某型十字轴设计及其力学性能有限元分析
某型十字轴设计及其力学性能有限元分析
十字轴式万向联轴器广泛的应用于冶金轧制设备、机械工程、船舶、机车等工业设备领域；该产品规格较多，而且常常遇到非标准设计的情况，研究出一种快捷方便的设计开发方案具有重要的意义。本文以一种应用于农用车上的联轴器——十字轴式万向联轴器为研究对象，以大型CAE软件——ABAQUS为工具，研究分析了十字轴式万向联轴器在静力学、动力学等方面的内容。
首先，本文选取典型规格WSD4型十字轴式万向联轴器，进行三维设计，综合考虑影响十字轴式万向联轴器的因素。
其次，通过对WSD4型万向联轴器进行受力分析，建立简化的力学模型，求出工作面载荷；然后，建立模型，对其施加载荷和边界约束，分析得出其应力分布情况，找到其强度薄弱的区域，对其结构进行改进。
最后，对改进结构再进行有限元分析，比较改进前后十字轴的最大应力值及应力分布改善情况，得到更加合理的设计方案。
关键词：十字轴, 有限元分析, ABAQUS
1 绪论1
1.1 十字轴式万向联轴器的简介 1
1.2 万向联轴器的研究现状 2
1.3 十字轴式万向联轴器发展趋势 4
1.4 本课题研究的方法及意义 5
2 有限元分析理论及ABAQUS软件5
2.1 有限元分析 5
2.2 ABAQUS软件11
3 SWD4型十字轴式万向联轴器的有限元分析 13
3.1 十字轴的受力分析13
3.2 十字轴的有限元分析14
3.3 有限元分析的结果19
结论27
致谢28
参考文献29
1 绪论
1.1 十字轴式万向联轴器的简介
十字轴式万向联轴器又称为万向节，适合用于连接轴线有一定偏斜、并且相对位置经常发生变化的两个相交轴，来传递运动和转矩。这种联轴器有传递功率大、结构比较紧凑等优点，在拖拉机、汽车和轧钢机等传动装置获得广泛应用，属于机械通用部件。十字轴式万向联轴器是空间球面四杆机构，主动轴与从动轴间可以在任意方向偏斜a角，可达35°~45°。在工作过程中，当主动轴转动了1周，从动轴也相应的转动1周，但是两轴的瞬时传动比在不断地变化，伴随振动、冲击等动载荷，再加上如果润滑条件不够理想，都会使十字轴式万向联轴器活动连接零件间的磨损加剧，导致工作状况进一步恶化。因此，十字轴式万向联轴器是易损坏部件，经常成为传动装置中的薄弱环节。
十字轴式万向联轴器的主要部件由主、被动叉头与十字包组成，十字轴为传递动力的中间受力元件。被列入国家标准的十字轴式万向联轴器有：JB5513 SWC型整体叉头十字轴式万向联轴器、SWP型剖分轴承座十字轴式万向联轴器、JB3241和JB3242 SWZ 型整体轴承座十字轴式万向联轴器。SWP型剖分轴承座十字轴式万向联轴器和SWZ型整体轴承座十字轴式万向联轴器对十字轴的装配比较方便，也为十字轴的尺寸设计提供了较大的选择范围，但由于联结的环节比较多，工作中故障率比较高，使得工作的可靠性受到影响，因此选择时受到了限制，应用较少；由于SWC型整体叉头十字轴式万向联轴器中的十字轴采用无螺栓联接，连接环节较少，降低了故障率，工作可靠，因此使用比较普遍。
图1-1 十字轴式万向联轴器
十字轴式万向联轴器特点有：1.较大的角度补偿能力。轴线折角可达15度~25度。2.结构紧凑合理。采用整体式叉头，使运载更具有可靠性。3.承载能力大。与回转直径相同的其他型式的联轴器相比较其所传递的扭矩更大，此对回转直径受限制的机械设备，其配套范围更具优越性。4.传动效率高。其传动效率达98~99.8%,用于大功率传动，节能效果明显。5.运载平稳，噪声低，装载维护方便。
1.2万向联轴器的研究现状
20世纪初汽车工业快速发展起来，使人们逐渐对万向联轴器有了新认识，并开始加以重视。目前对联轴器研究水平比较高的国家仍集中在一些欧美发达国家，如美国、日本、德国、英国、俄罗斯、罗马尼亚等国。十字轴式万向联轴器是最早应用于生产实践的一种万向联轴器，也是应用范围最广的一种，各国传动机构学方面的学者都对其十分重视，但是对系统的动力学、运动学及弹塑性和振动研究还只是近二十几年的事。
来自德国柏林大学的工程博士JurgenHabich的研究表明：双十字轴式万向联轴器在实际应用时，中间轴的长度随机变化导致扭转刚度也随之变化，这样，将影响万向联轴器扭转振动，他先从理论角度分析了双十字轴式万向联轴器的扭转振动情况，然后进行实验，并将实验结果与理论值进行了比较得出最终结论。
美国哥伦比亚大学机械工程系的Frendenstein博士及其助手运用二元数方法对单十字轴万向联轴器运动精度及其运动副受外载的影响进行了分析。1984年，西德工程师协会对联轴器的研究现状进行了分析后得出：今后联轴器都的发展方向一般为通过研究提高已有的各种联轴器的极限转速、提高其最大扭矩，以此来实现高转速高功率传递。
近年来由于经济发展的需要，我国联轴器行业如雨后春笋般蓬勃发展起来。新发明、新改进不断涌现。青岛科技大学的常德功教授发明的三叉竿式万向联轴器就有许多优点，如结构简单，制造、安装、维修简便等，具有广阔的应用前景。常德功教授曾在《三叉杆式万向联轴器采用调心轴承时的运动分析》中分析了三叉杆式万向联轴器采用调心轴承时输出轴转角和输入轴转角之间的关系，并得出这种联轴器为准等角速传动万向联轴器的结论，讨论了轴偏转角大小对输出、输入转角差值的影响。分析表明，这种联轴器中转角差值的变化周期是输入轴自转周期的三倍。
另外四川省成都张博惠发明的新型万向联轴器、温州朱启良发明的十字轴式万向联轴器、李君佑发明的万向节等等，都标志着我国的联轴器事业走上了较为成熟的阶段。
由于十字轴式万向联轴器的理论比较成熟，各方面的数据也比较充分。所以许多学者希望在运动学方面进行完备的分析，以便为开发或分析新型的联轴器打下基础。动力学的发展使人们对联轴器的研究更加深入。要想实现联轴器转轴转速的提高和质量的减轻，不能不考虑联轴器的振动和弹性变形等问题。
1991年同济大学喻怀正教授的学术会以论文《十字轴万向联轴器的振动研究》，首次提出以整个十字轴式万向联轴器传动为研究系统，用适合计算机计算的传递矩阵法进行振动分析研究。研究表明：为减少系统的振动程度，设计时除了应该尽量减少传动角和转动惯量外，更应尽量使系统的转动角速度避开各阶段固有频率。随着机械系统的高速化、精密化，联轴器的弹性动力学分析将成为必然，但这一部分的研究在国内尚处于起步阶段。
1996年上海工程技术大学的朱金榴在《万向联轴器十字轴的运动学和动力学方程》一文中，对绕定点转动的十字轴进行运动学、动力学分析，引入欧拉矩阵，解出广义坐标和欧拉角之间的换算关系。将传统的欧拉运动方程、欧拉动力学方程配以矩阵形式，解出三维的瞬轴方程、绕瞬轴角速度、角加速度和惯性力矩。
在受力分析方面，武汉大学王慧珍教授在《计入摩擦力和惯性力的三叉式万向联轴器的受力分析》一文中，针对工程实际，对同时计入摩擦力和惯性力的三叉式万向联轴器的力学表达式，并结合实例对这种联轴器的受力进行了数值分析。力分析的结果可为轴承的设计提供理论依据和参考，其简化的计算公式为工程计算提供了方便。
同济大学教授毛培芳在《十字轴万向联轴器的失效分析和结构改进》中指出：1.十字轴式万向联轴器是工程机械常用的传动部件，又是易损件，对十字轴式万向联轴器进行失效分析和结构改进，将有助于延长其使用寿命和产品的更新换代。2.国内外十字轴式万向联轴器的生产、使用和维护等方面情况进行理论分析和实例统计表明，十字轴式万向联轴器的主要失效形式有：滚针轴承磨损，十字轴凹痕、点蚀和剥落、节叉孔磨损和变形。3.十字轴式万向联轴器的结构改进有多种途径，如使滚针轴承中的接触应力均与分布，改善滚珠轴承的润滑与密封条件，防止十字轴轴向窜动和增加节叉刚度等。
清华大学杨康乐教授在《大型十字轴万向联轴器的受力分析》一文中，以上钢五厂100mm直径穿孔机组所用大型十字轴式万向联轴器为对象，对联轴器的受力状况以
十字轴式万向联轴器广泛的应用于冶金轧制设备、机械工程、船舶、机车等工业设备领域；该产品规格较多，而且常常遇到非标准设计的情况，研究出一种快捷方便的设计开发方案具有重要的意义。本文以一种应用于农用车上的联轴器——十字轴式万向联轴器为研究对象，以大型CAE软件——ABAQUS为工具，研究分析了十字轴式万向联轴器在静力学、动力学等方面的内容。
首先，本文选取典型规格WSD4型十字轴式万向联轴器，进行三维设计，综合考虑影响十字轴式万向联轴器的因素。
其次，通过对WSD4型万向联轴器进行受力分析，建立简化的力学模型，求出工作面载荷；然后，建立模型，对其施加载荷和边界约束，分析得出其应力分布情况，找到其强度薄弱的区域，对其结构进行改进。
最后，对改进结构再进行有限元分析，比较改进前后十字轴的最大应力值及应力分布改善情况，得到更加合理的设计方案。
关键词：十字轴, 有限元分析, ABAQUS
1 绪论1
1.1 十字轴式万向联轴器的简介 1
1.2 万向联轴器的研究现状 2
1.3 十字轴式万向联轴器发展趋势 4
1.4 本课题研究的方法及意义 5
2 有限元分析理论及ABAQUS软件5
2.1 有限元分析 5
2.2 ABAQUS软件11
3 SWD4型十字轴式万向联轴器的有限元分析 13
3.1 十字轴的受力分析13
3.2 十字轴的有限元分析14
3.3 有限元分析的结果19
结论27
致谢28
参考文献29
1 绪论
1.1 十字轴式万向联轴器的简介
十字轴式万向联轴器又称为万向节，适合用于连接轴线有一定偏斜、并且相对位置经常发生变化的两个相交轴，来传递运动和转矩。这种联轴器有传递功率大、结构比较紧凑等优点，在拖拉机、汽车和轧钢机等传动装置获得广泛应用，属于机械通用部件。十字轴式万向联轴器是空间球面四杆机构，主动轴与从动轴间可以在任意方向偏斜a角，可达35°~45°。在工作过程中，当主动轴转动了1周，从动轴也相应的转动1周，但是两轴的瞬时传动比在不断地变化，伴随振动、冲击等动载荷，再加上如果润滑条件不够理想，都会使十字轴式万向联轴器活动连接零件间的磨损加剧，导致工作状况进一步恶化。因此，十字轴式万向联轴器是易损坏部件，经常成为传动装置中的薄弱环节。
十字轴式万向联轴器的主要部件由主、被动叉头与十字包组成，十字轴为传递动力的中间受力元件。被列入国家标准的十字轴式万向联轴器有：JB5513 SWC型整体叉头十字轴式万向联轴器、SWP型剖分轴承座十字轴式万向联轴器、JB3241和JB3242 SWZ 型整体轴承座十字轴式万向联轴器。SWP型剖分轴承座十字轴式万向联轴器和SWZ型整体轴承座十字轴式万向联轴器对十字轴的装配比较方便，也为十字轴的尺寸设计提供了较大的选择范围，但由于联结的环节比较多，工作中故障率比较高，使得工作的可靠性受到影响，因此选择时受到了限制，应用较少；由于SWC型整体叉头十字轴式万向联轴器中的十字轴采用无螺栓联接，连接环节较少，降低了故障率，工作可靠，因此使用比较普遍。
图1-1 十字轴式万向联轴器
十字轴式万向联轴器特点有：1.较大的角度补偿能力。轴线折角可达15度~25度。2.结构紧凑合理。采用整体式叉头，使运载更具有可靠性。3.承载能力大。与回转直径相同的其他型式的联轴器相比较其所传递的扭矩更大，此对回转直径受限制的机械设备，其配套范围更具优越性。4.传动效率高。其传动效率达98~99.8%,用于大功率传动，节能效果明显。5.运载平稳，噪声低，装载维护方便。
1.2万向联轴器的研究现状
20世纪初汽车工业快速发展起来，使人们逐渐对万向联轴器有了新认识，并开始加以重视。目前对联轴器研究水平比较高的国家仍集中在一些欧美发达国家，如美国、日本、德国、英国、俄罗斯、罗马尼亚等国。十字轴式万向联轴器是最早应用于生产实践的一种万向联轴器，也是应用范围最广的一种，各国传动机构学方面的学者都对其十分重视，但是对系统的动力学、运动学及弹塑性和振动研究还只是近二十几年的事。
来自德国柏林大学的工程博士JurgenHabich的研究表明：双十字轴式万向联轴器在实际应用时，中间轴的长度随机变化导致扭转刚度也随之变化，这样，将影响万向联轴器扭转振动，他先从理论角度分析了双十字轴式万向联轴器的扭转振动情况，然后进行实验，并将实验结果与理论值进行了比较得出最终结论。
美国哥伦比亚大学机械工程系的Frendenstein博士及其助手运用二元数方法对单十字轴万向联轴器运动精度及其运动副受外载的影响进行了分析。1984年，西德工程师协会对联轴器的研究现状进行了分析后得出：今后联轴器都的发展方向一般为通过研究提高已有的各种联轴器的极限转速、提高其最大扭矩，以此来实现高转速高功率传递。
近年来由于经济发展的需要，我国联轴器行业如雨后春笋般蓬勃发展起来。新发明、新改进不断涌现。青岛科技大学的常德功教授发明的三叉竿式万向联轴器就有许多优点，如结构简单，制造、安装、维修简便等，具有广阔的应用前景。常德功教授曾在《三叉杆式万向联轴器采用调心轴承时的运动分析》中分析了三叉杆式万向联轴器采用调心轴承时输出轴转角和输入轴转角之间的关系，并得出这种联轴器为准等角速传动万向联轴器的结论，讨论了轴偏转角大小对输出、输入转角差值的影响。分析表明，这种联轴器中转角差值的变化周期是输入轴自转周期的三倍。
另外四川省成都张博惠发明的新型万向联轴器、温州朱启良发明的十字轴式万向联轴器、李君佑发明的万向节等等，都标志着我国的联轴器事业走上了较为成熟的阶段。
由于十字轴式万向联轴器的理论比较成熟，各方面的数据也比较充分。所以许多学者希望在运动学方面进行完备的分析，以便为开发或分析新型的联轴器打下基础。动力学的发展使人们对联轴器的研究更加深入。要想实现联轴器转轴转速的提高和质量的减轻，不能不考虑联轴器的振动和弹性变形等问题。
1991年同济大学喻怀正教授的学术会以论文《十字轴万向联轴器的振动研究》，首次提出以整个十字轴式万向联轴器传动为研究系统，用适合计算机计算的传递矩阵法进行振动分析研究。研究表明：为减少系统的振动程度，设计时除了应该尽量减少传动角和转动惯量外，更应尽量使系统的转动角速度避开各阶段固有频率。随着机械系统的高速化、精密化，联轴器的弹性动力学分析将成为必然，但这一部分的研究在国内尚处于起步阶段。
1996年上海工程技术大学的朱金榴在《万向联轴器十字轴的运动学和动力学方程》一文中，对绕定点转动的十字轴进行运动学、动力学分析，引入欧拉矩阵，解出广义坐标和欧拉角之间的换算关系。将传统的欧拉运动方程、欧拉动力学方程配以矩阵形式，解出三维的瞬轴方程、绕瞬轴角速度、角加速度和惯性力矩。
在受力分析方面，武汉大学王慧珍教授在《计入摩擦力和惯性力的三叉式万向联轴器的受力分析》一文中，针对工程实际，对同时计入摩擦力和惯性力的三叉式万向联轴器的力学表达式，并结合实例对这种联轴器的受力进行了数值分析。力分析的结果可为轴承的设计提供理论依据和参考，其简化的计算公式为工程计算提供了方便。
同济大学教授毛培芳在《十字轴万向联轴器的失效分析和结构改进》中指出：1.十字轴式万向联轴器是工程机械常用的传动部件，又是易损件，对十字轴式万向联轴器进行失效分析和结构改进，将有助于延长其使用寿命和产品的更新换代。2.国内外十字轴式万向联轴器的生产、使用和维护等方面情况进行理论分析和实例统计表明，十字轴式万向联轴器的主要失效形式有：滚针轴承磨损，十字轴凹痕、点蚀和剥落、节叉孔磨损和变形。3.十字轴式万向联轴器的结构改进有多种途径，如使滚针轴承中的接触应力均与分布，改善滚珠轴承的润滑与密封条件，防止十字轴轴向窜动和增加节叉刚度等。
清华大学杨康乐教授在《大型十字轴万向联轴器的受力分析》一文中，以上钢五厂100mm直径穿孔机组所用大型十字轴式万向联轴器为对象，对联轴器的受力状况以
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