機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ) 教學(xué)課件 作者 劉賽堂 李永敏 第十三章

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主編第13章聯(lián)軸器、離合器、制動(dòng)器和彈簧1.本章主要講述常用聯(lián)軸器和離合器的構(gòu)造、特點(diǎn)和選用方法。2.簡要介紹幾種制動(dòng)器、彈簧的構(gòu)造、特點(diǎn)和選用方法等。知識(shí)點(diǎn)：13.1概述聯(lián)軸器、離合器和制動(dòng)器是機(jī)械傳動(dòng)中常用的部件。聯(lián)軸器和離合器主要用來連接兩軸，并傳遞運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)矩，有時(shí)也可用作平安裝置。聯(lián)軸器在機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)使兩軸不能別離，只有在機(jī)器停止轉(zhuǎn)動(dòng)并將其拆開后，兩軸才能別離。離合器是在機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，可使兩軸隨時(shí)接合或別離的一種裝置。制動(dòng)器主要用來使機(jī)器迅速停止運(yùn)轉(zhuǎn)，也可以用來降低或調(diào)整機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)的速度。聯(lián)軸器、離合器和制動(dòng)器的類型很多，其中大多已標(biāo)準(zhǔn)化。本章僅介紹幾種常用類型的構(gòu)造、特點(diǎn)和選用。至于其他的類型，可參閱有關(guān)手冊(cè)。13.2聯(lián)軸器聯(lián)軸器所要連接的兩軸之間，由于存在制造、安裝誤差以及受載后的變形等因素，往往存在著軸向、徑向或偏角等相對(duì)位置的偏移，如圖13.1所示。故聯(lián)軸器除了傳動(dòng)外，還要求具有一定的補(bǔ)償相對(duì)位移的能力。圖13.1兩軸之間的相對(duì)位移13.2聯(lián)軸器聯(lián)軸器所要連接的兩軸之間，由于存在制造、安裝誤差以及受載后的變形等因素，往往存在著軸向、徑向或偏角等相對(duì)位置的偏移，如圖13.1所示。故聯(lián)軸器除了傳動(dòng)外，還要求具有一定的補(bǔ)償相對(duì)位移的能力。圖13.1兩軸之間的相對(duì)位移13.2.1固定式剛性聯(lián)軸器套筒聯(lián)軸器如圖13.2所示，它是由連接兩軸軸端的套筒和連接件〔銷或鍵〕組成的。這種聯(lián)軸器的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，徑向尺寸小，被連接的兩軸能嚴(yán)格地同步轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)機(jī)械過載時(shí)，銷被剪斷，可起平安保護(hù)作用。缺點(diǎn)是裝拆時(shí)軸需作軸向移動(dòng)，拆裝不方便。通常用于傳遞轉(zhuǎn)距較小的場合，被連接的兩軸直徑一般不大于100mm。1.套筒聯(lián)軸器圖13.2套筒聯(lián)軸器13.2聯(lián)軸器如圖13.3所示的凸緣聯(lián)軸器是由帶有凸緣的兩半聯(lián)軸器組成的。半聯(lián)軸器分別用鍵與軸連接，并用一組螺栓將它們連接在一起。這種聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)簡單，能傳遞較大的轉(zhuǎn)距，對(duì)中精確可靠，因而應(yīng)用廣泛。缺點(diǎn)是不能緩沖和吸振，不能消除兩軸的安裝誤差所引起的不良后果。如果提高其制造和裝配精度，也可用于高速重載的軸連接。凸緣聯(lián)軸器的結(jié)構(gòu)分YLD型和YL型兩種，圖13.3〔a〕所示的YLD型是利用兩半聯(lián)軸器的凸肩和凹槽定心的，裝拆時(shí)軸需作軸向移動(dòng)，多用于不常拆卸的場合。圖13.3〔b〕所示的YL型是利用鉸制孔螺栓定心的，裝拆方便，可用于經(jīng)常裝拆的場合。2.凸緣聯(lián)軸器圖13.3套筒聯(lián)軸器13.2聯(lián)軸器13.2.2可移式剛性聯(lián)軸器十字滑塊聯(lián)軸器如圖13.4所示，它由兩個(gè)具有徑向通槽的半聯(lián)軸器和一個(gè)具有相互垂直凸榫滑塊組成。由于滑塊能在半聯(lián)軸器的凹槽中滑動(dòng)，故可補(bǔ)償安裝和運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)兩軸間徑向位移。為了減少滑動(dòng)引起的摩損，要對(duì)滑塊進(jìn)行潤滑并對(duì)工作外表進(jìn)行熱處理以提高硬度。1.十字滑塊聯(lián)軸器圖13.4十字滑塊聯(lián)軸器13.2聯(lián)軸器如圖13.5所示的齒輪聯(lián)軸器是由兩個(gè)帶有內(nèi)齒和凸緣的外套筒3和兩個(gè)帶有外齒的內(nèi)套筒1組成。兩個(gè)內(nèi)套筒分別用鍵與主、從動(dòng)軸相聯(lián)，兩個(gè)外套筒3用螺栓5聯(lián)成一體，依靠內(nèi)外齒相嚙合傳遞轉(zhuǎn)矩。為了減少磨損，由油孔注入潤滑油，并在內(nèi)套筒1和外套筒3之間裝有密封圈2以密封。由于內(nèi)、外齒嚙合時(shí)具有較大的頂隙和側(cè)隙，因此這種聯(lián)軸器具有徑向、軸向和角度等綜合補(bǔ)償功能，且補(bǔ)償位移功能強(qiáng)，傳遞轉(zhuǎn)矩大，常用于重型機(jī)械中，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、笨重，制造本錢高。2.齒輪聯(lián)軸器圖13.5齒輪聯(lián)軸器1.內(nèi)套筒；2.密封圈；3.外套筒；4.油孔；5.螺栓；6.端蓋13.2聯(lián)軸器13.2.3彈性聯(lián)軸器圖13.8所示為彈性套柱銷聯(lián)軸器，其結(jié)構(gòu)類似凸緣聯(lián)軸器，只是用套有數(shù)個(gè)橡膠圈的柱銷代替了連接螺栓。這種聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)簡單，裝拆方便，易于制造，但彈性套容易磨損和老化，壽命較短。它適用于正反轉(zhuǎn)變化頻繁、載荷較平穩(wěn)、傳遞中小功率的場合。使用溫度為-20～50℃。1.彈性套柱銷聯(lián)軸器圖13.8TL型彈性套柱銷聯(lián)軸器13.2聯(lián)軸器彈性聯(lián)軸器是利用其內(nèi)部彈性元件的變形來補(bǔ)償兩軸間的線位移和角位移，并有緩沖和吸振的能力。它適合于承受變載荷、頻繁啟動(dòng)、經(jīng)常正反轉(zhuǎn)的場合，尤其在高速軸上應(yīng)用十分廣泛。彈性柱銷聯(lián)軸器與彈性套柱銷聯(lián)軸器很相似，如圖13.9所示，只是用尼龍柱銷代替彈性套柱銷。在半聯(lián)軸器的外側(cè)，采用螺釘固定擋板防止柱銷脫落。這種聯(lián)軸器較彈性套柱銷聯(lián)軸器傳遞轉(zhuǎn)矩的能力大，結(jié)構(gòu)更為簡單，安裝、制造方便，壽命長，也有一定的緩沖和吸振能力，允許被連接兩軸間有一定的軸向位移以及少量的徑向位移和角位移，適用于軸向竄動(dòng)較大，正反轉(zhuǎn)變化和啟動(dòng)頻繁的場合。由于尼龍對(duì)溫度較敏感，故使用溫度為-20～70℃。2.彈性柱銷聯(lián)軸器圖13.9彈性柱銷聯(lián)軸器13.2聯(lián)軸器輪胎式聯(lián)軸器如圖13.10所示，用橡膠或橡膠織物制成輪胎狀的彈性元件，兩端用壓板及螺釘分別壓在兩個(gè)半聯(lián)軸器上，這種聯(lián)軸器彈性變形大，具有良好的吸振能力，能有效地降低附加載荷和補(bǔ)償較大的相對(duì)位移。輪胎式聯(lián)軸器適用于啟動(dòng)頻繁、正反轉(zhuǎn)、沖擊振動(dòng)嚴(yán)重的場合。3.輪胎式聯(lián)軸器圖13.10輪胎式聯(lián)軸器13.2聯(lián)軸器圖13.11所示的牙嵌式離合器是由兩個(gè)端面帶牙的半離合器1、2組成，半離合器用鍵緊配在主動(dòng)軸上，另一半離合器2用導(dǎo)向平鍵與從動(dòng)軸連接，并通過操縱系統(tǒng)撥動(dòng)滑環(huán)4使其做軸向移動(dòng)，使離合器別離或結(jié)合。為了保證兩軸能很好地對(duì)中，在主動(dòng)軸上的半離合器內(nèi)裝有對(duì)中環(huán)5，從動(dòng)軸可在對(duì)中環(huán)自由轉(zhuǎn)動(dòng)。1.牙嵌式離合器圖13.11牙嵌式離合器1、2.半離合器;3.鍵；4.滑環(huán);5.對(duì)中環(huán)13.3離合器離合器主要用于機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)過程中隨時(shí)將主、從動(dòng)軸結(jié)合或別離的場合。根據(jù)工作原理不同，離合器可分為嚙合式和摩擦式兩類。它們分別利用牙齒嚙合和工作面間的磨擦力傳遞轉(zhuǎn)矩。對(duì)離合器的要求是：結(jié)合平穩(wěn)，別離迅速而徹底，操縱方便省力，工作可靠，調(diào)整維修方便，耐磨性和散熱性能好。摩擦離合器靠接觸面的摩擦力來傳遞轉(zhuǎn)矩，它可在兩軸運(yùn)轉(zhuǎn)中或轉(zhuǎn)速不同時(shí)進(jìn)行離合，也可以用改變摩擦面間壓力的方法來調(diào)節(jié)從動(dòng)軸的加速時(shí)間，實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)接合，減小沖擊振動(dòng)，過載時(shí)摩擦面間發(fā)生打滑，可防止損壞其他零件，起平安裝置的作用。摩擦離合器的類型很多，常用的有圓盤摩擦離合器。它分為單片式和多片式兩種。2.摩擦離合器圖13.13單片圓盤摩擦離合器1、2.圓盤；3.滑環(huán)13.3離合器圖13.14多片摩擦離合器1.主動(dòng)軸；2.外殼；3.從動(dòng)片；4.套筒；5、6.摩擦片；7.滑環(huán)；8.壓桿；9.壓板；10.調(diào)節(jié)螺母其工作原理如圖13.15所示。圖中安置勵(lì)磁線圈1的磁軛2為離合器的固定局部。假設(shè)將套筒3與左右輪輻7、8組成離合器的主動(dòng)局部，那么轉(zhuǎn)子6與從動(dòng)軸〔圖中未畫出〕組成離合器的從動(dòng)局部。在套筒3的中間嵌裝著隔磁環(huán)4，輪輻7或8上可連接主動(dòng)件〔圖中未畫出〕，在轉(zhuǎn)子6與套筒3之間有0.5～2mm的間隙，其中充填磁粉5。圖13.15〔a〕表示磁粉被離心力甩在圓筒的內(nèi)壁，疏松并且散開，此時(shí)離合器處于別離狀態(tài)。圖13.15(b)表示通電后勵(lì)磁線圈產(chǎn)生磁場，磁力線跨越空隙穿過圓筒到達(dá)轉(zhuǎn)子形成圖示回路，此時(shí)磁粉受到磁場的影響而被磁化，磁化了的磁粉彼此吸引串成磁粉鏈，而在圓筒與轉(zhuǎn)子間聚合，依靠磁粉的結(jié)合力和磁粉與工作面間的摩擦力來傳遞轉(zhuǎn)矩。3.電磁粉末離合器圖13.15磁粉離合器1.磁線圈；2.磁軛；3.套筒；4.磁環(huán);5.磁粉;6.轉(zhuǎn)子;7、8.輪輻13.3離合器圖13.16為常見的滾柱式超越離合器，又稱定向離合器。它由星輪1、外殼2、滾珠3和彈性推桿4所組成。彈簧推桿的作用是將滾柱壓向楔形槽，以保持滾柱、星輪和外殼之間的接觸。星輪和外殼分別與主動(dòng)軸和從動(dòng)軸相聯(lián)，當(dāng)星輪按順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，滾柱借摩擦力作用被楔緊在槽內(nèi)，并帶動(dòng)外殼一起轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)離合器處于接合狀態(tài)。反之，當(dāng)星輪按逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，滾柱將被推到星輪寬敞的局部，使離合器處于別離狀態(tài)，所以稱為定向離合器。星輪和外殼均可作為主動(dòng)件。4.超越離合器圖13.16滾柱式超越離合器1.星輪；2.外殼；3.滾珠；4.彈簧推桿13.3離合器13.4.1類型選擇選擇聯(lián)軸器和離合器的類型可參考下述原那么：1〕對(duì)低速、重載、要求對(duì)中、剛性大的軸，可選用剛性聯(lián)軸器，如凸緣聯(lián)軸器。假設(shè)兩軸有隨時(shí)離合要求，可選牙嵌式離合器。2〕對(duì)低速、剛性小，有偏斜的軸，可選用可移動(dòng)式剛性聯(lián)軸器或彈性聯(lián)軸器，如十字滑塊聯(lián)軸器、齒輪聯(lián)軸器或彈性套柱銷聯(lián)軸器。假設(shè)兩軸有隨時(shí)離合要求，可選用摩擦離合器。3〕對(duì)高速、變載荷，啟動(dòng)頻繁的軸，最好選用具有緩沖及減振性能的彈性聯(lián)軸器。4〕假設(shè)兩軸有隨時(shí)離合要求，雙向傳動(dòng)時(shí)可選摩擦離合器，單向傳動(dòng)時(shí)，可選超越離合器。13.4聯(lián)軸器和離合器的選用聯(lián)軸器與離合器的種類很多，且多數(shù)已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化和系列化了，一般不必另行設(shè)計(jì)。通?？上雀鶕?jù)機(jī)械的工作要求，例如軸的同心條件、載荷、速度、安裝、維修、使用、外形、絕緣等要求以及制造等因素，選擇適宜的類型，然后再按軸的直徑、轉(zhuǎn)速和計(jì)算轉(zhuǎn)矩從有關(guān)手冊(cè)中查出適用的型號(hào)和尺寸。必要時(shí)，還應(yīng)該校核其中關(guān)鍵零件的強(qiáng)度。如果根據(jù)工作要求需要自行設(shè)計(jì)時(shí)，可參照同類連軸器和離合器的主要尺寸關(guān)系來確定結(jié)構(gòu)尺寸，然后，再作必要的校核計(jì)算。13.4.2型號(hào)和尺寸要求當(dāng)聯(lián)軸器或離合器的類型確定之后，可根據(jù)被連接軸的直徑、轉(zhuǎn)速和計(jì)算轉(zhuǎn)矩，從手冊(cè)中選定具體型號(hào)和尺寸，并應(yīng)注意：兩軸直徑應(yīng)在所選型號(hào)規(guī)定的孔徑范圍之內(nèi)，軸的最大轉(zhuǎn)速應(yīng)小于或等于所選型號(hào)的規(guī)定值。由于機(jī)器轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的慣性力和過載影響，軸所傳動(dòng)的最大轉(zhuǎn)矩要比正常工作時(shí)的轉(zhuǎn)矩大得多，并且不易準(zhǔn)確求出。因此常以計(jì)算轉(zhuǎn)矩作為選擇和計(jì)算的依據(jù)，即13.4聯(lián)軸器和離合器的選用13.5.1抱塊式制動(dòng)器圖13.17所示為抱塊式制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)。常閉式(通電時(shí)松閘，斷電時(shí)制動(dòng))抱塊式制動(dòng)器的工作原理是：主彈簧3通過制動(dòng)臂4使閘瓦塊2壓緊在制動(dòng)輪1上，制動(dòng)器經(jīng)常處于閉合狀態(tài)。當(dāng)松閘器6通電時(shí)，電磁力頂起立柱，通過推桿5和制動(dòng)臂4操縱閘瓦塊2與制動(dòng)輪1松開。閘瓦塊2磨損時(shí)可以調(diào)節(jié)推桿5的長度進(jìn)行補(bǔ)償。這種制動(dòng)器結(jié)構(gòu)簡單，性能可靠，間隙調(diào)整方便且散熱較好。但由于接觸面有限，使制動(dòng)力矩較小，且外形尺寸較大。一般用于工作頻繁且空間較大的場合。常閉式制動(dòng)器比較平安，一般用于起重運(yùn)輸機(jī)械。常開式(通電時(shí)制動(dòng)，斷電時(shí)松閘)制動(dòng)器適用于車輛的制動(dòng)。13.5制動(dòng)器制動(dòng)器主要用于降低正在運(yùn)行著的機(jī)械或機(jī)構(gòu)的速度或使其停止，有時(shí)也有限制速度的作用，是保護(hù)機(jī)械平安正常工作，控制機(jī)械速度的主要零件。對(duì)制動(dòng)器的要求是：制動(dòng)可靠，操縱靈活，散熱好，體積小等。在機(jī)器中，常用的制動(dòng)器為摩擦式制動(dòng)器。13.5制動(dòng)器圖13.17外抱塊式制動(dòng)器1.制動(dòng)輪；2.閘瓦塊；3.主彈簧；4.制動(dòng)臂；5.推桿；6.松閘器13.5.2內(nèi)漲蹄式制動(dòng)器圖13.18是內(nèi)漲蹄式制動(dòng)器的工作簡圖。兩個(gè)制動(dòng)蹄2和7(外外表安裝了摩擦片3)分別通過銷軸1和8與機(jī)架鉸接。壓力油通過雙向作用泵4推動(dòng)左右兩個(gè)活塞使兩個(gè)制動(dòng)蹄2和7壓緊制動(dòng)輪6。壓力油卸載后，兩個(gè)制動(dòng)蹄2和7在彈簧5的作用下與制動(dòng)輪6別離。這種制動(dòng)器結(jié)構(gòu)緊湊，在各種車輛及結(jié)構(gòu)尺寸受限制的機(jī)械中應(yīng)用廣泛。13.5制動(dòng)器圖13.18內(nèi)漲蹄式制動(dòng)器1、8.銷軸；2、7.制動(dòng)蹄；3.摩擦片；4.泵；5.彈簧；6.制動(dòng)輪13.5.3帶式制動(dòng)器圖13.19是由杠桿控制的帶式制動(dòng)器的工作原理圖。制動(dòng)力FQ通過杠桿放大后使鋼帶張緊并環(huán)繞于要制動(dòng)的輪緣上，從而實(shí)現(xiàn)制動(dòng)。這種制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)簡單，制動(dòng)力矩較大，但被制動(dòng)的輪軸要受到彎矩，制動(dòng)帶通常會(huì)磨損不均，工作過程中的發(fā)熱也較大。常在一些小型起重機(jī)械和汽車的制動(dòng)中應(yīng)用。應(yīng)當(dāng)指出，制動(dòng)器的選用和制動(dòng)力矩的計(jì)算，主要取決于工況、價(jià)格、制動(dòng)器種類等因素，應(yīng)視具體情況而定。13.5制動(dòng)器圖13.19帶式制動(dòng)器13.6.1

概述彈簧是一種彈性元件。它具有屢次重復(fù)地隨外載荷的大小產(chǎn)生相應(yīng)的彈性變形，而卸載后又立即恢復(fù)原狀的特性。很多機(jī)械正是利用彈簧的這一特性來滿足某些特殊要求，因而被廣泛應(yīng)用于各種機(jī)器、儀表及日常用品中。在不同的場合，彈簧所起的作用也不同，其主要功用有：1)減振和緩沖，如汽車、火車的減振彈簧和各種緩沖器中的彈簧。2)控制機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)，如控制內(nèi)燃機(jī)汽缸閥門開啟的彈簧。3)儲(chǔ)存及輸出能量，如鐘表彈簧、槍閂彈簧等。4)測(cè)量力的大小，如測(cè)力器和彈簧秤中的彈簧等。13.6彈簧1.彈簧的應(yīng)用彈簧的類型按所承受的載荷不同，可分為拉伸彈簧、壓縮彈簧、扭轉(zhuǎn)彈簧和彎曲彈簧四種；按結(jié)構(gòu)可分為螺旋彈簧、碟形彈簧、環(huán)行彈簧、盤簧和板彈簧等。彈簧的主要類型、特點(diǎn)及應(yīng)用見表13.2。在一般機(jī)械中，最常用的是圓柱螺旋彈簧。2彈簧的類型13.6彈簧13.6彈簧〔1〕彈簧的材料彈簧常在變載荷和沖擊載荷作用下工作，而且要求在較大的彈性變形下不能產(chǎn)生塑性變形。因此要求彈簧材料具有較高的抗拉強(qiáng)度極限、彈性極限和疲勞強(qiáng)度極限，同時(shí)要求有良好的熱處理性能。常用彈簧材料和許用應(yīng)力見表13.3。13.6彈簧3.彈簧的材料和制造〔2〕彈簧的制造螺旋彈簧的制造工藝包括卷繞、兩端面加工〔壓縮彈簧〕或制作掛鉤〔拉伸彈簧和扭轉(zhuǎn)彈簧〕、熱處理和工藝性實(shí)驗(yàn)，必要時(shí)，還需進(jìn)行強(qiáng)壓處理或噴丸處理。大量生產(chǎn)時(shí)，是在萬能自動(dòng)卷簧機(jī)上卷制的；單件及小批生產(chǎn)時(shí)，那么在普通車床上或在手動(dòng)卷繞機(jī)上卷制。彈簧的卷繞方法有冷卷和熱卷兩種。彈簧絲直徑小于(8～10mm)時(shí)用冷卷法，卷前已經(jīng)熱處理，卷后只需低溫回火以消除內(nèi)應(yīng)力。直徑大于8mm時(shí)，采用熱卷〔熱卷溫度為800～1000℃〕法，熱卷后經(jīng)淬火和中溫回火處理。為了提高彈簧的承載能力，在彈簧制成后，可再進(jìn)行強(qiáng)壓處理或噴丸處理；還要進(jìn)行外表質(zhì)量檢驗(yàn)，外表應(yīng)光潔、無裂紋、無傷痕、無脫碳等缺陷，以提高彈簧疲勞壽命。13.6彈簧13.6.2

圓柱螺旋壓縮(拉伸)彈簧的幾何參數(shù)和特性曲線壓縮彈簧除參加變形的工作圈數(shù)外，兩端各有3/4～4/5圈與鄰圈并緊，只起支承作用，不參與變形，故稱支承圈(或死圈)。支承圈端面與彈簧座接觸，最常見的端部結(jié)構(gòu)有并緊磨平的YⅠ型和并緊不磨平的YⅡ型兩種，如圖13.20所示。13.6彈簧1.圓柱螺旋彈簧的端部結(jié)構(gòu)圖13.20

圓柱螺旋壓給彈簧的端面