机械设计基础课程教案讲义联轴器和、离合器和制动器教案讲义

教学目地：1熟悉联轴器的类型、特点、应用和选择2了解离合器的类型和应用3了解制动器的类型和应用教学重点：1常用联轴器的特点和选择2常用离合器的类型和工作原理教学难点：常用联轴器的选择和标注第十三章联轴器和离合器和制动器联轴器和离合器是机械传动中的重要部件。

联轴器和离合器可联接主、从动轴，使其一同回转并传递扭矩，有时也可用作安全装置。

联轴器联接的分与合只能在停机时进行，而离合器联接的分与合可随时进行。

如图13-1、图13-2所示为联轴器和离合器应用实例。

1-电动机2、5-联轴器3-制动器4-减速器6-卷筒7-轴承8-机架图13-2图13-1图13-1所示为电动绞车，电动机输出轴与减速器输入轴之间用联轴器联接，减速器输出轴与卷筒之间同样用联轴器联接来传递运动和扭矩。

图13-2所示为自动车床转塔刀架上用于控制转位的离合器。

联轴器和离合器的类型很多，其中多数已标准化，设计选择时可根据工作要求，查阅有关手册、样本，选择合适的类型，必要时对其中主要零件进行强度校核。

13.1联轴器13.1.1 联轴器的性能要求联轴器所联接的两轴，由于制造及安装误差、承载后变形、温度变化和轴承磨损等原因，不能保证严格对中，使两轴线之间出现相对位移，如图13-3所示，如果联轴器对各种位移没有补偿能力，工作中将会产生附加动载荷，使工作情况恶化。

因此，要求联轴器具有补偿一定范围内两轴线相对位移量的能力。

对于经常负载启动或工作载荷变化的场合，要求联轴器中具有起缓冲、减振作用的弹性元件，以保护原动机和工作机不受或少受损伤。

同时还要求联轴器安全、可靠，有足够的强度和使用寿命。

a）b）c）d）a）轴向位移b）径向位移c）角度位移d）综合位移图13-313.1.2 联轴器的分类联轴器可分为刚性联轴器和挠性联轴器两大类。

刚性联轴器不具有缓冲性和补偿两轴线相对位移的能力，要求两轴严格对中，但此类联轴器结构简单，制造成本较低，装拆、维护方便，能保证两轴有较高的对中性，传递转矩较大，应用广泛。

常用的有凸缘联轴器、套筒联轴器和夹壳联轴器等。

挠性联轴器又可分为无弹性元件挠性联轴器和有弹性元件挠性联轴器，前一类只具有补偿两轴线相对位移的能力，但不能缓冲减振，常见的有滑块联轴器、齿式联轴器、万向联轴器和链条联轴器等；后一类因含有弹性元件，除具有补偿两轴线相对位移的能力外，还具有缓冲和减振作用，但传递的转矩因受到弹性元件强度的限制，一般不及无弹性元件挠性联轴器，常见的有弹性套柱销联轴器、弹性柱销联轴器、梅花形联轴器、轮胎式联轴器、蛇形弹簧联轴器和簧片联轴器等。

13.1.3 常用联轴器的结构和特点各类联轴器的性能、特点可查阅有关设计手册。

1）凸缘联轴器凸缘联轴器是刚性联轴器中应用最广泛的一种，结构如图13-4所示，是由2个带凸缘的半联轴器用螺栓联接而成，与两轴之间用键联接。

常用的结构形式有两种，其对中方法不同，图13-4（a)所示为两半联轴器的凸肩与凹槽相配合而对中，用普通螺栓联接，依靠接合面间的摩擦力传递转矩，对中精度高，装拆时，轴必须作轴向移动。

图13-4（b)所示为两半联轴器用铰制孔螺栓联接，靠螺栓杆与螺栓孔配合对中，依靠螺栓杆的剪切及其与孔的挤压传递转矩，装拆时轴不须作轴向移动。

联轴器的材料一般采用铸铁，重载或圆周速度v≥30 m/s时应采用铸钢或锻钢。

凸缘联轴器结构简单，价格低廉，能传递较大的转矩，但不能补偿两轴线的相对位移，也不能缓冲减振，故只适用于联接的两轴能严格对中、载荷平稳的场合。

2）滑块联轴器滑块联轴器如图13-5所示，由两个端面开有凹槽的半联轴器1、3，利用两面带有凸块的中间盘2联接，半联轴器1、3分别与主、从动轴联接成一体，实现两轴的联接。

中间盘沿径向滑动补偿径向位移y，并能补偿角度位移α（如图13-5所示）。

若两轴线不同心或偏斜，则在运转时中间盘上的凸块将在半联轴器的凹槽内滑动；转速较高时，由于中间盘的偏心会产生较大的离心力和磨损，并使轴承承受附加动载荷，故这种联轴器适用于低速。

为减少磨损，可由中间盘油孔注入润滑剂。

半联轴器和中间盘的常用材料为45钢或铸钢ZG310-570，工作表面淬火HRC48～58。

图13-5 1、3—叉形接头2—十字轴4—机架图13-63）万向联轴器万向联轴器如图13-6所示，由两个叉形接头1、3和十字轴2组成，利用中间联接件十字轴联接的两叉形半联轴器均能绕十字轴的轴线转动，从而使联轴器的两轴线能成任意角度α，一般α最大可达35°～45°。

但α角越大，传动效率越低。

万向联轴器单个使用时，当主动轴以等角速度转（a）（b）图13-4动时，从动轴作变角速度回转，从而在传动中引起附加动载荷。

为避免这种现象，可采用两个万向联轴器成对使用，使两次角速度变化的影响相互抵消，使主动轴和从动轴同步转动，如图13-7所示。

各轴相互位置在安装时必须满足：（1）主动轴、从动轴与中间轴C 的夹角必须相等，即α1 =α2 ；（2）中间轴两端的叉形平面必须位于同一平面内。

如图13-8所示。

万向联轴器的材料常用合金钢制造，以获得较高的耐磨性和较小的尺寸。

万向联轴器能补偿较大的角位移，结构紧凑，使用、维护方便，广泛用于汽车、工程机械等的传动系统中。

（b ） 图13-7 图13-84）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相似，如图13-9所示。

不同之处是用带有弹性圈的柱销代替了螺栓联接，弹性圈一般用耐油橡胶制成，剖面为梯形以提高弹性。

柱销材料多采用45钢。

为补偿较大的轴向位移，安装时在两轴间留有一定的轴向间隙c ；为了便于更换易损件弹性套，设计时应留一定的距离B 。

弹性套柱销联轴器制造简单，装拆方便，但寿命较短。

适用于联接载荷平稳，需正反转或起动频繁的小转矩轴，多用于电动机轴与工作机械的联接上。

5）弹性柱销联轴器弹性柱销联轴器与弹性套柱销联轴器结构也相似（图13-10），只是柱销材料为尼龙，柱销形状一端为柱形，另一端制成腰鼓形，以增大角度位移的补偿能力。

为防止柱销脱落，柱销两端装有挡板，用螺钉固定。

弹性柱销联轴器结构简单，能补偿两轴间的相对位移，并具有一定的缓冲、吸振能力，应用广泛，可代替弹性套柱销联轴器。

但因尼龙对温度敏感，使用时受温度限制，一般在－20°～70°之间使用。

α α α1 α2α1 α2 （a ）图13-9 图13-1013.1.4 联轴器的选择联轴器多已标准化，其主要性能参数为：额定转矩T n、许用转速[n]、位移补偿量和被联接轴的直径范围等。

选用联轴器时，通常先根据使用要求和工作条件确定合适的类型，再按转矩、轴径和转速选择联轴器的型号，必要时应校核其薄弱件的承载能力。

考虑工作机起动、制动、变速时的惯性力和冲击载荷等因素，应按计算转矩T c选择联轴器。

计算转矩T c和工作转矩T之间的关系为：T c=KT （13-1）式中K为工作情况系数，见表13-1。

一般刚性联轴器选用较大的值，挠性联轴器选用较小的值；被传动的转动惯量小，载荷平稳时取较小值。

所选型号联轴器必须同时满足：T c≤T nn≤[n]表13-1 工作情况系数K原动机工作机械K电动机皮带运输机、鼓风机、连续运转的金属切削机床链式运输机、刮板运输机、螺旋运输机、离心泵、木工机械往复运动的金属切削机床往复式泵、往复式压缩机、球磨机、破碎机、冲剪机起重机、升降机、轧钢机1.25～1.51.5～2.01.5～2.02.0～3.03.0～4.0涡轮机发电机、离心泵、鼓风机 1.2～1.5往复式发动机发电机 1.5～2.0例13-1 功率P =11kW ，转速n =970 r/min 的电动起重机中，联接直径d =42 mm 的主、从动轴，试选择联轴器的型号。

解： 1．选择联轴器类型为缓和振动和冲击，选择弹性套柱销联轴器。

2．选择联轴器型号（1）计算转矩：由表13-1查取K =3.5，按式13-1计算：（2）按计算转矩、转速和轴径，由GB4323—84中选用TL7型弹性套柱销联轴器，标记为：TL7联轴器42×112 GB4323-84。

查得有关数据：额定转矩 T n =500N ·m ，许用转速 [n ]=2800 r/min ，轴径 40～45 mm 。

满足T c ≤T n 、 n ≤[n ]，适用。

13.2离合器一、离合器的性能要求离合器的在机器传动过程中能方便地接合和分离。

对其基本要求是：工作可靠，接合、分离迅速而平稳，操纵灵活、省力，调节和修理方便，外形尺寸小，重量轻，对摩擦式离合器还要求其耐磨性好并具有良好的散热能力。

二、离合器的分类离合器的类型很多。

按实现接合和分离的过程可分为操纵离合器和自动离合器；按离合的工作原理可分为嵌合式离合器和摩擦式离合器。

嵌合式离合器通过主、从动元件上牙齿之间的嵌合力来传递回转运动和动力，工作比较可靠，传递的转矩较大，但接合时有冲击，运转中接合困难。

摩擦式离合器是通过主、从动元件间的摩擦力来传递回转运动和动力，运动中接合方便，有过载保护性能，但传递转矩较小，适用于高速、低转矩的工作场合。

三、常用离合器的结构和特点1） 牙嵌式离合器牙嵌式离合器如图13-11所示，是由两端面上带牙的半离合器1、2组成。

半离合器1用平键固m N 3799701195505.39550c ⋅=⨯⨯=⋅=⋅=n P K T K T定在主动轴上，半离合器2用导向键3或花键与从动轴联接。

在半离合器1上固定有对中环5，从动轴可在对中环中自由转动，通过滑环4的轴向移动操纵离合器的接合和分离，滑环的移动可用杠杆、液压、气压或电磁吸力等操纵机构控制。

牙嵌离合器常用的牙型有：三角形、矩形、梯形和锯齿形，如图13-12所示。

三角形牙用于传递中小转矩的低速离合器，牙数一般为12～60；矩形牙无轴向分力，接合困难，磨损后无法补偿，冲击也较大，故使用较少；梯形牙强度高，传递转矩大，能自动补偿牙面磨损后造成的间隙，接合面间有轴向分力，容易分离，因而应用最为广泛；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。

牙嵌离合器主要失效形式是牙面的磨损和牙根折断，因此要求牙面有较高的硬度，牙根有良好的韧性，常用材料为低碳钢渗碳淬火到HRC54～60，也可用中碳钢表面淬火。

牙嵌离合器结构简单，尺寸小，接合时两半离合器间没有相对滑动，但只能在低速或停车时接合，以避免因冲击折断牙齿。

a) b) c) d)a) 三角形牙b) 矩形牙c) 梯形牙d) 锯齿形牙图13-122）圆盘摩擦离合器摩擦离合器依靠两接触面间的摩擦力来传递运动和动力。

按结构形式不同，可分为圆盘式、圆锥式、块式和带式等类型，最常用的是圆盘摩擦离合器。

圆盘摩擦离合器分为单片式和多片式两种，如图13-13、13-14所示。