2018-08-25 联轴器、离合器和制动器
17.1 联轴器
联轴器是连接两轴或轴和回转件，在传递运动和动力过程中，一起转动而不脱开的一种装置。同时联轴器还具有补偿两轴相对位移、缓冲、减振和安全防护等功能。
刚性联轴器适用于两轴能严格对中，并在工作中不发生相对位移的场合；挠性联轴器适用于两轴有偏斜或在工作中有相对位移的场合。挠性联轴器又有无弹性元件、非金属弹性元件和金属弹性元件之分，后两种统称为弹性联轴器。
17.1.1 刚性联轴器
刚性联轴器结构简单，价格便宜，但不具有补偿两轴相对偏移的能力和缓冲减振性能，只有在载荷平稳、转速稳定、能保证被连两轴轴线相对偏移极小的情况下，才可选用刚性联轴器。常见的有凸缘联轴器、套筒联轴器和夹壳联轴器等。
凸缘联轴器。常用的固定式刚性联轴器。由两个各具有凸缘和毂的半联轴器组成。各半联轴器用平键分别与轴相连，然后用螺栓把两个半联轴器连成一体。为了安全需要，凸缘联轴器最好加装防护罩或采用相应结构，把螺栓遮掩起来。制造时，凸缘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。半联轴器的材料通常为铸铁，当受重载或圆周速度v≥30m/s时，可采用铸钢或锻钢。凸缘联轴器的结构简单，刚性好，工作可靠，装拆和使用方便，可传递的转矩较大，但不能缓冲减振，常用于对中精度良好、转速低、载荷较平稳的两轴连接。
套筒联轴器。套筒联轴器通过一个公用套通用键、销或过盈配合将两轴连接在一起，而且用紧定螺钉来实现轴向固定。键连接的套筒联轴器可用于传递较大转矩的场合，若用销钉连接，则常用于传递较小转矩的场合，或用作减销式安全联轴器。结构简单紧凑、组成零件少，径向尺寸小，成本低廉，但装拆不方便，常用于径向尺寸受限的传动中，但不能缓冲减振。
夹壳联轴器。夹壳联轴器是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。夹壳联轴器无须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，平衡精度低，制造成本高。常用于等轴径连接，低速、轻载、平稳、无冲击、长动轴的场合，如搅拌器、立式泵等。
17.1.2 挠性联轴器
挠性联轴器具有补偿两轴相对偏移的能力。当被联两轴的同轴度不易保证时，应选用挠性联轴器。
无弹性元件挠性联轴器。不仅能传递运动和转矩，而且具有不同程度的轴向、径向以及角向补偿能力。但因无弹性元件，故不能缓冲减振。
齿轮联轴器。主要由两个具有外齿的半联轴器和两个具有内齿的外壳组成。能传递较大的转矩，但结构较复杂，制造较困难，在重型机器和起重设备中应用较广。
链条联轴器。主要由公用的双排链条和两个齿数相同的并列链轮啮合来实现两个半联轴器的连接。具有结构简单、装拆方便、尺寸紧凑、质量小、维修容易、成本低、寿命较长、工作可靠等优点。适用于高温、潮湿和多尘工况环境，不适用于高速、有剧烈冲击载荷和传递轴向力的场合，链条联轴器应在良好的润滑并有防护罩的条件下工作。
十字滑块联轴器。由两个带有凹槽的半联轴器和两端面都有榫的中间原盘组成。允许两轴有一定径向位移，当被连接的两轴有径向位移时，中间原盘将在半联轴器的凹槽中做偏心回转，由此引起的离心力将使工作表面压力增大而加快磨损。为了减少摩擦和磨损，使用时应从中间盘的油孔中注油进行润滑。
万向联轴器。主要由两个分别固定在主、从动轴上的叉形接头和一个十字形零件（称十字头）组成。常将万向联轴器成对使用，构成双万向联轴器，但应注意安装时必须保证两轴与中间轴之间的夹角相等，并且中间轴的叉形接头应在同一平面内，此时从动轴的转速与主动轴相同。
非金属弹性元件挠性联轴器。在转速不平稳时具有很好的缓冲减振性能，但由于非金属弹性元件强度低、寿命短、承载能力小、不耐高温和低温，故适用于高速、轻载和常温的场合。
弹性套柱销联轴器。结构与凸缘联轴器相似，只是用带有非金属弹性套的柱销取代连接螺栓。在高速轴上应用十分广泛，适用于启动频繁、荷载变化但不很大的场合，缺点是弹性套易磨损，寿命较短。
弹性柱销联轴器。将若干非金属材料制成的柱销置于两个半联轴器凸缘的孔中，以实现两轴的连接。传递转矩的能力很大，结构更为简单，安装、制造方便，耐久性好，弹性柱销有一定缓冲和吸振能力，允许被连接两轴有一定的轴向位移以及少量的径向位移和角位移，适用于轴向窜动较大、正反转变化较多和启动频繁的场合。
梅花形联轴器。利用梅花弹性元件置于两半联轴器凸爪之间实现连接的。特点是结构简单、具有良好的缓冲减振能力，补偿两轴相对位移量大，适用范围广，可用于各种中小功率传动。
轮胎式联轴器。轮胎式联轴器的弹性元件是用橡胶或橡胶织物制成轮胎状，两端用压板及螺钉分别压制两个半联轴器上。富有弹性，具有良好的消振能力，能有效降低动载荷和补偿较大的轴向位移，而且绝缘性能好，运转时无噪声。缺点是径向尺寸较大，当转矩较大时会因过大扭转变形而产生附加轴向载荷。
金属弹性元件挠性联轴器。弹性元件由金属加工而成，能产生较大弹性变形，除了具有可移性外，还具有较好的缓冲减振性能，承载能力较大，寿命较长，不宜老化，性能稳定，适用于速度和载荷变化较大或高温或低温场合。
膜片联轴器。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。结构简单，弹性元件的连接之间没有间隙，不需要润滑，维护方便、平衡容易、质量小，对环境适应性强。但扭转弹性较低，缓冲减振性能差，主要用于载荷平稳的高速传动。
蛇形弹簧联轴器。一种结构先进的金属弹性联轴器，由两半联轴器和蛇形弹簧片组成，蛇形弹簧片将两半联轴器连接并传递扭矩。减振性好，使用寿命长，承受变载荷范围大，启动安全，传动效率高，运行可靠，噪声低，润滑好，结构简单，装拆方便，体积小重量轻，允许有较大的安装偏差，使联轴器能获得较大的挠性，能在同时有径向、角向以及轴向偏差的情况下正常工作。缺点是结构和制造工艺较复杂，成本高。
17.1.3 安全联轴器
作用是传递运动和转矩，并起到过载保护作用，即当工作转矩超过允许的极限转矩时，联轴器中的连接件将发生折断、脱开或打滑，从而保护机器中的重要零件。
17.1.4 联轴器的选择与设计
目前，常用联轴器大多已经标准化或规格化。只需正确选择联轴器的类型，确定联轴器的型号和尺寸即可。
联轴器选择与设计中应注意以下几点：
单万向联轴器不能实现两轴间同步传动；要求同步传动时不宜采用有弹性元件的联轴器；中间轴无支撑时两端不宜采用十字滑块联轴器；在转矩变动源和飞轮之间不宜采用挠性联轴器；十字滑块联轴器不宜设置在高速端；高速轴的挠性联轴器应尽量靠近轴承。
17.2 离合器
17.2.1 几种典型离合器
操纵离合器：
牙嵌离合器，属于机械离合器，主要由端面带齿的两个半离合器组成，通过齿的啮合来传递运动和动力，齿的分离实现主动轴与从动轴的脱开。离合器牙的形状有三角形、梯形、锯齿形和矩形。结构简单，外廓尺寸小，能传递较大的转矩，故应用较多。但只宜在两轴不回转或转速差很小时才能接合，否则牙齿可能会受到撞击而折断。由于频繁离合的牙嵌离合器将产生齿面磨损，因此，通过限制齿面压强p来控制磨损。即σb=KTh/zD0W≤[σb]，p=2KT/zD0A≤[p]。其中，K是载荷系数；T是轴传递的转矩；z是齿数；D0是离合器牙齿所在圆环平均直径；h是齿高；W是齿根处抗弯截面系数；A是每个齿的接触面积。
圆盘摩擦离合器。是靠两半离合器接合面间的摩擦力传递转矩的。常用的圆盘摩擦离合器按摩擦盘数可以分为单圆盘式和多片式。单元盘摩擦离合，由两个半离合器组成，转矩通过两个半离合器接触面之间的摩擦力来传递，结构简单，散热性好，但传递的转矩小，需要传递较大转矩时，可采用多片式摩擦离合器。多片式摩擦离合器，由两组摩擦片组成，一组外摩擦片，以其外缘齿插入主动轴上鼓轮内缘的径向槽内，随鼓轮一起转动，并可在曲臂压杆作用下沿轴向移动，另一组内摩擦片，与从动轴上的内套筒相连并与从动轴一起转动。圆螺母用来调整摩擦片间压力的大小。摩擦片数目越多，所传递的转矩越大，但各摩擦片间的压力将分布不均匀，所以一般不超过12~15片。摩擦离合器操纵方法有很多种，除机械操纵外，还有电磁的、气动的和液压的等数种。
磁粉离合器。主要由主动外轮鼓、从动内轮芯、励磁线圈、磁粉等组成。转矩调节简单而且精确，调节范围宽，操纵方便，离合平稳，工作可靠，使用寿命较长，可远距离操纵，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。
自动离合器，能根据机器运动或动力参数的变化而自动完成接合和分离动作的离合器，常用的有离心离合器、定向离合器、安全离合器。
离心离合器。特点是当主动轴的转速达到一定值时能自行接合或分离。开式离合器主要用于启动装置，如在启动频繁时，机器中采用这种离合器，可使电动机在运转稳定后才接入负载。闭式离合器主要用作安全装置，当机器转速过高时，起安全保护作用。
超越离合器。靠主、从动部分的相对速度变化或回转方向变换能自动接合或脱开的离合器。这种离合器工作时没有噪声，宜于高速传动，但制造精度要求较高。
安全离合器。种类很多，作用是当转矩超过允许数值时能自动分离。
17.3 制动器
17.3.1 带式制动器
计算时设制动力矩为T，圆周力为F，制动轮直径为D，则F=2T/D。制动力矩作用在带上，将使带的两端产生拉力F₁和F₂，则F=F₁-F₂，由欧拉公式知F₁=F₂eⁿ。式中，n=fα，下同；e是自然对数的底（e≈2.718）；f是带与轮间的摩擦系数；α是带绕在制动轮上的包角。则F₂=F/(eⁿ-1)=[1/(eⁿ-α)]·2T/D，若取力臂a=c，则由力的平衡式可得杠杆上的制动所需Q力为Q=(F₂+F₁)a/(a+b)=2Ta(eⁿ+1)/D(a+b)(eⁿ-1)。带式制动器制动轮轴和轴承受力大，带与轮间压力不均匀，从而磨损也不均匀，且易断裂，但结构简单，尺寸紧凑，可以产生较大的制动力矩，所以目前也常应用。
17.3.2 块式制动器
块式制动器靠瓦块与制动轮间的摩擦力来制动。电磁块式制动器制动和开启迅速，尺寸小，质量轻，易于调整瓦块间隙，更换瓦块、电磁铁也方便，但制动时冲击大，电能消耗也大，不宜用于制动力矩大和需要频繁制动的场合。
17.3.3 内涨式制动器
两个制动爪分别通过两个销轴与机架铰接，制动器表面装有摩擦片，制动轮与需要制动的轴固联。当压力油进入油缸后，推动左右两个活塞，克服拉簧的作用使两个制动爪分别与制动轮相互压紧，即产生制动作用。油路泄压后，弹簧使两制动爪与制动轮分离松闸。这种制动器结构紧凑，广泛用于各种车辆以及结构尺寸受到限制的机械中。
