基于有限元分析的十字轴式万向联轴器设计与研究

1、分类号：_密级：_：_单位代码：_ 安徽工业大学硕士学位论文论文题目：基于有限元分析的十字轴式万向联轴器设计与研究学号： 20210095 作 者： 专 业 名 称： 机械制造及其自动化 2021年11月09日摘要十字轴式万向联轴器广泛应用于冶金轧制主辅设备、工程机械、船舶、机车等工业领域；该产品规格多，且常遇到非标设计的情况，研究一种快速方便的设计开发方法具有重要意义；本文采用Pro/E、Pro/MecHANica、ANSYS、AtuoCAD等现代设计方法，对该产品进行三维造型设计、有限元分析、装配及干预检验；不仅大大提高产品开发的效率和质量，而且也为后续开发出可视化操作界面系统打下了良好的

2、根底。首先，本文选取典型规格SWC-900十字轴式万向联轴器，进行三维造型设计、装配体零件之间干预检验及检验了装配过程路径的可行性；综合考虑影响十字轴式万向联轴器的因素，充分利用材料潜能的根底上，对SWC-900规格万向联轴器关键零件单体ANSYS有限元计算，经过反复修改模型再计算，使得关键零件具有足够的强度、刚度。其次，通过对SWC-900规格万向联轴器进行整体建模、边界条件确实定与施加、有限元网格的划分和建立接触对及静力学分析求解的全过程进行研究，实现了整体有限元分析；并与单体有限元分析结果进行比拟，验证了所得出的设计方法及原那么的正确性。最后，结合SWC十字轴式万向联轴器其系列化产品的根

3、本结构具有相似性、规格变化呈现一定规律等特点，以SWC-900规格十字轴式万向联轴器数字化样机为模型，提出了快速方便地开发SWC-1200规格十字轴式万向联轴器的方法和操作步骤。一种基于Pro/ENGINEER、Pro/MECHANICA及ANSYS等软件对SWC十字轴式万向联轴器系列化产品的开发方法；克服了传统设计方法设计工作量大、容易出错、且不利于反复修改计算再设计的缺点；能快速方便地用于数字化样机系列化设计，也可以快捷地对每个规格进行有限元分析和装配干预检验，设计出的十字轴式万向联轴器与同规格测绘产品相比，承载能力提高10%以上。关键词：万向联轴器；有限元分析；三维设计；系列化设计方法D

4、esign and Research of Cross-axle Universal Shaft Coupling Based on Finite Element AnalysisAbstractThe Cross-axle Universal Shaft Coupling is widely used, such as auxiliary equipment, metallurgical rolling, engineering machinery, ships, locomotives and other industrial fields.As the product specifica

5、tions, there are many non-standard design, so it is important to propose a method for quickly and easily design and development tools in this paper.Modern design methods to be applied， using softwares such as Pro/E、Pro/MecHANica、ANSYS、AtuoCAD.And The product not only improve the efficiency of produc

6、t development and quality of design by using three-dimensional (3-D) finite element analysis (FEA)，assembly and interference testing.The analysis of data is a good foundation for the subsequent development of visual interface system.Firstly,the SWC-900 Cross-axle Universal Shaft Coupling is selected

7、 in the paper,When designing the three-dimensional modeling is complete and all parts are assembled into a machine; checking the interference between the parts assembly, and testing the feasibility of the assembly process path.The key part is calculated by ANSYS software; modifing the model after re

8、peated re-calculated so that key parts have sufficient strength.Secondly,design of the most optimization.Finite Element Analysis on the Monolithice Structure of SWC- 900 specifications cross shaft universal coupling is made in the process of the division of finite element mesh, boundary conditions i

9、mposed and establishing contact pair,static analysis and solution.Lastly,According to the basic structure of its series of products with similar specifications and showing changes in certain laws,SWC-1200 Type Cross-axis universal joint prototype model is quickly and easily developed In accordance w

10、ith the SWC-900 prototype.Based on Pro / ENGINEER, Pro / MECHANICA and ANSYS software ，Cross shaft universal coupling SWC series products have been developed. New method overcome theshortcomings with the heavy workload，error-prone of traditional design, and calculation can not be modified once again

11、 re-engineering. the New method can quickly and easily prototype series for digital design, it also can quickly assemble the finite element analysis and interference detection for each specification of products, Moreover, compared with the same specifications of mapping products, the method design a

12、 universal coupling cross shaft carrying capacity increased by 10% or more.Key Words：Universal coupling,Finite element analysis,Complex three-dimensional modeling,Series design目录摘要1AbstractII第一章 绪论11.1 十字轴式万向联轴器的简介11.2 万向联轴器国内外研究概况11.3 十字轴式万向联轴器开展趋势41.4 本课题研究的内容、方法和意义5 研究内容和方法5 研究意义6第二章 十字轴式万向联轴器三维造

13、型设计及装配干预检测72.1 Pro/E三维软件在本文应用的主要特性72.2 十字轴式万向联轴器三维造型设计72.2.1 SWC-900规格十字轴式万向联轴器叉头三维设计72.2.2 SWC-900规格十字轴式万向联轴器十字轴三维设计92.3 SWC-900叉头、十字包有限元的模型创立112.3.1 SWC-900叉头有限元模型的创立112.3.2. SWC-900十字包有限元模型的创立122.4 十字轴式万向联轴器三维造型装配122.4.1 SWC-900十字轴式万向联轴器总装及检查干预132.4.2 SWC-900叉头与十字轴装配过程干预检测152.5 本章小结16第三章十字轴式万向联轴器

14、叉头的有限元分析173.1 ANSYS与Pro/E的接口技术的简述173.2 叉头有限元分析173.2.1 约束处理173.2.2 载荷处理183.2.3 建立分析193.2.4 网格划分203.2.5 有限元计算203.2.6 强度计算213.2.7 刚度计算223.3 本章小结23第四章 十字轴式万向联轴器整体有限元分析244.1 整体有限元分析的意义244.2 建立十字轴式万向联轴器有限元模型和网格划分244.2.1 建立十字轴式万向联轴器整体和十字包有限元模型244.2.2 网格划分254.3 约束与计算274.3.1 约束274.3.2 加载274.3.3 接触问题的处理284.4

15、十字轴式万向联轴器整体有限元分析294.4.1 整体分析SWC-900规格叉头有限元结果304.4.2 整体分析十字包有限元分析结果334.5 本章小结36第五章 十字轴式万向联轴器系列化设计385.1 十字轴式万向联轴器系列化设计的意义385.2 十字轴式万向联轴器系列化设计开发流程385.3 十字轴式万向联轴器新规格开发实例395.3.1 SWC-1200规格十字轴式万向联轴器叉头设计395.3.2 建立SWC-1200十字轴及十字轴包模型405.3.3 SWC-1200整体装配体干预415.3.4 SWC-1200叉头与十字轴装配过程干预检测415.3.5 SWC-1200叉头有限元计算

16、分析425.3.6 SWC-1200规格万向联轴器叉头修改并确定模型435.3.7 创立SWC-1200十字轴式万向联轴器叉头工程图455.3 本章小结46第六章 结论和展望476.1 结论476.2 展望48参 考 文 献49附录52在学研究成果56致谢57第一章 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是一种应用广泛的机械部件工业万向联轴器，有别于大量生产的汽车万向节,这里主要是指黑色及有色冶金轧制主辅设备、橡胶机械、造纸机械、工程机械、船舶、机车等工业领域使用的十字轴式万向联轴器1。十字轴式万向联轴器是一种通用的传动根底件，用于联接不在同一轴线的两传动轴，传递转矩和运动，而

17、且在运转过程可以随时改变两轴的轴间角2。万向联轴器用于联接轴线相交的两轴以传递运动和扭矩并且能在两轴线夹角发生变化时，保证所联接两轴连续回转，可靠地传递扭矩4。在我国中小型轧钢机上，用的较为普遍的联轴器有：梅花万向接轴、滑块万向接轴、弧形齿接轴、十字头万向接轴及十字轴式万向联轴器。梅花万向接轴和弧形齿接轴许用倾角小；滑块式万向接轴润滑条件差;十字头式力向接轴由于在叉头中安装了外径较大的滚动轴承，叉头强度较弱3。十字轴式万向联轴器通常有两种结构形式:1. 别离式十字轴式万向联轴器。其结构形式是联轴器叉头由别离的轴承盖与轴承座用螺栓连接。这种形式的结构，在冲击载荷作用下，螺栓容易松动和断裂，而且螺

18、栓占用了空间，许用倾角小，限制了联轴器的范围3。2. 整体式无螺栓十字轴式万向联轴器。结构上采用了整体叉头，无螺栓连接，弥补了别离式十字轴式万向联轴器的上述缺点3。 本论文研究的十字轴式万向联轴器属于上述第二种结构形式。1.2 万向联轴器国内外研究概况目前世界上对联轴器研究水平较高的国家仍然集中在欧美达国家，如德国、俄罗斯、美国、日本、英国、罗马尼亚等国。十字轴式万向轴器5是最早被应用于生产实践中的一种万向联轴器，也是应用最广的一种各国的传动机构学方面的学者都对其特别的重视，但对其进行系统的运动学动力学以及振动和弹塑性研究还只是近二十几年的事。第一个万向联轴器早在1663年就由英国物理学家(R

19、boertHook)制造而成类似现在的十字轴式万向联轴器，在1683年虎克产生了用二个万向联轴器来抵消单个万向联轴器传动转速不均匀性的想法6。1933年福特工程师AlfredRz即Pa首先成功的研制出了现代意义上的球笼式万向联轴器，通过带有分度杆控制的球笼为钢球导向。德国柏林大学的工程博士JurgenHabich的研究说明：双十字轴万向联轴在实际应用时中间轴长度随机变化时其扭转刚度也随之变化，这样，对于万联轴器扭转振动来说将产生影响。他先从理论上分析了双十字轴万向联轴器扭振情况，随后进行了实验，并将实验结果与理论值进行了比拟。近年来我国的专家学者在联轴器的设计方面也取得了一定的成果。1995年

20、我国李淑民创造了球头柱销万向联轴器，它是一种结构极为简单且易于制造的等速万向联轴器，指出其既保存了原型结构简单和易于制造的特点,又具备了磨损速率低,承载能力高及使用寿命长的新特点,因而这种新型等速万向节更具有实用价值7。2002年我国的肖生发设计了一种新型等角速环叉式万向联轴器。是一种高性能的新型等速万向节环叉式万向节。它的两项主要技术指标：最大工作夹角，最大转角差，它的技术性能上到达了球笼式联轴器的水平，且具有加工制造容易、本钱低廉、优点8。随着工业与科学技术的飞速开展，尤其是随着计算机技术的开展，一些新的现代设计理论与方法也被引入到联轴器的设计中来。在万向联轴器的设计与优化方面，美国的S.

21、R.Huunlle研究了基于系统方法来设计和优化理想的和带制造公差的十字轴式万向联轴器，得出在给定轴间夹角和扭矩时使联轴器直径最小的关系式，建立了系统不同零件之间不发生干预的关系方程，以确保不发生干预910。在设计方面，因SWZ型十字万向接轴承载能力达不到设计要求，经常出现轴承座螺栓裂纹、断裂及十字轴断裂等事故，影响轧机正常生产。通过增大联轴器回转直径和轴承座螺栓尺寸，降低了联轴器事故的发生；采用6个M39螺栓改型联轴器及无螺栓结构的SWC整体式联轴器，整体寿命提高至1年，无螺栓联接的整体叉头式万向联轴器得到了应用11。国内学者针对整体叉头式十字万向联轴器较多研究；张宏梅、黄康等人以轨钢机上无

22、螺栓十字轴万向联轴器又头为例,建立了叉头的三维有限元分析模型,并运用程序进行静力学分析,找出了叉头的应力集中区和最大应力值,分析了叉头发生破坏的原因,提出了叉头结构设计时可采取的措施12。张显、李友荣等人运用ANSYS 程序对辊端叉头进行三维有限元分析,找出其危险部位,确定其能长期承受的扭矩和短时能承受的最大扭矩。并对辊端叉头的结构和维护提出改良意见13。晋萍，仝基斌，谢能刚等学者以现代设计理论与现代设计方法为根底，基于CATIA软件实现SWL型十字轴式万向联轴器结构的三维造型、装配、干预分析、有限元分析、工程图设计一体化，使设计、分析、试验和制造过程中的所有工作能同时完成，用数字化形式代替传

23、统的实物联轴器实验，这将大大简化联轴器的设计开发过程，提高产品质量与竞争力，获得最优化和创新的设计产品14。柯尊忠、张宏梅等人以文章以轧钢机上的无螺栓十字轴万向联轴器为例, 建立三维有限元分析模型,并进行静力分析,找出叉头的应力集中区和最大应力值。为了使叉头的最大应力减小,提高叉头强度及结构的工艺性,对叉头的内轮廓进行形状优化设计,提出了一种简单的“圆弧直线圆弧型的曲线来作为叉头的内轮廓曲线, 并利用复合形法进行优化设计,得到最优的叉头结构参数15。 夏云强对两种结构的十字轴式万向联轴器辊端接头进行了分析,从应力和利用材料两个方面进行了比照16。无螺栓联接的整体叉头式万向联轴器得到了应用17，

24、合肥工业大学的柯尊忠等人对无螺栓十字轴式万向联轴器建立了整体又头的有限元模型，为了使叉头的最大应力减小，对叉头的内轮廓进行形状优化设计18。这些主要通过有限元分析，对单个零件进行静力学分析,找出叉头的应力集中区和最大应力值，进而进行结构参数的改良及优化，提高十字轴、叉头、花键副等主要零部件的承载能力。以上有限元分析研究根本上是对叉头等零件单独进行有限元计算，由于约束条件及载荷添加与实际情况有较大出入，一般计算结果与材力计算结果差距较大，偏于保守，不利于选型。也有学者将万向联轴器三维模型建好并装配好，对其进行整体有限元分析，其计算结果可信度高。刘莺、李友荣、刘安中等人对某厂R2轧机主传动系统建立

25、接触对并作整体有限元分析,利用整体分析结果,建立辊端万向联轴器的子模型,找出叉头危险点的位置,针对辊端叉头危险位置的应力集中现象提出结构改良方案19。对其它规格整体分析有很好的参考价值。实践证明,十字轴式万向联轴器的主要失效形式为十字轴的断裂、轴颈及叉头内孔外表出现塑性压痕或点蚀剥落。显然,这是由于轴颈上载荷引起的应力超过了材料的许用极限与接触应力极限所致，而且应该考虑疲劳载荷的影响。万向接轴是轧机主传动系统的关键部件,具有结构复杂、工作时承受随机冲击扭矩等特点。在分析轧机主传动万向接轴受力特点的根底上,提出应以轧机冲击扭矩载荷谱作为主传动万向接轴的疲劳设计载荷;计及低于疲劳极限的应力循环对裂

26、纹开展的影响,采用修正后的材料p2S2N 曲线并运用累积损伤理论对万向接轴进行随机疲劳设计和寿命预测。提出的轧机主传动万向接轴随机疲劳设计方法同样适合于具有同类载荷特征机械零件或结构的疲劳设计20。对其他疲劳载荷下的设计研究有极高的研究价值。从使用角度看，刘安中、李友荣等学者采用机械检测、三维有限元、材料机械性能及金相组织分析等现代综合分析方法,对某厂中板轧机主传动系统万向联轴器十字轴断裂事故进行分析,确定了事故的主要原因21。也有的学者提出为使十字轴式万向联轴器长寿命服股,可以设置转矩测试系统控制转矩;通过监测输入及输出设备的位置控制联轴器的空间位置,以减少附加力矩的影响;控制平衡力及轴承间

27、隙等技术控制措施,防止联轴器过早失效或损坏22。刘曼远、张敬贤、杨佩兰等人介绍了轧钢机传动中万向轴联轴器的应用和现状以及对其进行的改良研究,简述了目前几种万向联轴器在使用中存在的优点及缺乏,提出了改变中间受力元件受力状态,突破传统形式的万向联轴器结构,是新型联轴器在结构上的研究方向,用具体数据说明了使用改良后的万向联轴器的应用情况以及所带来的经济效益23。这些对设计及使用有参考意义。在万向联轴器动力学研究方面，美国的A.JMazzeiJr和R.A.Scott研究了单万向联轴器的动力学稳定性问题。提出由于从动轴受到波动的角速度和扭矩，使从动轴产生振动。针对从动轴的横向振动，建立了刚体与柔体两种模

28、型，主要是将从动轴的输出端连接在阻尼弹性轴承上，列出了动力学微分方程，得出柔性模型产生了新的振动区域24。他们又针对文献24中单值矩阵技术计算时比拟耗时，采用了刚性体模型，运用hill的无群决定理论计算了单万向联轴器的主要参数的响应区域口25。A.JMazzeiJr还讨论了万向联轴器的从动柔性轴在外部阻尼与内部阻尼两种情况下动力特性26。我国常德功等学者针对工程实际,计入摩擦力和惯性力对三叉杆滑移式万向联轴器的输入轴套筒进行动力学分析,在运动分析的根底上对三叉杆滑移式万向联轴器的受力提出一种分析模型后,利用此模型建立了既简单又实用的三叉杆滑移式万向联轴器的力学表达式。其简化的力学公式为工程计算

29、提供了方便27。首先建立双联三叉杆式万向联轴器的模型；接着运用有限元分析软件ANSYS 建立有限元模型；最后在机械系统动力学软件ADAMS中完成整个系统的振动分析，为以后动力特性中的响应分析打下了根底28。在多刚体动力学的理论根底上,利用目前流行的多体动力学软件ADAMS,对双联三叉杆万向联轴器进行了动力仿真,得到了许多可视化的结果。证明了此种联轴器在传动中受力相当复杂,并得出了一些定性的结论,为这种联轴器的进一步研究开发打下了根底29。以上利用ADAMS软件进行了动力学仿真分析及振动分析，获得了系统的固有振动频率，得到了输入轴转角的变化曲线、输入轴角速度的变化曲线、小杆受力曲线、轴颈受力曲线

30、等许多可视化的结果。对万向联轴器进行动力学方面的研究是很有意义也是很有必要的，以上对三叉杆万向联轴器进行的动力学研究也仅是初步探讨，其方法对十字轴式万向联轴器的动力学研究有参考价值。1.3 十字轴式万向联轴器开展趋势随着市场的开展，对联轴器的要求也越来越高，未来的联轴器无论是材料、品种、结构、成型方式、性能还是加工工艺等方面都必将有较快开展，从国内外的开展趋势看，一方面是如何提高它的承载能力和质量，延长使用寿命；另一方面是如何扩大它的应用范围，以满足多种机械设备的需要。预计以下几方面开展趋势会在行业中得到较快应用和推广。1.多种材质、多种颜色、多层多腔、多种成型方法一体化的联轴器将得到开展。与

31、快速成型技术相结合的RP/RT技术将得到快速开展。2.联轴器设计、加工及各种管理将向数字化、信息化方向开展CAD/CAE/CAM/CAPP及PDM/PLM/ERP等将向智慧化、集成化和网络化方向开展。逆向工程、并行工程、复合加工乃至虚拟技术将进一步得到开展。3.更高速、更高精度、更加智慧化的各种联轴器加工设备将进一步得到开展和推广应用。各种外表处理技术，如涂覆、修补、研磨和抛光等新工艺也会不断得到开展。4.联轴器标准化程度将不断提高。5.“绿色联轴器的概念已逐渐被提到议事日程上来。即，今后的联轴器，从结构设计、原材料选用、制造工艺及联轴器修复和报废，以及联轴器的回收利用等方面，都将越来越考虑其

32、节约资源、重复使用、利于环保，以及可持续开展这一趋向。在以上开展趋势中，应将大力开展十字轴式万向联轴器设计方法研究、提高产品的开发能力放在首位，因为在设计开发过程中要将新材料应用、工艺改良等等多方面因素考虑进去。将开发工作尽量往前推，甚至在尚无明确用户对象之前进行开发，打破长期以来联轴器厂只能等有了合同、才能根据用户要求进行联轴器设计制造的被动局面。所以，进行大型或十字轴式万向联轴器的设计方法研究和性能分析，开发出技术含量高、寿命长的产品，意义显著。1.4 本课题研究的内容、方法和意义1.4.1 研究内容和方法1.典型规格SWC-900十字轴式万向联轴器三维设计，十字轴式万向联轴器外形复杂，利

33、用Pro/E软件对其三维造型设计，包括叉头、十字轴、十字包、轴承等，并在极限倾斜情况下，进行装配过程干预检验，为有限元分析、三维装配及系列化一般设计打下根底。2.SWC-900十字轴式万向联轴器叉头单体有限元分析及联轴器整体有限元分析，利用已设计的三维模型，在Pro/E MECHANICA中就叉头单体前处理，生成*.ans文件，再导入ANSYS软件中进行单体有限元计算，然后再对整体模型进行有限元计算。将单体和整体ANSYS计算的结果进行分析比拟，综合考虑影响大型十字轴式万向联轴器的因素，充分利用材料潜能的根底上，对大型十字轴式万向联轴器设计的缺乏，改良其结构和参数，反复修改模型再计算，确定出满

34、足设计要求和工艺要求的其最优化结构形式，探讨提高标准联轴器承载能力10%的可能性；并确定系列化设计时用有限元单体分析方法还是整体有限元分析方法。3.十字轴式万向联轴器系列化产品开发方法研究。十字轴式万向联轴器产品规格多，且用户常根据自身的使用环境提出非标产品需求，本局部研究探讨快捷方便的新规格产品的开发设计方法，根据典型规格十字轴式万向联轴器零件结构，利用Pro/E的缩放功能，生成新规格，本文将以SWC-1200十字轴式万向联轴器为例说明开发过程，再进行每个规格的单体叉头有限元分析和装配干预检验，形成可靠的系列化设计方法。1.4.2 研究意义大型十字轴式联轴器在冶金轧制主辅设备、工程机械、船舶

35、、机车等工业领域得到了越来越广泛的使用，用传统的材料力学设计方法，设计工作量大、容易出错，且不利于反复修改设计再设计。而机械设计过程是将产品设计市场需求映射成产品功能要求，并将功能要求转化成能实现该功能要求的产品几何结构的过程30。因此，研究和探索利用Por/E软件及ANSYS软件，可以方便地经过反复修改模型再计算，较快确定出满足设计要求和工艺要求的大型十字轴联轴器结构形式的一种方法，是具有重要意义的。一方面有利于设计人员方便地进行系列化产品设计开发和产品创新，另一方面拟开发出新一代使用寿命长、承载能力高、运行可靠效率高的万向联轴器新产品。在设计开发过程中，要将新材料应用、工艺改良等等多方面因

36、素考虑进去，所以应将开展十字轴式万向联轴器设计方法研究、提高产品的开发能力放在首位。将开发工作尽量往前推，打破长期以来联轴器厂只能等有了合同才能根据用户要求进行联轴器设计制造的被动局面。制造业信息化是国家大力推广的技术之一，本论文根据企业的技术现状，针对大型十字轴式万向联轴器进行CAD/CAE/CAM系统一体化的局部研究与应用，在设计中，对结构、应力、变形等的有限元分析及优化设计方法进行研究，将现代设计方法用于十字轴式万向联轴器典型机械产品开发获得优化的结构参数，充分利用材料的潜能具有足够的平安系数前提下，使其设计及选型更为先进合理，进而为将设计结果自动编成工艺及数据加工程序、实现设计、制造的

37、无缝连接、进一步实现网络制造技术等打下根底。第二章 十字轴式万向联轴器三维造型设计及装配干预检测2.1 Pro/E三维软件在本文应用的主要特性Pro/E系统是美国参数技术公司(Parametric TechnologyCorporation，简称PTC)的机械产品设计软件31。单一数据库、参数化、基于特征、全相关等有PTC公司提出的概念改变了机械CAD/CAE/CAM的传统观念，这种全新的概念己成为当今世界机械CAD/CAE/CAM领域的新标准。也正是因为单一数据库、全相关这些概念，方便了用户使用Pro/E生成不同格式的文件，以完成概念设计与渲染、零件设计、虚拟装配、功能模拟、生产制造等整个生

38、产过程。Pro/E的参数设计化特性本论文的十字轴式万向联轴器可视化设计系统，实际是对万向联轴器参数化造型设计的可视表达，在本论文应用的主要特性3237：3D实体模型、单一数据库、以特征作为设计的单位、模型缩放功能、Pro/E MECHANICA有限元前处理功能。2.2 十字轴式万向联轴器三维造型设计以SWC-900十字轴式万向联轴器为典型规格进行三维造型设计；主要参数表见表2.1。表2.1 规格SWC-900十字轴式万向联轴器主要技术参数表D/公称扭矩/法兰直径Df/D2/lm/联接螺栓数Z螺栓直径d/倾角9004500900710760440/480070802436表中, D 标准回转直径

39、； 十字轴中心端面齿节线圆的距离；K 叉头法兰相对于端面齿节线圆的厚度。2.2.1 SWC-900规格十字轴式万向联轴器叉头三维设计根据行业标准及表2.1所示参数，自行设计，确定SWC-900型十字轴式万向联轴器的叉头主要尺寸，本论文重点研究叉头局部，因端面齿造型复杂且其形状不影响有限元分析，有些小规格采用的是巨型端面键，为了后续的一般性设计，本三维设计中未造端面齿。三维设计主要步骤如下：1. 根据表2.1所示的主要参数，通过旋转、草绘等命令，绘制十字轴式万向联轴器SWC-900的主要尺寸如下图2.1外形主要尺寸，得到效果图如图2.2所示。 图2.1 外轮廓根本尺寸 图2.2 外轮廓效果图2.

40、 在RIGHT面设置直径为380mm轴承孔，十字轴中心端面齿节线圆的距离为480mm,如图2.3所示；拉伸生成叉头的轴承孔,如图2.4所示。 图2.3 轴承孔尺寸 图2.4 叉头轴孔效果图3. 在FRONT面设置如图2.5所示的主要尺寸；拉伸生成叉头空腔,如图2.6所示。 图2.5 叉头空腔尺寸 图2.6拉伸后效果图4根据SWC-900联轴器的主要技术参数表，以两轴线中心交点为圆心，直径为500mm，画圆，再剪切掉右半圆，其主要技术参数如图 如图并将其进行拉伸。 2.7 叉头臂尺寸 2.8 叉头臂间弯曲尺寸5在法兰半径为“415mm处设置直径为38mm螺栓孔，选择工具栏中的阵列按钮选择孔的径向

41、尺寸线，输入增量为“15,再输入工程数为“23，如图2.9所示。 图2.9 螺栓孔效果图 图2.10 叉头完成图6通过旋转、拉伸，生成轴承的挡圈，并在生成的叉头根本模型根底，进行倒圆角和倒角，最终完成法兰叉头的三维设计，并保存为SWC-900叉头模型(ct900.prt)；完成模型实体如图2.10所示。2.2.2 SWC-900规格十字轴式万向联轴器十字轴三维设计根据行业标准和工况要求，确定SWC-900型十字轴式万向联轴器的十字轴主要尺寸和根本参数；进入Pro/e零件建模界面，十字轴三维设计主要步骤如下：1点击旋转命令，进入草绘，绘制个直径为503mm的圆，画一个直径为503mm的圆，再选择

42、工具栏画一直线，利用工具栏工具，剪切直线下面的半圆，利用直线封闭上面的半圆如图2.11，点击旋转命令，直径为503mm的实体球，此根底上，平移TOP面180mm创立一个基准平面Dim1，并通过拉伸命令得到图2.12。 图2.11 十字轴球体尺寸 图2.12 球体截面2. 把“Dim1基准面作为草绘平面，绘制一直径为204.62mm的圆，退出草绘环境，并在拉伸操纵板上输入长度209.50，通过镜像和GROUP1功能,得到图2.13十字轴一组轴颈 图2.13 一组十字轴轴颈 图2.14十字轴根本模型3 采用1、2步骤旋转、创立基准平面、拉伸、镜像和GROUP1等功能得到如图2.14十字轴根本模型。

43、4十字包根部的尺寸突然变化和所传递扭矩的方式，根部各应力分量急剧变化，因此，这部位是十字轴最容易发生断裂破坏的位置。在本文中，采用根部倒圆角，在圆角操纵板，在绘图区单击球与圆柱连接圆弧，并在半径输入栏中输入50，倒出半径为50mm球与圆柱的过渡圆角；如图2.15所示。 2.15 球体与轴颈圆弧过渡处 2.16 十字轴完成图5. 通过拉伸、孔工具等命令，绘置一直径为150mm、深度为36mm的凹槽和十字轴压头孔，在对称轴交点出的圆，选择工具栏中的工具退出草绘环境，在拉伸操纵板上输入长度36mm,完成模型实体如图2.16所示。2.3 SWC-900叉头、十字包简化模型的创立对模型进行简化的原因是,

44、一个精细的模型在进行有限元计算计算时，并不是一个最优良的模型，十字轴式万向联轴器实际形状及万向联轴器的负责在传递转矩和运动中比拟复杂，所以既在保证简化三维实体模型要与其实际主要的参数一致又考虑计算消耗原那么的根底上对模型做出如下简化。2.3.1 SWC-900叉头简化模型的创立对于叉头,叉头结构比拟复杂, 容易引起应力集中的区域较多,其中的一些结构对它的力学性能几乎没有什么影响,如果严格按照设计建立分析模型不但会增加不必要的工作量,而且按照这样的模型得出的分析结果和经过简化后的模型得出的结果几乎没有什么差异,并且因为叉头一些倒角和圆角的有限元网格划分问题，引起应力集中，会给分析结果造成意料不到

45、的影响。因此，依据叉头模型的结构特点、屡次有限元计算结果分析，和在实际大量损坏事故中，叉头损害处；将叉头一些对它的力学性能几乎没有什么影响倒角、倒圆角及螺栓孔去除。得到叉头有限元模型，并保存为SWC-900叉头简化模型ct900ans.prt；如图2.17所示。图2.17 SWC-900叉头简化模型2.3.2. SWC-900十字包简化模型的创立关节中的轴承简易组件特别是圆柱滚子属于易损件,在高接触应力的作用下,圆柱滚子易发生疲劳点蚀、磨损等破坏。依据十字轴组件模型的结构特点、屡次有限元计算结果分析，和在实际大量事故断裂处；将十字轴组件如下简化：忽略局部倒角、圆角及螺栓孔;闭合叉头和十字轴之间

46、的间隙,消除叉头的刚体位移，为了防止引入过多的接触对，将十字轴上的轴承部件简化为一个零件,并与十字轴合为一体，得到十字包模型，并保存为SWC-900十字包模型shizi900.prt；如图2.18所示十字包模型。图2.18 十字包模型2.4 十字轴式万向联轴器三维造型装配及干预检测面向装配的设计(DFA)是为了使产品设计适应现代自动化、集成制造技术而提出的一种新的产品设计方一法。它强调从易于装配的角度出发，对产品进行改良，以提高产品装配效率，减少装配时间和费用38。通过在计算机上以可视化方式展示产品的实际装配过程，适时地检查产品的可装配性39。能以可视化方一式展示并改良产品的可装配性，从装配这

47、一重要侧面反映产品设计40。因此，对SWC-900叉头与十字轴装配过程中及整体装配体是否发生了干预现象，能进改良和完善产品的设计。2.4.1 SWC-900十字轴式万向联轴器总装及检查干预本论文重点研究叉头局部，假设严格按照十字轴、轴承、滚子建立设计装配，不但会增加不必要的工作量，而且按照这样组装的模型和用十字包代替十字轴承组件得到的干预检测结果几乎没有差异，且不利后续的系列化一般设计；所以本文将在SWC-900十字轴式万向联轴器总装，将十字包代替十字包代替十字轴承组件进行总体装配。本文在SWC-900十字轴式万向联轴器总装中，采用两种装配方式，一种是两个叉头角度成1800时，检测有无干预；另

48、一种采用一个叉头与另一个叉头成1700时，检测是否干预。1两个叉头角度成1800时的总装检测从模板列表中选择【mmns_asm_design】，进入Pro/E装配界面，将SWC-900两个叉头模型(ct900.prt)、十字包模型shizi900.prt按照【插入】【元件】【装配】进行装配，最终总装得到两个叉头角度成1800时，如图2.19所示总装配模型一。图2.19 总装配模型一选择菜单栏【分析】【模型】【全局干预】，弹出单击【全局干预】出现【全局干预】操纵板如图2.20：选择“仅零件和“精确，单击分析，结果为没有零件发生干预。图2.20 全局干预操纵板2两个叉头角度成1700时的总装及检测

49、从模板列表中选择【mmns_asm_design】，进入Pro/E装配界面，将SWC-900两个叉头模型(ct900.prt)、十字包模型shizi900.prt，其中在一个叉头建一个与FRONT界面成100的基准平面；按照【插入】【元件】【装配】进行装配，最终总装得到两个叉头角度成1700时，如图2.21所示总装配模型二ct900.asm。图2.21 总装配模型二(1).如上文检测全局干预过程所示，【分析】【模型】【全局干预】，弹出单击【全局干预】出现【全局干预】操纵板如图2.20：选择“仅零件和“精确，单击分析，结果为在两个叉头1700时没有零件发生干预。(2).为了防止叉头圆弧过渡处顶端

50、与装配螺栓发生干预，所以在一个叉头与另一个叉头成成1700时，通过【分析】【测量】【距离】【计算】，结果为叉头圆弧过渡处顶端与装配螺栓无干预。2.4.2 SWC-900叉头与十字轴装配过程干预检测1. 选择菜单【文件】/【新建】命令，翻开【新建】对话框。在【新建】对话框中，【类型】选择“组件，子类型中选择“设计，在【名称】编辑框里输入“sz900.asm作为文件名，取消【使用缺省模板】勾选，不使用缺省模板，单击确定“确定按钮，翻开【新文件选项】对话框。在【新文件选项】对话框中，从模板列表中选择【mmns_asm_design】，单击“确定按钮，进入设计窗口。2. 在菜单栏中选择【插入】【元件】

51、【装配】。弹出翻开对话框，找到做好的叉头模型即“ct900.prt，选择翻开。这时在绘图区下面弹出操纵板，直接选择完成放置。3. 在菜单栏中选择【插入】【元件】【装配】。弹出翻开对话框，找到做好的叉头模型即“shizi900.prt，选择翻开。通过上述方法，得到图2.22 SWC-900叉头与十字轴装配过程初图。 图2.22 SWC-900 叉头与十字轴装配过程初图4. 选取工具栏调用保存的模型窗口的TOP面，然后点击工具栏显示基准平面；先调整基准平面ADTM2与ASM-RIGHT之间距离，使十字轴圆弧过渡处尽量靠近右侧叉头孔但不发生接触，在这过程中需要点击标题栏选择【分析】、单击【模型】、单

52、击【全局干预】出现【全局干预】操纵板如图2.20，在操纵面板中【位置】命令单项选择“仅零件按钮、【计算】命令选择“精确按钮，点击全局干预操纵板中的完成,查看圆弧过渡处与右侧叉头孔是否发生干预。5. 再通过调整基准平面ADTM1与ADTM3之间的夹角大小，使十字轴左侧轴头随着基准平面ADTM1与ADTM3之间的夹角逐渐减少而下降；并不断通过全局干预检测是否发生干预，直到ADTM1与ADTM3基准面之间的夹角为0,即十字轴能在不发生干预的情况装配到叉头中。通过模拟十字轴装配到叉头过程中，检测SWC-1200叉头与十字轴装配过程是否发生，就防止了因设计因素使十字轴不能顺利装配到叉头的情况。2.5 本

53、章小结本章介绍了在本论文中用到的三维软件Pro/E的主要特性，并根据规格SWC-900十字轴式万向联轴器主要技术参数，对SWC-900规格十字轴式万向联轴器的叉头、十字轴进行自行设计，在设计完成后，对其进行整体装配和装配过程的干预检测。为后期论文打下根底，并提供了对复杂模型结构的设计方法。第三章 十字轴式万向联轴器叉头的有限元分析3.1 ANSYS与Pro/E的接口技术的简述Pro/E MECHANICA为PTC parametrictechnology coporation，参数技术公司开发的集成在Pro/E 软件下的有限元分析软件，开发了自己的有限元集成软件模块，可以在不脱离运行Pro/E

54、 环境下直接将前面的几何模型倒入Pro/E MECHANICA下，进行有限元分析，完美实现了几何建模和有限元分析的集成，并且模型的一个或多个参数在一定范围变化时，可以求解出满足给定设计目标的最正确几何模型，可以进行设计产品的灵敏度分析和优化设计任务，完善产品设计41。ANSYS程序功能十分强大，应用范围非常广泛。它能够将有限元分析、计算机图形学以及优化技术相结合，己经成为解决现代工程技术问题必不可少的工具。ANSYS主要是由三局部组成:前处理模块、分析计算模块、后处理模块42。利用Pro/E软件建立三维模型进行前处理，生成*.ans文件，再导入ANSYS软件中进行单体有限元计算。3.2 叉头有

55、限元分析十字轴式万向联轴器的叉头是传递扭矩的关键部件。设计上根据叉头承受扭矩情况，对主要受力部位进行强度校核，以此确立和检验叉头的几何形状和尺寸43。现以SWC-900十字轴式万向联轴器规格的叉头为例:模型为第2章中创立好的叉头模型。3.2.1 约束处理图3.1 进入有限元模式进入PRO/E的【菜单】【Mechanica】后应该选择有限元模式，这样才可以利用ANSYS进行分析。如图3.1所示。定义材料属性时，叉头材质为ZG35CrMo,是钢材质Steel，赋予弹性模量、帕松比、材料密度,右法兰叉头的受力情况可知，其直接受到扭矩作用，那么法兰叉头的端面受到轴向位移约束，由于螺栓紧固的作用，法兰叉头的端面在受到扭矩的作用后与轴端面产生挤压并受到摩擦力的约束，因此可将法兰叉头的端面添加全约束。即六个自由度均为零44，如图3.2所示。图3.2 约束单击工具栏中的位移约束按钮。弹出Constraint对话框，选择Surfaces的Individual单项选择框，在绘图窗口中选择法兰叉头的端面；选择Coordinate System中的