彈性限位膜片聯軸器的設計與強度分析

田忠民 劉通洋 王亮申

摘要：針對現有膜片聯軸器存在軸向竄動過大的問題，設計出彈性限位膜片，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。分析結果顯示，所設計的彈性限位膜片滿足強度要求。

關鍵詞：膜片聯軸器；彈性限位片；強度分析

膜片聯軸器是一種新型聯軸器，具有傳遞較大的轉矩，允許較大的位移誤差。然而，由于現有的膜片聯軸器的結構不甚合理，當聯軸器所聯接裝置給聯軸器施加周期性軸向竄動量時，現有結構的膜片聯軸器要么不能限制軸向竄動量的大小，從而使得聯軸器半聯軸節的軸向竄動量過大，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，從而造成聯軸器組件之間產生撞擊，金屬件之間的撞擊會產生火花，聯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，設計出彈性限位膜片，主要限制現有膜片聯軸器出現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軸節與膜片組的碰撞，增加聯軸器的使用壽命。

1 設計計算

本文聯軸器的工作條件為：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，額定扭矩轉速n=2200r/min，軸向竄動量為6mm。基于以上條件來設計、校核分析彈性限位膜片。膜片聯軸器的工作環境一般較為惡劣，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軸節產生碰撞。依據膜片和聯軸器的結構尺寸，設計出彈性限位片，其結構、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）表達了變形及相關參數之間的關系。

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）

將相關數據帶入公式（2）中，得到：P= 3EIy/l3 =380.1MPa。

（2）彈性限位片的靜力分析。根據前面設計的彈性限位片結構及尺寸，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應力、生命周期等。其中：最大von Mises應力準則基于von MisesHencky理論，即如果三個主應力分別由σ1、σ2、σ3描述，則von Mises應力為：

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

應用simulation分析后，彈性限位片的應力如圖2所示。

由圖2可以看出最大應力為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，未使彈性限位片發生大位移，符合設計要求。

（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次數達到10，5及以上，滿足使用要求。

3 結論

通過為膜片聯軸器增加彈性限位片，改進了傳統的膜片聯軸器結構，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軸器發生碰撞，提高了膜片組的使用壽命。

參考文獻：

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