基于Simulation的螺旋槽型联轴器强度分析
时间：2022-10-17 09:19:09
【摘要】本文针对螺旋槽型联轴器的受力情况，通过Simulation模块对三维模型进行网格划分，并基于SolidWorks软件的有限元分析模块对其进行强度分析，并根据结果对螺旋槽型联轴器易变形部分及...
【摘 要】本文基于SolidWorks软件平台，建立的螺旋型联轴器的三维模型，并利用simulation模块对模型进行了有限元分析，得到了螺旋型联轴器的应力、应变、位移分布图，验证了该联轴器的主要失效形式为螺旋槽部位的断裂，并为后续该零件的改进提供了相关分析数据。
1.引言
联轴器是用来联接机械产品轴系传动中的两根轴（主动轴和从动轴）使之共同旋转，以传递扭矩的机械零件。螺旋槽型联轴器是一种完全一体构造的、无背隙的，同时具备良好的挠性和高刚性的联轴器，如图1所示。这种联轴器具有非常优良的弹性和很小的轴承负载。它可以承受各种偏差，最适合用于纠正偏角和轴向偏差，但处理偏心的能力比较差，因为要同时将螺旋槽在两个不同的方向弯曲，会产生很大的内部压力，从而导致联轴器的过早损坏。尽管长的螺旋槽型联轴器能在承受各种偏差情况下很容易地弯曲，但在扭力负载的情况下对联轴器的刚性也有同样的影响。扭力负载下过大的回转间隙会影响联轴器的精度并削弱其整体的性能。
与传统联轴器最大的区别在于，其是在柱状高强度铝合金材料上切出螺旋状的隙槽。其优点是：一、安装简单，联轴器与轴的结合采用夹紧方式，仅需紧固左右2个螺钉即可；二、没有背隙，动力传递采用摩擦力； 三、具备良好的挠性和高刚性；四、转动惯量小等优点。螺旋槽型弹性联轴器是一种比较经济的选择，最适合用于低扭矩应用中，尤其在联接编码器和其他低扭矩的仪器中。
本文针对螺旋槽型联轴器的受力情况，通过Simulation模块对三维模型进行网格划分，并基于SolidWorks软件的有限元分析模块对其进行强度分析，并根据结果对螺旋槽型联轴器易变形部分及应力较大部分进行改进，优化该联轴器的性能。
2.联轴器的结构及主要参数
2.1 整体结构
本文以ARM—050型螺旋槽型联轴器为例进行分析，其结构如图1所示。
2.2 主要参数
最大扭矩为，最大容许安装误差：偏心、偏角5°、轴向位移，最高回转速度。，，，。材质为铝合金7050。
3.有限元模型
3.1 模型基本概述
有限元方法 （FEM） 是一种用于分析工程设计的数字方法。FEM 由于其通用性和适合使用计算机来实现，因此已被公认为标准的分析方法。FEM 将模型划分为许多称作单元的简单小块形状，从而有效地用许多需要同时解决的小问题来替代一个复杂问题。
生成的网格的大小（节和单元的数量）取决于模型的几何结构和尺寸、单元大小、网格公差、网格控制及接触规格。在设计分析的初期，近似结果足以满足需要，因此可以指定较大的单元大小来提高解算速度。要想进行更精确的解算，可能必须使用较小的单元大小，但是分析需要更长的时间。
现在流行的建模软件有Pro/E、SolidWorks、UG等，而有限元分析则有ANSYS、Hypermesh、以及SolidWorks软件自带的功能模块SolidWorks Simulation等。本文选用SolidWorks Simulation工具作为分析工具，因为建模、以及分析都在SolidWorks同一软件平台上，避免了多个应用软件导入时引起的模型要素丢失的麻烦，而且对于分析人员来讲，同一平台避免花费大量的时间用到学习不同软件的操作环节。
3.2 几何模型
在SolidWorks软件环境下，通过拉伸凸台、切除、扫描切除等指令对联轴器进行建模，其结构如图1所示。
3.3 网格划分
使用实体单元对零件或装配体进行网格化时，该软件会生成以下其中一种类型的单元，具体取决于为算例激活的网格选项：草稿品质网格和高品质网格。
草稿品质网格。自动网格器会生成线性四面实体单元。
高品质网格。自动网格器会生成抛物线四面实体单元。
线性四面单元由四个通过六条直边线连接的边角节来定义。抛物线四面单元由四个边角节、六个中侧节和六条边线来定义。如图2所示，为线性和抛物线四面实体单元的示意图。
一般而言，网格密度（单元数）相同时，抛物线单元产生的结果的精度高于线性单元，原因是：1） 它们能更精确地表现曲线边界；2） 它们可以生成更精确的数学近似结果。不过，与线性单元相比，抛物线单元需要占用更多的计算资源。
对于结构算例，实体单元中的每个节都有三种自由度，分别代表三个正交方向上的平移。该软件在以公式方式阐述问题时，使用的是整体笛卡尔坐标系的 X、Y 和 Z 方向。
本文为了分析的方便，将螺纹孔和一部分槽的特征取消，简化了联轴器的结构。其网格化之后的效果以及参数，如图3所示。
3.4 加载及求解
由于联轴器安装的精度影响（偏心、偏角、轴向位移），使得联轴器的传递扭矩之前就预先存在一定的应力，从而联轴器在工作时受力情况较复杂。
在具体分析时，采取的方法是先分别分析由安装误差引起的附加应力，然后再叠加工作扭矩。
此联轴器是通过两端面上的柱孔来连接两轴，并利用摩擦力来传递扭矩的，利用Simulation进行受力分析时，约束和载荷的添加应以两端面上的柱孔作为参照来设定。
由于安装存在偏心误差引起的附加应力，在分析时将一端面上的孔固定，另一端面沿径向方向施加一定的位移量（0.25mm），通过分析得到最大的附加应力约为；同理，分别求出偏角误差引起的最大附加应力为，轴向位移误差引起的最大附加应力为。另外，单独分析扭矩作用时，其最大应力为，如图4所示，注意上述分析是在极限情况下所做的分析。
在分别单独计算上述三种安装误差引起附加应力的基础上，依次添加扭矩的作用，发现同时存在轴向位移和扭矩作用，联轴器会失效，其应力超过了材料的强度，达。而同时存在偏心和扭矩的情况下，联轴器应力为；以及同时存在偏角和扭矩的作用的情况下，联轴器的应力为，此两种情况皆在材料的强度范围内。
4.结论
通过分析发现，最大应力都出现在螺旋部分内孔处，这与该联轴器实际失效形式相符合，本校试验设备中的该型联轴器都是在螺旋槽处断裂。在使用过程中应按照联轴器扭矩值的范围内工作，相关安装精度也需保证。另外若联轴器需正反转使用时，扭矩必须小于最大扭矩的一半。
参考文献：
[1]王屹.联轴器图集[M].北京：机械工业出版社，2009（11）.
[2]王磊，吴新跃.基于Hypermesh和ANSYS的轮胎式联轴器强度分析[J].制造业信息化.2011.12：47—49.
[3]陈亚娣.CAD支持机械创新设计的方法和途径研究.机械管理开发，2006.（5）：8～9.
[4]江洪，陆利锋，魏峥等编著.SolidWorks动画演示与运动分析实例解析[M].北京：机械工业出版社，2006.
课题来源：
1.湖北省教育科学“十一五”规划课题（2010B274）。
2.武汉工业学院工商学院教研课题（2010JY001一般）。
