1、 1目录第一章 绪 论 .111 前言 .112 万向联轴器作用 .313 万向联轴器的种类及特点 .3131 特点： 3132 种类： .3133 结构： 314 课题目的和要求: 5141 课题 5142 设计技术要求与数据 5第二章 万向联轴器的运动学分析和动力学分析 .621 十字万向联轴器的结构组成及受力分析 .6211 十字万向联轴器结构总成 6212 十字万向联轴器受力分析 622 十字轴式万向联轴器运动分析 .7221 十字轴式单万向联轴器的运动分析 7222 十字轴时双向联轴器的运动分析 923 万向节十字轴设计原则 12231 按弯曲强度设计十字轴 .12232 按表面应力
2、设计十字轴 .1324 轴承的寿命计算 14241 轴承的动扭矩 .14242 轴承的寿命计算 .1425 法兰叉头 15251 法兰叉头的作用 .15252 叉头轴孔部位的应力计算 .15253 叉头根部应力 .15第三章 万向轴的结构设计 1731 概述 17232 十字轴总成游隙结构设计 17321 滚动体和轴向推力轴承分类 .17322 轴承游隙及主要尺寸 19323 十字轴和轴承外圈主要材料、工艺和精度 .2033 中间轴伸缩花键副结构设 2034 十字轴万向轴标准及选用计算 21341 十字万向轴标准 .21342 十字万向联轴器的选型 .22第四章 主要零件的工艺分析 2541
3、法兰叉头零件分析 25411 零件的作用 .25412 零件的工艺分析 .25412 建立数字模型 .2642 确定数控加工工艺方案 26421 划分数控加工工步 .26422 选择加工设备 .27423 选用加工刀具 .27424 确定切削用量 .27425 设计数控程序 .27426 确定编程原点和加工坐标系 .28427 设计数控程序加工路线 .28428 设计数控程序刀具路径 .28428 后置处理 .29429 加工仿真及程序校验 .294210 数控系统轨迹模拟 294211 程序传输和运行 30第五章 结语与展望 30谢 辞 31参考文献 .321第一章 绪 论11 前言UOE
4、钢管应用范围十分广阔，不仅应用于铺设长距离高压输油气管线，并且已经扩展到以气体，液体作为推动力输送矿石、谷物、石油、煤炭。在工程建设中用于海底隧道，海底打桩，防坡堤及海上采油平台等，在其它领域还用于高压容器，机架外壳等。市场与效益分析（ANALYSIS OF MARKET AND RETURNS）国内市场分析：UOE 钢管的市场十分广阔，据国家“十一五”规划，到2010 年我国新建原油、天然气、成品油、煤浆管道总长度近 40000 公里，共需UOE 钢管约 3000 万吨。我公司已先后在西气东输支线、内蒙长呼天然气输送管线、长包管线、靖边扩能管线、惠州壳牌石化工程部分管线、胜利油田石油输送管线
5、、东海大桥等重大管线工程中中标，共销售 UOE 钢管 5 万吨，实现销售额 3.5 亿元。国际市场分析：国际上，俄罗斯、土库曼斯坦及中东地区国家进入中国的油气资源将通过海底管道输送到韩国、日本等对能源需求量较大的国家，预计全球总需求量将在 16000 万吨左右，可以说市场十分广阔。目前国际上在建的几条大型天然气管线项目中，除采用了德国和日本的 UOE 钢管外，也大量采用了我们公司的产品。如伊朗国家天然气（NIGC）主持修建的 4000 多公里的天然气管线的干线管中，我们公司作为国内唯一通过资格预审的投标人，最终力挫日本钢管厂与德国欧洲钢管公司一举中标。目前我们已经发出近 7.5 万吨钢管，并一
6、次性全部通过国际监理机构 SGS 的验收，获得了 NIGC 的大力好评，在行业内稳稳占据了重要一席。此前我们也陆续往巴基斯坦、阿联酋、加拿大和美国出口了大量钢管，实现出口总额近 6000 万美元。UOE 钢管轧制工艺流程图如图 1-1、1-2、1-3 所示，轧制中连轧管机和脱管机中的主动夹棍的的运动均由电机、联轴器、变速箱、齿轮箱和十字轴万向联轴器驱动，如图 1-4 所示.图 1-1 UOE 钢管轧制工艺流程示意图2图 1-2 UOE 连轧管机示意图图 1-3 夹棍的工作示意图图 1-4 主动夹棍的传动系统十字轴式万向联轴器是一种最常用的联轴器。利用其结构的特点能使不在同一轴线或轴线折角较大或
7、轴向移动较大的两轴等角速连续回转，并可靠地传递转矩和运动。能广泛应用于冶金、起重、工程运输、矿山、石油、船舶、煤炭、橡胶、造纸机械及其它重机行业的机械轴系中传递转矩。联轴器是联接原动机与工作机的重要部件，它的损坏将导致机器的停顿，甚至波及到整条作业线，因此对其可靠性的要求相当高。但是，十字轴式万向联轴器所处的条件又往往是很苛刻的，例如：在轧机传动中，由于所联接的轧辊的直径有一定限制，因而联轴器的回转直径也相应受到限制，轧制过程中的实际转矩往往接近联轴器的疲劳转矩，稍有不当还会超出，这种过载现象如频繁出现，就会大大降低疲劳寿命，从而使之过早失效或损坏。另外，十字轴式万向联轴器空间几何位置的要求也
8、较高，如有不当，就会出现附加转矩，这些附加转矩也会降低其寿命并影响其传输效率。对于大型联轴器来说，由于维修技术不到位和平衡系统调整不当，也会带来相当于转矩级别的附加载荷或者更大，有的甚至使十字轴折断。因此，对于这样一个核心设备，要有周全的技术控制，以确保其寿命。12 万向联轴器作用用来联接不同机构中的两根轴（主动轴和从动轴）使之共同旋转以传递扭矩的机械零件。在高速重载的动力传动中，有些联轴器还有缓冲、减振和提高轴系动态性能的作用。联轴器由两半部分组成，分别与主动轴和从动轴联接。一般动力机大都借助于联轴器与工作机相联接。13 万向联轴器的种类及特点131 特点：万向联轴器最大的特点是具有较大的角
9、向补偿能力，结构紧凑，传动效率高，不同结构型式万向联轴器两轴线夹角不相同，一般5-45之间。万向联轴器利用其机构的特点，使两轴不在同一轴线，存在轴线夹角的情况下能实现所联接的两轴连续回转，并可靠地传递转矩和运动。3132 种类：万向联轴器有多种结构型式，例如：十字轴式、球笼式、球叉式、凸块式、球销式、球铰式、球铰柱塞式、三销式、三叉杆式、三球销式、铰杆式等，最常用的为十字轴式，其次为球笼龙，在实际应用中根据所传递转矩大小分为重型、中型、轻型和小型。133 结构：（1）：十字轴式如图 1-1 所示，它由两个叉形接头 1、3，一个中间联接件 2 和轴销 4(包括销套及铆钉)、5 所组成；轴销 4
10、与 5 互相垂直配置并分别把两个叉形接头与中间件 2 联接起来。这样，就构成了一个可动的联接。这种联轴器可以允许两轴间有较大的夹角(夹角 最大可达 3545)，而且在机器运转时，夹角发生改图 1-1 十字轴式变仍可正常传动；但当过大时，传动效率会显著降低。这种联轴器的缺点是:当主动轴角速度 1 为常数时，从动轴的角速度 并不是常数，而是在一定范围内(1cos31/cos)变化，因而在传动中将产生附加动载荷。为了改善这种情况，常将十字轴式万向联轴器成对使用(右图)，但应注意安装时必须保证轴、 轴与中间轴之Comment A1: 图的位置再好好设置一下4间的夹角相等，并且中间轴的两端的叉形接头应在
11、同一平面内(右图)。只有这种双万向联轴器才可以得到 3 =1 。（2）：球笼式球笼式万向联轴器是通过球笼外环和星形内环分别与主、从动轴相联，传力钢球的中心都位于通过联轴器中心的平面内，并装在由球形外环和星形内环外球面凹槽组成的滚道中，两个球面的中心与万向联轴器的中心重合，为了保证所有钢球中心都在两轴轴线间夹角的平分面上，钢球装于球笼内，从而保证了联轴器主、从动轴之间的夹角变化时，传力点能始终位于夹角的平分线上，因此，球笼式万向联轴器主、从动轴间的传速得以保持同步。传动方式可采用滑动传动，也可采用滚动传动。采用滑动传动时，为了缓冲和减振，在球臂和传力臂上安装有聚合物缓冲套 3。当采用滚动传动时，
12、则在球臂和传力臂上将原装有的缓冲套 3改装为滚动件，同时，在球头和臼座之间亦将原装有的缓冲垫改为滚动件，以适应刚性传动的需要。传动的通用部件，而且也可用于高速传动。该万向联轴器适用范围广泛，尤其是适合于大倾角、径向尺寸受限制工况条件的轴系传动。图 1-2 球笼式万向联轴器 5图 1-3 球笼式万向联轴器结构示意图（3）：球铰式图 1-5 球铰式14 课题目的和要求:141 课题 设计用于宝钢 UOE 焊管线上下夹送辊的 SWC250 整体叉头十字轴万向联轴器。要求根据该产品的特点,完成该产品的零件设计计算和机械结构 CAD 等任务。142 设计技术要求与数据 （1）设计的数据1.公称扭矩 31
13、.5KN/m，疲劳转矩为 16KN/m，轴线折角10。2.连接法兰的回转直径为 250mm,DH 短伸缩焊接式。3.主电机功率 250KW,送辊转速 n=80rpm，送辊最小直径 Dmin=400mm。4.使用寿命 5000h.（2）设计的技术要求1.主要适用于低速、重载工况条件。2.为保证主、从动端的同步性，十字轴式万向联轴器采用双联式。6第二章 万向联轴器的运动学分析和动力学分析21 十字万向联轴器的结构组成及受力分析211 十字万向联轴器结构总成十字轴式万向联轴器主要由法兰叉头、十字轴总成、焊接叉头花键轴和花键轴套组成，如下图所示。图 2-1 十字轴式万向联轴器1 法兰叉头 2 十字轴总
14、成 3 花键轴 4 花键套 5 焊接叉头212 十字万向联轴器受力分析 （1）十字轴的受力分析 在十字轴的每个轴头上，轴承座给十字轴的压力由滚针轴承承担，假设该力在沿轴向滚子有效接触长度上均匀分布，则在十字轴断面内，只有受力的半圈轴承滚动体承受载荷，而这半圈内各滚动体承受载荷的大小是不同的，中间的滚动体受力最大，其他的沿两侧逐渐减小，处在最两侧的滚动体受力为零（轴承座内孔的加工精度对此也影响较大） 。而十字轴的受力大小则是半圈滚动体所受力的合力。由此，十字轴的受力可简化为大小相同、方向相反的两对力偶。这两对力偶处于主传动与被传动轴所决定的平面内，如不计两轴的倾角，则构成两力偶的力均在十字轴轴线
15、平面内。通过在强大的实体设计及分析软件 SOLIDWORKS 中建立十字轴的实体模型，将实际中十字轴受到的力与力矩作用于十字轴 4 个轴头受力的半圆柱面上，则可显示整个十字轴的应力值分布、各部位受力后的位移以及及强度安全系数等。分析表明，十字轴头的截面积剪切应力与扭矩完全满足要求，但是轴头根部两过渡圆角的应力值是受力中的最大值（如图，R1、R2） ，应力梯度非常大，尤其是圆角较小的 R1 处更是如此，应力集中较为明显，在交变载荷下极易产生疲劳，是裂纹和断裂产生的根源。（2） 法兰叉架及轴承座的受力分析 法兰叉架轴承座可看作是悬臂梁结构，轴承座根部一侧受拉应力，另一侧受压应力，其叉架根部不仅受到
16、大小为F 的力作用，还受到力矩为 FH 的作用。在此力与力矩的交变作用下，叉架轴承座与法兰连接的根部便是疲劳产生与断裂的根源。由此，轴承座的中心高度H 和轴承座根部过渡圆弧大小的结构设计对法兰叉架的强度影响很大。轴承座内孔圆周表面一侧承受压应力，一侧则不受力。轴承座受的力通过连接轴承座的螺栓，使得螺栓承受拉应力，因此，螺栓的预紧力就显得尤为重要。螺栓的预紧力使得上轴承座与下轴承座接触面内产生接触压力，随着预紧力的增大，7接触压力也上升。这种预紧力的变化随传递扭矩的增大而增大。如果预紧力较小，而传递扭矩过大，则受力侧的上下轴承座间压力可能下降为零，这时上下轴承座间将出现间隙，而扭矩减小时，间隙会
17、消失，从而产生冲击，而此时为保证传动，与其对称的另一轴承座将会受到很大的力而率先导致疲劳断裂，这对十字轴的使用寿命是极为不利的。另一方面，如果螺栓的预紧量太大，螺栓的拉应力也随着增大，螺栓极易被拉断。所以螺栓的预紧量应根据不同的扭矩确定合适的一个范围，保证上下轴承座的完全接触状态。22 十字轴式万向联轴器运动分析221 十字轴式单万向联轴器的运动分析字轴式万向联轴器的结构原理如图所示，主、从动轴上的轴叉 1、3 与中间的十字轴 2 分别以铰链联接，当两轴有角位移时，轴叉 1、3 绕各自固定轴线回转，而十字轴则作空间运动，十字轴轴头在轴叉 1、3 轴承孔作摆动。图示2-2 十字轴式万向联轴器结构
18、简图1.3叉轴 2十字轴图示2-3 万向联轴器传动关系图Comment A2: 公式要居中，下同8当两轴的轴间角不等于零时，任一瞬时主动轴转角与从动轴转角如图示 2-2。在垂直主动轴 1的平面上投影，主动轴叉上 A点的轨迹为一实际大小的圆，从动轴叉上 B点的轨迹为一椭圆。由于 OB垂直于 OA，因此，当主动轴叉转过1 ，在投影面上 AO点转至 A点，BO 点转至 Bl点，OBl与。A仍保持垂直关系，即B0OBl=1。而从动轴叉上 B实际转角2，可将 OB1所在平面转过角 使与 OA所在平面重合，此时 OB1成为 OB1“，B1“点所对中心角OB1“即为从动轴转角 2，由几何关系可得 :tg 2
19、=tg 1/cos (2-1) 式中：轴 1与轴 2的夹角10。1、 2主、从动轴的转角。由上式可知主、从动轴的转角之比与轴间角 有关。两轴的转角差 可用下式表示： = 2- 1=arctg (2-2)12cos)(tg图示 2-4 主、从动轴角速度比值与主动轴转角关系根据设计要求，两轴的轴间角 10，故可将上式改写成： =arctg( )(2-3)12sin4当主动轴转角 1=45时，两轴的转角差达到最大值，近似地可用下式表示： max= 2/4 rad（2-4）由式（2-1）可得出主、从动轴之间的角速度关系式：W2= (2-5)srad/cosin112当 1=0或 180时，从动轴角速度
20、达到最大值 w2max=w1/cos。当1=90或 270时，从动轴角速度降至最小值，w 2min=w1cos。从动轴角速度的波动情况还可用转速不均匀系数 表示：= （2-6）tgsi1min2ax图示 2-5为从动轴转速不均匀系数与轴间角的关系，主动轴等角速度回转时，从动轴因转速波动而产生的角速度为：= （2-7）21221)cosi(dt9图示 2-5 从动轴转速不均匀系数与轴间角的关系由上式可知从动轴的角加速度也是随主动轴转角 1 周期性地变化，当1=0、 90、180和 270时，2=0，而当转角 1 位于使主、从动轴角速度相等，即 1= 2 时，从动轴的角加速度 2 达到最大值。由于
21、从动轴角速度波动将引起冲击和扭转波动。因此，单万向联轴器不宜用于转速高、惯性大，轴间角大而要求传动平稳的轴系。222 十字轴时双向联轴器的运动分析为了消除单万向联轴器从动轴转速周期性波动，可以将两个单万向联轴器串联而成为双万向联轴器，如图 2-6 所示。根据式(2 一 1)，利用投影关系可得主、从动轴与中间轴的转角关系式:tg 1=tg 3cos1 tg 2=tg 3cos2得： tg 1/ tg 2= cos1/ cos2式中： 1、 2、 3主动轴、从动轴和中间轴的转角1 、2主、从动轴分别与中间轴的轴间角。10图 2-6 a)主、从动轴线相交 b)主、从动轴线平行当 1 =2 时， 1=
22、 2，由此可使主、从动轴间没有转角差，消除了主动轴等速回转而从动轴转速变速波动的现象。为此，绝大多数场合下，双万向联轴器在安装时必须满足以下三个条件:1）中间轴与主、从动轴的轴间角 1 、2 应相等;2）中间轴两端轴叉应位于同一平面内;3）主、从动轴和中间轴三轴的轴线应在同一平面内。图示 2-7 a）Z 型布置-平移调整 b）W 型布置角向调整在联轴器运转过程中，主、从动轴需要相对移动时，为了满足上述三个条件，应根据轴线位移的性质，确定相应的布置形式，对于要求平行位移的线，应采用图 2-6a 的 Z 型布置，对于要求有角位移的轴线，宜采用图 2-6b 的 W 型布置，如若中间轴与主、从动轴的轴
23、间角不相等，即 12，或三轴的轴线不是位于同一平面时（图 2-7） ，就不能保持主、从动轴同步转动，此时，主、从动轴的转角差和从动轴的转速波动现象与各轴线的相对位置有关。Comment A3: ？图号在图的下面11a)ZZ型 b)WW 型 c)ZW 型 d)WZ 型图 2-8 双万向联轴器主、从动轴的空间布置形式主动轴与中间轴在空间的轴间角 1 可用下式表示：tg1= (2-8)12tg同样，从动轴与中间轴在空间的轴间角 2 的关系式：tg2= (2-9)2以上两式中：1、2主、从动轴与中间轴在垂直面上的夹角；1、2主、从动轴与中间轴在水平面上的夹角。设: tg1=tg1/tg1(2-10a)
24、tg2=tg2/tg2(2-10b)式中：1、2主、从动轴在垂直中间轴平面内与水平面的夹角。在垂直中间轴平面内，主从动轴之间的轴间角 与轴线之间的空间布置有关（图 2-9） 。图 2-9 WZ型主、从动轴轴线的空间关系1主动轴 2从动轴 3中间轴对 ZZ型和 WW型=1-2（2-11a）Comment A4: 用我们的十字轴来分析，用我们的设计参数带入公式来计算，最有给出计算的结论：是否合格12对 ZW型和 WZ型=180-1-2（2-11b）参照式（2-3） ，对双向联轴器，当主、从动轴与中间轴不在同平面时，主、从动轴的转角差表达式为：（2-12）90(2sin4s331iarctg对不同的
25、布置方式，式中的 分别用式（2-11a）或式（2-11b）代入。由式（2-12）可知，主、从动轴轴线与中间轴轴线为空间布置时，即使 1= 2，由于 0，主从动轴间仍有转角差。转角差随 而变，当3（2-13） ）90(sinco/2213arctg转角差达到最大值。如设 1= 2= ，此时当 =90 ，因 3=45，因而使转角差达到极大值（2-14）29045ii42max ）t与单万向联轴器最大转角差近似（2-4）比较，主、从动轴不在同一平面时，使主、从动轴的转角差增大一倍。23 万向节十字轴设计原则231 按弯曲强度设计十字轴利用材料力学方法，对十字轴按有外壳包围的悬臂梁(固定梁)承受弯曲载
26、荷的情况来计算轴颈直径这一主要结构参数，如图 2一 10所示:13图 2-10 十字轴的轴颈直径十字轴所采用的材料为 20CrMnTi,其材料力学性能如下：抗拉强度 b (MPa)：1080 屈服强度 s (MPa)：835伸长率 5 (%)：10 断面收缩率 (%)：45 冲击功 Akv (J)：55 冲击韧性值 kv (J/cm2)：69 硬度：217HBI-I 面的弯矩 MI-I， Ml-I=Fa=Wb s(215)转矩: T=F2R(216)由上述两式求得从动轴十字轴轴颈上得受力最大值:（2-17）sdaF32cos从式（2-16）、（2-17）可求得：（2-18）33 cos16bb
27、RT085s7232 按表面应力设计十字轴利用赫兹理论，可以计算滚动体（滚针或滚子）与十字轴轴颈的表面接触应力，其公式如下所示： H=270 （2-19）Hrdbp1式中：b滚针或滚子的有效接触长度 mmdr滚针和滚子的直径 mm;D十字轴轴颈 mm;P滚针或滚子的直径 mm；P= zF08.4F轴承上径向载荷 N；Z每排滚针或滚子数目;许用接触应力 N/mm2，一般取 =2000 2400 N/mm2。HH十字轴是万向联轴器的主要零件之一，在传递最大扭矩时其十字轴轴颈不应发生弯曲疲劳损坏。十字轴在传递扭矩时受集中载荷，如图所示，其中危险断面的弯曲应力为：14（Mpa）(2-20)(3241i
28、IdFS式中：F十字轴轴颈的作用力（N）R作用力半径d十字轴直径d1十字轴 I-I 断面处直径S作用力至 I-I 断面距离di十字轴中心孔直径，di=8mm图 2-11 十字轴24 轴承的寿命计算241 轴承的动扭矩轴承的动扭矩是万向联轴器轴承座的动载荷与轴颈有效范围传动旋转轴轴矩之乘积。Ti=fcLz7/9z3/4dz29/272R10-6KNM(2-21)式中：fc取决于轴承型式的系数（此处取 fc=95）Lz滚柱与滚面间接触线长度（mm）(Lz=2000mm)Dz滚柱直径（mm）;Ti轴承的动扭矩（KNm）。242 轴承的寿命计算Lh=1.5 （2-22）3/10710miTn式中：Lh
29、使用寿命（h）N万向联轴器转速，（n=100rpm）联轴器工作倾角 10，（=5）Ti轴承的动扭矩，按（2-21）式计算；Tm=联轴器工作时的平均扭矩，取 Tm=0.65Tn=0.6571=46.15(KNm）通过（2-22）式得出使用寿命为 5000h。Comment A5: 贴上自己的图并计算1525 法兰叉头251 法兰叉头的作用法兰叉头的法兰底座与减速机( 或等速机) 输出轴的法兰接座的法兰及工作端的法兰接座的法兰通过端面键或端面齿相啮合并用螺栓紧固达到可靠地联接，从而实现万向联轴器传递动力和运动的目的。万向联轴器在使用一定时间之后 往往发生 法兰叉头的法兰从端面键或螺孔所对应的法兰外
30、缘 撕开, 裂纹不断向法兰内部延伸直至 法兰叉架被破坏。所以法 兰叉架的厚度, 即法兰轴向截面的确定，在法兰叉架的材质、工艺确定之后, 在法兰的设计中是极为重要的。252 叉头轴孔部位的应力计算最大应力 (2-25)=42+242-2()式中：= ()F叉头所受集中载荷(N) 叉头轴承孔直径(mm)L轴承套长度(mm)r叉头顶圆半径（mm）图 2-15 法兰叉头16253 叉头根部应力根据理论分析叉头根部 I-I 断面应力最大，如图 2-16 所示其几何图形图 2-16 叉头根部 I-I 断面弯曲应力 (2-=(2)2 2226)式中：F-作用在叉头轴承孔中心线集中载荷（N）按式(2-21)计
31、算H-叉头轴承孔中心线叉头法兰端面距离（mm）H2-叉头 I-I 断面到叉头法兰端面距离；L2-叉头 I-I 断面处宽度；-叉头 I-I 断面处的最大弯曲应力；-叉头 I-I 断面处对 Z 轴的惯性扭矩J 4扭转剪应力 (2-=1062 2227)式中： -叉头 I-I 断面的最大扭转剪应力为 MPa；-万向联轴器所承受的最大扭矩（KNm）；-叉头 I-I 断面处惯性扭矩 ； 4按照第四强度理论，叉头 I-I 断面最大等效应力：(2-28)=2+3217第三章 万向轴的结构设计31 概述本章主要介绍万向轴以及相关零件的结构设计，十字万向轴标准及选用计算，万向轴的选型原则等内容。32 十字轴总成
32、游隙结构设计321 滚动体和轴向推力轴承分类滚动体的类型(分为圆柱滚针和圆柱滚子)以及是否采用滑动推力轴承或用圆柱滚子推Comment A6: 据此分析，我们的结构应该采用什么方式，在装配图上用剖开来表达，再贴到此处。18力轴承主要与万向联轴器的回转直径大小、传递转矩的特征转速有关。一般以传递运动为主而传递转矩较小的万向联轴器多采用滚针轴承，在十字轴轴头端面采用滑动推力轴承，如图 3-1-a所示。图 3-1 滚动体和轴向推力轴承分类（1）对于转速在 300r/min以下，回转直径 150mm 至 620mm 以传递转矩为主的万向联轴器宜采用如图 31-b 所示的轴承结构，滚动体采用 24列的圆
33、柱滚子，滑动推力轴承可以置于十字轴的根部，也可以置于十字轴的轴头部位，其特点可以承受较大的转矩、制造相对比较简单。本设计联轴器转直径为 250mm,送辊转速 n=100rpm，故采用这类轴承结构。（2） 对于转速在 300r/min以上，回转直径 225mm 至 390mm 以传递转矩为主，同时动平衡要求较高的万向联轴器宜采用如图 31-c 所示的轴承结构，滚动体采用 2一 3列的圆柱滚子，采用圆柱滚子推力轴承，一般置于十字轴的轴头部位，其特点可以减轻十字轴的轴头摩擦、增加关节运转的灵活性、延长万向联轴器的使用寿命。（3）回转直径超过 680mm 的万向联轴器，因其传递的转矩大、自身质量重的原
34、因，圆柱滚子推力轴承一般置于十字轴的轴头部位，也可以置于十字轴的根部，如图 31-d 所示，径向圆柱滚子设计成 45 列，圆柱滚子如设计成凸度状，可以降低圆柱滚子两端的接触应力，以免碎裂。19图 3-2 轴承322 轴承游隙及主要尺寸根据前述得出的十字轴直径以及轴承滚动体的基本尺寸可按式(3 一 1)计算径向滚动体相互之间的平均间隙，按式(3 一 2)计算径向滚动体周向总间隙，如图 2 一 2 所示:图 3-2 轴承游隙及主要尺寸（3-1）1180sin)(dzd（3-2）滚动体之间沿周向具有适当间隙，由于十字轴与轴承之间是摆动的关系，因此可以选取较小的间隙，一般来说对于滚针滚动体，其滚针相互
35、之间的平均间隙 取在 0.0050.025mm 范围内，直径较大的滚针 取大值，反之取小值，由于滚动体采用密排方式，没有保持架，为防止滚动体在轴承内歪斜，还要对20滚动体周向总间隙给予限制，对于滚针滚动体，总间隙一般不超过 0.5mm或滚针直径的 0.4 倍;对于回转直径较大的或承载能力较高的十字轴式万向联轴器，其滚动体采用圆柱滚子，其圆柱滚子相互之间的平均间隙 取在0.010.04mm 范围内，总间隙一般取在 0.7 一 1.2mm 范围内。轴承外圈的壁厚 h 与滚动体的直径有关，一般按经验取值如下:对于滚针轴承，当 dl=23mm 时，h=(1.51.9)d1;当 dl=24mm 时，h=
36、(1.92.1)d1;当 d1=56mm 时，hdl。对于圆柱滚子轴承，当 dl20mm 时，h=(0.750.85)d1，（h 取值 16）当 d120mm 时，h=(0.650.75)dl。323 十字轴和轴承外圈主要材料、工艺和精度十字轴和轴承外圈主要材料一般采用低碳合金钢，如15CNr4iMo、18CrMoTi、17CrZNiZMo、18CrZNi4、20CrZNi4、18CrZNi4WA 等，表面渗碳淬火后硬度达到 HRC58 一 64，芯部组织硬度 HRC35 左右比较理想;十字轴、轴承套的主要配合尺寸及形位公差按 56 级设计。 33 中间轴伸缩花键副结构设目前十字轴式万向联轴器
37、中间轴伸缩花键一般采用矩形花键和渐开线花键，特殊场合采用带有钢球的滚动花键，如图 3 一 3 所示。矩形花键比较常见，受加工条件限制，一般多用于十字轴式万向联轴器低速传动;渐开线花键分为GB/T3478.1 一 1995 和 DIN5480 两种标准，由于采用范成法加工，齿的两侧定位精度高，应用较多;对于转速高、伸缩频繁的十字轴式万向联轴器，为减轻花键磨损可采用带有钢球的滚动花键，如图 3 一 3。所示;此外对于有严重冲击载荷的传动，还可采用具有橡胶弹性元件减振保护的花键。在图 3-3-a 的结构中，密封唇安装在特制的套筒中， 与花键套的光滑、抗腐蚀的外圆表面接触，即可防止润滑剂的流出，又可阻
38、止外界异物的侵入，密封非常可靠;而在图 3-3-b 的结构中，因为密封唇与花键两侧、齿顶、齿槽接触，密封要困难的多。花键副的有效配合长度与花键中径、十字轴式万向联轴器的总长有关，一般按花键中径的 22.5 倍选取，对于其长度是回转直径 10 倍以上特长的十字轴式万向联轴器，花键副的有效配合长度按花键中径的 2.52 倍范围内选取。此外对于转矩大、自身质量重、特长的主传动十字轴式万向联轴器，其花键副可采用如图 34 的结构，径向靠件 1、2 分别与花键轴外径和接管内径滑动配合定位，花键齿侧主要传递动力，解决了花键齿侧磨损而引起的中间轴伸缩花键挠度增大的现象。21图 3-3 中间轴伸缩花键副结构图
39、 3-4 花键传动示意图34 十字轴万向轴标准及选用计算341 十字万向轴标准十字万向轴标准很多，通用型国内主要标准有 SWC 型整体叉头十字轴式万向联轴器(JB/T5513 一 91)、SWP 型剖分轴承座十字轴式万向联轴器(JB/T3142一 91)、SWZ 型整体轴承座十字轴式万向联轴器(JB/T3242 一 93)、WS 型小型双十字轴式万向联轴器(JB/T5901 一 91)、WSD 型小型单十字轴式万向联轴器(JB/T5901 一 91)、WSH 型滑动轴承十字轴式万向联轴器，以及 SWP、SWC 型十字轴式万向联轴器十字包型式与尺寸(JB/T7341 一 94)等，此外还有许多生
40、产厂制定的企业标准。对于汽车、农业机械、工程机械等行业也部分采用专用的十字轴式万向联轴器。但对于各种标准其转矩名称较多，现统一作如下解释:221.理论转矩 T:根据原动机的驱动功率 P 及转速 n 直接算出的转矩:T= p2.计算转矩 Tc:根据使用条件及工作状况对理论转矩进行修正的转矩，不同的万向联轴器标准其计算转矩 T。的方法不尽相同;3.公称转矩 Tn:也称额定转矩，是在给定条件下的理论计算数值。如 SWP型是指联轴器转速 n=10r/min，轴间角 a=3，轴承寿命 Lh=5000h，以及负荷平稳下的传递的转矩;SWZ 型是指联轴器转速 n=1000r/min，轴间角 =3，轴承寿命
41、Lh=3000h 联轴器传递的转矩;SWC 型是指联轴器转速 n=30r/min，轴间角=5，轴承寿命 Lh=5000h 联轴器传递的转矩;4.峰值转矩 Tmax:万向联轴器偶然传递的最大工作转矩，超过峰值转矩，轴承表面将产生点蚀，降低轴承预期寿命，一般为交变疲劳转矩 Tf 的 3 至 4 倍；5.极限转矩 Tk:万向联轴器材料接近屈服点时所允许极偶然传递的转矩，一般是根据有限元方法求得最薄弱部分得应力值(或应变值)来确定;6.静态转矩 To:根据轴承滚动体得静态承载力 C。及静态安全系数 S。计算出万向联轴器得理论计算转矩，要大于或等于公称转矩 Tn;7.动态转矩 Td:将轴承得实际应力转换
42、称等效应力，在规定工作转速 n、轴间角 a 及使用寿命下计算出得万向联轴器传递的转矩，标准产品的额定转矩由此确定;8.等效转矩 Te:也称平衡转矩，它是根据万向联轴器各阶段的转矩、转速以及各转速所占时间比而计算出的;9.交变疲劳扭矩 Tf:万向联轴器在交变转矩负荷下所允许传递的转矩，在此值下，万向联轴器其理论上是趋于无限疲劳寿命;10.单向疲劳转矩 T:P 万向联轴器在脉冲负荷下所允许传递的转矩，在此值下，万向联轴器其理论上是趋于无限疲劳寿命。单向疲劳转矩 TP 是交变疲劳扭矩 Tf 的 1.45 1.55 倍之间。342 十字万向联轴器的选型工程上通常有两种独立的准则进行选型，一是按十字轴总
43、成轴承寿命，二是按联轴器的最大承载能力。（1）：按轴承寿命选择对于连续动转但运转平稳的万向联轴器，其考核使用长短主要依据是看易损件轴承能够一次运转多长时间，亦即万向联轴器的疲劳寿命，在此期间内，明显的峰值扭矩并不是产生，或产生也是非经常性的及短暂的，计算轴承寿命是基于可靠度为 90%依据正态分布的理论值。Comment A7: 查教材能查到。论文要接个课题进行计算，而不是写教材！23由于影响轴承寿命的因素，如轴承的制造精度、十字轴的制造精度、润滑一与密封的质量、静态过载大小等，理论来说平均寿命与计算寿命在实际上经常有很大范围的差。寿命计算公式Lh= (3-3)3/107)(5.eeTCRKn式
44、中：ne等效转速；CR轴承额定负荷；Tg万向轴传递等效转矩，通常情况下用公称转矩 Tn代替；K系数，对于电机及液压马达作为动力输入源 K取 1;对于汽油发动机 K取 1.15;柴油发动机 K取 1.2。图 3-5 等效转速、等效转矩对于等效转速 n。和等效转矩在整个寿命周期内按式 3一 4、式 3一 5和图3一 5求取如下ne=a1n1+ a2n2+ annn (3-4)Te= (3-5)30 310310230enTT通常情况下，计算出的寿命 L。要大于或等于所要求的最短寿命。（2）：按传递转矩类型选择以万向联轴器传递转矩能力为依据可以用实际传递的峰值转矩 Tmax 与十24字万向联轴器产品
45、能够承受的峰值转矩 Tmax 或交变疲劳扭矩 Tf 和单向疲劳转矩 Tp 进行比较，工程上通常使用实验式或经验式参数，利用安全系数来计算，计算的最大的峰值转矩 Tmax 是在理论转矩 T 值上乘以一个不同工况下的冲击系数 K3，表达式如下: Tmax=K3TTn。表 3-1 K3 的选择对于十字万向联轴器是双向运转还是单向运转，还要比较实际传递的峰值转矩 Tmax 与十字万向联轴器产品的交变疲劳扭矩 Tf 和单向疲劳转矩 Tp,应满足 TmaxTf,TmaxTp。此外，从标准的十字万向联轴器产品中选型还要考虑最大的工作转速Comment A8: 用我们自己的图25笔须远小于临界弯曲转速。一般情
46、况下实际最大转速不要超过临界转速的80%，标准产品规定了临界转速。第四章 主要零件的工艺分析41 法兰叉头零件分析411 零件的作用法兰叉头形状比较复杂，在十字万向联轴器中通过端面键或端面齿相啮合并用螺栓紧固达到可靠地联接 ,从而实现万向联轴器传递动力和运动的目的。412 零件的工艺分析法兰叉头是万向接轴中的关键件，也是曲面最复杂繁多的零件之一。(1)SWC型法兰叉头结构如图 41 所示，工件毛坯为铸件 ZG35CrMo，法兰盘直径 D=250mm，轴承孔直径 d=95mm，型腔曲面相对于法兰盘 D中 心线、轴承孔 d 中心为对称结构，型腔由两段 R圆弧，且弧面呈 30、17 包络，包络的弧面与两侧 45斜面相交，腔底为 7斜面。该产品使用倾角大于 15相互运动件容易产生干涉，由于铸造时涨箱、重要尺寸产生较大误差等原因的影响，致使实际铸造叉头可能存在与相关件严重干涉( 铸造时重要尺寸偏差比图纸给出的偏差大)或者重要部位的强度减弱（铸造时重要尺寸偏差比图纸给出的偏差小）的问题，从而对产品的生产和质量造成严重影响。图 4-1 SWC型法兰叉头（2）制造难点分析：1）由于铸造实际尺寸与设计尺寸差距很大，有的部位多达 8-10mm，有些部位又有缺肉，因此确立合理的工步
