2-万向轴的选型计算

28,万向轴的选型计算,无锡市万向联轴器有限公司,2013年12月,万向轴的选型实质上是一种售前服务，对完成订货有着重要的影响，一个好的选型是成交的一半；,对已经成型的产品，即：顾客已经选型，或者是已经在运行的产品，从一定程度上讲也需要进行分析验算，这是对客户负责任，也是对自我的一种保护；,正确的选型，是客户良好使用体验的保障！不仅仅是理论计算的结果，更是客户实际使用心得（工况、对产品的理解等）的体现！,正确选型的重要性,万向轴基本工作位置示意：,客户的需求,vs.,合适的产品,vs.,产品的性能,选型需要满足的基本要素：,空间条件： 能不能放得下,强度条件： 能不能扛得住,寿命条件： 能不能用的久,平衡条件： 能不能用的好,拆装条件： 能不能换的下,一、空间条件：,1、径向空间条件,：,保证不发生干涉，一是相邻万向轴之间不干涉，二是万向轴与相邻的其他物体不干涉，其中对几个变量要特别注意，保证留够相关件之间的间隙。,轧机都有压下装置，轧辊的轴线是变化的；,轧辊（必须要弄清轧辊可能出现的最小直径）；,万向轴制造误差，叉头摆角的影响；,万向轴运转中有挠度变形,-,扭转刚度；,万向轴工作一段时间后，由于磨损会产生逐渐增大的间隙。,一、空间条件：,2、,轴向空间条件,：要强调长度概念的统一,L,对于可伸缩万向轴来讲是指最短长度（,Lz,）；,Lv,伸长量,(La,),。,要确认其工作长度（Lw）；,工艺要求伸长量的起始位置(换孔型辊的辊面长度决定)；,方便拆装所需的轴向空间（键高,止口深,法兰面倾斜）。,在选择万向轴长度时要明确以下几点：,一、空间条件：,3、如何充分利用轴向空间是选型的最多最难的问题，一般的措施有：,联轴、联套叉头、打通花键套,；,双联叉头（无伸缩,）；,把“伸缩”移到轴套部分,；,空心结构,(,贯穿式,),。,一、空间条件：,4、伸缩型的轴向定位装置,实际应用中是必备的。为什么我们很多产品上没有这种装置，顾客也没反馈回意见，这其中有两个原因: 一是较先进的在轴套上设计了这种装置，二是顾客的不良习惯(焊死)掩盖了要求。可用的装置有这么几种:,1,）抱箍式；,2,）支撑式；,3,）绑木式。,二、强度条件：,1、万向轴在特定工作条件下所承受转距的计算：,计算转矩,Tc,=KT,输入动力,T=9550 Pw/n,不断裂、不塑变：,TcTn,；,TcTf,；,TcTp,二、强度条件：,2、多根万向轴的载荷分配系数,存在减速情况：,Tcn,=,Tc,*i,减速输出一分二：,Tcn,=,Tc,*0.6*i,多轴并联的情况：,Tcn,=,Kz,*,Tc,*,i/n,式中，Kz载荷分配不均匀系数，建议取k,1,1.2；,i,前级减速齿轮传动装置的传动比；,n分配齿轮箱输出轴根数。,二、强度条件：,3、万向轴在不同条件下的许用转距 TcTn；TcTf；TcTp,1,）,Tn,公称转距（,GWB,称为功能极限转矩,Tcs,）,在理想条件下，万向轴的许用转距，（,GWB,取屈服极限的,70%,，无锡万向取,50%,）；所谓理想条件为：,平稳载荷（,K= 1,）；,n10 rpm,；,3,；,Ln5000,小时,2,）,Tf,交变疲劳转距（,Tdw,）,在正反转运行条件下的许用转距（最恶劣的一种负荷条件）；,3),Tp,=,脉动（振动）疲劳转距（,Tp,=1.4,1.45Tf,）单向运转，载荷波动较大条件下的许用转距；,二、强度条件：,对公称扭矩Tn的理解,：,每一个规格的联轴器都规定有一个公称转矩值，它们是在给定条件,-,联轴器转速,10r/min,、轴承寿命,LN,5000,小时、轴线折角,3,、负荷平稳情况下，根据产品系列化要求和零件设计计算结果确定的理论计算数值。对公称转矩应该这样理解：在上述给定条件下，联轴器在数值为公称转矩值的转矩作用下能够长期正常运转而不致失效。,公称转矩的数值是通过综合计算联轴器的关键零件十字轴和叉头的承载能力来确定的。十字轴计算其危险截面的弯曲强度和支承部位的接触强度；叉头计算其抗弯、剪强度。以我国一般选用,20CrMnTi,低合金渗碳钢制造十字轴为例，其材料屈服极限为,s,=835N/mm2,，而十字轴在万向轴承受相应公称转矩的情况下，其弯曲应力值约为,s,数值的,1/2,，由此可见，以屈服极限为测量基准，万向轴的安全系数约为,2.0,左右。,二、强度条件：,对,疲劳转矩Tf,的理解,：,和公称转矩一样，每一个规格的联轴器也都给出了一个疲劳转矩值 。疲劳转矩,Tf,也是通过计算关键零件确定的；所谓疲劳转矩就是联轴器在长期周期性对称循环变动的转矩作用下能够正常运转的转矩。前述材料在对称循环交变载荷作用下的疲劳极限应力为,-1,525N/mm2,。考虑应力集中、尺寸大小以及表面状况对零件承载能力的综合影响以后，其许用的疲劳极限应力,-1,将降低到只有,-1,的,40,左右！在数值为疲劳转矩值的转矩作用下，零件承受的最大弯曲应力,max,约为,-1,的,30,左右，因此，,-1,对,max,的比值就只有,0.4/0.31.33,左右。这就是说，万向轴在长期周期性对称循环交变载荷作用的情况下，其安全系数还不到,1.4,。,三、寿命条件：,1、轴承寿命计算,万向轴的寿命实际上就是指的十字轴总成轴承的寿命，一般是在强度条件通过后，根据相关条件计算出轴承寿命（小时）再以此与预期寿命相比较。,轴承寿命计算公式：,式中：,Ln= Lmin,Ln 计算寿命,n 万向轴的转速r/min,倾角（实际工作时的倾角3时取3）,Tc计算转距,K1原动机系数（电动机: K1=1；柴油机:K1=1.2）,KL轴承容量系数（样本表9 ）,Lmin期望寿命（小时）,g,arctg,式中，,g,合成轴线折角，（,）；,x,水平面的轴线折角，,（）；,y,垂直面的轴线折角，,（）；,三、寿命条件：,轴承容量系数的说明：,三、寿命条件：,2、寿命计算的补充说明,这个公式套用了一般圆柱滚子轴承的计算方法，但它与万向轴轴承的工作条件是有明显差别的，所以套用公式的合理性就值得商榷。,项目,失效形式,运行方式,润滑状况,载荷的均匀性,维护条件,万向轴承,磨损,摆动,不良,刚性差、部分包容,差,一般轴承,点蚀,转动,良好,好,好,轴承计算寿命的可靠度设定的,99%,，也是一百个轴承在这种工况条件下运行到该计算寿命时有一个会出现点蚀（,99,个没有），按这样一个标准来推断，轴承实际表现出的寿命会比计算寿命长得多，而实际情况是万向轴的寿命往往达不到计算寿命，这主要是两者的结构特点和工况条件都有不同：,三、寿命条件：,1,）万向轴无论负载性质如何（平稳、交变、脉动）而其轴承因为处于摆动状态，其受的永远是交变疲劳负荷（破坏性是脉动的,1.45,倍）；,2,）万向轴轴承的轴承座就是叉头的两个叉子，与通常意义上轴承座的刚性要差很多，加上叉头孔对轴承包容不完全（有三分之一暴露在孔外）轴承受力很不均匀，局部负载较大，这自然要加快轴承的失效；,3,）万向轴的安装空间一般都比较紧凑，向轴承注油很不方便，缺油的情况会很多；而且轴承的密封元件多为橡胶制品，一般老化周期都在一年以内，更换几乎是不可能的。这些因素都可能造成万向轴轴承的润滑条件不充分，这是万向轴寿命难以达到计算寿命的最主要原因；,三、寿命条件：,4,）由于没有充分润滑条件，通常万向轴的失效形式并不是通用轴承寿命计算所依据的失效基本判据,点蚀，而是磨损。,a.,点蚀的原因：滚动接触，表面表面硬度较高，润滑充分；,b.,磨损的原因：没有润滑条件，表面形成干摩擦，摩擦系数急剧增大。,5,）两条结论：,a.,万向轴轴承寿命计算公式还有待于完善，或者说我们万向轴的设计、制造还没有满足公式中的基本条件；,b.,万向轴寿命不仅与制造质量有关，日常维护对提高万向轴的使用寿命至关重要，其中最主要的维护是按要求加油。,四、动平衡条件：,随着各种设备向高效发展，万向轴的使用转速越来越高，这就带来两个问题： 一是最高转速的限制,n,max,n，,n,max,nL,；二是对万轴高转速运行下的动平衡精度要求。,1,、什么是动平衡精度：回转中心与质量中心的重合度。,2,、动平衡精度等级：,G16,、,G40,3,、什么转速的万向轴需要作动平衡？,机械设计手册,：,1000r/min,以上；,GWB ,样本,：,500r/min,以上。,四、动平衡条件：,长度和折角较大、工作时运转速度较高的中小型万向轴，由于系统刚度不足等多方面的原因容易发生扭转振动，因此对这类万向轴除按转矩选型并校核轴承寿命外，当回转直径大于390mm、工作转速大于500r/min、长度大于1400mm的万向轴还应按以下公式校核最高工作转速是否符合要求。,maxnmaxn L ,式中，max最高工作转速，r/min;,n与工作轴线折角有关的最大许用转速，r/min; 见图1；,nL与工作长度有关的最大许用转速，r/min; 见图2。,四、动平衡条件：,根据这些年来的体会，,我们认为应该以万向轴的线速度为考虑依据比较合理：高于,68m/s,要进行动平衡试验。,1201000r/min,（,v=6.28m/s,）,225500r/min,（,v=5.88m/s,）,315350r/min,（,v=5.76m/s,）,计算万向轴线速度的简便公式,v=0.0523,Dn,（,mm/s,）,D,万向轴回转直径,mm,n,万向轴转速,r/min,动平衡精度误差：动平衡是一种状态，影响的平衡的因素很多，因此客户验证时应减低标准执行。,五、拆装条件：,拆装条件主要考虑安全、可靠、方便三个因素，而且集中在联接形式和螺栓把合方式。依据以下特点选取万向轴的法兰联接方式：,联接形式,传递转距方式,使用范围,法兰式,纯螺栓,螺栓及其把合力（法兰面的摩擦力）,轻型系列,端面键,同上，增加并占主要比例端面键侧,中型系列,牙嵌,牙嵌侧表面、牙嵌数越多能力越大,由用户习惯决定,端面齿,齿侧,大型、冲击较大,扁头套,扁键侧（对角两点起作用）,与轧辊联接,平键套,孔与被联接的过盈配合及平键侧,不经常拆卸、如电机端,五、拆装条件：,1）尽量不要选择双头螺栓，如果不能避免，首先考虑用加大中心高或加大法兰盘的措施，实现从叉头端穿螺栓；,2）如果不能实现从叉头端穿螺栓，尽量争取在安装时能在法兰面贴紧轴套端面后，还能留有带进螺帽的空间；,3)对于承受交变负荷，冲击很大的工况，可选用铰制孔螺栓。（但制造困难，原则上叉头与轴套必须配作）,拆装条件主要考虑安全、可靠、方便三个因素，而且集中在联接形式和螺栓把合方式。依据以下特点选取万向轴的法兰联接方式：,法兰,螺栓的设计考虑以下要素：,总结语：,由于万向轴的正确选型与前提条件和多方面的影响因素有关，具体选型时要考虑的问题和方法也不应该是唯一的，因此选型前必需详细列出有关条件，而后通过认真分析确定哪些条件是首先应该考虑的关键条件。通过分析抓住了主要矛盾，具体选型方法也就可以据此确定了。,当使用万向轴设备的载荷特性和环境等工况特点突出时，可以只按某一类型的转矩或轴承寿命中的一项确定万向轴规格。,总结语：,）原动机的类型（电动机或内燃机）、功率及其转速；,）从原动机到万向轴之间有无中间传动装置？若有，传动比等于几？通过中间传动装置以后是几根轴输出？即是否有功率分流？,）万向轴本身的转速是多少？是否需要进行动平衡？要求哪一级别的平衡品质等级（通常为G16或G40）？,）工作机的类型及选配万向轴传递负荷的负荷类别：单向恒定负荷、脉动负荷或是双向交变负荷？有无尖峰载荷？其值多大？,）万向轴的安装状态如何？要尽可能使其轴线折角小于3，如不得已倾斜安装，要确定水平和垂直方向倾斜角是多少？,综合起来，要做好选型工作，,必需明确的以下条件：,总结语：,）预期轴承寿命是多少小时？,）工作环境如何？是否有高温、粉尘、水淋、化学腐蚀等恶劣环境条件的影响？,）安装位置是否有限制？具体安装长度是多少？是否需要伸缩？要求伸缩时，万向轴最短状态下向外的伸长量是多少？,）对于不需要伸缩的万向轴，必须考虑轴向尺寸误差的补偿，应确定在系统中进行补偿的位置。,1）万向轴两端要求的联接型式及具体联接尺寸；,总结语：,11,）是否有安装托架等特殊要求？,12,）是否需要选配法兰轴套？需要时，要提供详细外形及联接尺寸；,13,）确定万向轴规格后，选取哪一种结构型式。,上述问题明确以后，一部分作为确定万向轴规格的原始依据，另一部分则应详细地提供给制造厂作为产品设计依据和订货的具体技术要求。,Thank you for your time!,