万向节十字轴断裂分析及设计改进

摘要

万向节是一种重要的机械基础件，广泛用于连接两轴一同旋转，以传递运动和动力的一种装置。十字轴式万向节是应用最广泛的一种万向节，其中十字轴是传递运动和动力的关键零件，它的结构是否合理，加工质量的高低，直接影响十字轴式万向节的性能及使用寿命。因此，对十字轴零件进行结构分析及优化具有重要的理论意义和实用价值。
　　 本文以十字轴零件为研究对象，分析了其运动学和动力学特性，以及受力状况，利用Solid Works软件建立了其三维实体模型，用ANSYS软件分析了其应力分布状况。针对十字轴零件结构上的限制，主要采用设计改进各过渡圆角结构的方法，改善应力分布状况，提高疲劳寿命。
　　 分析结果表明，十字轴零件各过渡圆角半径大小对应力分布的影响程度不同。当定位轴肩轴头方向圆角R1半径从零增大至0.5mm时，最大应力值下降，在0.5mm时达到72.927MPa，是原设计的95.3％；当R1圆角半径从0.5mm继续增大时，最大应力值开始上升。当定位轴肩轴根方向圆角R2半径从零增大到0.5mm时，最大应力值略微增大；当R2圆角半径从0.5mm增长到1mm时，最大应力值下降，在1mm处达到68.524MPa，是原设计的89.6％；当R2圆角半径从1mm继续增大时，最大应力值开始增长。改变轴根处圆角R3的大小能有效减小最大应力值，当R3半径达到3mm时最大应力降低至46.689MPa，是原设计的61.02％。合理的改进R3圆角半径的大小是改善十字轴应力分布的重点工作。
　　 R1、R2与R3的交互作用较小，故采用单独改进。改进R3后，改变圆角R2至4mm，使最大应力值降至46.623MPa。改进R3、R2后，改变圆角R1至1mm使最大应力值降至45.931MPa。十字轴增大圆角R3至3mm，改变R2处倒角为圆角，圆角半径为4mm，改变R1处倒角为圆角，圆角半径为1mm，使最大应力值降至45.931MPa，达到改动前的60.03％。
　　 运用Solid Works Simulation组件对十字轴零件进行了疲劳寿命分析。结果表明，与改进前相比，圆角大小改进后十字轴的疲劳寿命可提高57.12％。