大功率万向联轴器应用研究

十字轴是万向联轴器的主要受力部件,其强度和寿命决定了万向联轴器的使用寿命。改进十字轴承副的设计,提高十字轴承副的强度和使用寿命,是万向联轴器设计人员和制造厂家一直追求的目标。但船用十字轴式万向联轴器传递功率大、工作转速高,作为主要受力元件的十字轴和叉头的结构、运动和受力状况均十分复杂。本文运用CAE技术和有限元分析方法计算了十字轴和叉头的应力状况,大大提高了计算精度和可靠度。船用高速大功率万向联轴器除了在强度上对十字轴和叉头有较高的设计要求外,十字轴承副的承载能力和使用寿命是影响万向联轴器承载能力和使用寿命的又一项关键因素。本文以有限元应力分析计算的结果为基础,运用等强度设计方法,在同样的使用工况和尺寸、重量的前提下,利用有限的尺寸空间,进行优化设计,提高了十字轴承副的承载能力和使用寿命。

由于万向联轴器叉头与轴联接,而轴是有一定弹性模量的弹性体,为了避免约束对叉头本体应力的影响,截取部分轴一起计算。同时由于约束远离叉头,约束对叉头应力的影响较小,可以忽略不计。作用在叉头孔内的力即十字轴受力的反作用力,因此受力的大小与作用点与十字轴相同,其分布规律也与十字轴相同。

船用万向联轴器的使用工况往往属于高速、大转矩的情况,同时在选型时却又经常受到空间尺寸和重量制约。所以,如何在尺寸和重量不变或变化不大的情况下采取措施,提高万向联轴器的关键承载部件———十字轴承副的承载能力,提高其在高速大转矩工况下的使用寿命,就成了船用高速大功率万向联轴器须解决的问题。从有限元分析得出的结果可以看到,十字轴综合应力值位于十字轴2挡轴径根部,主应力值与主应力值的位置与综合应力值位置相同,且相互对称。从结构上看该处由于轴径变化,且采用的是小圆角过渡,产生较大的应力集中。如去掉台阶,改为圆锥面直接过渡,将大大减少此处的应力集中,提高十字轴的疲劳强度。以此为基础,在满足十字轴强度的情况下,适当减小1档轴径(轴承轴径),让出宝贵的空间用于变大滚柱的直径,减小轴承副的接触应力,可以大大提高整个十字轴承副的使用寿命,大大减少了十字轴轴根处应力集中,提高了十字轴的疲劳强度。b)原十字轴承副外圈的定位附加力对外圈有弯曲作用,十字轴承副的外圈是薄壁件,容易变形,会影响内圆与滚柱接触强度。新型十字轴承副外圈的定位附加力使外圈是纯受压,这样外圈不容易变形。c)十字轴平均寿命和承载能力与滚柱长度成比例,新型十字轴承副充分利用本身空间,在十字轴承副外端增加了一排滚柱,增加了轴承副的承载能力,同时也提高了万向轴的寿命。