《機械設(shè)計基礎(chǔ)》課件第15章

15.1聯(lián)軸器15.2離合器

15.3制動器15.4彈簧

思考題和習題第15章聯(lián)軸器、離合器、制動器和彈簧

15.1聯(lián)軸器

15.1.1聯(lián)軸器的功用與類型用聯(lián)軸器聯(lián)接的兩軸，由于制造和安裝等誤差，零件的變形、磨損和基礎(chǔ)的下沉等原因，將引起兩軸軸線位置的偏移?？赡墚a(chǎn)生的偏移有軸向位移x、徑向位移y、角度位移α和綜合位移，如圖15-1所示。由于這些位移的存在，運轉(zhuǎn)時將引起軸的附加應(yīng)力和振動，使機器的工作情況惡化。有的聯(lián)軸器能對軸線的偏移進行補償，消除或降低上述不良影響。圖15-1兩軸軸線的偏移形式對于載荷不平穩(wěn)并有嚴重沖擊或振動的兩軸聯(lián)接，聯(lián)軸器還必須具有吸振和緩沖作用。有些聯(lián)軸器還必須考慮當機器在過載時能對機件起安全保護作用。聯(lián)軸器可分為固定式和可移式兩大類。前者用于兩軸對中嚴格，且在工作時不發(fā)生軸線偏移的場合;后者則可用于兩軸有一定限度的軸線偏移場合。

1.固定式剛性聯(lián)軸器

(1)套簡聯(lián)軸器。如圖15-2所示，套筒聯(lián)軸器由套筒和聯(lián)接零件(銷釘或鍵)組成。這種聯(lián)軸器構(gòu)造簡單，價格低廉，徑向尺寸?。坏珜奢S的軸線偏移無補償作用。套簡聯(lián)軸器多用于兩軸對中嚴格、低速輕載的場合。當用圓錐銷作聯(lián)接件時，若按過載時圓錐銷被剪斷條件進行設(shè)計，則可用作安全聯(lián)軸器。圖15-2套筒聯(lián)軸器

(2)剛性凸緣聯(lián)軸器。如圖15-3所示，剛性凸緣聯(lián)軸器是由兩個半聯(lián)軸器分別用鍵聯(lián)接在兩軸的軸端，并用螺栓將兩個凸緣盤接起來。當采用普通螺紋連接時，螺桿與孔之間有少量間隙，因此它是靠兩個凸緣盤之間的摩擦力矩來傳遞轉(zhuǎn)矩的;若采用鉸制孔螺栓，螺桿與孔之間配合緊密，轉(zhuǎn)矩直接通過周圈的螺栓來傳遞，則可傳遞較大的轉(zhuǎn)矩。圖15-3剛性凸緣聯(lián)軸器剛性凸緣聯(lián)軸器的對中方法有兩種:一種是凸肩與凹坑對中；另一種是靠鉸制孔螺栓對中。剛性凸緣聯(lián)軸器結(jié)合簡單，能傳遞較大轉(zhuǎn)矩，但不能補償軸線偏移，沒有吸振、緩沖作用。宜用于轉(zhuǎn)速不大、載荷平穩(wěn)、轉(zhuǎn)矩較大、能準確對中的兩軸聯(lián)接。剛性凸緣聯(lián)軸器已標準化，使用時可根據(jù)軸徑、傳遞功率、轉(zhuǎn)速等按國家標準選擇型號和尺寸。

2.可移式剛性聯(lián)軸器

(1)十字滑塊聯(lián)軸器。圖15-4所示為十字滑塊聯(lián)軸器，它由兩個端面開有凹槽的套筒1、3及一個兩側(cè)具有互相垂直凸榫的中間盤2所組成。中間盤兩面的凸榫分別嵌于左右套簡的凹槽中，以實現(xiàn)兩軸的轉(zhuǎn)矩傳遞。由于凸榫可在凹槽中滑動，故可以補償兩軸的軸線偏移。十字滑塊聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)簡單，徑向尺寸小，且對兩軸軸線的綜合位移有補償作用。若軸的轉(zhuǎn)速較高，則軸線的徑向位移將使中間盤產(chǎn)生較大的離心力，從而產(chǎn)生附加動載荷，加劇接觸面的磨損。因此，這種聯(lián)軸器主要用于兩軸間有徑向位移和角度位移、沖擊小、轉(zhuǎn)速不高的場合。圖15-4十字滑塊聯(lián)軸器

(2)萬向聯(lián)軸器。圖15-5所示為萬向聯(lián)軸器，它由兩個叉形的萬向接頭和一個十字銷組成，可用于兩軸線交角較大的場合。當兩軸交角為α時，若主動軸以角速度ω1作勻速轉(zhuǎn)動，從動軸則作周期性變角速度ω2轉(zhuǎn)動，因而將在傳動中引起附加動載荷。從動軸角速度的變化范圍與兩軸交角α有關(guān)，即ω1cosα≤ω2≤ω1/cosα。圖15-5萬向聯(lián)軸器為了避免這一缺點，可采用雙萬向聯(lián)軸器(見圖15-6)。使用時必須使中間軸兩端的叉形接頭位于同一平面內(nèi)，且要使中間軸與主、從動軸夾角相等。萬向聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)緊湊、維護方便，廣泛應(yīng)用于汽車、拖拉機、金屬切削機床等機械。圖15-6萬向聯(lián)軸器示意圖

(3)彈性套柱銷聯(lián)軸器。圖15-7所示的彈性套柱銷聯(lián)軸器與凸緣聯(lián)軸器在結(jié)構(gòu)上很相似，不同之處在于它不用螺栓直接聯(lián)接，而是通過裝有彈性套的圓柱銷來聯(lián)接。彈性套用耐油橡膠制成，利用其彈性，可以緩和沖擊、吸收振動，以及補償兩軸軸線間的小量偏移(y≤0.2~0.6mm，α<30′~1°30′)。彈性套柱銷聯(lián)軸器常用于轉(zhuǎn)速較高、啟動頻繁、轉(zhuǎn)向經(jīng)常改變的中小轉(zhuǎn)矩的各種機械中。圖15-7彈性套柱銷聯(lián)軸器15.1.2聯(lián)軸器的選擇常用聯(lián)軸器多已標準化，選用時，首先按工作條件選擇合適的類型，然后按轉(zhuǎn)矩、軸徑及轉(zhuǎn)速選擇聯(lián)軸器的型號尺寸，必要時應(yīng)對個別薄弱零件進行強度驗算。

1.類型的確定兩軸對中精確，軸本身剛度較好時，可選用凸緣聯(lián)軸器;對中困難，軸的剛性差時，可選用具有補償偏移能力的聯(lián)軸器;兩軸成一定夾角時，可選用萬向聯(lián)軸器;轉(zhuǎn)速高，要求能吸振和緩沖的，可采用彈性套柱銷聯(lián)軸器。

2.型號的確定類型確定以后，可根據(jù)轉(zhuǎn)矩、軸徑及轉(zhuǎn)速從有關(guān)標準手冊中選擇聯(lián)軸器的型號、尺寸。選擇時要注意下列幾個要求：

(1)計算轉(zhuǎn)矩不超過所選型號的規(guī)定值；

(2)工作轉(zhuǎn)速不大于所選型號的規(guī)定值；

(3)兩軸軸徑在所選型號的孔徑范圍內(nèi)。計算轉(zhuǎn)矩時，應(yīng)考慮機械運轉(zhuǎn)不平穩(wěn)性而引起的附加動載荷及過載的最大轉(zhuǎn)矩。計算轉(zhuǎn)矩可由下式求得：Tc=KA×T

式中：Tc——計算轉(zhuǎn)矩(N·m)；

T——傳遞轉(zhuǎn)矩(N·m)；

KA——工作情況系數(shù)，參考表15-1選取。表15-1工作情況系數(shù)

15.2離合器

15.2.1牙嵌離合器

如圖15-8所示為帶輥子接合機構(gòu)的牙嵌離合器，當左端接合子向右滑移時，通過輥子推動從動牙嵌盤向右移動，彈簧被壓縮，此時主、從動牙嵌盤嚙合，離合器實現(xiàn)接合。當接合子向左滑移時，在彈簧恢復(fù)力的作用下，主、從動牙嵌盤脫離，實現(xiàn)離合器的分離。這種離合器在接合時牙面上存在軸向分力，因此要求其接合機構(gòu)在離合器接合后具有自鎖功能。圖15-8牙嵌離合器牙嵌離合器的牙型有矩形、梯形、鋸齒形等各種形式。矩形牙必須在牙與牙槽對準時才能接合，且牙與牙之間沒有軸向力，分離困難，應(yīng)用較少。梯形牙強度較高，能傳遞較大扭矩，牙間有軸向力，易分離，且能自動補償牙的磨損和牙側(cè)間隙，應(yīng)用很廣泛。鋸形牙強度最高，但只能單方向傳遞扭矩。牙嵌離合器結(jié)構(gòu)簡單，外廓尺寸小，工作可靠，價格較低，但由于牙是剛性接觸，為避免接觸時產(chǎn)生過大的沖擊，接合時必須使之低速或停車，否則易打牙。15.2.2圓盤摩擦離合器

圓盤摩擦離合器是依靠接觸面上的摩擦力矩來傳遞扭矩的。它分為單圓盤式和多圓盤式。圖15-9(a)為單圓盤式摩擦離合器，依靠兩盤接觸面間產(chǎn)生的摩擦力來傳遞轉(zhuǎn)矩。如圖15-9(b)所示為一種多盤式摩擦離合器，它擁有兩組摩擦盤:一組為外摩擦盤，安裝在主動軸上，可作軸向移動;另一組為內(nèi)摩擦盤，安裝在從動軸上，也可作軸向移動。工作時在推力作用下，接合子向左移動通過曲臂壓桿壓緊摩擦片，實現(xiàn)離合器接合。當操縱接合子向右移動時，壓緊力消失，離合器分離。顯然，多摩擦離合器比單盤摩擦離合器能傳遞更大的轉(zhuǎn)矩。圖15-9圓盤摩擦離合器15.3制動器15.3.1制動器的功用制動器是使機器在很短時間內(nèi)停止運轉(zhuǎn)并閘住不動的裝置。制動器的工作原理是，利用摩擦副中產(chǎn)生的摩擦力矩來實現(xiàn)制動作用，或者利用制動力與重力的平衡，使機器運轉(zhuǎn)速度保持恒定。制動器也可在短期內(nèi)用來降低或調(diào)整機器的運轉(zhuǎn)速度。為了減小制動力矩和制動器的尺寸，通常將制動器配置在機器的高速軸上。15.3.2制動器的類型及特點

制動器是利用摩擦力矩來實現(xiàn)制動的。如果把制動器的從動部分固定起來，就構(gòu)成了一制動器，接合時就起制動作用。制動器應(yīng)滿足的基本要求是:能產(chǎn)生足夠大的制動力矩，制動平穩(wěn)、可靠，操縱靈活、方便，散熱好，體積小，有較高的耐磨性。制動器應(yīng)滿足的基本要求是：能產(chǎn)生足夠的制動力(矩)，制動平穩(wěn)可靠，操縱靈活，散熱好，體積小，足夠的壽命，結(jié)構(gòu)簡單，維修方便等。常用的制動器有錐形制動器、帶式制動器、電磁制動器、盤式制動器等。帶式制動器如圖15-10所示。其特點是:結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，制動力矩大。圖15-10帶式制動器塊式制動器如圖15-11所示。其特點是：構(gòu)造簡單，使用可靠，制造和安裝方便，雙瓦塊無軸向力，維護方便，價格便宜，但制動時有沖擊和振動。它適用于各種起重運輸機械、工程機械和建筑機械等。圖15-11塊式制動器15.4彈簧

15.4.1概述

彈簧是一種彈性元件，承載后會產(chǎn)生彈性變形并且吸收能量，卸載后又能恢復(fù)原狀并釋放能量。很多機械正是利用彈簧的這一特性來滿足一些特殊要求的。

1.彈簧的功用

(1)控制運動。例如凸輪機構(gòu)中使凸輪與從動桿保持接觸的彈簧。

(2)緩沖吸振。例如汽車減振彈簧以及各種機械中的緩沖彈簧。

(3)儲存能量。例如機械鐘表的發(fā)條以及槍械中的彈簧。

(4)測量力和力矩。例如彈簧秤中的彈簧。

2.彈簧的類型

為了滿足機械的不同使用要求，人們設(shè)計制造了各種各樣的彈簧。按載荷不同，彈簧可以分為拉伸彈簧、壓縮彈簧、扭轉(zhuǎn)彈簧和彎曲彈簧。按外形彈簧又可以分為螺旋彈簧、板彈簧、盤形彈簧、碟形彈簧和環(huán)形彈簧等。螺旋彈簧是用彈性金屬絲按螺旋線卷繞而成的，因其制造方便，所以應(yīng)用廣泛。螺旋彈簧按承載情況又可分為螺旋壓縮彈簧(圖15-12(a))、螺旋拉伸彈簧(圖15-12(b))和螺旋扭轉(zhuǎn)彈簧(圖15-12(c))；按外形又可分為圓柱螺旋彈簧和圓錐螺旋彈簧等，其中圓柱螺旋彈簧已經(jīng)標準化。圖15-12螺旋彈簧板彈簧是用若干曲度不同的條狀彈性板疊合而成的(圖15-13(a))。板彈簧的剛度很大，主要用于各種車輛的減振裝置中。盤形彈簧是用彈性金屬帶卷繞而成的(圖15-13(b))。盤形彈簧主要用于儀表、玩具的儲能裝置中。碟形彈簧是由沖壓制成的無底碟狀鋼片疊合而成的，裝在導桿或套筒中工作(圖15-13(c))。環(huán)形彈簧是用若干帶錐面的內(nèi)外圓環(huán)交錯疊合而成的(圖15-13(d))。環(huán)形彈簧只能承受軸向壓縮載荷。與碟形彈簧相似，環(huán)形彈簧也具有剛度大的特點，常用于緩沖裝置中。由于環(huán)形彈簧在內(nèi)外錐面間會產(chǎn)生很大的摩擦力，消耗較多能量，所以環(huán)形彈簧具有更好的吸振能力。

圖15-13各類常見彈簧15.4.2彈簧的材料和制造

1.彈簧的材料

彈簧在工作中常受到?jīng)_擊載荷和交變載荷的作用，所以彈簧材料應(yīng)具有較高的彈性極限和疲勞極限，同時應(yīng)具有足夠的沖擊韌性和良好的熱處理性能。常用彈簧材料有碳素彈簧鋼、硅錳彈簧鋼(65Mn，60Si2Mn)、鉻釩鋼(50CrVA)等。此外，在一些要求防磁或工作在腐蝕性介質(zhì)中的彈簧，也常用青銅和不銹鋼等材料制造。在選擇彈簧材料時，應(yīng)考慮彈簧的功用、重要程度、使用條件(包括載荷性質(zhì)、大小及循環(huán)特性、工作溫度、環(huán)境介質(zhì)以及設(shè)計壽命)、加工、熱處理和經(jīng)濟性等因素。

2.彈簧的制造

螺旋彈簧的制造工藝過程包括卷繞、掛鉤制作(拉伸彈簧)或端面加工(壓縮彈簧)、熱處理等。卷繞是把符合技術(shù)條件的彈簧絲卷繞在芯棒上。大量生產(chǎn)時用萬能自動卷繞機卷制，單件生產(chǎn)可在車床或手動卷繞機上卷制。卷制分冷卷和熱卷兩種。冷卷用于鋼絲直徑(d<8mm)的彈簧，彈簧絲直徑較大時應(yīng)采用熱卷。卷繞后的彈簧再制作掛鉤或磨平端面。對于彈簧絲直徑較小(d<0.8mm)的不重要壓縮彈簧，可以不磨平端面。常見的幾種拉伸、壓縮彈簧的端面形式如圖15-14所示。圖15-14彈簧端面形式彈簧熱處理工藝有淬火、低溫回火等。冷卷彈簧制作后應(yīng)進行低溫回火處理，以消除內(nèi)應(yīng)力。特別指出的是，彈簧絲表面質(zhì)量對彈簧持久強度和沖擊強度有很大影響。所以，彈簧絲表面應(yīng)光潔，并嚴格控制脫碳層深度和其他表面缺陷。15.4.3圓柱螺旋壓縮、拉伸彈簧的幾何參數(shù)和特性曲線

1.幾何參數(shù)計算

普通圓柱螺旋彈簧的主要幾何參數(shù)有外徑D、中徑D2、內(nèi)徑D1、節(jié)距t、螺旋升角θ及彈簧絲直徑d，以及左旋、右旋兩種，如圖15-15所示。其中D2與d的比值稱為彈簧指數(shù)，用C表示：C=D2/d圖15-15普通圓柱螺旋彈簧的幾何參數(shù)彈簧指數(shù)C是彈簧的一個重要參數(shù)。當彈簧絲直徑一定時，C值越小，彈簧中徑越小，彈簧剛度越大，但卷繞也越困難；反之彈簧越軟，承載能力越小。一般限制4≤C≤16，常用值為5~8。彈簧在自由狀態(tài)下的節(jié)距為t，對于壓縮彈簧，t=d+δ

式中：δ——彈簧間距。為使彈簧在最大工作載荷下各圈之間不致相互接觸，應(yīng)使相鄰兩圈間留有一定的間隙δ′，通常δ′≥0.1d。對于拉伸彈簧，一般自由狀態(tài)下各圈之間是并攏的，故t=d。普通圓柱螺旋彈簧幾何尺寸的計算公式見表15-2。表15-2普通圓柱螺旋彈簧幾何尺寸的計算公式

2.特性曲線

彈簧特性曲線是表示彈簧工作載荷F與變形量y之間的關(guān)系曲線?？v坐標表示載荷的大小，橫坐標表示變形量。對于等螺距的圓柱螺旋彈簧，在彈性范圍內(nèi)，變形量與載荷成正比，所以特性曲線為一斜直線。

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