（图中未标出）。

但是，单个万向联轴器两轴的瞬时角速度并不是时时相等的，即当主动轴1以等角速度回转时，从动轴2作变角速度转动，从而引起动载荷，对使用不利。

为了克服单个万向联轴器的上述缺点，机器中常将万向联轴器成对使用，如下图所示。

这种由两个万向联轴器组成的装置称为双万向联轴器。

对于联接相交或平行二轴的双万向联轴器，欲使主、从动轴的角速度相等，必须满足两个条件：

1）主动轴、从动轴与中间件C的夹角必须相等，即α＝α中间件两端的叉面必须位于同一平面内。

显然，中间件本身的转速是不均匀的。

但因它的惯性小，由它产生的动载荷、振动等一般不致引起显著危害。

小型双万向联轴器的实际结构如下图所示，通常用合金钢制造。

三、弹性联轴器

（一）、弹性套柱销联轴器

弹性套柱销联轴器结构上和凸缘联轴器很近似，但是两个半联轴器的联接不用螺栓，而是用带橡胶弹性套的柱销，如下左图所示。

为了更换橡胶套时简便而不必拆移机器，设计中应注意留出距离A；为了补偿轴向位移，安装时应注意留出相应大小的间隙c弹性套柱销联轴器在高速轴上应用得十分广泛。

（二）、弹性柱销联轴器

如上右图所示，弹性柱销联轴器是利用若干非金属材料制成的柱销置于两个半联轴器凸缘的孔中，以实现两轴的联接。

柱销通常用尼龙制成，而尼龙具有一定的弹性。

弹性柱销联轴器的结构简单，更换柱销方便。

为了防止柱销滑出，在柱销两端配置挡板。

装配挡板时应注意留出间隙。

上述两种联轴器中，动力从主动轴通过弹性件传递到从动轴。

因此，它能缓和冲击、吸收振动。

适用于正反向变化多、启动频繁的高速轴。

最大转速可达8000r／min，使用温度范围为一20～60°C。

这两种联轴器能补偿较大的轴向位移。

依靠弹性柱销的变形，允许有微量的径向位移和角位移。

但若径向位移或角位移较大，则会引起弹性住销的迅速磨损，因此采用这两种联轴器时仍须较仔细地安装。

（三）、轮胎式联轴器

轮胎式联轴器的结构如下图所示，中间为橡胶制成的轮胎环，用止退垫板与半联轴器联接。

它的结构简单可靠，易于变形，因此它允许的相对位移较大，角位移可达5°～12°，轴向位移可达0．02D，径向位移可达0．01D，D为联轴器外径。

轮胎式联轴器适用于启动频繁、正反向运转、有冲击振动、两轴间有较大的相对位移量、以及潮湿多尘之处。

它的径向尺寸庞大，但轴向尺寸较窄，有利于缩短串接机组的总长度。

它的最大转速可达5000r／min。

14．2离合器

用离合器联接的两根轴，在机器工作中就能方便地使它们分离或接合。

离合器主要分牙嵌式和摩擦式两类。

另外，还有电磁离合器和自动离合器。

电磁离合器在自动化机械中作为控制转动的元件而被广泛应用。

自动离合器能够在特定的工作条件下（如一定的转矩、一定的转速或一定的回转方向）自动接合或分离。

一、牙嵌离合器

牙嵌离合器是由两个端面带牙的套筒所组成（下图），其中套筒1紧配在轴上，而套简2可以沿导向平键3在另一根轴上移动。

利用操纵杆移动滑环4可使两个套筒接合或分离。

为避免滑环的过量磨损，可动的套筒应装在从动轴上。

为便于两轴对中，在套筒1中装有对中环5从动轴端则可在对中环中自由转动。

离合器牙的形状有三角形、梯形和锯齿形（下图）。

三角形牙传递中、小转矩，牙数为15～60．梯形、锯齿形牙可传递较大的转矩，牙数为3～15。

梯形牙可以补偿磨损后的牙侧间隙。

锯齿形牙只能单向工作，反转时由于有较大的轴向分力，会迫使离合器自行分离。

各牙应精确等分，以使载荷均布。

牙嵌离合器的承载能力主要取决于牙根处的弯曲强度。

对于操作频繁的离合器，尚需验算牙面的压强，由此控制磨损。

即

式中：

h为牙的高度；z为牙的数目；W为牙根的弯曲截面系数；D0为牙的平均直径；a为牙的宽度；［σ］为许用弯曲应力；〔p〕许用压强。

牙嵌离合器结构简单，外廓尺寸小，能传递较大的转矩，故应用较多。

但牙嵌离合器只宜在两轴不回转或转速差很小时进行接合，否则牙齿可能会因受撞击而折断。

牙嵌离合器的常用材料为低碳合金钢（如20Cr、20MnB），经渗碳淬火等处理后使牙面硬度达到56～62HRC。

有时也采用中碳含金钢（如40Cr、45MnB），经表面淬火等处理后硬度达48～58HRC。

牙嵌离合器可以借助电磁线圈的吸力来操纵，称为电磁牙嵌离合器。

电磁牙嵌离合器通常采用嵌入方便的三角形细牙。

它依据信息而动作，所以便于遥控和程序控制。

二、圆盘摩擦离合器

圆盘摩擦离合器有单片式和多片式两种。

下图所示为单片式摩擦离合器的简图，其中圆盘1紧配在主动轴上，圆盘2可以沿导键在从动轴上移动。

移动滑环3可使两圆盘接合或分离。

工作时轴向压力Fa使两圆盘的工作表面产生摩擦力。

设摩擦力的合力作用在摩擦半径Rf的圆周上，则可传递的最大转矩为

Tmax=FafRf

式中f为摩擦系数。

与牙嵌离合器比较，摩擦离合器具有下列优点：

l）在任何不同转速条件下两轴都可以进行接合；2）过载时摩擦面间将发生打滑，可以防止损坏其他零件；3）接合较平稳，冲击和振动较小。

摩擦离合器在正常的接合过程中，从动轴转速从零逐渐加速到主动轴的转速，因而两摩擦面间不可避免地会发生相对滑动。

这种相对滑动要消耗一部分能量，并引起摩擦片的磨损和发热。

单片式摩擦离合器多用于转矩在2000N·m以下的轻型机械（如包装机械、纺织机械）。

下图a所示为多片式摩擦离合器，图中主动轴1与外壳2相联接，从动轴3与套筒4相联接。

外壳内装有一组摩擦片5如图b所示，它的外缘凸齿插入外壳2的纵向凹槽内，因而随外壳2一起．回转，它的内孔不与任何零件接触。

套筒4上装有另一组摩擦片6如图c所示，它的外线不与任何零件接触，而内孔凸齿与套筒4上的纵向凹槽相联接，因而带动套筒4一起回转、这样，就有两组形状不同的摩擦片相间叠合，如下图a所示。

图中位置表示杠杆8经压板9将摩擦片压紧，离合器处于接合状态。

若将滑环7向右移动，杠杆8逆时针方向摆动，压板9松开，离合器即分离。

若把图c中的摩擦片改用图d的形状，则分离时摩擦片能自行弹开。

另外，调节螺母10用来调整摩擦片间的压力。

摩擦片材料常用淬火钢片或压制石棉片。

摩擦片数目多，可以增大所传递的转矩。

但片数过多，将使各层间压力分布不均匀，所以一般不超过12～15片。

摩擦离合器也可用电磁力来操纵。

如下图所示，在电磁操纵的摩擦离合器中，当直流电经接触环1导人电磁线圈2后，产生磁力线吸引衔铁入于是衔铁5将两组摩擦片3和4压紧，离合器处于接会状态。

当电流切断时，磁力消失，依靠复位弹簧6将衔铁推开，使两组摩擦片松开。

离合器处于分离状态。

在电磁离合器中，电磁摩擦离合器是应用最广

14．3制动器

制动器是用来降低机械运转速度或迫使机械停止运转的装置。

在车辆、起重机等机械中，广泛采用各种型式的制动器。

以下介绍两种常见的结构型式。

一、块式制动器

下图a所示为块式制动器，它借助瓦块与制动轮间的摩擦力来制动。

通电时，励磁线圈1吸住衔铁2，再通过一套杠杆使瓦块5松开，机器使能自由运转。

当需要制动时，则切断电流，励磁线圈释放衔铁2，依靠弹簧力并通过杠杆使瓦块5抱紧制动轮6。

制动器也可以安排为在通电时起制动作用，但为安全起见，应安排在断电时起制动作用。

简化的力学计算如下图b所示，F为弹簧力，FN为瓦块压向制动轮时的反力，i为弹簧至瓦块部分的杠杆比，即i=H／h，则

式中0.95是考虑杠杆连接处的摩擦耗损而采取的系数。

式中：

D为制动轮直径；f为制动轮和瓦块间的摩擦系数。

瓦块的材料常用铸铁，也可在铸铁上复以皮革或石棉带。

瓦块制动器已规范化，其型号应根据所需的制动力短在产品目录中选取。

二、带式制动器

下图为带式制动器。

当杠杆上作用外力F后，闸带收紧且抱住制动轮，靠带与轮间的摩擦力达到制动目的。

这种制动器结构简单、紧凑。