万向联轴器的有限元分析

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1、机械强度万向联轴器的有限元分析2.2课题研究对象2.2.1问题的提出与研究方向本论文分析的是德国CENTA公司生产的CENTA－FH型万向联轴器，它是一种十字轴式万向联轴器，常适用于柴油机输出与大角度万向轴的联接，能消除万向轴运动反力对柴油机的不良影响，同时提供万向轴配套，免维护，应用广泛，这种联轴器还常用在风力发电机上，联接增速器与发电机。2.2.2CENTA—FH型联轴器以下对CENTA—FH型联轴器做一下概述。德国CENTA公司专门从事万向联轴器、离合器、碳纤维轴系、万向轴传动装置及减震装置的生产和开发。其联轴器产品类型有二十多种，扭矩覆盖

2、范围：10～106N•m，广泛应用于船舶、机车、工程机械、建筑机械、风力发电、大型船舰及工业设备等传动系统。CENTA联轴器采用由碳纤维管材料的驱动轴，能够轻而易举地达到减轻传动部件重量的目的。碳纤维驱动轴的主要优点如下。(l)明显地减轻了驱动轴的重量。和坚硬的钢质轴相比较，碳纤维轴的重量明显地减轻了约7022机械强度％，这其中包括复合管端部必要的金属部件，其实仅碳纤维管本身的重量的确很轻。一般可以规纳为：轴越长，减重的量越大，复合轴减重的效果越明显。(2)临界速度高。由于转速是设定的，故使用碳纤维轴的优点体现在长的推进轴系上。换言之，轴承之间的

3、距离会较长。因此，长轴系上通常不需要布置轴承，至少减少了轴承的数量，这样就降低了成本，减轻了轴系，减少了部件，而且还节省了轴承支撑件的成本以及减轻了重量。(3)长寿命、低噪声、无腐蚀、无磨擦、免维修、不导电、无磁性。这种主动锁紧系统使轴系在额定扭矩下安全系数提高到6倍，疲劳强度的安全系数提高到3倍。为了避免由于轴的装配偏差和扭曲所造成的危险应力，CENTA公司在轴管的两端原则上采用柔性联接。第3章联轴器有限元分析3.1有限元模型的建立以CENTA—FH系列CM2600型万向联轴器为研究分析对象。材料属性：此系列联轴器是碳纤维合金钢，这种复合材料是

4、一种高弹性、低密度材质，屈服极限为σs2＝345Mpa。工况：取发电机在额定功率P＝120kW，转速n＝1500r/min时进行分析。首先需要定义工作文件名并设置分析模块，然后进行必要的定义，包括定义单元类型和选项、定义实常数和材料属性等。在ANSYS软件中定义材料性能参数如下杨氏弹性模量E1=240GPa，泊松比µ1=0.3接着就可以建立几何模型，尺寸参数参照测绘的相关资料。以联轴器的轴线方向为z轴，生成联轴器几何模型见图3-1、图3-2、图3-3所示。22机械强度图3-1联轴器几何模型图3-2中间轴的几何模型22机械强度图3-3十字轴的几何模

5、型定义横截面类型和单元坐标系，对模型进行网格划分，生成有限元单元、节点，得到有限元分析的实体模型，然后施加荷载及约束；这里选取Solid185实体单元对模型进行有限元网格划分。有限元实体模型见图3-4所示，一共划分了72543个实体单元，共计17375个节点。22机械强度图3-4网格划分后的联轴器实体模型3.2加载与计算ANSYS的求解就是解方程。通过各类求解器，求解由有限元方法建立的联立方程组，其结果是得到节点的自由度解，并进一步得到单元解。这里选择求解类型并进行求解选项设定。MainMenu>Preprocessor>Loads>Analys

6、isType>NewAnalysis，在弹出的NewAnalysis对话框中选择Static静力学分析。MainMenu>Solution>DefineLoads>Apply>Structural>Displacement>OnAreas选项对联轴器施加边界条件，在联轴器的一个十字轴上施加UX、UY、UZ方向的约束。22机械强度图3-5对联轴器施加边界条件和载荷联轴器载荷的确定须根据其最大受力状态下的扭矩。设联轴器传递功率为P，它应等于外力偶Me和相应角速度之乘积，即P=Meω工程中功率P的常用单位为kW，力偶矩的单位为N•m，转速n的单位r/m

7、in(转/分)。于是得P=Me×2π×n/60×10-3由此得Me=P×60×103/2πn=9549P/n由平衡条件知，在转动轴中，扭矩和力偶矩是相等的，即T=Me故有T=P×60×103/2πn=9549P/n已知应用于风力发电机上的联轴器其单台发电机额定功率为120KW。按照功率一定，最低转速时其扭矩值最大。经调研已知风力发电机的额定转速n=1500r/min，最危险工况就按照额定功率下其最小转速n=1000r/min时计算22机械强度T=9549P/n=9549×120/1000=1145.8NmMainMenu>Solution>Def

8、ineLoads>Apply>Structural>Force/Moment>OnNodes选项，在另一个十字轴侧面施加扭矩1145.8