关于膜片式联轴器结构对其扭转刚度影响的研究

作者：张毅

   有研究表明膜片损坏是联轴器失效的最主要形式。申清潭运用材料力学对膜片体进行受力分析，得到的结论为膜片联轴器受破坏的根本原因在于结构不合理及膜片的受压失稳。Sekhar等认为旋转机械上轴与联轴器之间的连接不当会导致严重的扭振，通过考虑偏差等因素，使用高阶有限元法建立了转子系统模型，并进行了分析。Dobre建立了单张膜片的有限元模型，计算得出膜片的等效应力云图，并指出了膜片的应力危险区域。以上研究多针对单层膜片进行计算分析，且未综合螺栓部分进行计算，本文利用Workbench建立有限元模型，分析联轴器结构对膜片扭转刚度的影响。

1膜片联轴器结构及其简化

  膜片联轴器结构简化模型见图1，其中螺栓连接体的作用为传递扭矩。

  根据已有研究，可忽略细微影响，对膜片做以下几个假设：①忽略膜片间微小的相对运动，认为各膜片均匀承担转矩；②忽略螺栓及螺孔制造过程中的不均匀布置，认为各螺孔均匀承担扭矩；③膜片作为膜片式联轴器中的重要部件，可省略其他细微部件影响。

2  建立有限元模型

本文利用Workbench建立有限元模型。在膜片、螺栓及螺栓连接片处均采用Workbench中三角形拉伸体单元进行网格划分。螺栓受力复杂，划分网格也因此最小，三角形边长为2 mm。结构简化后，整体结构网格数为64 582，使网格模型具有较好的计算精度。膜片部分及螺栓部分有限元模型分别见图2、图3。

  本文在螺栓与膜片螺孔接触上采用Frictional，即有摩擦的接触，两接触面可以通过接触区域传递一定数量的剪切应力。设置刚体材料间摩擦因数为0.5。

3应力分析

本联轴器采用铸铁HT200，其抗拉强度盯s -200 MPa，该联轴器工作时受交变载荷，取安全系数S。=3，则螺栓杆与孔壁的挤压强度许用应力

全约束膜片联轴器内圈，在螺栓连接体上施加15 900 N．m的扭矩，施加载荷后膜片联轴器的应力云图如图4所示。由图4可知，膜片联轴器内圈约束处应力为147.47 MPa，螺栓与孔壁挤压应力最大为32.9 MPa，未超过许用应力值。

4膜片联轴器结构对其刚度影响的有限元分析

  本文主要针对膜片厚度、连接螺栓直径及连接螺栓个数3方面分析膜片联轴器结构对其刚度的影响。

4.1  膜片厚度对联轴器扭转刚度的影响

有分析表明，采用多层薄膜片叠加主要是考虑其结构安装方便，膜片间作用力对其整体刚度影响小，所以本文简化为单层膜片加以分析。在外圈螺栓处施加15 900 N-m扭矩，通过螺栓孔传递到膜片上形成变形，不同膜片厚度下联轴器绕轴向扭转变形云图如图5所示。

根据图5所得绕轴向最大变形量，由扭转刚度计算公式C=T/θ（其中，T为扭矩，θ为扭转角）可计算得到膜片厚度对联轴器扭转刚度的影响，见表1。由表1可见，联轴器扭转刚度与膜片厚度基本成正比，符合理论公式计算结果。

4.2  螺栓个数对联轴器扭转刚度的影响

在膜片厚度为30 mm的联轴器上施加15 900 N-m的扭矩后，8个螺栓均匀布置和12个螺栓均匀布置时，膜片联轴器绕轴向扭转变形云图如图6所示。

由扭转刚度计算公式可计算得到螺栓个数对联轴器扭转刚度的影响，见表2。

由表2可见，螺栓数减少33. 3%，扭转变形减小54. 7%，即联轴器扭转刚度变大54. 7%，可见螺栓数对于联轴器扭转刚度影响较大。

4.3  螺栓直径对联轴器扭转刚度的影响

在膜片厚度为15 mm、螺栓个数为12的联轴器上施加15 900 N-m的扭矩后，螺栓直径为@12 mm和西20mm时，膜片联轴器绕轴向扭转变形云图如图7所示。

  由扭转刚度计算公式可计算得到螺栓直径对联轴器扭转刚度的影响，见表3。

  由表3可知，增加螺栓直径66. 6%，使得联轴器变形增大17. 8%，即扭转刚度减小17. 8%，可见螺栓直径对联轴器扭转刚度大小有一定影响。

5结语

  以上扭转刚度计算结果与产品材料提供的数据非常接近，说明本文所采用的简化模型及通过控制单一变量计算对扭转刚度影响的计算方法是有效的。

6摘要：利用Workbench软件建立联轴器的有限元模型，分析了包括膜片厚度、螺栓数目及螺栓直径在内的膜片联轴器结构对其扭转刚度的影响，给出了膜片式联轴器设计中较为关键的结构参数，对指导膜片式联轴器设计具有一定意义。