均勻接觸應(yīng)力液壓聯(lián)軸節(jié)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型涉及一種液壓聯(lián)軸節(jié)，尤其是一種均勻接觸應(yīng)力液壓聯(lián)軸節(jié)及其均勻 接觸應(yīng)力液壓聯(lián)軸節(jié)的優(yōu)化方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著船舶的大型化發(fā)展趨勢(shì)，船舶噸位越來(lái)越大，主機(jī)功率不斷提高，單軸傳遞的 扭矩和推力也越來(lái)越大。相應(yīng)的，對(duì)于起到聯(lián)接軸系傳遞推力和扭矩功能的液壓聯(lián)軸節(jié)而 言，對(duì)其傳遞扭矩和推力的指標(biāo)要求也越來(lái)越高，但同時(shí)出于總體的考慮，對(duì)聯(lián)軸節(jié)的尺寸 和重量的要求也越來(lái)越苛刻。單純依靠放大聯(lián)軸節(jié)物理尺寸的方法來(lái)提高其性能指標(biāo)的技 術(shù)路徑越來(lái)越窄，制造加工的難度也越來(lái)越大。目前迫切需要在應(yīng)用原理技術(shù)層面上的創(chuàng) 新來(lái)突破發(fā)展的障礙。
[0003]針對(duì)上述發(fā)展趨勢(shì)，國(guó)內(nèi)外液壓聯(lián)軸節(jié)生產(chǎn)商均推出了增摩型液壓聯(lián)軸節(jié)產(chǎn)品， 較傳統(tǒng)型相比增摩型產(chǎn)品有效提高了液壓聯(lián)軸節(jié)單位重量的傳扭能力。但是無(wú)論增摩型還 是傳統(tǒng)液壓聯(lián)軸節(jié)外套與內(nèi)套接觸邊界存均在較高應(yīng)力集中現(xiàn)象，在液壓聯(lián)軸節(jié)的裝拆過(guò) 程存在內(nèi)外套發(fā)生粘咬的風(fēng)險(xiǎn)，導(dǎo)致零件甚至整套產(chǎn)品的報(bào)廢。本實(shí)用新型即是在原有聯(lián) 軸節(jié)外套的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)之上建立參數(shù)優(yōu)化方法，對(duì)外套與內(nèi)套接觸的端部進(jìn)行優(yōu)化，減小內(nèi) 套外套接觸邊界處的應(yīng)力集中度，提高液壓聯(lián)軸節(jié)的裝拆可靠性和疲勞壽命。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本實(shí)用新型是要提供一種可以有效減小接觸邊界應(yīng)力集中度的均勻接觸應(yīng)力液 壓聯(lián)軸節(jié)，在滿(mǎn)足液壓聯(lián)軸節(jié)傳力要求的前提下，減小液壓聯(lián)軸節(jié)的外套與內(nèi)套之間的最 大接觸壓力。
[0005]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型的技術(shù)方案是：一種均勻接觸應(yīng)力液壓聯(lián)軸節(jié)，其上 外套分別設(shè)有靠近油腔端部的卸荷槽和遠(yuǎn)離油腔端部的卸荷槽，所述卸荷槽具有使內(nèi)套與 外套的接觸邊界處應(yīng)力應(yīng)力集中有效降低，同時(shí)不降低液壓聯(lián)軸節(jié)傳遞軸系載荷能力，所 述外套靠近油腔端部的卸荷槽尺寸為：外套厚度T= 46. 6_，倒角深度h= 18_，傾斜角度 α=11.5°，倒角半徑札=15mm，倒角半徑1?2= 4mm;優(yōu)化后的外套遠(yuǎn)離油腔端部的卸荷 槽尺寸為：開(kāi)槽位置Location= 386mm，傾斜角度β= 26°，開(kāi)槽深度113= 6mm，倒角半徑 R3= 3mm〇
[0006]本實(shí)用新型的有益效果是：
[0007]本實(shí)用新型通過(guò)非線(xiàn)性接觸有限元分析方法和優(yōu)化方法相結(jié)合的方式，對(duì)液壓聯(lián) 軸節(jié)的外套進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使得到外套與內(nèi)套接觸的端部應(yīng)力集中度大幅減小，從而有延 長(zhǎng)和效提高了液壓聯(lián)軸節(jié)的使用壽命與可靠性。在液壓聯(lián)軸節(jié)傳遞的設(shè)計(jì)推拉力和扭矩不 降低的前提下，在原理技術(shù)層面上進(jìn)行創(chuàng)新性，減小了液壓聯(lián)軸節(jié)內(nèi)套與外套的應(yīng)力集中 度，設(shè)備重量也得到了一定程度的減輕，延長(zhǎng)了液壓聯(lián)軸節(jié)的使用壽命。由于接觸邊界處應(yīng) 力峰值減小，拆裝過(guò)程內(nèi)套外套相對(duì)滑移時(shí)的接觸壓力減小，因此降低了發(fā)生粘咬故障的 可能性，提尚了其裝拆可靠性。
【附圖說(shuō)明】
[0008] 圖1為聯(lián)軸節(jié)系統(tǒng)示意圖；
[0009] 圖2為圖1中A處的外套大端優(yōu)化模型示意圖；
[0010] 圖3為圖1中B處外套小端優(yōu)化模型示意圖；
[0011] 圖4為油腔端部卸荷槽尺寸圖；
[0012] 圖5為遠(yuǎn)離油腔端部卸荷槽尺寸圖；
[0013] 圖6為疏密網(wǎng)格外套內(nèi)套接觸壓力對(duì)比圖；
[0014] 圖7為三維體單元與二維軸對(duì)稱(chēng)單元的比較圖；
[0015] 圖8為ANSYS與Isight的集成示意圖；
[0016] 圖9為ANSYS與Isight數(shù)據(jù)流程圖；
[0017] 圖10為優(yōu)化前后外套-內(nèi)套接觸應(yīng)力曲線(xiàn)對(duì)比圖。
【具體實(shí)施方式】
[0018] 下面結(jié)合附圖與實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步說(shuō)明
[0019] 本實(shí)用新型的液壓聯(lián)軸節(jié)結(jié)構(gòu)如圖1至圖3(圖2、3為圖1中A、B處的參數(shù)優(yōu)化 結(jié)構(gòu)示意圖）所示，1、2分別為液壓聯(lián)軸節(jié)的外套和內(nèi)套。根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對(duì)原始無(wú)卸荷槽 結(jié)構(gòu)的外套零件進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，尋求使得夾持力均勻的最優(yōu)外套結(jié)構(gòu)。本實(shí)用新型通 過(guò)非線(xiàn)性接觸有限元分析方法和優(yōu)化方法相結(jié)合的方式，對(duì)液壓聯(lián)軸節(jié)的外套進(jìn)行優(yōu)化設(shè) 計(jì)，使得外套與內(nèi)套接觸的端部應(yīng)力集中減小，從而有效延長(zhǎng)和提高液壓聯(lián)軸節(jié)的使用壽 命與可靠性。圖4~圖5給出了優(yōu)化設(shè)計(jì)后，靠近油腔端部和遠(yuǎn)離油腔端部的卸荷槽的具 體尺寸，按照這個(gè)尺寸設(shè)計(jì)的聯(lián)軸節(jié)其外套的接觸應(yīng)力小，同時(shí)能夠滿(mǎn)足傳遞軸系載荷的 要求。
[0020] 外套分別設(shè)有靠近油腔端部的卸荷槽（圖2)和遠(yuǎn)離油腔端部的卸荷槽（圖3)，如 圖4至圖5所示，優(yōu)化后的外套靠近油腔端部的卸荷槽尺寸為：外套厚度T= 46. 6_，倒角 深度h= 18mm，傾斜角度α= 11.5°，倒角半徑札=15mm，倒角半徑1?2= 4mm;優(yōu)化后的 外套遠(yuǎn)離油腔端部的卸荷槽尺寸為：開(kāi)槽位置Location= 386mm，傾斜角度β=26°，開(kāi) 槽深度h3= 6mm，倒角半徑R3= 3mm〇
[0021] 本實(shí)用新型的具體優(yōu)化方法為：
[0022] (1)建立聯(lián)軸節(jié)數(shù)學(xué)優(yōu)化模型
[0023] 確定方案中各參數(shù)變化對(duì)聯(lián)軸節(jié)結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果的影響分析。
[0024] 進(jìn)油腔端部?jī)?yōu)化數(shù)學(xué)模型為：
[0025] minpressmax
[0026] s.t.pressmin^pressaverage
[0027] 20 ^T^ 65
[0028] 10 ^h^ 25
[0029] 10^ 25
[0030] 0 ^R2^ 15
[0031] 0° 彡α彡 25°
[0032] 遠(yuǎn)離油腔端部的優(yōu)化數(shù)學(xué)模型為：
[0033]minpressmax
[0034] s.t.pressmin^pressaverage
[0035] 20° 彡β彡 40°
[0036] 0 彡h3彡 20
[0037] 0 ^R3^ 15
[0038] 380 <Location< 400
[0039] (2)密網(wǎng)格和疏網(wǎng)格平均壓力對(duì)比
[0040] 對(duì)于接觸非線(xiàn)性問(wèn)題，接觸面上應(yīng)力集中效應(yīng)與網(wǎng)格的劃分有密切的關(guān)系，同時(shí)， 之前的驗(yàn)證已經(jīng)得出，接觸面上的接觸壓力并不隨著網(wǎng)格的細(xì)分而趨于穩(wěn)定。
[0041] 由圖6可以看出，隨著網(wǎng)格的變化，外套與內(nèi)套平穩(wěn)段的接觸應(yīng)力是一致的，但是 對(duì)于應(yīng)力集中的端部效應(yīng)，最大應(yīng)力值存在一定的不同。雖然疏網(wǎng)格和密網(wǎng)格接觸端部都 會(huì)存在應(yīng)力集中效應(yīng)（邊界效應(yīng)），無(wú)法準(zhǔn)確計(jì)算出，但是由圖可以看出接觸壓力的變化曲 線(xiàn)是一致的，因此在計(jì)算和優(yōu)化過(guò)程中，以接觸端部的最大接觸壓力為目標(biāo)，當(dāng)端部的邊界 效應(yīng)變小以后相鄰的接觸壓力也會(huì)變小，從而達(dá)到優(yōu)化外套與內(nèi)套接觸處的接觸應(yīng)力。
[0042] (3)三維實(shí)體網(wǎng)格與軸對(duì)稱(chēng)二維單元結(jié)果對(duì)比
[0043] 考慮到三維實(shí)體網(wǎng)格的計(jì)算效率問(wèn)題，本實(shí)用新型對(duì)卸荷槽的尺寸進(jìn)行優(yōu)化時(shí)利 用平面軸對(duì)稱(chēng)單元。利用平面單元可以大大提高計(jì)算分析效率，從而提高優(yōu)化效率。為了 驗(yàn)證二維單元的結(jié)果的可信性，建立相同網(wǎng)格尺度的二維單元網(wǎng)格與三維單元網(wǎng)格進(jìn)行比 較。由圖7三維體單元與二維軸對(duì)稱(chēng)單元的比較可以看出，二維平面單元和三維實(shí)體單元 的計(jì)算結(jié)果是一致的，尤其是在端部的應(yīng)力集中處及接觸平穩(wěn)段。因此，可以采用平面軸對(duì) 稱(chēng)單元對(duì)聯(lián)軸節(jié)進(jìn)行分析和優(yōu)化。
[0044] (4)優(yōu)化尺寸的靈敏度分析
[0045] 在進(jìn)行卸荷槽各參數(shù)優(yōu)化之前，需要明確各個(gè)參數(shù)的變化對(duì)優(yōu)化目標(biāo)（接觸端的 接觸壓力）的靈敏度情況，即分析哪些變量對(duì)目標(biāo)函數(shù)的影響較大，哪些設(shè)計(jì)變量對(duì)目標(biāo) 函數(shù)的影響較小，從而為優(yōu)化提供參考。首先對(duì)靠近油腔處的外套進(jìn)行靈敏度分析，由于靠 近油腔處和遠(yuǎn)離油腔處的外套端部相互影響可以忽略，因此，可以分別對(duì)兩端進(jìn)行分析，分 別對(duì)兩端進(jìn)行優(yōu)化。從而能夠?qū)ふ业綄?duì)兩端都適合的最優(yōu)化設(shè)計(jì)。
[0046] 靠近油腔各設(shè)計(jì)變量對(duì)目標(biāo)函數(shù)的靈敏度分析：
[0047] (a)傾斜角度α的靈敏度分析
[0048]令札=15mm，R2= 2mm，h= 22. 5mm，T= 37. 5mm，以α為設(shè)計(jì)變量，分析α的變 化對(duì)外套接觸壓力的影響。隨著傾斜角度α從〇~30°變化，接觸端部最大應(yīng)力是變小 的。但是當(dāng)傾