膜片联轴器应力分析

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1、应力分析摘要：对六孔圆环形和束腰形膜片，利用冇限元方法和薄板弯曲理论建立膜片应力计算模型。引入改进的局部应力•应变法，建立计算膜片联轴器膜片疲劳裂纹形成寿命的模型和方法。定虽分析两种形式膜片的应力、附加载:荷的疲劳寿命，最后，得出对膜片组设计冇参考价值的结论。关键词：膜片；联轴器；局部应力一应变法：疲劳；裂纹膜片联轴器（亦称桂片.钢片联轴器）是一种有广泛发展前途的、新型的、可取代齿式联轴器的两轴联接装置。它山两端轴、膜片组、中间轴和连接螺栓纽成（图Do其中.膜片纽由一定数量的薄不锈钢涂层膜片吾合而成,通过它來

2、传递转矩和运动。图1膜片联轴器结构示总图（）联轴器所连接的两轴，由于制造和安装误差、承载变形、热变形以及机座下沉等原因,轴线间会产生某种程度的轴向、flJ向、径向偏移。轴线的相対偏移会在轴、轴承和联轴器上引起附加截荷，使机组工作条件恶化。膜片联轴器能通过膜片的挠性来吸收轴线间的三向偏移，改善工作条件。膜片联轴器能传递大的转矩，而且具有结构简单、加工方便、不需润滑等优点，因而广泛应用于航空、舰船、石汕化工、机械制造等领域。本文根据膜片的结构和工作特点，针对工程设计中常见的六孔圆环形和束腰形膜片（图2、3）,利用

3、有限元方法建模，分析膜片的应力，并编写了相应的应力计算软件。在此基础匕引入修正的局部应力-应变法估舁膜片疲劳裂纹形成寿命，为工程设计提供了理论依据与方法。图2圆环形膜片图3束腰形膜片1膜片应力分析膜片是膜片挠性联轴器的关键元件,由于轴线间偏移、传递转矩、承受离心力，膜片工作时处于复杂的受力状态。膜片作为弹性元件，承受的负荷如表1所示。表1膜片•承受的负荷轴向偏移传递转矩旋转离心力螺栓拧紧力角向偏移弯曲应力膜面应力离心应力挤压应力弯曲应力表中前4种为稳态应力，后-•种为交变应力，这里着重讨论轴线间偏移和传递转矩

4、时膜片的应力。膜片变形是薄板弯曲问题，激情况F，膜片承受的预变形是小变形，采用小挠度理论來处理。膜片上相邻两孔的螺栓分别与两端轴和中间轴的凸沿相连接，即螺栓相间反向布世，导致它们之间通过膜片的挠性可以有相对位移。当确定一个孔所在的位置是固定时，相邻的两孔处，由于预变形而导致法向作用力，对隔过一个孔的第三孔，又可为固定约束。图4说明了这种约束与载荷的作用情况。”）・lb）向W体晴比图4膜片预变形受力与约束悄况根据轴向预变形的载荷对称性和结构对称性，可取三分Z-膜片來进行分析（图5）。小变形条件下，可以应用薄板弯

5、曲小挠度理论。对三分之一膜片进行网格划分（三九形薄板单元）和有限元计算，每个节点有三个自由度。如果约束AB、CD边的自由度，则应力计算值将过大。实际上，膜片AB、CD处可以发生鞠曲等不规则的变形，故AB、CD边应作为自山边。在两端的半圆孔上施加约束，中间螺孔承受载荷。这样就把它作为静定简支结构來处理。膜片模型有两种形式，即图5a忽略螺孔的彫响和图5b计及螺孔的影响，为了更楮确，宜采用图5b所示的模型。经有限元计算，得到载荷和膜片应力、挠度的对应关系。对于角向预变形，可近似采用图5的计算模型。膜片传递转矩时，转

6、矩是通过主动螺栓利用膜片元件带动从动螺栓，沿螺栓分布圆切线方向传递的（图6）。忽略膜片间微小的相对运动，认为各膜片均匀承担转矩。螺檢作用在膜片上的力在膜片平而内，按平而应力问题求解，取三分之-膜片的-半，简化计算模型如图7所示。图6传递转矩时膜片图7传递转矩时膜片根据上述分析，利用薄板弯曲冇限元法计算膜片轴向偏移、和向偏移时的应力，按平面应力法计算传递转矩的应力和旋转离心应力。角向偏移引起的偏斜弯曲应力为交变应力，其余三种应力可合成为平均应力。知道了各应力，就容易对膜片作强度校核。并且，由单个膜片的载荷与变形

7、关系，可估算出膜片联轴器的附加载荷，即最大轴孔、I•孔膜片可作类似分析。而束腰形膜片的计算模型与之相同。对于八2膜片疲劳寿命分析膜片作为关键性元件,其疲劳寿命决定着膜片联轴器的正常使用寿命。上面山有限元分析，可求得膜片所受的应力状态。又山于膜片是个缺口件，共疲劳强度和寿命取决于应力集中（或应变集中）处的垠大局部应力和应变，因此，适宜用局部应力一应变法计算其疲劳裂纹萌生寿命。局部应力•应变法是近代在低周疲劳计算公式的基础上，提出的新的疲劳寿命估算方法，认为只要戢大局部应力应变相同，疲劳寿命就相同。局部应力-应变

8、法估算出的是裂纹形成寿命。结论⑴由笄例中可看出，由于束腰形膜片形状合理，应力水平低，郴同参数下，计算出的寿命要比圆环形膜片的长得多，并且在联轴器上引起的附•加载荷小，这正是工程中务采用束腰形膜片的原因。⑵膜片的疲劳寿命并不取决于其名义应力，而是由应力集中（或应变集中）处的最大局部真应力和真应变所决定。因此适宜用局部应力-应变法计算其疲劳裂纹萌生寿命。通过对局部应力-应变法的改进，建立了膜片联轴器膜片