弹性限位膜片联轴器的设计与强度分析

田忠民 刘通洋 王亮申

摘要：针对现有膜片联轴器存在轴向窜动过大的问题，设计出弹性限位膜片，来限制轴向窜动过大问题。先利用Solidworks进行三维建模，再利用集成于Solidworks中Simulation对弹性限位片进行有限元分析。分析结果显示，所设计的弹性限位膜片满足强度要求。

关键词：膜片联轴器；弹性限位片；强度分析

膜片联轴器是一种新型联轴器，具有传递较大的转矩，允许较大的位移误差。然而，由于现有的膜片联轴器的结构不甚合理，当联轴器所联接装置给联轴器施加周期性轴向窜动量时，现有结构的膜片联轴器要么不能限制轴向窜动量的大小，从而使得联轴器半联轴节的轴向窜动量过大，给膜片组带来附加的动载荷，直接影响到联轴器的使用性能和使用壽命；要么没有对轴向窜动施加阻力，从而造成联轴器组件之间产生撞击，金属件之间的撞击会产生火花，联轴器如果在易燃易爆场合使用就可能会造成严重事故。[15]为了解决这些问题，设计出弹性限位膜片，主要限制现有膜片联轴器出现的周期性轴向窜动的窜动量的大小，避免轴向窜动量过大和半联轴节与膜片组的碰撞，增加联轴器的使用寿命。

1 设计计算

本文联轴器的工作条件为：室温下工作，用电动机作为动力源，电动机轴直径为40mm，从动轴直径为40mm，载荷均匀，所需传递最大功率为P=80kW，额定扭矩转速n=2200r/min，轴向窜动量为6mm。基于以上条件来设计、校核分析弹性限位膜片。膜片联轴器的工作环境一般较为恶劣，这就需要弹性限位片的材料有较好的使用性能，需要耐酸、耐碱、耐腐蚀，并且强度应能满足工作需要，本文选用X3CrNiMoN2752作为弹性限位片材料，其弹性模量E=200GPa，泊松比μ=0.28，屈服强度σs=610MPa，密度ρ=7800kg/m3。

弹性限位片主要利用弓形金属片产生的弹性形变来缓冲周期性的轴向力，从而避免膜片与半联轴节产生碰撞。依据膜片和联轴器的结构尺寸，设计出弹性限位片，其结构、尺寸如图1所示。

2 强度分析

（1）弹性限位片的受力计算。膜片受到周期性轴向载荷使得膜片组在轴向的位移达到6mm，可以将弹性限位片简化为简支梁模型，公式（1）表达了变形及相关参数之间的关系。

y=Pl3/3EI（1）

其中，y最大挠度，P力，N/m，l受力点到支点的距离，mm，E弹性模量，I惯性矩。

整理公式（1）得公式（2）

P=3EIy/l3（2）

将相关数据带入公式（2）中，得到：P= 3EIy/l3 =380.1MPa。

（2）弹性限位片的静力分析。根据前面设计的弹性限位片结构及尺寸，先用SolidWorks建模，再用集成于该软件中的Simulation模块对其进行强度分析。应用simulation 进行有限元分析，从而校核其强度。利用Simulation模块分别分析von Mises应力、生命周期等。其中：最大von Mises应力准则基于von MisesHencky理论，即如果三个主应力分别由σ1、σ2、σ3描述，则von Mises应力为：

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

应用simulation分析后，弹性限位片的应力如图2所示。

由图2可以看出最大应力为278MPa，弹性限位片材料的σs=610MPa，因此弹性限位片强度符合要求。

弹性限位片的位移分析如图3所示。

由图3可以得到弹性限位片的最大位移量为0.296mm，未使弹性限位片发生大位移，符合设计要求。

（3）弹性限位片的疲劳强度校核。弹性限位片的疲劳强度校核主要看其使用寿命是否满足要求，分析结果如图 4所示。

图4 弹性限位片的疲劳强度校核生命周期

由图 4 可以看到弹性限位片载荷循环次数达到10，5及以上，满足使用要求。

3 结论

通过为膜片联轴器增加弹性限位片，改进了传统的膜片联轴器结构，解决其轴向窜动没有限制的问题，弹性限位片通过弹力来限制膜片的轴向窜动量，从而避免膜片组与半联轴器发生碰撞，提高了膜片组的使用寿命。

参考文献：

[1]王亮申，陈燕，谢在玉，王昕彦，王晓晨.一种轴向弹性限位的膜片联轴器[P].中国专利：201610580437.6，20161207.

[2]华军，许庆余，张亚红.膜片联轴器膜片应力计算及疲劳寿命分析[J].机械科学与技术，2000，19（2）：203206.

[3]申屠留芳，张相炎.关节联轴器结构最优设计[J].中国机械工程，2003，14（19）：16371639.

[4]Shentu Liufang，Zhang Xiangyan.The Optimal Design of Structure of a Joint Flexible Laminated Membrane Coupling[J].China Mechanical Engineering，2003，14（19）：16371639.

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