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1、万向联轴器毕业设计目录第一章绪论11.l前言1.2万向联轴器作用21.3万向联轴器的种类及特点21.3.1特点：21.3.2种类：31.3.3结构：31.4课题目的和要求：51.4,1课题51.4.2设计技术要求与数据5第二章万向联轴器的运动学分析和动力学分析62.1十字万向联轴器的结构组成及受力分析62.1.1十字万向联轴器结构总成62.1.2十字万向联轴器受力分析62.2十字轴式万向联轴器运动分析72.2.1十字轴式单万向联轴器的运动分析72.2.2十字轴时双向联轴器的运动分析92.3万向节十字轴设计原则12.3.I按弯曲强度设计十字轴122.3.2按表面应力设计十字轴132.4轴承的寿命
2、计算142.4.1轴承的动扭矩142.4.2轴承的寿命计算142.5法兰叉头152.5.1法兰叉头的作用152.5.2叉头轴孔部位的应力计算152.5.3又头根部应力15第三章万向轴的结构设计173.1概述173.2十字轴总成游隙结构设计173.2.1滚动体和轴向推力轴承分类173.2.2轴承游隙及主耍尺寸183.2.3十字轴和轴承外圈主要材料、工艺和精度193.3中间轴伸缩花健副结构设193.4十字轴万向轴标准及选用计算213.4.1十字万向轴标准213.4.2十字万向联轴器的选型22第四章主要零件的工艺分析254.I法兰叉头零件分析254.1.!零件的作用254.1.2零件的工艺分析254
3、.1.2建立数字模型254.2确定数控加工工艺方案264.2.I划分数控加工工步264,2.2选择加工设备274.2.3选用加工刀具274.2.4确定切削用量274.2.5设计数控程序284.2.6确定编程原点和加工坐标系284.2.7设计数控程序加工路线284.2.8设计数控程序刀具路径284.2.8后置处理294,2,9加工仿真及程序校验294.2.10数控系统轨迹模拟304.2.Il程序传输和运行30第五章结语与展望30参考文献33第一章绪论1.l前言UOE钢管应用范围十分广阔，不仅应用于铺设长距离高压输油气管线，并且己经扩展到以气体，液体作为推动力输送矿石、谷物、石油、煤炭。在工程建设
4、中用于海底陵道，海底打桩，防坡堤及海上采油平台等，在其它领域还用于高压容器，机架外壳等。市场与效益分析(ANALYSlSOFMARKETNDRETURNS)国内市场分析：UoE钢管的市场十分广阔，据国家十一五”规划，到2010年我国新建原油、天然气、成品油、煤浆管道总长度近40000公里，共需UOE钢管约3000万吨。我公司己先后在西气东输支线、内蒙长呼天然气输送管线、长包管线、靖边扩能管线、惠州壳牌石化工程部分管线、胜利油田石油输送管线、东海大桥等重大管线工程中中标,共销售UOE钢管5万吨，实现销售额3.5亿元。国际市场分析：国际上，俄罗斯、土库曼斯坦及中东地区国家进入中国的油气资源将通过海
5、底管道输送到韩国、日本等对能源需求量较大的国家，预计全球总需求量将在16000万吨左右，可以说市场十分广阔。目前国际上在建的几条大型天然气管线项目中，除采用了德国和日本的UoE钢管外，也大量采用了我们公司的产品。如伊朗国家天然气(NIGC)主持修建的4000多公里的天然气管线的干线管中，我们公司作为国内唯一通过资格预审的投标人，最终力挫日本钢管厂与德国欧洲钢管公司一举中标。目前我们己经发出近7.5万吨钢管，并一次性全部通过国际监理机构SGS的验收，获得了NIGC的大力好评，在行业内稳稳占据图1-1 UOE钢管轧制工艺流程示意图1-主电机；2电动机联轴节S3-减速机:4-主联轴节:5-齿轮机座；
6、6-万向接轴；7-轧辎:8-飞轮图1-4主动夹棍的传动系统十字轴式万向联轴器是一种最常用的联轴器。利用其结构的特点能使不在同一轴线或轴线折角较大或轴向移动较大的两轴等角速连续回转，并可靠地传递转矩和运动。能广泛应用于冶金、起重、工程运输、矿山、石油、船舶、煤炭、橡胶、造纸机械及其它重机行业的机械轴系中传递转矩。联轴器是联接原动机与工作机的重要部件，它的损坏将导致机器的停顿，甚至波及到整条作业线，因此对其可靠性的要求相当高。但是，十字轴式万向联轴器所处的条件又往往是很苛刻的，例如：在轧机传动中，由于所联接的轧串昆的直径有一定限制，因而联轴器的回转直径也相应受到限制，轧制过程中的实际转矩往往接近联
7、轴器的疲劳转矩，稍有不当还会超出，这种过载现象如频繁出现，就会大大降低疲劳寿命，从而使之过早失效或损坏。另外，十字轴式万向联轴器空间几何位置的要求也较高，如有不当，就会出现附加转矩，这些附加转矩也会降低其寿命并影响其传输效率。对于大型联轴器来说，由于维修技术不到位和平衡系统调整不当，也会带来相当于转矩级别的附加载荷或者更大，有的甚至使十字轴折断。因此，对于这样一个核心设备，要有周全的技术控制，以确保其寿命。1.2万向联轴器作用用来联接不同机构中的两根轴（主动轴和从动轴）使之共同旋转以传递扭矩的机械零件。在高速重载的动力传动中，有些联轴器还有缓冲、减振和提高轴系动态性能的作用。联轴器由两半部分组
8、成，分别与主动轴和从动轴联接。一般动力机大都借助于联轴器与工作机相联接。1.3万向联轴器的种类及特点1.3.1特点：万向联轴器最大的特点是具有较大的角向补偿能力，结构紧凑，传动效率高,不同结构型式万向联轴器两轴线夹角不相同，一般W5-45之间。万向联轴器利用其机构的特点，使两轴不在同一轴线，存在轴线夹角的情况下能实现所联接的两轴连续回转，并可靠地传递转矩和运动。1,3.2种类：万向联轴器有多种结构型式，例如：十字轴式、球笼式、球叉式、凸块式、球销式、球较式、球较柱塞式、三销式、三叉杆式、三球销式、较杆式等，最常用的为十字轴式，其次为球笼龙，在实际应用中根据所传递转矩大小分为重型、中型、轻型和小
9、型。1.3.3结构：（1）：十字轴式如图IT所示，它由两个叉形接头1、3,一个中间联接件2和轴销4（包括销套及聊钉）、5所组成；轴箱4与5互相垂直配置并分别把两个叉形接头与中间件2联接起来。这样，就构成了一个可动的联接。双万向联釉看这种联轴器可以允许两轴间有较大的夹角（夹角最大可达35。45）,而且在机器运转时，夹角发生改S1-1十字轴式变仍可正常传动；但当过大时，传动效率会显著降低。这种联轴器的缺点是:当主动轴角速度31为常数时，从动轴的角速度并不是常数，而是在一定范围内（31COSaW33W31/CoSa）变化，因而在传动中将产生附加动载荷。为了改善这种情况，常将十字轴式万向联轴器成对使用
10、（右图十字轴式万向联轴器b），但应注意安装时必须保证轴、轴与中间轴之间的夹角相等，并且中间轴的两端的叉形接头应在同一平面内（右图双万向联轴器）。只有这种双万向联轴器才可以得到33=31。(2)：球笼式球笼式万向联轴器是通过球笼外环和星形内环分别与主、从动轴相联，传力钢球的中心都位于通过联轴器中心的平面内，并装在由球形外环和星形内环外球面凹槽组成的滚道中，两个球面的中心与万向联轴器的中心重合，为了保证所有钢球中心都在两轴轴线间夹角的平分面上，钢球装于球笼内，从而保证了联轴器主、从动轴之间的夹角变化时，传力点能始终位于夹角的平分线上，因此，球笼式万向联轴器主、从动轴间的传速得以保持同步。传动方式可
11、采用滑动传动，也可采用滚动传动。采用滑动传动时，为了缓冲和减振，在球臂和传力臂上安装有聚合物缓冲套3。当采用滚动传动时，则在球臂和传力臂上将原装有的缓冲套3改装为滚动件，同时，在球头和臼座之间亦将原装有的缓冲垫改为滚动件，以适应刚性传动的需要。传动的通用部件，而且也可用于高速传动。该万向联轴器适用范围广泛，尤其是适合于大倾角、径向尺寸受限制工况条件的轴系传动。IS 1-2球笼式万向联轴器一外环,2-内环：3钢球I 4球笼，5一中间轴:L半IX轴器：7一缘幢：8一缘母；9一密封套图1-3球笼式方向联轴器结构示意图(3)：球较式球狡式万向联轴器a)WJ型(单球较式)b)WJS型(双域校式)I一套2
12、-半联轴器3销4、8-接头5一球形件6、7-灵形接头图1-5球校式1.4课题目的和要求：1.4.1课题设计用于宝钢UoE焊管线上下夹送根的SWC250整体叉头十字轴万向联轴器。要求根据该产品的特点,完成该产品的零件设计计算和机械结构CAD等任务。1.4.2设计技术要求与数据(1)设计的数据1.公称扭矩3L5KN/m,疲劳转矩为16KN/m,轴线折角WI0。2.连接法兰的回转直径为250mm,DH短伸缩焊接式。3.主电机功率250KW,送辑转速n=80rpmt送辑最小直径Dmin=400mmo4.使用寿命5000h.(2)设计的技术要求1.主要适用于低速、重载工况条件。2为保证主、从动端的同步性
13、，十字轴式万向联轴器采用双联式。2 1十字万口2. I. 1十字轴不 轴套组成，l图2-1卜字轴式万向联轴器1法兰叉头2十字轴总成3花键轴4花犍套5焊接叉头2.1.2十字万向联轴器受力分析（1）十字轴的受力分析在十字轴的每个轴头上，轴承座给十字轴的压力由滚针轴承承担，假设该力在沿轴向滚子有效接触长度上均匀分布，则在十字轴断面内，只有受力的半圈轴承滚动体承受载荷，而这半圈内各滚动体承受载荷的大小是不同的，中间的滚动体受力最大，其他的沿两侧逐渐减小，处在最两侧的滚动体受力为零（轴承座内孔的加工精度对此也影响较大）。而十字轴的受力大小则是半圈滚动体所受力的合力。由此，十字轴的受力可简化为大小相同、方
14、向相反的两对力偶。这两对力偶处于主传动与被传动轴所决定的平面内，如不计两轴的倾角，则构成两力偶的力均在十字轴轴线平面内。通过在强大的实体设计及分析软件SOLIDWORKS中建立十字轴的实体模型，将实际中十字轴受到的力与力矩作用于十字轴4个轴头受力的半圆柱面上，则可显示整个十字轴的应力值分布、各部位受力后的位移以及及强度安全系数等。分析表明，十字轴头的截面积剪切应力与扭矩完全满足要求，但是轴头根部两过渡圆角的应力值是受力中的最大值（如图，RI、R2）,应力梯度非常大，尤其是圆角较小的Rl处更是如此，应力集中较为明显，在交变载荷下极易产生疲劳，是裂纹和断裂产生的根源。（2）法兰叉架及轴承座的受力分
15、析法兰叉架轴承座可看作是悬臂梁结构，轴承座根部一侧受拉应力，另一侧受压应力，其叉架根部不仅受到大小为F的力作用，还受到力矩为FXH的作用。在此力与力矩的交变作用下，叉架轴承座与法兰连接的根部便是疲劳产生与断裂的根源。由此，轴承座的中心高度H和轴承座根部过渡圆弧大小的结构设计对法兰叉架的强度影响很大。轴承座内孔圆周表面一侧承受压应力，一侧则不受力。轴承座受的力通过连接轴承座的螺栓，使得螺栓承受拉应力，因此，螺栓的预紧力就显得尤为重要。螺栓的预紧力使得上轴承座与下轴承座接触面内产生接触压力，随着预紧力的增大，接触压力也上升。这种预紧力的变化随传递扭矩的增大而增大。如果预紧力较小，而传递扭矩过大，则
16、受力侧的上下轴承座间压力可能下降为零，这时上下轴承座间将出现间隙，而扭矩减小时，间隙会消失，从而产生冲击，而此时为保证传动，与其对称的另一轴承座将会受到很大的力而率先导致疲劳断裂，这对十字轴的使用寿命是极为不利的。另一方面，如果螺栓的预紧量太大，螺栓的拉应力也随着增大，螺栓极易被拉断。所以螺栓的预紧量应根据不同的扭矩确定合适的一个范围，保证上下轴承座的完全接触状态。2.2十字轴式万向联轴器运动分析2.2.1十字轴式单万向联轴器的运动分析字轴式万向联轴器的结构原理如图所示，主、从动轴上的轴叉1、3与中间的十字轴2分别以较链联接，当两轴有角位移时，轴叉1、3绕各自固定轴线回转，而十字轴则作空间运动
17、，十字轴轴头在轴叉1、3轴承孔作摆动。图示2-2十字轴式万向联轴器结构简图1.3一叉轴2-十字轴当两轴的轴间角不等于零时,任一瞬时主动轴转角与从动轴转角如图示2-2。在垂直主动轴1的平面上投影，主动轴叉上A点的轨迹为一实际大小的圆，从动轴叉上B点的轨迹为一椭圆。由于C)B垂直于OA,因此，当主动轴叉转过1,在投影面上AO点转至A点，BO点转至Bl点，0Bl与。,A仍保持垂直关系，即NBO0B=fU而从动轴叉上B实际转角f2,可将OBl所在平面转过角使与OA所在平面重合，此时OBl成为OBI,Bl点所对中心角NOBl即为从动轴转角02,由几何关系可得：tg2=tg01/COSa(2-1)式中：a
18、-轴1与轴2的夹角WI0。01、e2一主、从动轴的转角。由上式可知主、从动轴的转角之比与轴间角a有关。两轴的转角差0可用下式表示：igia)(2-2)CoSa+tgl图示2-4主、从动轴角速度比值与主动轴转角关系根据设计要求，两轴的轴间角10 ,故可将上式改写成:夕=arctg(sin 2例)4(2-3)当主动轴转角1=45时，两轴的转角差达到最大值，近似地可用下式表示:a,s=a4rad,(2-4)由式(2T)可得出主、从动轴之间的角速度关系式：Wz=*2radIs(2-5)1-sinaCoSwj当01=0。或180时，从动轴角速度达到最大值W2z=w/cosa。当01=90或270时，从动
19、轴角速度降至最小值,w2,in=w1.cosa从动轴角速度的波动情况还可用转速不均匀系数表示：6=2maxw2min=Sinafgc(26)图示2-5为从动轴转窗不均匀系数与轴间角的关系，主动轴等角速度回转时，从动轴因转速波动而产生的角速度为：du2SinaSin2asinE=吗；rr*(2-7)at2(l-sinfcacos，例)图示2-5从动轴转速不均匀系数与轴间角的关系由上式可知从动轴的角加速度也是随主动轴转角01周期性地变化，当01=0、90、180和270时，2=0,而当转角01位于使主、从动轴角速度相等，即01=02时，从动轴的角加速度2达到最大值。由于从动轴角速度波动将引起冲击和
20、扭转波动。因此，单万向联轴器不宜用于转速高、惯性大，轴间角大而要求传动平稳的轴系。2.2.2十字轴时双向联轴器的运动分析为了消除单万向联轴器从动轴转速周期性波动，可以将两个单万向联轴器串联而成为双万向联轴器，如图2-6所示。根据式(2-1),利用投影关系可得主、从动轴与中间轴的转角关系式：tgl=tg夕3cosQ1tg2=tg03cos2得：tgltg2=cosQlCOSQ2式中：01、e2、03主动轴、从动轴和中间轴的转角al、a2一一主、从动轴分别与中间轴的轴间角。IS2-6a）主、从动轴线相交b）主、从动轴线平行当l=2时，l=2,由此可使主、从动轴间没有转角差，消除了主动轴等速回转而从
21、动轴转速变速波动的现象。为此，绝大多数场合下，双万向联轴器在安装时必须满足以下三个条件：1）中间轴与主、从动轴的轴间角l、2应相等；2）中间轴两端轴叉应位于同一平面内；3）主、从动轴和中间轴三轴的轴线应在同一平面内。图示2-7a）Z型布置一平移调整b）W型布置一角向调整在联轴器运转过程中，主、从动轴需要相对移动时，为了满足上述三个条件，应根据轴线位移的性质，确定相应的布置形式，对于要求平行位移的线，应采用图2-6a的Z型布置，对于要求有角位移的轴线，宜采用图2-6b的W型布置,如若中间轴与主、从动轴的轴间角不相等，即l2,或三轴的轴线不是位于同一平面时（图2-7）,就不能保持主、从动轴同步转动
22、，此时，主、从动轴的转角差和从动轴的转速波动现象与各轴线的相对位置有关。a)ZZ型b)WW型C)ZW型d)WZ型图2-8双万向联轴器主、从动轴的空间布置形式主动轴与中间轴在空间的轴间角Yl可用下式表示：tgy1=g2aj+tg-x(2-8)同样，从动轴与中间轴在空间的轴间角Y2的关系式：tgY2=Jg%2+.2(2-9)以上两式中：al、a2主、从动轴与中间轴在垂直面上的夹角;Bl、B2主、从动轴与中间轴在水平面上的夹角。设：tgl=tgaltg1(2-IOa)tg2=tga2/tg2(2-10b)式中：61、2主、从动轴在垂直中间轴平面内与水平面的夹角。在垂直中间轴平面内，主从动轴之间的轴间
23、角与轴线之间的空间布置有关(图2-9)。图2-9WZ型主、从动轴轴线的空间关系1一主动轴2-从动轴3-中间轴对ZZ型和WW型(2-lla)=1-2-*对ZW型和WZ型8=180-l-2(2-llb)参照式（2-3）,对双向联轴器，当主、从动轴与中间轴不在同平面时，主、从动轴的转角差表冲式为：2=rcsin2i+-sin2（i+90+0）（2-12）对不同的布置方境，式中的（分别用式（2-lla）或式（2TIb）代入。由式（2-12）可知，主、从动轴轴线与中间轴轴线为空间布置时，即使yl=/2,由于0,主从动轴间侔有转角爰。转角差随外血变，当2心Sin（90+O）转角差达到最大值。如设了1=?2
24、=/.此时当0=90(2-13)因03=45,因而使转角差达到极大值，2AemaX=rcfgsin90+sin2（45o+90+90。=（2-14）与单万向联轴器14大转角差近似（2-4）比较，A轴不在同一平面时,使主、从动轴的转角差增大一倍。2.3万向节十字轴设计原则2.3.1按弯曲强度设计十字轴利用材料力学方法，对十字轴按有外壳包围的悬臂梁（固定梁）承受弯曲载荷的情况来计算轴颈直径这一主要结构参数，如图2-10所示：图2T0十字轴的轴颈直径十字轴所采用的材料为20CrMnTi,其材料力学性能如下:抗拉强度Ob(MPa)：21080屈服强度S(MPa)：妾835伸长率5(%)：10断面收缩率
25、(%)：45冲击功AkV(J)：55冲击韧性值kv(Jcm2)：69硬度:217HBI-I面的弯矩Ml-fM-=F-a=Wh5(2-15)转矩:T=F2R(2-16)(2-17)(2-18)由上述两式求得从动轴十字轴轴颈上得受力最大值:CoSa32从式(2-16)J(2-17)可I得:I32F16Ta=3Vsa71/i-cosa-Sh=:i=60V81cos1O8352.3.2按表面应力设计十字轴利用赫兹理论，可以计算滚动体(滚针或滚子)与十字轴轴颈的表面接触应力,其公式如下所示:6 4=2701 IP +-T 外d .w(2-19)式中：b-滚针或滚子的有效接触长度mmdr-滚针和滚子的直径
26、mm;D-H字轴轴颈mm;P-滚针或滚子的直径mm；D4.08FP=F-轴承上径向载荷N?Z-每排滚针或滚子数目；l.*Jt冲击1荷船例胡动运输轴遗连纹管It机连窿工作罐道中型型用礼机压缩机单缸）活塞泵（*柱塞）搅拌机压力肌新且机E重机主传动域磨机2-3特重冲击负荷起取机辅助传动破碎机速工作寝道春取机搏轧机3-S板重冲击负荷机槊依道厚板剪切机6-1$表3TK3的选择对于十字万向联轴器是双向运转还是单向运转，还要比较实际传递的峰值转矩Tfmax与十字万向联轴器产品的交变疲劳扭矩Tf和单向疲劳转矩Tp,应满足TmaxTf,TmaxTpo此外，从标准的十字万向联轴器产品中选型还要考虑最大的工作转速笔
27、须远小于临界弯曲转速。一般情况下实际最大转速不要超过临界转速的80%,标准产品规定了临界转速。第四章主要零件的工艺分析4. 1法兰叉头零件分析图4-1SWC型法兰叉头（2）制造难点分析：1）由于铸造实际尺寸与设计尺寸差距很大，有的部位多达8T0mm,有些部位又有映肉，因此确立合理的工步是该型腔曲面检查及加工的关键。2）法兰叉头铸造毛坯零件加工余量不均匀，在加工中材料去除量较大，因此提高加工效率是一个难点。3）法兰叉头的型腔面一次走刀中去掉的金属体积较大，必须考虑刀具寿命,减少停机换刀时间。因此选择合适的刀具参数，使用合理的切削用量尤为重要。4）法兰叉头加工是在三坐标数控僚床上加工自由曲面，加工
28、质量和效率对加工程序要求高。4.1.2建立数字模型将设计提供的利用三维CAD技术及先进的有限元分析软件优化后的三维模型StP文件导入到UGNX4中，在UGNX4建模模块中将法兰叉头曲面分成A、B、A面（如图4-2、图4-3所示）。SM-3法兰叉头三维模型如图4-2法兰叉头曲面的分割4.2确定数控加工工艺方案4.2.1划分数控加工工步由于型腔曲面铸造公差大，加之铸件涨箱变形，造成毛坯余量不均匀、不对称，为了提高加工效率，先将型腔曲面分割成A、B、面，按单边留量6mm,将型腔曲面走刀检查一遍，确定工件余量，再根据余量情况制定加工流程，如图4-4所示。图4-4加工流程图1）如果观察没有余量，可加大机床转速和走刀，快速完成型腔曲面的检查。2）如果A、B面均有加工余量，量大则先执行A、B面分别粗加工程序，再执行A、B面同时精加工程序；量小则直接执行A、B面同时精加工程序。3）如果A面或B面单边有加工余量，则只执行A面
