第17章 联轴器、离合器和制动器 §17-1 联轴器、离合器的类型和应用 §17-2 固定式刚性联轴器 §17-3 可移动刚性联轴器 第17章 联轴器、离合器和制动器 §17-1 联轴器、离合器的类型和应用 §17-2 固定式刚性联轴器 §17-3 可移动刚性联轴器 §17-4 弹性联轴器 §17-5 牙嵌式离合器 §17-6 摩擦离合器 §17-7 磁粉离合器 §17-8 定向离合器 §17-9 制动器

§17-1 联轴器、离合器的类型和应用 作用：主要用于将两根轴联接在一起，使它们一起旋 转，并传递扭矩。 §17-1 联轴器、离合器的类型和应用 作用：主要用于将两根轴联接在一起，使它们一起旋 转，并传递扭矩。 工作特点：联轴器用于刚性静态联接；而离合器则用 于两轴之间的动态联接。 分类： 固定式联轴器 刚性联轴器 移动式联轴器 联轴器 弹性联轴器 牙嵌式离合器 摩擦式离合器 离合器 电磁离合器 自动离合器 应用实例：手腕驱动机构、汽车后桥驱动、车辆启停等。

联轴器、离合器大都已经标准化了，可直接选用。 工作条件=>选类型 转矩 转速 轴径 =>确定型号与规格 T为名义转矩； 计算转矩： Tc=KAT KA为工作情况系数； 表17-1 工作情况系数KA 工 作 机 原动机为电动机时 发电机、小型通风机、小型离心机 1.3 透平压缩机、木工机械、输送机 1.5 搅拌机、增压机、有飞轮的压缩机 1.7 织布机、水泥搅拌机、拖拉机 1.9 挖掘机、起重机、碎石机、造纸机械 2.3

§17-2 固定式刚性联轴器 结构：半联轴器通过键与轴相联，用螺栓将两个半联 轴器的凸缘联接在一起。 普通凸缘联轴器 §17-2 固定式刚性联轴器 结构：半联轴器通过键与轴相联，用螺栓将两个半联 轴器的凸缘联接在一起。 普通凸缘联轴器 ---靠铰制孔螺栓对中。 型式： 有对中榫的凸缘联轴器 ---靠榫头对中。 绞制孔螺栓 普通螺栓 对中榫 设计：潘存云 设计：潘存云 普通凸缘联轴器

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 V≥30 m/s时，用铸 钢或锻钢 。 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联接 。 90˚ 设计：潘存云

如果联轴器没有适应这种相对位移的能力就会在联轴器、轴和轴承中引起附加载荷，甚至引起强烈振动。 §17-3 可移动刚性联轴器 由于制造、安装或工作时零件的变形等原因，被联接的两轴不一定度能精确对中，因此会出现两轴之间的轴向位移、径向位移和角位移，或其组合。 两轴线的相对位移: 轴向、径向、角度、综合。 如果联轴器没有适应这种相对位移的能力就会在联轴器、轴和轴承中引起附加载荷，甚至引起强烈振动。 联接特点：构成动联接，具有一个或几个方向的活动度。 能补偿两轴的相对位移。 x y 轴向 设计：潘存云 设计：潘存云 x y α α 设计：潘存云 设计：潘存云

一、齿式联轴器 结构：两个有内齿的外壳，两个有外齿的套筒，两者齿数相同，外齿做成球形齿顶的腰鼓齿。套筒与轴用键联接，两外壳用螺栓联接。两端密封，空腔内储存润滑油。 功用：能补偿轴不对中和偏斜。 工作范围：正常齿：α≤30’ 腰鼓齿：α≤3˚ 设计：潘存云 设计：潘存云 α

优点：传递扭矩大、能补偿综合位移。 缺点：结构笨重、造价高。 设计：潘存云 应用：用于重型传动。 设计：潘存云

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。 二、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。 y α 设计：潘存云 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：α≤30’, y≤0.04d，v≤300 r/min

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 三、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。 α 设计：潘存云 设计：潘存云 单万向联轴器

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， α=0~45˚ 轴间角为 ： α 运动分析： 设计：潘存云 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 ： A ω'2 α ω1 B r’ vA1 = rω1 α r 以轴2为参考系，对A点有 ： 设计：潘存云 vA2 = r’ω’2 = r cosαω’ 2 显然有 ： vA1 = vA2

代入得： ω1 =cosαω’2 ω’2 〉ω1 在图示位置II, 以轴2为参考系，对B点有 ： vB2 = rω”2 A ω"2 α r” ω’2 〉ω1 设计：潘存云 在图示位置II, 以轴2为参考系，对B点有 ： vB2 = rω”2 以轴1为参考系，对B点有 ： vB1 = r”ω1 = ω1 r cosα 同样有 ： vB1 = vB2 代入得： ω’’2=ω1 cosα =>ω”2 <ω1 ω1 cosα ω1cos α ≤ ω2 ≤ 其它位置：

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： ①主动、从动、中间三轴共面； 2.双万向铰链机构 为了消除从动轴变速转动的缺点，常 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： ①主动、从动、中间三轴共面； ②主动轴、从动轴的轴线与中间轴的轴线之间的夹 角应相等； ③中间轴两端的叉面应在同一平面内。 2 1 C α 设计：潘存云 C 2 α 1 设计：潘存云

3. 小型双万向联轴器 结构如图所示，通常采用合金钢制造。 A α A α A A--A 设计：潘存云 设计：潘存云 模型演示

§17-4 弹性联轴器 一、弹性套柱销联轴器 结构特点：外观与凸缘联轴器相似，用带橡胶弹性套的柱销联接两个半联轴器。 c A 圆柱孔 圆锥孔 §17-4 弹性联轴器 一、弹性套柱销联轴器 结构特点：外观与凸缘联轴器相似，用带橡胶弹性套的柱销联接两个半联轴器。 圆柱孔 设计：潘存云 设计：潘存云 预留安装空间以便与更换橡胶套 A 圆锥孔 预留间隙以补偿轴向位移。 c

结构简单、更换柱销方便。 尼龙销 挡板 销与挡板之间留有间隙 二、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。 两种柱销 特点：上述两种联轴器的动力通过弹性元件传递，缓和冲击、吸收振动。 尼龙销 挡板 应用：适用于正反向变化多，启动 频繁的高速轴。 适用范围：-12˚≤t≤60˚， v≤8000 r/min 设计：潘存云 能补偿较大的轴向位移，并允许微量的径向位移和角位移。 c 销与挡板之间留有间隙

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。 三、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。 轮胎环 D 特点：结构简单、易于变形。允 许较大的综合hdv x位移。 止退垫板 适用范围： 5˚≤α≤12˚， x≤0.02D y≤0.01D， n≤5000 r/min 设计：潘存云 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。

§17-5 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。 工作原理： 利用操纵杆移动滑环，实现两套筒的结合与分离。 §17-5 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。 工作原理： 利用操纵杆移动滑环，实现两套筒的结合与分离。 固定套筒 活动套筒 滑环 设计：潘存云 对中环

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。 三角形 ----传递中小转矩、牙数为16~60 梯 形 牙型 ----传递较大转矩、牙数为3~15 锯齿形 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。 30˚~40˚ 60˚ 2˚~8˚ 2˚~8˚

承载能力：取决于齿根的弯曲强度: hKAT zWD0 σb= ≤ [σb] D0 2KAT zD0ah p = ≤ [p ] a 式中：h为牙齿高度；z为牙齿数； h W-齿根弯曲截面系数；D0-牙平均直径；a-牙的宽度。 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：56~62 HRC; 中碳合金钢：40Cr 、 45MnB。 表面淬火后牙面硬度：48~58 HRC;

§17-6 摩擦离合器 一、单片式圆盘摩擦离合器 结构：由固定圆盘1、活动圆盘2、滑环组成。 §17-6 摩擦离合器 一、单片式圆盘摩擦离合器 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 1 3 Fa 1 2 Rf 摩擦扭矩: Tmax=Fa f Rf Fa 3 优点： 1.在任何转速条件下两轴都可以进行结合； 设计：潘存云 2.过载时打滑，起保护作用； 3.结合平稳、冲击和振动小。 缺点：结合过程中不可避免出现打滑，引起磨损和发热；

工作原理：移动滑环，通过杠杆作用，压紧或放松磨擦片，来实现两轴的结合与分离。 二、多片式圆盘摩擦离合器 主动摩擦片 被动摩擦片 调整螺母 结构特点： 多个摩擦片叠加在一起； 杠杆 滑环 工作原理：移动滑环，通过杠杆作用，压紧或放松磨擦片，来实现两轴的结合与分离。 设计：潘存云

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=12~15 z Fa f (D1 +D2) = 4 Tmax= z Fa f Rf 摩擦扭矩: ≥ KA T 4 Fa p = π(D1 +D2) 表面压强: ≤[p] D1 D2

摩擦片材料 干式磨擦离合器 →反应敏捷，但摩擦片易磨损。 油式磨擦离合器 有润滑剂 无润滑剂 [p]/ MPa 表17-2 常用摩擦片材料的 f 和 [p] 摩擦片材料 f 圆盘摩擦离合器 铸铁—铸铁或钢 0.05~0.06 0.15~ 0.2 0.25~0.30 淬火钢—淬火钢 0.05~0.06 0.18 0.6~0.8 青铜—钢或铸铁 0.08 0.17~ 0.18 0.4~0.5 压制石棉—钢或铸铁 0.12 0.3~ 0.5 0.20~0.30 对于频繁启动的离合器，可将表中[p]降低15~30%。 干式磨擦离合器 →反应敏捷，但摩擦片易磨损。 类型 油式磨擦离合器 →磨损轻微、寿命长、并能 在繁重的条件下运转。

优点：由于采用了槽面摩擦原理，因此只需要很小的操纵力即能使离合器传递较大的转矩。 三、圆锥式摩擦离合器 8~10˚ 结构：锥台表面为摩擦接触面。 设计：潘存云 优点：由于采用了槽面摩擦原理，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。 机械力 设计：潘存云 电磁力 离合器的操纵方式 气动力 液压力

§17-7 磁粉离合器 输出 输入 结构：由转子轴、左右轮辐、励磁线圈、磁粉等组成。 §17-7 磁粉离合器 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。 磁粉性能要求： 导磁率高、剩磁小、流动性好、耐磨、耐热、不烧结性。 设计：潘存云 输出 输入

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：20~70 μm。 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。 4) 操纵方便、离合平稳、工作可靠。 缺点：相对而言比较笨重。

§17-8 定向离合器 一、滚柱式定向离合器 结构：由星轮、外环、滚柱、弹簧推杆等零件组成。 滚柱在弹簧推杆作用下处于半楔紧状态。 §17-8 定向离合器 一、滚柱式定向离合器 结构：由星轮、外环、滚柱、弹簧推杆等零件组成。 滚柱在弹簧推杆作用下处于半楔紧状态。 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。 设计：潘存云 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：由内环、外环、楔块、支撑环、拉簧等零件组成。 工作原理： 二、楔块式定向离合器 结构：由内环、外环、楔块、支撑环、拉簧等零件组成。 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。 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。 设计：潘存云 缺点：高速运转时有较大磨损，寿命较短。

§17-9 制 动 器 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 结构：由瓦块、制动轮等零件组成。 §17-9 制 动 器 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 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。 设计：潘存云

瓦块材料：铸铁、或铸铁表面复以皮革或石棉带。 F 弹簧力 制动力矩的计算： D H FN =0.95FH/h FN 制动反力 0.95---摩擦损耗的系数 杠杆连接处 设计：潘存云 h 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。 瓦块制动器已经规范化，可根据所需的制动力矩选型。 F F 二、带式制动器 设计：潘存云 ω 工作原理： 在外力的作用下，闸带收紧抱住制动轮实现制动。 F 特点：结构简单、紧凑。 a b a

为了增加摩擦，钢带复以石棉或夹铁纱帆布。 计算： Ft = D 2T F2 圆周力： α 拉力： Ft = F1 – F2 ω F 设计：潘存云 由欧拉公式得： F1 a F1 =F2e fα a b α----闸带的包角； F2 = e fα-1 Ft = D 2T 1 e fα-1 F= (F2 +F1) a+b a = D a+b e fα-1 2T a e fα+1 制动力： 为了增加摩擦，钢带复以石棉或夹铁纱帆布。