十字轴式万向联轴器十字轴总成标准化设计

夏清华，杨丰产，葛燕飞，刘火根

(泰尔重工股份有限公司，安徽 马鞍山 243000)

0 前言

十字轴式万向联轴器广泛应用于冶金、起重、矿山等行业，其承载能力和轴承寿命是联轴器的两个关键指标。一般根据相应的标准或企业样本中标定的公称转矩进行选用，而目前现有标准中的公称转矩等参数又有较大的差别。本文根据几种常见的标准中标定的公称转矩，对现有的两种系列产品的实际尺寸进行计算，并与标准进行对比分析。通过对该产品进行优化改进，使其承载能力能够达到现有的较为先进的标准。

1 十字轴总成结构分析

十字轴总成是十字轴式万向联轴器的核心部件。如图1所示，主要包括十字轴1、关节轴承2、挡圈3等零部件。其中十字轴和关节轴承影响万向轴性能，联轴器在承受转矩作用下，十字轴承受弯曲作用力，十字轴根部圆弧处应力最大，也是整个联轴器最薄弱的部位。关节轴承由轴承外圈、圆柱滚子、密封圈等零件组成。联轴器在转动时，由于有倾角的存在，圆柱滚子会在十字轴与轴承外圈之间往复摆动，在大量循环载荷作用下滚动体与滚动表面会产生疲劳失效，主要影响联轴器的使用寿命。因此在联轴器设计时必须对十字轴强度和关节轴承寿命进行计算。

图1 十字轴总成结构图Fig.1 Structure of cross shaft assembly

2 计算方法

2.1 十字轴承载能力计算

联轴器在转矩作用下，十字轴的受力如图2所示，轴承力F使十字轴产生弯曲作用，在圆弧根部应力值达到最大，其弯曲强度应满足

式中，F为十字轴轴颈的作用力，kN;d为十字轴轴颈，mm;di为十字轴油孔直径，mm;s为作用力至危险截面处的距离，mm;R为作用力半径，mm。

图2 十字轴结构Fig.2 Structure of cross shaft

那么十字轴的承载能力为

2.2 轴承寿命计算

轴承的寿命计算公式为

式中，n为转速，r/min;α为工作倾角，(°);Td为工作转矩，kN·m;kt为原动机系数;Cr为轴承额定负载参数，kN·m;C为轴承额定动载荷，C=fc(iLw)7/9z3/4dr29/27;fc为轴承承载能力综合影响系数;i为滚子列数;Lw为滚子长度，mm;z为单列滚子个数;dr为滚子直径，mm。

3 计算与分析

3.1 现有系列计算结果分析

根据十字轴承载能力计算方法以及行业现有两系列十字轴的结构参数，十字轴材料采用20CrMnTi，σs=850 MPa，取［σF］= σs/3=283.3 MPa，得出了两种系列十字轴的承载能力并将其与我国现行机械行业标准JB/T 5513-2006相应回转直径联轴器的公称转矩Tn对比如图3所示。

图3 两系列十字轴承载能力Fig.3 Strength of existing two series of cross shaft

从图3可以看出，两种系列十字轴的承载能力与常见标准给出的公称转矩相比，系列1的十字轴承载能力与常见标准的公称转矩相比都有较大的差距，系列2的十字轴承载能力部分规格可以达到标准的公称转矩，但仍有一部分规格的十字轴承载能力有较大差距。

在转速n=100 r/min，倾角α=3°，工作转矩Td=1/3Tn的工作条件下，取原动机系数kt=1、轴承承载能力综合影响系数fc=90。计算出两系列的轴承寿命如图4所示。

从图4可看出，随回转直径由180 mm增加到550 mm，轴承寿命都由12 000 h以上减小到4 000 h多，都呈随回转直径增大而轴承寿命减小的趋势。但系列1由回转直径225 mm的16 000 h以上急剧减小到回转直径250的10 000 h以下，后面两种回转直径的轴承寿命也呈现先增大而后减小的跳跃，波动较大，没有明显的规律。而系列2的轴承寿命随回转直径减小的趋势则比较平稳。

图4 两系列轴承寿命Fig.4 Bearing life of existing two series of cross shaft

综合图3和图4看，系列1的十字轴承载能力较低、轴承寿命较高，而系列2的十字轴承载能力较高、轴承寿命较低。十字轴承载能力与轴承寿命存在一定此消彼长的关系。

3.2 标准化系列优化设计

以十字轴的承载能力与关节轴承的寿命为双重设计目标对行业现有两系列进行改进，形成标准化系列的十字轴总成。十字轴的承载能力主要与十字轴轴颈d、作用力至危险截面处的距离s、及作用力半径R等参数相关。关节轴承寿命主要与滚子直径dr、滚子长度Lω、滚子列数i、滚子个数z等参数相关。参数之间存在约束为

通过优化调整上述参数，并合理计算出滚子直径、个数和间隙，得出新标准化系列的十字轴总成。新标准化系列的十字轴承载能力和轴承寿命如图图5、图6所示。比行业现有两系列的十字轴的承载能力有了明显提高，基本达到或超过JB/T 5513-2006中规定的公称转矩。新标准化系列的轴承寿命基本介于系列1与系列2之间，但是随回转直径不同，其寿命变化更加平稳且有一定的梯度。

由于联轴器在实际使用中，较小回转直径(180～350 mm)的一般使用转速较高，转矩较低，因而在设计时以轴承寿命为主，而较大回转直径(390～550 mm)的一般转速较低，转矩较大，在设计时以十字轴的承载能力为主。本文在改进设计时遵循了这一设计理念，并且通过设计计算也取得了比较理想的结果。

4 结语

图5 标准化系列承载能力Fig.5 Strength of standardized series

图6 标准化系列轴承寿命Fig.6 Bearing life of standardized series

通过分析现有两系列十字轴总成的性能参数，改进设计形成的标准化系列十字轴总成的承载能力和轴承寿命都有所提高和改善，达到比较先进的水平。新标准化系列的十字轴总成从2013年2月份开始应用于万向轴中。现已为山东钢铁、河北钢铁等十多个厂家生产了三十多根产品，并与原有结构的产品对比跟踪使用。从对比使用情况来看，由于万向轴的承载能力比原有结构有所提高，万向轴的实际使用寿命也有10%左右的增加。实际使用情况与理论分析基本一致。

［1］阮忠唐.联轴器、离合器设计与选用指南［M］.北京:化学工业出版社，2006.

［2］王文斌.机械设计手册3卷［M］.北京:机械工业出版社，2004.

［3］JB/T 5513-2006.SWC型整体叉头十字轴式万向联轴器［S］.2006.

［4］文斌.联轴器设计选用手册［M］.北京:机械工业出版社，2009.

［5］郭建瑞，张彪 .联轴器系列设计方法探讨［J］.机械设计，1995(07).

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