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1、中国地质大学专用 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,中国地质大学专用 作者：潘存云教授,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
2、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,中国地质大学专用 作者：潘存云教授,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,中国地质大学专用 作者：潘存云教授,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
3、的轴向位移、径向位移和角位移，或其组合。,制造误差,安装误差,受力变形,14-1联轴器的种类和特性,中国地质大学专用 作者：潘存云教授,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,中国地质大学专用 作者：潘存云教授,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
4、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,中国地质大学专用 作者：潘存云教授,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。,对中榫,绞制孔螺栓,中国地质大学专用 作者：潘存云教授,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。,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
5、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。,中国地质大学专用 作者：潘存云教授,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。,中国地质大学专用 作者：潘存云教授,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,(二)无弹性元件联轴器,结构：两个有内齿的外壳，两个有外齿的套筒，两
6、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。,中国地质大学专用 作者：潘存云教授,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。,中国地质大学专用 作者：潘存云教授,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,y0.
7、04d，v300 r/min,中国地质大学专用 作者：潘存云教授,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。,中国地质大学专用 作者：潘存云教授,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,中国地质大学专用 作者：潘存云教授,潘存云教授研制,
8、vA1=r1,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：,vA2=r2,=r cos2,显然有 vA1=vA2,中国地质大学专用 作者：潘存云教授,潘存云教授研制,其它位置,代入得,在图示位置II,以轴2为参考系，对B点有,vB2=r2,以轴1为参考系，对B点有：,vB1=r1,=1 r cos,同样有 vB1=vB2,代入得,2=1 cos,2 1,=2 1,1=cos2,中国地质大学专用 作者：潘
9、存云教授,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。,为了消除从动轴变速转动的缺点，常,中国地质大学专用 作者：潘存云教授,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。,中国地质大学专用 作者：潘存云教授,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
10、。,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。,中国地质大学专用 作者：潘存云教授,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。,圆柱孔,圆锥孔,中国地质大学专用 作者：潘存云教授,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。,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
11、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：-12t60，v8000 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,中国地质大学专用 作者：潘存云教授,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：512，x0.02D y0.01D，n5000 r/min,止退垫板,中国地质大学专用 作者：潘存云教授,梅花形弹性联轴器,工作温度：-35+80,传递
12、扭矩：T=1625000 NM,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。,潘存云教授研制,中国地质大学专用 作者：潘存云教授,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。,中国地质大学专用 作者：潘存云教授,潘存云教授研制,潘存云
13、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,中国地质大学专用 作者：潘存云教授,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,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
14、器,选用原则：,中国地质大学专用 作者：潘存云教授,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,中国地质大学专用 作者：潘存云教授,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
15、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。,中国地质大学专用 作者：潘存云教授,二、计算联轴器的扭矩,计算转矩,Tca=KAT,KA为工作情况系数。见下页,T为公称扭矩。,中国地质大学专用 作者：潘存云教授,三、确定联轴器的型号,选型依据 Tca T，由相关标准确定型号。,四、校核最大转速,n nmax,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
16、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。,中国地质大学专用 作者：潘存云教授,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,联轴器的选择流程,中国地质大学专用 作者：潘存云教授,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
17、、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,中国地质大学专用 作者：潘存云教授,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,中国地质大学专用 作者：潘存云教授,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
18、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,中国地质大学专用 作者：潘存云教授,牙型,三角形,梯 形,锯齿形,传递中小转矩、牙数为1660,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。,中国地质大学专用 作者：潘存云教授,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:
19、,W为齿根弯曲截面系数；D0为牙平均直径；a为牙的宽度。,式中h为牙齿高度；z为牙齿数；,中国地质大学专用 作者：潘存云教授,潘存云教授研制,单片式圆盘摩擦离合器,摩擦扭矩 Tmax=Fa f Rf,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；,缺点：结合过程中不可避免出现 打滑，引起磨损和发热。,中国地质大学专用 作者：潘存云教授,潘存云教授研制,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
20、的结合与分离。,多片式圆盘摩擦离合器,结构特点：多个摩擦片叠加在一起；,中国地质大学专用 作者：潘存云教授,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,Tmax=z Fa f Rf,KA T,表面压强,p,中国地质大学专用 作者：潘存云教授,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。,中国地质大学专用 作者：潘存云教授,潘存云教授研制,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
21、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。,中国地质大学专用 作者：潘存云教授,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。,中国地质大学专用 作者：潘存云教授,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
22、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,中国地质大学专用 作者：潘存云教授,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
23、，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。,中国地质大学专用 作者：潘存云教授,潘存云教授研制,销钉直径可按如下公式计算,其中 T公称扭矩；,Dm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。,中国地质大学专用 作者：潘存云教授,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,中国地质大学专用 作者：潘存云教授,潘存云教授研制,二、滚珠安全离合器,过载时，弹簧被压缩，从动盘右移，主
24、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。,中国地质大学专用 作者：潘存云教授,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。,14-5特殊功用及特殊结构的联轴器及离合器,中国地质大学专用 作者：潘存云教授,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
25、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。,中国地质大学专用 作者：潘存云教授,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,磁粉性能要求：
26、导磁率高、剩磁小、流动性好、耐磨、耐热、不烧结性。,输入,中国地质大学专用 作者：潘存云教授,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。,中国地质大学专用 作者：潘存云教授,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
27、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,中国地质大学专用 作者：潘存云教授,潘存云教授研制,制动力矩的计算：,FN=0.95FH/h,0.95摩擦损耗的系数 杠杆连接处,制动力矩 T=FN 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,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。,中国地质大学专用 作者：潘存云教授,潘存云教授研制,计算,Ft=F1 F2,F1=F2e f,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；,
