扩张器联轴节的优化设计

摘要：

扩张器是消防救援行业的专用工具，其对于交通事故救援，地震救援和家庭救援等应急应用领域都是不可或缺的，也是消防队每年必须采购的装备之一。其性能，结构，工艺和材料的设计和选择，都对消防员最终的使用有着极其重大的影响。作为扩张器最关键的零部件--联轴节，其结构，选材和工艺直接决定着扩张器的输出性能，尤其是安全稳定性，下面就我们常用的联轴节结构和尺寸进行优化性研究和设计。

关键词：扩张器；设计优化；结构

中图分类号：S611 文献标识码： A

1.常用联轴节分析

1.1从选材上来讲，以前多采用我们常用的较高的淬透性的合金调质钢35CrMo或42CrMo。对于常用作旋转驱动的轴类零件的首选材料，具有淬透性较高；无明显的回火脆性；调制处理后有较高的疲劳极限和抗多次冲击的能力，低温冲击韧性好等优点，是针对联轴节的结构应用特性的差强人意的选择。为什么说差强人意？因为联轴节的结构应用特性是要求其选材的首要考虑是拉压强度，而不是韧性。35CrMo或42CrMo的缺点是没能利用马氏体的精细结构强化作用。

1.2从结构上来讲，联轴节的特征性结构（开档分叉，两耳分立，柱垂平过渡）没有发生过本质性变化，这是由其扩张器产品的固有的整体结构特性决定的。当然，因为这种结构的特殊性，造成了其在螺纹两侧的连接处中线点和对面的中心点处有较大的应力集中系数，从而造成此联轴节的结构应力集中失效。

2.第三代联轴节的提高

联轴节的提高主要来自于选用的材料的改变和结构尺寸的改变。从35CrMo或42CrMo到50CrV4，也就是从铬钼钢到铬钒钢，保证了在同一硬度的前提下，其抗拉强度同比有所提高，同时在相当高的强度水平下又具有优良的塑形和韧性。作为典型的高级优质的弹簧钢，其优秀的综合力学性能，加工性能，淬透性能等极大的迎合了扩张器对联轴节的性能要求，同时其较好的铸造能力也为后续的工艺降低了相当的难度。当然，适当的提高浇铸温度和缩短浇铸时间，也是铸造工艺中必须要注意的事项。尽管目前尚未有手册中可以查到50CrV4的相关的铸造性能，但是笔者认为，ZG50CrMo的铸造性能可以为50CrV4提供相当多的参考，同时目前有50CrV4铸造经验的供应商也可以提供更多的铸造经验参考。

良好的铸造性能，使得联轴节的生产工艺再也不需要走切割，锻造，线切割和机械加工的老路，而是直接走到了蜡模精密铸造配机械加工的快车道，以装配企业的厂到厂零部件合格流程时间计算，可以节省几乎2/3的时间。同时，产品的尺寸一次性合格率（这里只说的是尺寸合格率，并不是零部件的一次性合格率）可以做到百分之百，并且尺寸的一致性非常好。

材料和工艺的提高是很大的进步，但是关键的柱垂平过渡结构仍然制约着产品的合格使用，造成了相当的失效和浪费。如何改造提高结构尺寸强度，也是我们研发人员公关的技术难点。

3.有限元分析启示

3.1有限元分析，顾名思义，就是利用数学近似的方法对真实物理系统（几何和载荷工况）进行模拟，利用简单而又相互作用的元素，即单元，使用有限的未知量去逼近无限未知量的真实系统。简单来说，就是利用较简单的问题代替复杂的问题再求解。使用有限元的分析方法解决联轴节的实际的使用工况问题，从而找出改进结构尺寸的方向。

3.2针对联轴节与活塞和扩张臂的安装情况，我们不分析其扩张时的受力情况，原因是在扩张时从活塞到联轴节，再到扩张臂的整体均为受压力情况，而且活塞和联轴节的之间的力也有很大的部分是通过联轴节的螺纹根部的平端面受压传递的，而材料的抗压强度远高于抗拉强度，在此我们就不再分析了。

3.3确定工作条件：厚度13.5mm第三代联轴节为分析对象；活塞的大腔直径为80mm；活塞的小腔直径是48mm；工具的测试压力为70MPa。

3.4当活塞向内拉动联轴节时，80-48mm直径活塞的工作面积为3217mm2，70MPa压强下产生的拉力为225190N。此处我们将两销轴孔的受力解读为固定端或水平轴向力，但是我们很清楚，其真实的受力是与水平轴成一定夹角，并且存在最大值（活塞行程位置决定的）的对称力，如果感兴趣，可以阅读本人的另一篇文章。

3.5进入CATIA的【分析与模拟】下的【创成式结构分析】，选择【新分析案例】下的【静态分析】。材料为自己根据50CrV4实际材料参数设计的各向同性材料，杨氏弹性模量为205GPa，泊松比为0.29，密度为7850kg/m3，屈服强度为1160MPa，热膨胀为1.1X10-5K-1。【节点和元素】的设置为【element type： linear】，【size： 3.225mm】和【absolute sag： 0.516】；【属性】为【3D property】。在4个销轴孔位置施加【clamp夹紧】约束；在螺纹面上施加【distributed force分布力】载荷Y=-225190N。然后点击【compute计算】求解。米塞斯应力图如图1.

图1

3.6从图中可以看出，最大应力值处是有很大的应力集中的，而且其值1115MPa非常接近我们设置的屈服极限1160MPa。这也可以从侧面说明佐证，为什么联轴节经常出现断裂的原因。从而也明确了，至少联轴节下一步的目标就是降低最大应力值。

4.联轴节改进

4.1在不影响联轴节其它结构强度的基础上，考虑将螺纹处退刀槽直径和螺纹轴向力向底平面过渡的应力集中相分离；同时考虑上面的夹角和圆角的趋势分析，我们可以按照某种尺寸规格对联轴节的尺寸结构进行微调，可以得到如下 图2的结构（这里我们就不明确具体的尺寸了）。

图2

4.2参照3.6的过程，重新对图2中经过结构优化的联轴节进行有限元分析，结果见图3。从图中可以看出，原来的应力集中处的最大应力值从1120MPa降低到了648MPa。从单纯的数值分析上来将，结构优化效果明显。而且，我们前面设置的50CrV4的屈服强度是1160MPa，这是目前我们在这种材料的热处理上可以达到的最佳强度了。如果我们考虑热处理的毛坯尺寸和取样部位的不同，我们可以选取一个经济屈服强度，。648MPa对于900MPa的强度来讲，是基本符合设计规范的。

5结尾

作为扩张器设计中最难设计的联轴节，除了我们在材料，生产工艺和热处理要求方面的提高和改进，很重要的一方面就是在结构和尺寸上的改进和优化。充分地利用有限元软件的分析结果，结合大量的试验结果，可以极大的提高我们的设计效能和设计结果，从而极大的节省设计周期和避免很多可以预见的设计缺陷，降低产品的设计成本。