膜片聯(lián)軸器的應(yīng)力分布情況及改進(jìn)方法

發(fā)布時(shí)間：2018-04-20

金屬撓性膜片聯(lián)軸器(簡(jiǎn)稱“膜片聯(lián)軸器”)，是一種以金屬撓性元件來(lái)傳遞轉(zhuǎn)矩而無(wú)需潤(rùn)滑的傳動(dòng)裝置，廣泛應(yīng)用于艦船、航空、石油化工、機(jī)械制造等。其撓性元件是由   數(shù)量的薄金屬膜片0.2mm~0.6mm疊合而成的膜片組。工作時(shí)轉(zhuǎn)矩從主動(dòng)法蘭盤輸入，經(jīng)過(guò)沿圓周間隔布置的主動(dòng)傳扭螺栓將轉(zhuǎn)矩傳輸至金屬膜片，再由膜片通過(guò)從動(dòng)螺栓傳至從動(dòng)法蘭盤輸出。它通過(guò)合金膜片組產(chǎn)生彈性變形來(lái)實(shí)現(xiàn)聯(lián)軸器的撓性傳動(dòng)，利用膜片的柔性來(lái)吸收輸入輸出軸間的相對(duì)位移，從而補(bǔ)償傳動(dòng)軸系各個(gè)連接部分由于各種因素引起的殘余不對(duì)中。

膜片聯(lián)軸器能夠補(bǔ)償?shù)牟粚?duì)中形式包括如下3種基本類型：角向(兩軸中心線成   角度交于兩軸端之間的中點(diǎn))、橫向(兩軸中心線平行偏移)和軸向(兩軸軸向間隙過(guò)大)。旋轉(zhuǎn)軸系運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)的實(shí)際偏移往往是以上任意2種不對(duì)中的組合或者同時(shí)兼有3種不對(duì)中形式，因此膜片聯(lián)軸器實(shí)際工作時(shí)的載荷及變形比較復(fù)雜。

膜片作為膜片聯(lián)軸器的關(guān)鍵彈性元件，工作時(shí)承受的主要負(fù)荷。

當(dāng)膜片聯(lián)軸器旋轉(zhuǎn)時(shí)，其角向偏移將產(chǎn)生交變應(yīng)力，每旋轉(zhuǎn)一周循環(huán)交變一次。膜片動(dòng)應(yīng)力將導(dǎo)致膜片和螺栓的疲勞破壞，因而準(zhǔn)確地計(jì)算動(dòng)靜復(fù)合應(yīng)力，是預(yù)測(cè)膜片聯(lián)軸器壽命、膜片式聯(lián)軸器工作的關(guān)鍵。

已有的相關(guān)研究多限于分析膜片在單獨(dú)承受某一種載荷時(shí)的應(yīng)力分布情況，而對(duì)于膜片實(shí)際承受復(fù)雜載荷時(shí)的動(dòng)靜復(fù)合應(yīng)力較少涉及。

相鄰兩螺栓孔之間的膜片段可等效為懸臂梁，并利用材料力學(xué)的方法推導(dǎo)出連桿型膜片聯(lián)軸器在單獨(dú)承受轉(zhuǎn)矩、離心載荷、軸向偏移以及角向偏移時(shí)膜片內(nèi)部應(yīng)力的計(jì)算公式，同時(shí)提出了一種計(jì)算膜片扭轉(zhuǎn)剛度的方法，是運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)分析膜片應(yīng)力和剛度的典型方法，但是其較大的不足是無(wú)法考慮螺栓孔周圍區(qū)域應(yīng)力集中效應(yīng)的影響，導(dǎo)致計(jì)算應(yīng)力與實(shí)際應(yīng)力有較大的差距。

比較典型的運(yùn)用有限元法和薄板彎曲理論對(duì)膜片應(yīng)力和疲勞壽命開(kāi)展的研究。其共同點(diǎn)是   先分析膜片在各種單獨(dú)工況下的應(yīng)力，將3種靜態(tài)應(yīng)力(軸向彎曲應(yīng)力、膜片應(yīng)力、離心應(yīng)力)的組合應(yīng)力作為膜片的平均應(yīng)力，將旋轉(zhuǎn)時(shí)角向偏移引起的應(yīng)力作為交變應(yīng)力幅，應(yīng)用靜力學(xué)分析分別求得平均應(yīng)力和交變應(yīng)力幅，然后基于此結(jié)果進(jìn)行疲勞分析。

然而上述研究方法有兩點(diǎn)需要改進(jìn)：

1)一般說(shuō)來(lái)，靜態(tài)組合應(yīng)力的分布和角向彎曲應(yīng)力的分布是不同的。兩種情況下較大應(yīng)力點(diǎn)分布的區(qū)域嚴(yán)格說(shuō)來(lái)并不重合。

2)旋轉(zhuǎn)除了產(chǎn)生離心力，還會(huì)產(chǎn)生慣性力。將較大角向偏移產(chǎn)生的應(yīng)力作為交變應(yīng)力幅實(shí)際上是忽略了慣性力的影響。

我們針對(duì)這兩點(diǎn)展開(kāi)研究，以工程應(yīng)用中常見(jiàn)的束腰型彈性膜片聯(lián)軸器為例，利用有限元軟件ANSYS建模，將瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析方法引入膜片聯(lián)軸器的應(yīng)力分析。瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)方法是用于確定承受任意隨時(shí)間變化載荷的結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)的一種方法，可分析確定結(jié)構(gòu)在靜載荷、瞬態(tài)載荷和簡(jiǎn)諧載荷的任意組合作用下隨時(shí)間變化的位移、應(yīng)變、應(yīng)力及力。