十字联轴器

河南质量工程职业学院毕业设计

河南质量工程职业学院

毕业设计（论文）

题目：十字轴式万向联轴器的分析和改进

系别：机电工程系

专业：机电一体化

班级：

学生姓名：

指导老师：

完成日期： 2012年02月08日

河南质量工程职业学院

毕业设计（论文）任务书

摘要

我毕业设计的零件为十字轴式万向联轴器。联轴器属于机械通用零部件范畴，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。一般动力机大都借助于联轴器与工作机相联接，是机械产品轴系传动最常用的联接部件。万向联轴器用于两轴有较大偏斜角或在工作中有较大角位移的地方，它有多种结构型式，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、三销式等。其中，十字轴式万向联轴器是应用量较大的万向联轴器。

十字轴式万向联轴器是一类容许两轴间具有较大的角位移的联轴器，适用于有较大角位移的两轴之间的连接，一般两轴的轴间角最大可达35°～45°，而且在运转过程可以随时改变两轴的轴间角，其最大特点是：具有较大的角向补偿能力，结构紧凑，传动效率高。

但在生产和应用的过程中，十字轴式万向联轴器存在着一系列的的问题，如轴承座螺栓断裂、十字轴断裂等。此次设计的目的是为了对这些问题进行深入的分析，并进行合理的改进，以避免其再次出现。

关键词：联轴器，十字轴，传动效率，常规失效形式，改进方法

Abstract

I graduated designed components for the cross shaft universal coupling. Common areas of mechanical coupling components used to connect two different agencies in the shaft (driving shaft

and driven shaft) to make it to transfer torque common rotating mechanical parts. Most of the general power machine with the help of coupling links the machine work; mechanical products most commonly used drive shaft connection parts.Universal coupling for the two-axis deflection angle or greater have a greater angular displacement of the work place,it has a variety of structural types, such as: cross-axis, ball cage, ball fork, bump-type, -ball type, ball and socket type, plunger type ball joints, three pin type and so on.Among them, the cross-axis is the application of universal coupling

universal coupling a large amount.

Cross-axis is a type of universal coupling between the two axes to allow a larger angular displacement of the coupling for a larger angular displacement of the connection between the two axes, the general two-axis angle between the axis up to35 ° ~ 45 °,but also in the running process can be changed at any time between the two axes of the shaft angle, and its most important feature:

a large angle to compensate for capacity,compact, high transmission efficiency.

But in the process of production and application, cross shaft universal coupling there is a series of problems, such as bearing bolt fracture, cross shaft fracture.The design goal is to these issues in-depth analysis, and makes a reasonable improvement, in order to avoid its recurrence.

Keywords: coupling, cross shaft, drive efficiency, conventional failure modes, improved methods

目录

1 零件介绍 .......................................................... - 3 -

1.1 零件介绍.......................................................... - 4 -

2 十字轴式万向联轴器问题分析 .................................. - 5 -

3 十字轴式万向联轴器的应用..................................... - 7 -

4 零件的材料及尺寸精度 .......................................... - 8 - 4.1 零件的材料........................................................ - 8 -

4.2 尺寸精度.......................................................... - 9 -

5 联轴器的选用程序............................................... - 10 -

6 万向联轴器的使用与保养....................................... - 12 -

7 零件各部分运动分析............................................ - 13 - 7.1 十字轴式万向联轴器的单侧运动分析................................. - 13 - 7.2 十字轴式万向联轴器的双侧运动分析................................. - 14 - 7.3 十字轴式万向联轴器的传动效率..................................... - 17 - 7.4 十字轴式万向联轴器的受力分析..................................... - 17 -

7.5 十字轴式万向联轴器的主要元件..................................... - 19 -

8 对十字轴式万向联轴器问题的改进............................ - 23 - 致谢 ............................................................. - 24 - 参考文献............................................................ - 25 -

1 零件介绍

1.1 零件介绍

工件名称：十字轴式万向联轴器

工件简图：如图1.1所示

1、3——半联轴器 2——叉形接头 4——十字轴 5——销钉 6——套筒 7——圆柱销

图1.1 十字轴式万向联轴器

2 十字轴式万向联轴器问题分析

联轴器属于机械通用零部件范畴，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。而十字轴式万向联轴器作为联轴器的一种，是一种通用的传动基础件，它的主要特点是可联接不在同一轴线的两传动轴系，容许两轴间具有较大的角位移，并能可靠地传递转矩和运动。该联轴器具有承载能力高、使用寿命长、运转平稳、无噪音、轴向补偿量大、维护保养简单等优点。主要用于轧钢机械、起重运输机械、石油钻井机械、工程矿山机械、船舶及其它重型机械。十字轴式万向联轴器的由十字轴、十字轴轴承、中间轴、轴叉等元件组成，传递动力的中间受力元件为十字轴。它在使用的过程中，除了发挥其重要作用外也出现着一系列的问题，这些问题可通过对十字轴、法兰叉架及轴承座的分析得出。

2.1对十字轴的分析

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平面内。通过在软件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，应力梯度非常大，尤其是圆角较小处更是如此，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。

2.2对法兰叉架及轴承座的分析

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大小为F的力作用，还受到力矩为F×H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，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。

由上，我们可将出现的问题概括为以下三点，即（1）轴承座螺栓断裂；（2）十字轴断裂；（3）轴承座、叉头根部裂纹。

针对以上问题，我们可以采取相应的措施来降低或避免其发生。

3 十字轴式万向联轴器的应用

十字轴式万向联轴器在我们的生活中应用十分广泛下面列举其中的两例作为介绍：

实例1 下图为轧钢机的传动示意图。由于在轧钢过程中，需要经常调节轧辊的上下位置，所以齿轮座轴线与轧辊轴线之间的距离h要经常变化，这就需要用双万向联轴节来作为齿轮与轧辊之间的中间传动装置。

图3.1 轧钢机的传动示意图

实例2 众所周知，汽车行驶时由于道路的不平会引起变速箱输出轴和后桥输入轴相对位置的变化，只有采用双万向联轴节才能实现两轴之间的运动传递。

图 3.2 汽车中的万向联轴节

十字轴式万象联轴器在轧钢机的应用过程中，由于联轴器本身存在的问题，经常会因为承载能力达不到设计要求，经常会出现轴承座螺栓裂纹、断裂及十字轴断裂等事故，影响正常工作。

下面我们将系统介绍一下十字轴式万向联轴器生产制造时的材料选择、尺寸精度及工作时的各部分运动，进而达到改进前熟悉了解零件的效果。

4 零件的材料及尺寸精度

4.1 零件的材料

零件由十字轴、十字轴承、轴承座、轴叉等部分组成，选用了合金钢40Cr作为联轴器十字轴的材料，热处理后硬度58～62HRC，；45钢作为其他零件的材料，均采用制造并热处理48～52HRC。对于该零件材料选择的基本原则要求主要是：

4.1.1 满足使用要求

设计机械零件的基本原则之一是工作可靠。零件的材料直接影响着其强度、刚度、耐磨性、耐蚀性、耐热性、疲劳寿命、重量、美观等，应根据零件的工况选择适当的材料。如零件承受较大载荷或要求尺寸小重量轻，应选择高强度合金钢；零件承受较大冲击载荷，需要选择韧性好的合金钢；构成摩擦副的零件要求耐磨性好，应按摩擦学设计来选择减摩耐磨性好的材料配对，如磨损主要是磨粒磨损时，一般应选淬火钢；工作时要接触腐蚀性气体或液体的零件，要针对造成腐蚀的具体情况，选择合适的耐腐蚀的材料。

当某个零件对设备的正常使用非常重要时，应选择质量可靠的材料。

4.1.2 满足工艺要求

便于加工是设计机械零件时也必须遵守的一个原则。零件是否便于加工直接关系到零件的成本和制造时间。生产形状复杂铸造毛坯零件，一般要选择铸铁，受力较大时选择铸钢。生产形状复杂、单件或小批量的零件，可以用钢板或型钢焊接。冲压件应选择塑性好的低碳钢或铜合金等材料。在机器制造过程中，切削加工方法占有重要位置，材料的切削加工性能主要指材料被切削的难易程度、材料被切削后的表面粗糙度和刀具的寿命。材料成分、组织和热处理不同的零件，其切削加工性是不同的，甚至差异很大。对大批量生产的零件，要特别重视材料的机械加工性能。在材料手册中，对具体材料的加工性能有简要的说明。

设计零件时，也要注意热处理工艺性。如结构形状复杂的零件，应选择选择淬透性好的钢材，其变形小。

4.1.3 满足经济性要求

降低零件成本，是提高产品价格竞争力的一个重要途径。价格低廉，是设计零件时要遵守的原则之一。在满足使用性能的前提下，选用零件材料时要注意降低零件的总成本。

零件的总成本主要包含材料的价格和加工等费用。

不同材料的价格可能相差几倍，甚至几十倍。在金属材料中，碳钢和铸铁的价格相对较低，其加工工艺性能较好。所以，在满足机械性能要求的前提下，宜优先选择碳钢或铸铁。在选材时还应考虑材料的供应情况，品种尽量少，便于采购和管理。

4.2 尺寸精度

该零件未标注公差的尺寸，根据零件的使用性能，可按IT6级制造。

5 联轴器的选用程序

5.1选用标准联轴器

设计人员在选择联轴器时首先应在已经制定为国家标准、机械行业标准以及获国家专利的联轴器中选择，只有在现有标准联轴器和专利联轴器不能满足设计需要时才需自己设计联轴器。

5.2选择联轴器品种、型式

了解联轴器在传动系统中的综合功能，从传动系统总体设计考虑，选择联轴器品种、型式。根据原动机类别和工作载荷类别、工作转速、传动精度、两轴偏移状况、温度、湿度、工作环境等综合因素选择联轴器的品种。根据配套主机的需要选择联轴器的结构型式，当联轴器与制动器配套使用时，宜选择带制动轮或制动盘型式的联轴器；需要过载保护时，宜选择安全联轴器；与法兰联接时，宜选择法兰式；长距离传动，联接的轴向尺寸较大时，宜选择接中间轴型或接中间套型。

5.3联轴器转矩计算

传动系统中动力机的功率应大于工件机所需功率。根据动力机的功率和转速可计算得到与动力机相联接的高速端的理论短矩T；根据工况系数K及其他有关系数，可计算联轴器的计算转矩Tc。联轴器T与n成反比，因此低速端T大于高速端T。

5.4初选联轴器型号

根据计算转矩Tc,从标准系列中可选定相近似的公称转矩Tn，选型时应满足

Tn≥Tc。初步选定联轴器型号，从标准中可查得联轴器的许用转速[n]和最大径向尺寸D、轴向尺寸L0,就满足联轴器转速n≤[n]。

5.5根据轴径调整型号

初步选定的联轴器联接尺寸，即轴孔直径d和轴孔长度L，应符合主、从动端轴径的要求，否则还要根据轴径d调整联轴器的规格。主、从动端轴径不相同是普通现象，当转矩、转速相同，主、从动端轴径不相同时，应按大轴径选择联轴器型号。新

设计的传动系统中，应选择符合GB/T3852中规定的七种轴孔型式，推荐采用J1型轴孔型式，以提高通用性和互换性，轴孔长度按联轴器产品标准的规定。

5.6选择联接型式

联轴器联接型式的选择取决于主、从动端于轴的联接型式，一般采用键联接，为统一键联接型式及代号，在GB/T3852中规定了七种键槽型式，四种无键联接，用得较多的是A型键。

5.7选定联轴器品种、式、规格

根据动力机和联轴器载荷类别、转速、工作环境等综合因素，选定联轴器品种；根据联轴器的配套、联接情况等因素选定联轴器型式；根据公称转矩、轴孔直径与轴孔长度选定规格。为了保证轴和键的强度，在选定联轴器型号后，应对轴和键强度做校核验算，以最后确定联轴器的型号。

6 万向联轴器的使用与保养

万向联轴器的使用与保养：

1、万向联轴器在正式安装前，一定要先清洗两端面，检查端面键槽口的配合情况，然且拧紧螺钉，不要松动。

2、万向联轴器安装好以后，正常运转一个班，必须检查所有螺钉，如发现松动，必须再次拧紧，这样反复几次，以保证不会松动。

3、在工作运转中，经常观察万向联轴器是否发生异常的轴承发热和径向摆动等现象，如果出现这些现象必须及时维修。

4、在可能由于运转的万向联轴器引起人身和设备事故的各个场所必须采用适当的安全防护措施。

5、万向联轴器十字头、滑动面、轴承等必须保证润滑，一般用2#工业锂基油脂或2# 二硫化钼钙基脂，若高温条件下工作必须每周加油一次，在平时连续运转500小时加油一次，间断运转2个月加油一次，加油时把轴承端面油孔螺钉拧下，用高压油枪注入至溢出为止。

6、万向联轴器如发现压痕等正常磨损现象，应及时更换，一般使用3个月必进行保养一次。

7、为延长万向联轴器的使用寿命，在保养拆洗进，将十字轴调转180°，以达到轴颈受力交替使用。

8、应避免长期超载使用和操作事故的发生。

7 零件各部分运动分析

7.1 十字轴式万向联轴器的单侧运动分析

十字轴式万向联轴器的结构原理如图7.1所示，主、从轴上的叉形件（轴叉）1、3中间的十字轴2分别以铰链连接，当两轴有角位移时，轴叉1、3绕各自轴线回转，而十字轴则做空间运动空间运动。

图7.2 万向联轴器传动关系图

两轴轴间角不等于零时，任一瞬时主动轴转角1ϕ与从动轴转角2ϕ如图7.2所示。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OA ，因此，当主动轴叉转过角1ϕ，在投影面上A0点转至A ′点，而B0点转至B1′点，O1′B1′与0′A ′仍保持垂直关系，即∠B0O ′B1′=1ϕ。而从动轴叉上B 点实际转角2ϕ，可将OB1所在平面转过角α使与OA 所在平面重合，此时OB1成为OB1″，B1″点所对中心角∠B0O ′B1″即为从动轴角2ϕ，由几何关系可得

tan 2ϕ= tan 1ϕ/cos α或cos α=tan 1ϕ/tan 2ϕ

式中,α——两轴间的轴间角。

两轴的转角差j D 可用下式表示

j D =2ϕ－1ϕ=222tan sin

2arctan tan cos 11

αϕϕα+ 通常两轴的轴间角α＜15°，故可将上式改写成

j D =21arctan sin 24αϕ⎛⎫ ⎪⎝⎭

当主动轴转角ϕ1=45°时，两轴的转角差达到最大值，近似地可用下式表示

j D max=2α/4

由图1可得出主、从动轴之间的角速度关系式

2ω=cos 221sin cos ααα

1ω

由关系式中主、从动轴角速度比值和主动轴转角的关系可得：从动轴角速度最大值为2ωmax=1ω/cos α。从动轴角速度最小值为2ωmin=1ω/sin α。

7.2 十字轴式万向联轴器的双侧运动分析

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成为双万向联轴器，如图7.3所示。根据式1知主、从动轴与中间的转角关系式

a ）主、从动轴线相交

b ）主、从动轴线平行

图7.3 双向联轴器

1tan ϕ=31tan cos ϕα 2tan ϕ=32tan cos ϕα

故得 1tan ϕ/2tan ϕ=1cos α/2cos α

式中 1ϕ、2ϕ、3ϕ——主动轴、从动轴和中轴的转角；

1α、2α——主从动轴的轴间角。

当1α=2α时，1ϕ=2ϕ，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波动的现象。为此，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、从动轴的轴间角应相等。

2）中间轴两端叉应位于同一平面内。

3）主、从动轴和中间轴的轴线应在同一平面内。

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，对于要求平行移动的轴线，应采用图7.4a 所示的Z

型布置；对于要求有角位移的轴线宜采用图7.4b的M型布置。

a）Z型布置—平移调整 b）M型布置——角向调整

图7.4 双向联轴器的平面布置

如若中间轴与主、从动轴的轴间角不相等，或三轴的轴线不是位于同一平面时，就不能保持主、从动轴同步转动。

7.3 十字轴式万向联轴器的传动效率

十字轴式万向联轴器的传动效率与两轴的轴间角、十字轴支承的结构和材料、加工和装配的精度以及润滑条件等有关，近似地可按下式计算：

当两轴的轴间角α≦25°时

η=1－μ

2d R απ 当两轴的轴间角25°﹤α﹤40°时

η=1－μ1

d R π 2tan tan 2αα⎛

⎫+ ⎪⎝⎭

在以上两式中 d ——十字轴轴颈的直径；

R ——十字轴中心至轴颈支承长度中点的距离；

μ——十字轴颈与轴承的摩擦系数，对滑动轴承，可取μ=0.15～0.2；对滚动轴承，可取μ=0.05～0.1。

通常，当α=25°时，十字轴式万向联轴器的效率约为97%～99%。

7.4 十字轴式万向联轴器的受力分析

根据瞬时功率相等条件，从动轴上的转矩为

2T =112T ωηω或2T =22111sin cos cos T a j h a

- 当1ϕ=90°和270°时，从动轴上的转矩达到最大值

2max T =1T /cos α

当1ϕ=0°和180°时，从动轴上的转矩减小到最小值。

2max T =1T cos α

由转矩产生作用于主动轴叉孔和十字轴颈处的圆周力1t F =1T /2R 。作用于从动轴叉孔和十字轴颈处的圆周力2t F =2T /2R ,其最大值

2max t F =1t F /cos α

当轴间角α不等于零时，由于主从动轴叉的回转平面不在同一平面，因而产生附加弯矩，

其值与主动轴转角和轴间角的大小有关，当处于图7.5b 所示位置，即当1ϕ=900或1ϕ=2700

时，作用在主动轴叉上的附加弯矩达1M 到最大值。

1M =1tan a T

a ）从动轴受到最大附加弯矩（1ϕ=0°、1ϕ=180°）

b ）从动轴受到最大附加弯矩（1ϕ=90°、1ϕ=270°）

图7.5 十字轴式万向联轴器的附加弯矩

当联轴器主从动轴叉处在图7.5a 所示位置，即1ϕ=0°或1ϕ=180°时，作用在从动轴叉上的附加弯矩达到最大值。

2M =1sin a T

由附加弯矩在十字轴轴颈与轴叉孔处产生附加作用力为F

在主动轴叉上附加作用力的最大值

1max F =1M /2R=F ηtan α

在从动轴叉上附加作用力的最大值

2max F =2M /2R=F ηsin α

此外，从主动轴的轴间角较大，转速较高时，还应计及由于从动轴转波动引起的附