十字軸式萬向聯軸器十字軸總成標準化設計

夏清華，楊豐產，葛燕飛，劉火根

(泰爾重工股份有限公司，安徽 馬鞍山 243000)

0 前言

十字軸式萬向聯軸器廣泛應用于冶金、起重、礦山等行業，其承載能力和軸承壽命是聯軸器的兩個關鍵指標。一般根據相應的標準或企業樣本中標定的公稱轉矩進行選用，而目前現有標準中的公稱轉矩等參數又有較大的差別。本文根據幾種常見的標準中標定的公稱轉矩，對現有的兩種系列產品的實際尺寸進行計算，并與標準進行對比分析。通過對該產品進行優化改進，使其承載能力能夠達到現有的較為先進的標準。

1 十字軸總成結構分析

十字軸總成是十字軸式萬向聯軸器的核心部件。如圖1所示，主要包括十字軸1、關節軸承2、擋圈3等零部件。其中十字軸和關節軸承影響萬向軸性能，聯軸器在承受轉矩作用下，十字軸承受彎曲作用力，十字軸根部圓弧處應力最大，也是整個聯軸器最薄弱的部位。關節軸承由軸承外圈、圓柱滾子、密封圈等零件組成。聯軸器在轉動時，由于有傾角的存在，圓柱滾子會在十字軸與軸承外圈之間往復擺動，在大量循環載荷作用下滾動體與滾動表面會產生疲勞失效，主要影響聯軸器的使用壽命。因此在聯軸器設計時必須對十字軸強度和關節軸承壽命進行計算。

圖1 十字軸總成結構圖Fig.1 Structure of cross shaft assembly

2 計算方法

2.1 十字軸承載能力計算

聯軸器在轉矩作用下，十字軸的受力如圖2所示，軸承力F使十字軸產生彎曲作用，在圓弧根部應力值達到最大，其彎曲強度應滿足

式中，F為十字軸軸頸的作用力，kN;d為十字軸軸頸，mm;di為十字軸油孔直徑，mm;s為作用力至危險截面處的距離，mm;R為作用力半徑，mm。

圖2 十字軸結構Fig.2 Structure of cross shaft

那么十字軸的承載能力為

2.2 軸承壽命計算

軸承的壽命計算公式為

式中，n為轉速，r/min;α為工作傾角，(°);Td為工作轉矩，kN·m;kt為原動機系數;Cr為軸承額定負載參數，kN·m;C為軸承額定動載荷，C=fc(iLw)7/9z3/4dr29/27;fc為軸承承載能力綜合影響系數;i為滾子列數;Lw為滾子長度，mm;z為單列滾子個數;dr為滾子直徑，mm。

3 計算與分析

3.1 現有系列計算結果分析

根據十字軸承載能力計算方法以及行業現有兩系列十字軸的結構參數，十字軸材料采用20CrMnTi，σs=850 MPa，?。郐褾］= σs/3=283.3 MPa，得出了兩種系列十字軸的承載能力并將其與我國現行機械行業標準JB/T 5513-2006相應回轉直徑聯軸器的公稱轉矩Tn對比如圖3所示。

圖3 兩系列十字軸承載能力Fig.3 Strength of existing two series of cross shaft

從圖3可以看出，兩種系列十字軸的承載能力與常見標準給出的公稱轉矩相比，系列1的十字軸承載能力與常見標準的公稱轉矩相比都有較大的差距，系列2的十字軸承載能力部分規格可以達到標準的公稱轉矩，但仍有一部分規格的十字軸承載能力有較大差距。

在轉速n=100 r/min，傾角α=3°，工作轉矩Td=1/3Tn的工作條件下，取原動機系數kt=1、軸承承載能力綜合影響系數fc=90。計算出兩系列的軸承壽命如圖4所示。

從圖4可看出，隨回轉直徑由180 mm增加到550 mm，軸承壽命都由12 000 h以上減小到4 000 h多，都呈隨回轉直徑增大而軸承壽命減小的趨勢。但系列1由回轉直徑225 mm的16 000 h以上急劇減小到回轉直徑250的10 000 h以下，后面兩種回轉直徑的軸承壽命也呈現先增大而后減小的跳躍，波動較大，沒有明顯的規律。而系列2的軸承壽命隨回轉直徑減小的趨勢則比較平穩。

圖4 兩系列軸承壽命Fig.4 Bearing life of existing two series of cross shaft

綜合圖3和圖4看，系列1的十字軸承載能力較低、軸承壽命較高，而系列2的十字軸承載能力較高、軸承壽命較低。十字軸承載能力與軸承壽命存在一定此消彼長的關系。

3.2 標準化系列優化設計

以十字軸的承載能力與關節軸承的壽命為雙重設計目標對行業現有兩系列進行改進，形成標準化系列的十字軸總成。十字軸的承載能力主要與十字軸軸頸d、作用力至危險截面處的距離s、及作用力半徑R等參數相關。關節軸承壽命主要與滾子直徑dr、滾子長度Lω、滾子列數i、滾子個數z等參數相關。參數之間存在約束為

通過優化調整上述參數，并合理計算出滾子直徑、個數和間隙，得出新標準化系列的十字軸總成。新標準化系列的十字軸承載能力和軸承壽命如圖圖5、圖6所示。比行業現有兩系列的十字軸的承載能力有了明顯提高，基本達到或超過JB/T 5513-2006中規定的公稱轉矩。新標準化系列的軸承壽命基本介于系列1與系列2之間，但是隨回轉直徑不同，其壽命變化更加平穩且有一定的梯度。

由于聯軸器在實際使用中，較小回轉直徑(180～350 mm)的一般使用轉速較高，轉矩較低，因而在設計時以軸承壽命為主，而較大回轉直徑(390～550 mm)的一般轉速較低，轉矩較大，在設計時以十字軸的承載能力為主。本文在改進設計時遵循了這一設計理念，并且通過設計計算也取得了比較理想的結果。

4 結語

圖5 標準化系列承載能力Fig.5 Strength of standardized series

圖6 標準化系列軸承壽命Fig.6 Bearing life of standardized series

通過分析現有兩系列十字軸總成的性能參數，改進設計形成的標準化系列十字軸總成的承載能力和軸承壽命都有所提高和改善，達到比較先進的水平。新標準化系列的十字軸總成從2013年2月份開始應用于萬向軸中。現已為山東鋼鐵、河北鋼鐵等十多個廠家生產了三十多根產品，并與原有結構的產品對比跟蹤使用。從對比使用情況來看，由于萬向軸的承載能力比原有結構有所提高，萬向軸的實際使用壽命也有10%左右的增加。實際使用情況與理論分析基本一致。

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