11. 联轴器、离合器和弹簧 1、教学目的： 了解联轴器、离合器工作原理，掌握常用联轴器、离合器、弹簧的选用方法 2、重点与难点： 重点：联轴器、离合器的工作原理及应用 难点：联轴器、离合器工作原理 3、教学手段与方法：多媒体 4、教学时间：2学时 一、联轴器 一）联轴器的功用：联轴器与离合器的功用是将轴与轴（或轴与旋转零件）联成一体，使其一同运转，并将一轴转矩传递给另一轴，联轴器在运转时，两轴不能分离，必须停车后，经过拆卸才能分离。离合器在运转或停车后，不用拆卸，两轴便能分离。联轴器与离合器都是由若干零件组成的通用部件。 二）联轴器的分类：如果联轴器的中间联接件是刚性的，便称这类联轴器为刚性联轴器；如果中间联接件是弹性的，便称这类联轴器为弹性联轴器。刚性联轴器又按有无补偿两轴轴线间相对偏移能力分为两类，没有补偿能力的联轴器称为固定式联轴器，有补偿能力的联轴器，称为可移式联轴器。联轴器已标准化，它的主要性能参数为：标志传递能力的公称传矩，许用转速，被联接两轴的直径范围和标志补偿能力的偏移补偿。使用时，只需按要求直接选用。 三）常用联轴器类型 1．刚性联轴器 常用的刚性联轴器有套筒联轴器和凸缘联轴器等。 （1）套筒联轴器 如图11.2所示，套筒联轴器是利用套筒及连接零件（键或销）将两轴连接起来，图11.2a中的螺钉用作轴向固定；当轴超载时，图11.2b中的锥销会被剪断，可起到安全保护的作用。  图11.2 套筒联轴器 套筒联轴器结构简单、径向尺寸小、容易制造，但缺点是装拆时因被连接轴需作轴向移动而使用不太方便。适用于载荷不大、工作平稳、两轴严格对中并要求联轴器径向尺寸小的场合。此种联轴器目前尚未标准化。 （2）凸缘联轴器 如图11.3所示，凸缘联轴器由两个带凸缘的半联轴器和一组螺栓组成。这种联轴器有两种对中方式：一种是通过分别具有凸槽和凹槽的两个半联轴器的相互嵌合来对中，半联轴器之间采用普通螺栓连接，靠半联铀器接合面间的摩擦来传递转矩，如图11.3a所示；另一种是通过铰制孔用螺栓与孔的紧配合对中，靠螺栓杆承受载荷来传递转矩，如图11.3b所示。当尺寸相同时后者传递的转矩较大，且装拆时轴不必做轴向移动。  图11.3 凸缘联轴器 凸缘联轴器的主要特点是结构简单、成本低、传递的转矩较大，但要求两轴的同轴度要好。适用于刚性大、振动冲击小和低速大转矩的连接场合，是应用最广的一种刚性联轴器。这种联轴器已标准化（GB 5843—86）。 2．可移式刚性联轴器 由于制造、安装误差和工作时零件变形等原因，不易保证两轴对中时，宜采用具有补偿两轴相对偏移能力的可移式刚性联轴器。这类联轴器能补偿两轴相对轴向偏移图11.4a、径向偏移图11.4b、角偏移 图11.4c和这些偏移组合的综合偏移。 可移式刚性联轴器有齿式联轴器、滑块联轴器和万向联轴器等。 （1）齿式联轴器 齿式联轴器如图11.5所示。它是利用内、外齿啮合以实现两轴相对偏移的补偿。内、外齿径向有间隙，可补偿两轴径向偏移；外齿顶部制成球面，球心在轴线上，可补偿两轴之间的角偏移。两内齿凸缘利用螺栓联接。齿式联轴器能传递很大的转矩，又有较大的补偿偏移的能力，常用于重型机械，但结构笨重，造价较高。  图11.4 图11.5齿式联轴器 （2）十字滑块联轴器 如图11.6所示，由两个在端面上开有凹槽的半联轴器1、3和一个两端面均带有凸牙的中间盘2组成，中间盘两端面的凸牙位于互相垂直的两个直径方向上，并在安装时分别嵌入l、3的凹槽中。因为凸牙可在凹槽中滑动，故可补偿安装及运转时两轴间的相对位移和偏斜。  图11.6 十字滑块联轴器 因为半联轴器与中间盘组成移动副，不能相对转动，故主动轴与从动轴的角速度应相等。但在两轴间有偏移的情况下工作时，中间盘会产生很大的离心力，故其工作转速不宜过大。 这种联轴器一般用于转速较低，轴的刚性较大，无剧烈冲击的场合。 （3）万向联轴器 万向联轴器中常见的有十字轴式万向联轴器，如图11.7所示。它利用中间联接件十字轴3联接两边的半联轴器，两轴线间夹角。可达40°～45°。单个十字轴式万向联轴器的主动轴1作等角速转动时，其从动轴2作变角速转动。为避免这种现象，可采用两个万向联轴器，使两次角速度变动的影响相互抵消，从而使主动轴1与从动轴2同步转动图11.8。但各轴相互位置必须满足：主动轴1、从动轴2与中间轴C之间的夹角相等，即；中间轴两端叉面必须位于同一平面内，如图11.8a、b、图11.8c是双十字轴式万向联轴器的结构图。  图11.7    图11.8 3．弹性联轴器 弹性联轴器是利用弹性联接件的弹性变形来补偿两轴相对位移，缓和冲击和吸收振动的。弹性联轴器有弹性套柱销联轴器、弹性柱销联轴器和轮胎式联轴器等。 （1）弹性套柱销联轴器 弹性套柱销联轴器如图11.9所示，是利用一端具有弹性套的柱销作为中间联接件。为了补偿轴向偏移，在两轴间留有轴向间隙c。为了更换易损元件弹性套，留出一定的空间距离A。弹性套柱销联轴器的标准号为GB4323—84，见表11.1。  图11.9弹性套柱销联轴器结构 （2）弹性柱销联轴器 弹性柱销联轴器如图11.10所示，是直接利用具有弹性的非金属（如尼龙）柱销2种为中间联接件，将半联轴器1联接在一起。为了防止柱销由凸缘孔中滑出，在两端配置有档板3。这种联轴器的柱销结构简单，更换方便；安装时，要留有轴向间隙S。 弹性套柱销联轴器和弹性柱销联轴器的径向偏移和角偏移的许用范围不大，故安装时，需注意两轴对中，否则会使柱销或弹性套迅速磨损。 图11.10弹性柱销联轴器 图11.11轮胎式联轴器 （3）轮胎式联轴器 轮胎式联轴器如图7.11所示，利用轮胎式橡胶制品2作为中间联接件，将半联轴1与3联接在一起。这种联轴器结构简单可靠，能补偿较大的综合偏移，可用于潮湿多尘的场合，它的径向尺寸大，而轴向尺寸比较紧凑。轮胎式联轴器标准号为GB5844—86。 4．安全联轴器 为了防止机器过载而损伤机器零、部件和造成事故，常在传动的某个环节，设置安全联轴器，起到保护机器的作用。常用的安全联轴器有销钉式安全联轴器和牙嵌式安全联轴器。 （1）销钉式安全联轴器 图11.12所示为销钉式安全联轴器，它的传力件是细小的销钉，销钉装在两段钢套中，正常工作时，销钉温度足够；过载时，销钉首先被切断，以保证轴的安全。销钉式安全联轴器用于偶发性过载。  图11.12 销钉式安全联轴器 图11.13牙嵌式安全联轴器 （2）牙嵌式安全联轴器 图11.13所示为牙嵌式安全联轴器，它的两半联轴器端面上有牙，依靠弹簧使牙齿与齿槽相互嵌入并压紧，以传递转矩；过载时，由于它具有牙形角大于摩擦的结构特点，故推开弹簧，两半联轴器的牙齿脱开，以保证轴的安全。牙嵌式安全联轴功率器用于经常性过载。 四）联轴器的选择 常用联轴器多已标准化，一般先依据机器的工作条件选择合适的类型；再依据计算转矩、轴的直径和转速，从标准中选择所需型号及尺寸；必要时对某些薄弱、重要的零件进行验算。 1.联轴器类型的选择 选择类型的原则是使用要求应与所选联轴器的特性一致。例如：两轴能精确对中，轴的刚性较好，可选刚性固定式的凸缘联轴器，否则选具有补偿能力的刚性可移式联轴器；两轴轴线要求有一定夹角的，可选十字轴式万向联轴器；转速较高、要求消除冲击和吸收振动的，选弹性联轴器。由于类型选择涉及因素较多，一般要参考以往使用联轴器的经验，进行选择。 2.联轴器型号、尺寸的选择 选择类型后，根据计算转矩、轴径、转速，由手册或标准中选择联轴器的型号、尺寸。选择时要满足： （1）计算转矩丁，不超过联轴器的公称转矩，即  N·m （11—1） 式中为工作情况系数，见表11.2；为理论转矩，N·m；为原动机功率，kW；为转速，r/min。 （2）转速不超过联轴器许用转速。 （3）轴径与联轴器孔径一致。 在GB3852—83中，对联轴器轴孔及键槽的规定：（1）轴孔有长圆柱形（Y型）、有沉孔的短圆柱形（J型）、无沉孔的短圆柱形（J1型）和有沉孔的圆锥形（Z型）；（2）键槽有平键单键槽（A型），120°、180°布置的平键双键槽（B、B1型）和圆锥形孔平键单键槽（C型）。各种型号适应各种被联接轴的端部结构和强度要求。 二、常用离合器 摩擦式离合器是利用接触面间产生的摩擦力传递转矩的。摩擦离合器可分单片式和多片式等。 1．单片式摩擦离合器 单片式摩擦离合器如图11.14所示，是利用两圆盘面1、2压紧或松开，使摩擦力产生或消失，以实现两轴的联接或分离。  图11.14单片式摩擦离合器结构 操纵滑块3，使从动盘2左移，以压力F将其压在主动盘1上，从而使两圆盘结合；反向操纵滑块3，使从动盘右移，则两圆盘分离。单片式摩擦离合器结构简单，但径向尺寸大，而且只能传递不大的转矩，常用在轻型机械上。 2．多片式摩擦离合器 多片式摩擦离合器如图11.15所示，主动轴1、外壳2与一组外摩擦片5组成主动部分，外摩擦片（图11.15b）可沿外壳2的槽移动。从动轴3、套筒4与一组内摩擦片6组成从动部分、内摩擦片（图11.15c）可沿套筒4上的槽滑动。滑环7向左移动，使杠杆8绕支点顺时针转，通过压板9将两组摩擦片压紧（图11.15a），于是主动轴带动从动轴转动。滑环7向右移动，杠杆8下面的弹簧的弹力将杠杆8绕支点反转，两组摩擦片松开，于是主动轴从动轴脱开。双螺母10是调节摩擦片的间距用的，借以调整摩擦面间的压力。  图11.15 多片式摩擦离合器由于摩擦面的增多，传递转矩的能力显著增大，径向尺寸相对减小，但是结构比较复杂。 利用电磁力操纵的摩擦离合器称为电磁摩擦离合器。其中最常用的是多片式电磁摩擦离合器，如图11.16所示。摩擦片部分的工作原理与前述相同。电磁操纵部分及原理如下：当直流电接通后，电流经接触环1导入励磁线圈2，线圈产生的电磁力吸引衔铁5，压紧两组摩擦片3、4，使离合器处于接合状态。切断电流后，依靠复位弹簧6将衔铁5推开，两组摩擦片随着松开，使离合器处于分离状态。电磁摩擦离合器可以在电路上实现改善离合器功能的要求，例如利用快速励磁电路可实现快速接合；利用缓冲励磁电路可实现缓慢接合，避免起动冲击。 与牙嵌式离合器相比，摩擦式离合器的优点为：（1）在任何转速下都可接合；（2）过载时摩擦面打滑，能保护其他零件，不致损坏；（3）接合平稳、冲击和振动小。缺点为接合过程中，相对滑动引起发热与磨损，损耗能量。  图11.16 电磁摩擦离合器 图11.17定向离合器 3．定向离合器 定向离合器是利用机器本身转速、转向的变化，来控制两轴离合的离合器。如图11.17所示的定向离合器，星轮1和外环2分别装在主动件或从动件上。星轮与外环间有楔形空腔，内装滚柱3。每个滚柱都被弹簧推杆4以适当的推力推人楔形空腔的小端，且处于临界状态（即稍加外力便可楔紧或松开的状态）。星轮和外环都可作主动件。按图示结构，外环为主动件逆时针回转时，摩擦力带动滚柱进入楔形空间的小端，便楔紧内、外接触面，驱动星轮转动。当外环顺时针回转，摩擦力带动滚柱进入楔形空间的大端，便松开内、外接触面，外环空转。由于传动具有确定转向，故称为定向离合器。 星轮和外环都作顺时针回转时，根据相对运动关系，如外环转速小于星轮转速，则滚柱楔紧内、外接触面，外环与星轮接合。反之，滚柱与内、外接触面松开，外环与星轮分离。可见只有当星轮超过外环转速，才能起到传递转矩并一起回转的作用，故又称为超越离合器。 定向离合器是自动离合器的一种。 三、弹簧 弹簧是一种弹性元件。由于它具有刚性小、弹性大、在载荷作用下容易产生弹性变形等特性，被广泛地应用于各种机器、仪表及日常用品中。 1.功用 随着使用场合的不同，弹簧在机器中所起的作用也不同，其功用主要有： （1）缓冲和吸振 例如汽车的减振簧和各种缓冲器中的弹簧； （2）储存及输出能量 如钟表的发条等； （3）测量载荷 如弹簧秤、测力器中的弹簧； （4）控制运动 如内燃机中的阀门弹簧等。 2.类型 弹簧的类型很多，表11.3列出了常用类型的弹簧及其特点和应用。在一般机械中最常用的 是圆柱形螺旋弹簧，这里主要讨论圆柱形螺旋压缩及拉伸弹簧的结构形式。 3.材料 弹簧的材料主要是热轧和冷拉弹簧钢。弹簧丝直径在8~10mm以下时，弹簧用经过热处理 的优质碳素弹簧钢丝（如65Mn、60Si2Mn等）经冷卷成型制造，然后经低温回火处理以消除内应力。制造直径较大的强力弹簧时常用热卷法，热卷后须经淬火、回火处理。 表11.3 弹簧的类型及应用 名称 简图 说明  圆 柱 螺 旋 弹 簧 圆截面压缩弹簧 承受压力。结构简单，制造方便，应用最广   矩形截面压缩弹簧 承受压力。当空间尺寸相同时，矩形截面弹簧比圆形截面弹簧吸收能量大，刚度更接近于常数   圆截面拉伸弹簧 承受拉力   圆截面扭转弹簧 承受转矩。主要用于压紧和蓄力以及传动系统中的弹性环节  圆锥螺旋弹簧 圆截面压缩弹簧 承受压力。弹簧圈从大端开始接触后特性线为非线性的。可防止共振，稳定性好，结构紧凑。多用于承受较大载荷和减振  碟形弹簧 对置式 承受压力。缓冲、吸振能力强。采用不同的组合，可以得到不同的特性线，用于要求缓冲和减振能力强的重型机械。卸载时需先克服各接触面间的摩擦力，然后恢复到原形，故卸载线和加载线不重合  环形弹簧  承受压力。圆锥面间具有较大的摩擦力，因而具有很高的减振能力，常用于重型设备的缓冲装置  盘簧 非接触型 承受转矩。圈数多，变形角大，储存能量大。多用作压紧弹簧和仪器、钟表中的储能弹簧  板 弹 簧 多板弹簧 承受弯矩。主要用于汽车、拖拉机和铁路车辆的车厢悬挂装置中，起缓冲和减振作用  4.圆柱形螺旋弹簧的结构 图11.18所示为螺旋压缩弹簧和拉伸弹簧。压簧在自由状态下各圈间留有间隙，经最大工作载荷的作用压缩后各圈间还应有一定的余留间隙（=0.1 d＞0.2mm）。为使载荷沿弹簧轴线传递，弹簧的两端和有圈与邻圈并紧，称为死圈。死圈端部须磨平，如图11.19所示。拉簧在自由状态下各圈应并紧，端部制有挂钩，利于安装及加载，常用的端部结构如图11.20所示。  图11.18 弹簧的基本几何参数 图11.19 圆柱形螺旋弹簧的主要参数和几何尺寸，见图11.20有：弹簧丝直径 ，弹簧圈外径 、内径 和中径 ，节距 ，螺旋升角 ，弹簧工作圈数 和弹簧自由高度 等。螺旋弹簧各参数间的关系列于表11.4之中。  图11.20 螺旋拉簧的端部结构 表11.4 螺旋弹簧基本几何参数的关系式 参数名称 压缩弹簧 拉伸弹簧  外径   内径   螺旋角   节距 （0.28~0.5）   有效工作圈数   死圈数  —  弹簧总圈数    弹簧自由高度 两端并紧、磨平  两端并紧、不磨平  挂钩尺寸  簧丝展开长度  挂钩展开尺寸   作业：P352习题1、2、3