不同类型的联轴器

联轴器连接两轴时，由于受制造和安装误差、受载后的变形及温度变化等因素的影响，往往不能保证两轴严格对中，两轴间会产生一定程度的相对位移，如图11-1所示。因此，联轴器除了能传递所需的转矩外，还应在一定程度上具有补偿两轴间相对位移的能力。

图11-1　两轴间的相对位移

根据对各种相对位移有无补偿能力及有无过载保护能力等，联轴器分为刚性联轴器、挠性联轴器和安全联轴器三大类。

11.1.1.1　刚性联轴器

刚性联轴器由刚性连接元件组成，元件之间不能相对运动，没有缓冲减振的能力，因而要求被连接两轴在安装时能严格对中及工作中不会发生相对位移。刚性联轴器具有较高的承载能力。刚性联轴器主要有凸缘联轴器、套筒联轴器等。

1）凸缘联轴器

凸缘联轴器是应用最广泛的一种刚性联轴器。它由两个半联轴器通过凸缘用螺栓相互连接组成，两半联轴器分别用键与两轴连接，如图11-2所示。凸缘联轴器有以下两种对中方式：

（1）利用两个半联轴器接合端面上凸出的对中样和凹入的榫槽相配合对中，其对中精度高，工作中靠预紧普通螺栓在两个半联轴器的接触面间产生的摩擦力来传递转矩，装拆时轴必须做轴向移动，不太方便，多用于不常装拆的场合，如图11-2a所示。

图11-2　凸缘联轴器

（2）利用配合的铰制孔螺栓保证两个半联轴器轴孔对中，工作中靠螺栓杆的剪切和螺栓杆与孔壁间的挤压来传递转矩，传递转矩的能力大。这种结构装拆时轴不需要做轴向移动，只需拆卸螺栓即可，可用于经常装拆的场合，如图11-2b所示。

凸缘联轴器的材料一般采用35钢或ZG310-570，当外缘圆周速度v≤30 m/s时可采用HT200。

凸缘联轴器的优点是结构简单、工作可靠、装拆方便、刚度好、传递转矩大；其缺点是要求两轴严格对中，不能缓冲减振，故常用于载荷平稳、两轴间对中性良好的场合。

2）套筒联轴器

套筒联轴器是通过套筒、键或销等连接零件，把两轴相连接的一种联轴器，如图11-3所示。当采用键或花键连接时，可传递较大的转矩，但应考虑轴向固定。当采用销连接时，传递转矩较小。为了保证连接具有一定的对中精度和便于套筒的装拆，套筒与轴通常采用H7/k6的配合。

图11-3　套筒联轴器

套筒材料一般采用35钢或45钢，低速传动或不重要的场合也可采用铸铁。

套筒联轴器的优点是结构简单、制造方便、径向尺寸小、成本较低。其缺点是传递转矩的能力较小，装拆时轴需要做轴向移动，不太方便。套筒联轴器通常适用于两轴间对中性良好、工作平稳、传递转矩不大、径向尺寸受限制、转速低（n≤250 r/min）的场合，如机床传动系统中。

11.1.1.2　挠性联轴器

挠性联轴器可分为无弹性元件挠性联轴器、非金属元件挠性联轴器、金属弹性元件挠性联轴器和组合挠性联轴器。前者是依靠连接元件间的相对可移性使两个半联轴器发生相对运动，从而补偿被连接两轴安装时的对中误差，以及工作时的相对位移；后三者是在联轴器中安置弹性元件，弹性元件在受载时能产生显著的弹性变形，从而使两个半联轴器发生相对运动，以补偿两轴间的相对位移，同时弹性元件还具有一定的缓冲减振能力。制造弹性元件的材料有非金属和金属两类。非金属材料有橡胶、塑料等，其特点是质量轻、价格低、减振能力强，特别适用于工作载荷有较大变化的场合。金属材料制成的弹性元件（主要为各种弹簧）则强度高、尺寸小、寿命较长。

1）无弹性元件挠性联轴器

（1）滑块联轴器。滑块联轴器以滑块构成动连接实现刚性可移的要求，根据滑块结构的不同，有几种不同的类型。

十字滑块联轴器由两个端面上开有径向凹槽的半联轴器和一个两面带有相互垂直凸牙的中间圆盘所组成，如图11-4所示。安装时，中间圆盘两面的凸牙分别嵌入两个半联轴器的凹槽中，靠凹槽与凸牙的相互嵌合传递转矩。工作中，中间圆盘的凸牙可以在两个半联轴器的凹槽中滑动，故可补偿安装及运转中两轴间的相对径向位移和一定的轴向位移。

图11-4　十字滑块联轴器

由于中间圆盘与两个半联轴器间组成移动副，工作时主动轴和从动轴角速度相等。当联轴器在两轴间有相对径向位移的情况下工作时，中间圆盘因相对滑动会产生较大的离心力，从而增大了凸牙和凹槽接触面上的正压力，使磨损加剧。为了减小离心力，应限制轴的转速，一般n≤300 r/min；为了尽量减小其质量，常将中间圆盘制成中空的结构。为了减小滑动副的摩擦和磨损，使用时应从中间盘的油孔中注油，以维持工作面的良好润滑。

十字滑块联轴器的材料常用45钢或ZG45铸钢，工作表面必须经高频淬火达46～50HRC，以提高硬度。要求较低时，也可用Q275钢制造，不进行热处理。

十字滑块联轴器结构简单，径向尺寸较小，但工作面易磨损，一般用于两轴间径向位移较大、转速较低、轴的刚度较大、无冲击的场合。

酚醛层压布材滑块联轴器结构和十字滑块联轴器结构相似，只是两个半联轴器上的凹槽较宽，中间盘为两面不带凸牙的方形滑块，通常用夹布胶木或尼龙制成，如图11-5所示。滑块的质量小并具有弹性，故允许较高的极限转速。酚醛层压布材滑块联轴器结构简单紧凑，适用于传递转矩不大、转速较高而无剧烈冲击的场合。

图11-5　酚醛层压布材滑块联轴器

在选定滑块联轴器的尺寸后，应验算滑块工作面上的压强，以防止急剧磨损。其验算方法可参考有关手册。

（2）齿式联轴器。齿式联轴器利用内外齿的相互啮合而实现两个半联轴器的连接，这类联轴器具有良好的补偿两轴间综合相对位移的能力，其中鼓形齿联轴器应用最广。

鼓形齿联轴器由两个带有外齿的半联轴器和两个带有内齿及凸缘的外壳所组成。两个外壳的凸缘用螺栓连接，两个半联轴器分别用键与两轴相连接，如图11-6所示。为了减小齿面磨损，外壳内储有润滑油用于润滑，并且为了防止润滑油泄漏，联轴器左右两侧装有密封圈。半联轴器、外壳上的齿数相等，工作时依靠内外齿相啮合传递转矩。外齿的齿顶制成球面（球心位于联轴器轴线上），沿齿厚方向制成鼓形，内外齿啮合后具有较大的侧隙和顶隙，传动时可补偿两轴间的径向位移、偏角位移及综合位移，如图11-7所示。

图11-6　齿式联轴器

图11-7　鼓形齿联轴器各种位移补偿

鼓形齿联轴器主要采用钢制造，当其节圆圆周速度v≤15 m/s时，一般采用45钢或ZG310-570等材料制造；当v＞15 m/s时，采用高强度合金，如42Cr Mo等，齿轮齿面需要经表面淬火处理或者渗氮处理。

鼓形齿联轴器承载能力大，适用的转速范围广，工作可靠，工作时能补偿较大的综合位移，但结构复杂、制造困难、成本高，且不适用于垂直轴间的连接。齿式联轴器主要用于重型机械及长轴的连接。

尼龙内齿圈鼓形齿联轴器的尼龙材料具有弹性，因而具有一定的缓冲、减振能力，多用于中小转矩的传动。

齿式联轴器的承载能力和使用寿命往往受齿面磨损的限制。为了避免齿面的过度磨损，在选定齿式联轴器的型号和尺寸后，必须验算齿面的压强，验算方法可查阅有关手册。

（3）链条联轴器。链条联轴器主要由一条公用的链条和两个链轮式半联轴器组成，公用的链条同时与两个齿数相等的并列链轮相啮合，从而实现两个半联轴器的连接。其中双排滚子链联轴器如图11-8所示，只需将链条接头拆开便可将两轴分离。链与链轮间的啮合间隙可补偿两轴间的相对位移。

图11-8　链条联轴器

通常半联轴器（链轮）的材料为45、ZG45或20Cr合金钢。当载荷平稳、速度不高时，采用调质处理，齿面硬度≥220HBW；当有冲击载荷、速度较高时，需要进行渗碳、表面淬火处理，齿面硬度应在45HRC以上。为了减小磨损，应进行润滑。当转速较低时，应定期涂润滑脂润滑；当转速高时，更应充分润滑，应设置密封罩壳，防止外界灰尘等污染。(www.xing528.com)

链条联轴器结构简单，径向尺寸较小、质量轻、工作可靠、寿命长、装拆方便，适用于潮湿、多尘、高温场合，但不宜用于启动频繁、经常正反转及剧烈冲击的场合或垂直传动场合。当采用齿形链的链条时，可允许较高的工作转速。

（4）万向联轴器。万向联轴器通过万向铰链机构传递转矩和补偿轴线偏斜。常见的万向联轴器是十字轴万向联轴器，如图11-9所示。它由两个叉形半联轴器、一个十字轴及销轴等组成。两个半联轴器通过销分别与两轴连接，销轴互相垂直，分别将两个半联轴器与十字轴连接起来，形成可动的连接。当主动轴做等速转动时，从动轴做周期性变速转动。这种联轴器允许两轴间有较大的偏角位移，最大夹角可达35°～45°，并允许工作中两轴间夹角发生变化。但随着两轴间夹角的增大，从动轴转动的不均匀性将增大，传动效率也显著降低。

图11-9　十字轴万向联轴器

为了消除从动轴的速度波动，通常将万向联轴器成对使用，组成双十字轴万向联轴器，如图11-10a所示。设计和使用时，若保证中间轴两端的叉形接头位于同一平面内（主动轴、中间轴和从动轴位于同一平面内），且使中间轴与主动轴、从动轴的夹角相等图11-10b，则保证从动轴与主动轴的角速度相等。

图11-10　双十字轴万向联轴器及安装

十字轴万向联轴器中的主要零件常用40Cr或40Cr Ni钢制造，并进行热处理，以使结构紧凑和耐磨性高。

十字轴万向联轴器可适用于两轴有较大偏斜角或工作中有较大角位移的场合，结构紧凑且维护方便，因而在汽车、多头钻床中得到广泛应用。

2）非金属弹性元件挠性联轴器

弹性元件一般由橡胶、塑料等非金属材料制成，其特点为弹性模量比金属小，容易得到变刚度特性，缓冲性能好；质量比金属低，单位体积储存的变形能大，阻尼性能好，减振性能好，不需要润滑。

（1）弹性套柱销联轴器。弹性套柱销联轴器的结构与凸缘联轴器的结构相似，只是用套有弹性套的柱销代替了连接螺栓，如图11-11所示。柱销的一端以圆锥面与一个半联轴器上的圆锥孔相配合，并用螺母固定；另一端套装有整体式弹性套，与另一个半联轴器凸缘上的圆柱形孔间隙配合。

图11-11　弹性套柱销联轴器

1、6—半联轴器；2—螺母；3—垫片；4—弹性套；5—柱销

弹性套常做成蛹状结构来提高其弹性。因为弹性套具有弹性变形和间隙配合，从而使联轴器具有补偿两轴相对位移的能力和缓冲吸振的功能。

半联轴器的材料常用HT200，有时也采用ZG310-570，柱销材料多用45钢，弹性套采用耐油橡胶制成。

弹性套柱销联轴器制造容易、装拆方便、成本较低，其弹性套易磨损、寿命较短，但更换方便，适用于启动频繁、需要正反转的中小功率传动，工作环境温度应在-20～70℃，且要避免油质及其他有害橡胶的介质与联轴器接触。

（2）轮胎式联轴器。轮胎式联轴器是利用环形轮胎状橡胶元件，用螺栓与两个半联轴器连接，实现两轴连接的。如图11-12所示，两个半联轴器分别用键与轴相连，用螺钉和压板将橡胶或橡胶织物制成的轮胎状弹性元件分别压在两个半联轴器上。为了便于安装，一般在轮胎上开切口。工作中靠轮胎环与凸缘端面间产生的摩擦力来传递转矩。

图11-12　轮胎式联轴器

由于轮胎状弹性元件具有高的弹性，因而对两轴相对位移的补偿能力较大，缓冲减振性能好，结构简单，不需要润滑，装拆和维护都比较方便，但其径向尺寸较大。轮胎式联轴器主要用于有较大冲击、需要频繁启动或换向、潮湿、多尘的场合，工作温度在-20～80℃的范围内。

3）金属弹性元件挠性联轴器

金属弹性元件挠性联轴器中弹性元件为各种圆柱状、片状、卷板状的金属弹簧，通过金属弹性元件在受载时所产生的弹性变形达到补偿两轴相对位移和减振、缓冲的目的。金属弹性元件挠性联轴器具有体积小、强度高、传递转矩大、缓冲减振性能好、寿命长、耐腐蚀、耐热、耐寒等优点。

（1）蛇形弹簧联轴器。蛇形弹簧联轴器由两个半联轴器和蛇形片弹簧组成，在两个半联轴器上制有50～100个齿，齿间嵌装有6～8段蛇形片弹簧，如图11-13所示。为了防止弹簧在离心惯性力的作用下被甩出，并避免弹簧与齿接触处发生干摩擦，需要用封闭的壳体罩住，壳体内注入润滑油。工作时，通过齿与弹簧的互压来传递转矩。

图11-13　蛇形弹簧联轴器

蛇形弹簧联轴器按其齿形分为直线形和曲线形两种，如图11-14所示。直线形齿（图11-14a）蛇形弹簧联轴器为等刚度联轴器，弹簧的变形与联轴器所传递的转矩呈线性关系，适用于传递转矩变化较小的工况；曲线形齿（图11-14b）蛇形弹簧联轴器为变刚度联轴器，弹簧的变形与联轴器所传递的转矩呈非线性关系，适用于传递转矩变化较大和正反转的工况，并有较好的减振和缓冲作用。蛇形弹簧联轴器工作可靠，外形尺寸较小。

（2）簧片联轴器。簧片联轴器主要由花键轴、外套圈和若干组径向呈辐射状布置的金属簧片组等零件组成，如图11-15所示。每组簧片由若干长短不一的簧片在一端用圆柱销连接在一起，装配时借助外套圈的轴向移动，使弹性锥环的内孔收缩，将簧片组和支承块箍紧，与支承块构成固定连接。簧片组另一端为自由端，最长的簧片插在花键轴的齿槽内，构成可动连接。

图11-14　蛇形弹簧联轴器齿形种类

图11-15　簧片联轴器

1—单向阀座；2—连接盘；3—外套卷；4—弹性锥环；5—侧板；6—花键轴；7—支承块；8—弹簧组

为了增大联轴器的缓冲和吸振效果，在簧片组支承块之间的空腔中充满润滑油，以产生较大的黏性摩擦阻尼，同时还可减小簧片间的摩擦和磨损。过载时，支承块的端部与变形后的簧片相接触，使簧片不再弯曲，从而保护簧片不致因变形过大而断裂。

簧片联轴器具有相当高的阻尼特性，弹性好、结构紧凑、安全可靠，不受温度和灰尘的影响，不需要经常维修，减振避振性能强，适用于载荷变动较大、有可能发生扭转振动的轴系，多用于各种中高速、大功率柴油机拖动的机组中。

（3）弹性管联轴器和波纹管联轴器。弹性管联轴器是用扭转螺旋弹簧直接与两个半联轴器相连接而成的，借助于扭转弹簧的挠性可以补偿轴线间的偏移，如图11-16所示。管子的材料主要为各类铜合金或不锈钢，其中青铜有较高的弹性和疲劳强度；不锈钢的力学性能好且耐腐蚀。这种联轴器结构简单，加工、安装方便，整体性能好，适用于要求结构紧凑、外形小、传动精度较高的场合，如脉冲或伺服电动机与编码器的连接。

波纹管联轴器用波纹管直接与两个半联轴器通过焊接或黏结而制成，如图11-17所示。波纹管联轴器具有较高的轴向弹性，结构整体性好，紧凑，惯性小，无反向冲击，没有滑动，不需要润滑，传动精度高，运转速度稳定，耐热、耐腐蚀性好，寿命长，适用于小功率精密机械传动的控制机构和仪器设备，如电子计算机和自动控制设备中。

图11-16　弹性管联轴器

图11-17　波纹管联轴器

11.1.1.3　安全联轴器

安全联轴器的作用是当传递的转矩超过规定值时，其中某一连接元件便会折断、分离或打滑，使传动中断从而保护其他重要零件不致损坏。安全联轴器种类很多，在此仅介绍其中的剪切销安全联轴器。

剪切销安全联轴器结构如图11-18所示，有单剪和双剪两种。单剪结构（图11-18a）类似于凸缘联轴器，是用钢制销钉连接两个半联轴器，销钉装入经过淬火的两段硬质钢套中，当传递的转矩超过极限转矩时，销钉即被剪断，连接中断，起到过载保护的作用。销钉直径按抗剪强度计算，销钉材料可采用45钢或高碳工具钢。准备剪断处应预先切槽，这样可使剪断处的塑性变小，以免毛刺过大，给更换销钉带来不便。

图11-18　安全联轴器

双剪结构（图11-18b）类似于套筒联轴器，销钉沿径向布置。

由于销钉材料力学性能的不稳定性和制造误差等原因的影响，致使剪切销安全联轴器的工作准确性不高。同时，销钉剪断后必须停车更换。但因其结构简单，所以常用于过载可能性不大的机器中。