彈性限位膜片聯(lián)軸器的設(shè)計與強度分析

田忠民 劉通洋 王亮申

摘要：針對現(xiàn)有膜片聯(lián)軸器存在軸向竄動過大的問題，設(shè)計出彈性限位膜片，來限制軸向竄動過大問題。先利用Solidworks進行三維建模，再利用集成于Solidworks中Simulation對彈性限位片進行有限元分析。分析結(jié)果顯示，所設(shè)計的彈性限位膜片滿足強度要求。

關(guān)鍵詞：膜片聯(lián)軸器；彈性限位片；強度分析

膜片聯(lián)軸器是一種新型聯(lián)軸器，具有傳遞較大的轉(zhuǎn)矩，允許較大的位移誤差。然而，由于現(xiàn)有的膜片聯(lián)軸器的結(jié)構(gòu)不甚合理，當(dāng)聯(lián)軸器所聯(lián)接裝置給聯(lián)軸器施加周期性軸向竄動量時，現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的膜片聯(lián)軸器要么不能限制軸向竄動量的大小，從而使得聯(lián)軸器半聯(lián)軸節(jié)的軸向竄動量過大，給膜片組帶來附加的動載荷，直接影響到聯(lián)軸器的使用性能和使用壽命；要么沒有對軸向竄動施加阻力，從而造成聯(lián)軸器組件之間產(chǎn)生撞擊，金屬件之間的撞擊會產(chǎn)生火花，聯(lián)軸器如果在易燃易爆場合使用就可能會造成嚴重事故。[15]為了解決這些問題，設(shè)計出彈性限位膜片，主要限制現(xiàn)有膜片聯(lián)軸器出現(xiàn)的周期性軸向竄動的竄動量的大小，避免軸向竄動量過大和半聯(lián)軸節(jié)與膜片組的碰撞，增加聯(lián)軸器的使用壽命。

1 設(shè)計計算

本文聯(lián)軸器的工作條件為：室溫下工作，用電動機作為動力源，電動機軸直徑為40mm，從動軸直徑為40mm，載荷均勻，所需傳遞最大功率為P=80kW，額定扭矩轉(zhuǎn)速n=2200r/min，軸向竄動量為6mm?；谝陨蠗l件來設(shè)計、校核分析彈性限位膜片。膜片聯(lián)軸器的工作環(huán)境一般較為惡劣，這就需要彈性限位片的材料有較好的使用性能，需要耐酸、耐堿、耐腐蝕，并且強度應(yīng)能滿足工作需要，本文選用X3CrNiMoN2752作為彈性限位片材料，其彈性模量E=200GPa，泊松比μ=0.28，屈服強度σs=610MPa，密度ρ=7800kg/m3。

彈性限位片主要利用弓形金屬片產(chǎn)生的彈性形變來緩沖周期性的軸向力，從而避免膜片與半聯(lián)軸節(jié)產(chǎn)生碰撞。依據(jù)膜片和聯(lián)軸器的結(jié)構(gòu)尺寸，設(shè)計出彈性限位片，其結(jié)構(gòu)、尺寸如圖1所示。

2 強度分析

（1）彈性限位片的受力計算。膜片受到周期性軸向載荷使得膜片組在軸向的位移達到6mm，可以將彈性限位片簡化為簡支梁模型，公式（1）表達了變形及相關(guān)參數(shù)之間的關(guān)系。

y=Pl3/3EI（1）

其中，y最大撓度，P力，N/m，l受力點到支點的距離，mm，E彈性模量，I慣性矩。

整理公式（1）得公式（2）

P=3EIy/l3（2）

將相關(guān)數(shù)據(jù)帶入公式（2）中，得到：P= 3EIy/l3 =380.1MPa。

（2）彈性限位片的靜力分析。根據(jù)前面設(shè)計的彈性限位片結(jié)構(gòu)及尺寸，先用SolidWorks建模，再用集成于該軟件中的Simulation模塊對其進行強度分析。應(yīng)用simulation 進行有限元分析，從而校核其強度。利用Simulation模塊分別分析von Mises應(yīng)力、生命周期等。其中：最大von Mises應(yīng)力準(zhǔn)則基于von MisesHencky理論，即如果三個主應(yīng)力分別由σ1、σ2、σ3描述，則von Mises應(yīng)力為：

σeq=0.5[（σ1-σ2）2+（σ2-σ4）2+（σ3-σ1）2]（3）

應(yīng)用simulation分析后，彈性限位片的應(yīng)力如圖2所示。

由圖2可以看出最大應(yīng)力為278MPa，彈性限位片材料的σs=610MPa，因此彈性限位片強度符合要求。

彈性限位片的位移分析如圖3所示。

由圖3可以得到彈性限位片的最大位移量為0.296mm，未使彈性限位片發(fā)生大位移，符合設(shè)計要求。

（3）彈性限位片的疲勞強度校核。彈性限位片的疲勞強度校核主要看其使用壽命是否滿足要求，分析結(jié)果如圖 4所示。

圖4 彈性限位片的疲勞強度校核生命周期

由圖 4 可以看到彈性限位片載荷循環(huán)次數(shù)達到10，5及以上，滿足使用要求。

3 結(jié)論

通過為膜片聯(lián)軸器增加彈性限位片，改進了傳統(tǒng)的膜片聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)，解決其軸向竄動沒有限制的問題，彈性限位片通過彈力來限制膜片的軸向竄動量，從而避免膜片組與半聯(lián)軸器發(fā)生碰撞，提高了膜片組的使用壽命。

參考文獻：

[1]王亮申，陳燕，謝在玉，王昕彥，王曉晨.一種軸向彈性限位的膜片聯(lián)軸器[P].中國專利：201610580437.6，20161207.

[2]華軍，許慶余，張亞紅.膜片聯(lián)軸器膜片應(yīng)力計算及疲勞壽命分析[J].機械科學(xué)與技術(shù)，2000，19（2）：203206.

[3]申屠留芳，張相炎.關(guān)節(jié)聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)最優(yōu)設(shè)計[J].中國機械工程，2003，14（19）：16371639.

[4]Shentu Liufang，Zhang Xiangyan.The Optimal Design of Structure of a Joint Flexible Laminated Membrane Coupling[J].China Mechanical Engineering，2003，14（19）：16371639.

[5]王亮申，鄭雷，鄭紅霞，侯杰.有補片的膜片聯(lián)軸器創(chuàng)新設(shè)計[J].中國機械工程，2011，22（2）：170173.