应用局部应力一应变法计算联轴器膜片疲劳寿命

　　1引言

　　膜片联轴器由两端轴、膜片组、中间轴和连接螺栓组成(图1),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挠性联接装置。

　　由于轴线间的角向不对中,联轴器旋转时膜片中产生交变应力,引起疲劳。本文利用有限元方法建模,分析膜片的应力。在此基础上,引入修正的局部应力一应变法估算膜片疲劳裂纹形成寿命。

　　2膜片应力分析

　　膜片是膜片挠性联轴器的关键性部件,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。

　　膜片变形是薄板弯曲问题,一般情况下,膜片承受的预变形是小变形,采用小挠度理论来处理。

　　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,即螺栓相间反向布置,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,又可视为固定约束。图2说明了这种约束与载荷的作用情况。

　　根据轴向预变形的载荷对称性和结构对称性,可取三分之一膜片来进行分析(图3)。小变形条件下,可以应用薄板弯曲小挠度理论。对三分之一膜片进行网格划分(三角形薄板单元)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处可以发生翘曲等不规则的变形,AB、CD边应作为自由边。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来处理。采用膜片模型图3,经有限元计算,得到载荷和膜片应力、搽度的对应关系。

　　对于角向预变形,可近似采用图3的计算模型。

　　膜片传递转矩时,转矩是通过主动螺栓利用膜片元件带动从动螺栓,沿螺栓圆切线方向传递的(图4)。忽略膜片间微小的相对运动,认为各膜片均匀承担转矩。螺栓作用在膜片上的力在膜片平面内,按平面应力问题求解,取三分之一膜片的一半,简化计算模型如图5所示。

　　根据上述分析,利用薄板弯曲有限元法计算膜片轴向偏移、角向偏移时的应力,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关系,可估算膜片联轴器的附加载荷,即最大轴向力与恢复力矩。

　　3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。由于膜片是个缺口件,其疲劳强度和寿命取决于应力集中(或应变集中)处的最大局部应力和应变,因此,适宜用局部应力一应变法计算其疲劳裂纹萌生寿命。局部应力刊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,认为只要最大局部应力应变相同,疲劳寿命就相同。局部应力,应变法估算出的是裂纹形成寿命。