CN103148110B - 万向十字轴 - Google Patents
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Abstract
针对现有重载及超重载领域的万向联轴器中的万向十字轴于应力集中而极易产生疲劳断裂的技术难题，本发明提供一种能够减少应力集中的万向十字轴，在每个轴头的底部与基体之间均设有一个呈近似圆锥状过渡台，每个轴头同与其相连接的呈近似圆锥状过渡台平滑过渡；在轴截面上，近似圆锥状过渡台母线均为椭圆弧线。本发明有益的技术效果是：通过在万向十字轴的基体与轴头之间分别设置了一个呈近似圆锥状过渡台，每个呈近似圆锥状过渡台同与之相连接的轴头根部和基体之间均为平滑的过渡，且无截面形状的突变，从而减轻了十字轴轴头根部的应力集中，提高了十字轴的强度，减少了疲劳断裂的可能性。
Description
技术领域
本发明属于万向联轴器技术领域，具体涉及用于重载及超重载领域的万向联轴器内的万向十字轴。
背景技术
目前，广泛应用在热连轧粗轧机、大型型钢轧机、穿孔机、中宽厚板及炉卷轧机等重型机械的主传动装置上的重载及超重载十字轴式万向联轴器的万向十字轴极易坏损：一方面是由于用在上述大型设备中的重载及超重载万向联轴器的体积庞大，回转直径H0在φ650mm至1300mm之间，扭矩在2300KN·m至19405KN·m，导致其在运行时受到的冲击载荷和扭矩很大；另一方面，其在作业过程中还要受到频率很高的交变冲击载荷。因此，重载及超重载十字轴式万向联轴器的关键部件万向十字轴极易发生断裂而导致报废。
造成上述断裂的机理是：万向十字轴是重载及超重载十字轴式万向联轴器中的关键部件，也是薄弱部件，万向十字轴的轴颈根部的疲劳断裂是其主要的失效形式。要解决该部件的强度问题存在如下几个技术难点：首先，受设备空间的制约，不能通过增加万向十字轴尺寸的方式来提高重载及超重载十字轴式万向联轴器整体的承载能力；其次，本装置在运行中存在应力集中的问题，应力集中导致万向十字轴轴颈底部的疲劳断裂；最后，现有技术中的万向十字轴主要采用钢坯热锻成型，再以数控机床加工其轴颈，而万向十字轴的轴颈根部的过渡结构大多采用单圆弧面平滑过渡或者台阶型过渡。采用单圆弧面过渡的万向十字轴易因为过渡圆弧尺寸过大而受到十字轴结构尺寸的限制，无法克服应力集中的问题，在这种过渡方式下的万向十字轴依然在轴颈根部产生应力集中，在使用中仍旧容易发生断裂，此外该结构的机械加工难度较大，工艺性欠佳，影响生产效率的提高；采用台阶型过渡圆角进行过渡的万向十字轴存在截面形状的突然变化，在这些形状突变处存在较大的应力集中现象，故也无法有效解决易断裂的问题。
发明内容
针对现有重载及超重载领域的万向联轴器中的万向十字轴于应力集中而极易反生疲劳断裂的技术难题，本发明提供一种能够减少万向十字轴的轴头根部的应力集中，提高零件结构强度及工艺性的万向节十字轴。其具体结构为：
万向十字轴，由球体状的基体1及自基体1的四个方向延伸出的与轴承相连的、形状一致的轴头组成，即由基体1、第一轴头21、第二轴头22、第三轴头23和第四轴头24组成，在每个轴头的底部与基体1之间均设有一个呈近似圆锥状过渡台，每个轴头同与其相连接的呈近似圆锥状过渡台平滑过渡；即第一轴头21的底部设有第一轴头近似圆锥状过渡台211，第一轴头近似圆锥状过渡台211的底部与基体1相连接且第一轴头近似圆锥状过渡台211的侧面与基体1相切；第二轴头22的底部设有第二轴头近似圆锥状过渡台221，第二轴头近似圆锥状过渡台221的底部与基体1相连接且第二轴头近似圆锥状过渡台221的侧面与基体1相切；第三轴头23的底部设有第三轴头近似圆锥状过渡台231，第三轴头近似圆锥状过渡台231的底部与基体1相连接且第三轴头近似圆锥状过渡台231的侧面与基体1相切；第四轴头24的底部设有第四轴头近似圆锥状过渡台241，第四轴头近似圆锥状过渡台241的底部与基体1相连接且第四轴头近似圆锥状过渡台241的侧面与基体1相切；第一轴头近似圆锥状过渡台211、第二轴头近似圆锥状过渡台221、第三轴头近似圆锥状过渡台231和第四轴头近似圆锥状过渡台241的形状与尺寸相同；在轴截面上，近似圆锥状过渡台母线3均为椭圆弧线。
此外，第一轴头近似圆锥状过渡台211的底边与第二轴头近似圆锥状过渡台221的底边相切于点A，第二轴头近似圆锥状过渡台221的底边与第三轴头近似圆锥状过渡台231的底边相切于点B，第三轴头近似圆锥状过渡台231的底边与第四轴头近似圆锥状过渡台241的相切于点C，第四轴头近似圆锥状过渡台241的底边与第一轴头近似圆锥状过渡台211的相切于点D；所述点A、点B、点C和点D共面。
此外，设第一轴头21和第二轴头22沿第一对称面401镜像对称，第二轴头22和第三轴头23沿第二对称面402镜像对称，第三轴头23和第四轴头24沿第三对称面403镜像对称，第四轴头24和第一轴头21沿第四对称面404镜像对称；在轴截视面上，构成近似圆锥状过渡台母线3的椭圆弧线的椭圆短轴a均位于相邻两个十字轴头的对称面上；即第一轴头近似圆锥状过渡台211右侧的母线3的短轴a位于第一对称面401上，第一轴头近似圆锥状过渡台211左侧的母线3的短轴a位于第四对称面404上；第二轴头近似圆锥状过渡台221上方的母线3的短轴a位于第一对称面401上，第二轴头近似圆锥状过渡台221下方的母线3的短轴a位于第二对称面402上；第三轴头近似圆锥状过渡台231右侧母线3的短轴a位于第二对称面402上，第三轴头近似圆锥状过渡台231左侧母线3的短轴a位于第三对称面403上；第四轴头近似圆锥状过渡台241下方母线3的短轴a位于第三对称面403上，第四轴头近似圆锥状过渡台241上方的母线3的短轴a位于第四对称面上404上。
此外，万向十字轴的回转直径H0的范围在600mm至1300mm之间，构成近似圆锥状过渡母线3的椭圆弧线的椭圆的短轴a的长度范围为在0.1×（回转直径H0-2×轴头长度H1-轴头直径D）至2×（回转直径H0-2×轴头长度H1-轴头直径D）之间；构成近似圆锥状过渡母线3的椭圆弧线椭圆的短轴a和构成近似圆锥状过渡母线3的椭圆弧线椭圆的长轴b的比值在0.20至0.60之间，其中，优选的构成近似圆锥状过渡母线3的椭圆弧线椭圆的短轴a和构成近似圆锥状过渡母线3的椭圆弧线椭圆的长轴b的比值是在0.45至0.50之间。；呈近似圆锥状过渡台的台高H2的范围是在0.25×（回转直径H0-2×轴头长度H1-轴头直径D）至0.3535×（回转直径H0-2×轴头长度H1-轴头直径D）之间。
有益的技术效果
本发明所述的万向十字轴的基体与四个轴头之间分别设置了一个呈近似圆锥状过渡台，每个呈近似圆锥状过渡台同与之相连接的轴头根部和基体之间均为平滑的过渡，无截面形状的突变，因而减轻了十字轴轴头根部的应力集中，提高了十字轴的强度，减少了疲劳断裂的可能性。
附图说明
图1是本发明的主视图。
图2是图1俯视图。
图3是图2的A-A剖视图。
图4是图3中E区的局部放大图。
图5是图3中F区的局部放大图。
图6是图3中G区的局部放大图。
图7是图3中H区的局部放大图。
图8是图1的立体图。
图9是实施例1在五种扭矩条件下的检测结果。
图10是实施例2在五种扭矩条件下的检测结果。
图11是实施例3在五种扭矩条件下的检测结果。
图中的序号为：基体1、第一轴头21、第二轴头22、第三轴头23、第四轴头24、第一轴头近似圆锥状过渡台211、第二轴头近似圆锥状过渡台221、第三轴头近似圆锥状过渡台231、第四轴头近似圆锥状过渡台241、近似圆锥状过渡台母线3、第一对称面401、第二对称面402、第三对称面403、第四对称面404。
具体的实施方法
现结合附图详细说明本发明的具体结构。
实施例1
参见图1，万向十字轴，由球体状的基体1及自基体1的四个方向延伸出的与轴承相连的、形状一致的轴头组成，即由基体1、第一轴头21、第二轴头22、第三轴头23和第四轴头24组成，在每个轴头的底部与基体1之间均设有一个呈近似圆锥状过渡台，每个轴头同与其相连接的呈近似圆锥状过渡台平滑过渡；即第一轴头21的底部设有第一轴头近似圆锥状过渡台211，第一轴头近似圆锥状过渡台211的底部与基体1相连接且第一轴头近似圆锥状过渡台211的侧面与基体1相切；第二轴头22的底部设有第二轴头近似圆锥状过渡台221，第二轴头近似圆锥状过渡台221的底部与基体1相连接且第二轴头近似圆锥状过渡台221的侧面与基体1相切；第三轴头23的底部设有第三轴头近似圆锥状过渡台231，第三轴头近似圆锥状过渡台231的底部与基体1相连接且第三轴头近似圆锥状过渡台231的侧面与基体1相切；第四轴头24的底部设有第四轴头近似圆锥状过渡台241，第四轴头近似圆锥状过渡台241的底部与基体1相连接且第四轴头近似圆锥状过渡台241的侧面与基体1相切；第一轴头近似圆锥状过渡台211、第二轴头近似圆锥状过渡台221、第三轴头近似圆锥状过渡台231和第四轴头近似圆锥状过渡台241的形状与尺寸相同；在轴截面上，近似圆锥状过渡台母线3均为椭圆弧线。
参见图3，第一轴头近似圆锥状过渡台211的底边与第二轴头近似圆锥状过渡台221的底边相切于点A，第二轴头近似圆锥状过渡台221的底边与第三轴头近似圆锥状过渡台231的底边相切于点B，第三轴头近似圆锥状过渡台231的底边与第四轴头近似圆锥状过渡台241的相切于点C，第四轴头近似圆锥状过渡台241的底边与第一轴头近似圆锥状过渡台211的相切于点D；所述点A、点B、点C和点D共面。
参见图3，设第一轴头21和第二轴头22沿第一对称面401镜像对称，第二轴头22和第三轴头23沿第二对称面402镜像对称，第三轴头23和第四轴头24沿第三对称面403镜像对称，第四轴头24和第一轴头24沿第四对称面404镜像对称；在轴截视面上，构成近似圆锥状过渡台母线3的椭圆弧线的椭圆的短轴a均位于相邻两个十字轴头的对称面上；即第一轴头近似圆锥状过渡台211右侧的母线3的短轴a位于第一对称面401上，第一轴头近似圆锥状过渡台211左侧的母线3的短轴a位于第四对称面404上，详见图 4和图7；第二轴头近似圆锥状过渡台221上方的母线3的短轴a位于第一对称面401上，第二轴头近似圆锥状过渡台221下方的母线3的短轴a位于第二对称面402上。详见图 4和图5；第三轴头近似圆锥状过渡台231右侧母线3的短轴a位于第二对称面402上，第三轴头近似圆锥状过渡台231左侧母线3的短轴a位于第三对称面403上。详见图 5和图6；第四轴头近似圆锥状过渡台241下方母线3的短轴a位于第三对称面403上，第四轴头近似圆锥状过渡台241上方的母线3的短轴a位于第四对称面上404上，详见图 6和图7。
参见图1，万向十字轴的回转直径H0的范围在600mm至1300mm之间，构成近似圆锥状过渡台母线3的椭圆弧线的椭圆的短轴a的长度范围为在0.1×（回转直径H0-2×轴头长度H1-轴头直径D）至2×（回转直径H0-2×轴头长度H1-轴头直径D）之间；构成近似圆锥状过渡台母线3的椭圆弧线椭圆的短轴a和构成近似圆锥状过渡台母线3的椭圆弧线椭圆的长轴b的比值在0.20至0.60之间；呈近似圆锥状过渡台的台高H2的范围是在0.25×（回转直径H0-2×轴头长度H1-轴头直径D）至0.3535×（回转直径H0-2×轴头长度H1-轴头直径D）之间。
本实施例中的轴头直径D均为361mm，轴头长度H1为300mm，回转直径H0为1300mm，构成近似圆锥状过渡台母线3的短轴a的长度为127.4mm，构成近似圆锥过渡台母线3的长轴b的长度为266mm，短轴a和长轴的b长度比为0.479。图9是对实施例1所述尺寸的样品施加扭矩3900KNm至11153KNm的载荷的检测结果，经检测采用本结构后应力平均减少12.2%。
实施例2
参见图1，万向十字轴，由球体状的基体1及自基体1的四个方向延伸出的与轴承相连的、形状一致的轴头组成，即由基体1、第一轴头21、第二轴头22、第三轴头23和第四轴头24组成，在每个轴头的底部与基体1之间均设有一个呈近似圆锥状过渡台，每个轴头同与其相连接的呈近似圆锥状过渡台平滑过渡；即第一轴头21的底部设有第一轴头近似圆锥状过渡台211，第一轴头近似圆锥状过渡台211的底部与基体1相连接且第一轴头近似圆锥状过渡台211的侧面与基体1相切；第二轴头22的底部设有第二轴头近似圆锥状过渡台221，第二轴头近似圆锥状过渡台221的底部与基体1相连接且第二轴头近似圆锥状过渡台221的侧面与基体1相切；第三轴头23的底部设有第三轴头近似圆锥状过渡台231，第三轴头近似圆锥状过渡台231的底部与基体1相连接且第三轴头近似圆锥状过渡台231的侧面与基体1相切；第四轴头24的底部设有第四轴头近似圆锥状过渡台241，第四轴头近似圆锥状过渡台241的底部与基体1相连接且第四轴头近似圆锥状过渡台241的侧面与基体1相切；第一轴头近似圆锥状过渡台211、第二轴头近似圆锥状过渡台221、第三轴头近似圆锥状过渡台231和第四轴头近似圆锥状过渡台241的形状与尺寸相同；在轴截面上，近似圆锥状过渡台母线3均为椭圆弧线。
其中，本实施例中的轴头直径D均为328mm，轴头长度H1为225mm，回转直径H0为975mm，构成近似圆锥过渡台母线3的短轴a的长度为71.5mm，构成近似圆锥过渡台母线3的长轴b的长度为153mm，短轴和长轴的长度比为0.467。图9是对实施例1所述尺寸的样品施加扭矩3900KNm至11153KNm的载荷的检测结果，经检测采用本结构后应力平均减少14.4%。
实施例3
参见图8，万向十字轴，由球体状的基体1及自基体1的四个方向延伸出的与轴承相连的、形状一致的轴头组成，即由基体1、第一轴头21、第二轴头22、第三轴头23和第四轴头24组成，在每个轴头的底部与基体1之间均设有一个呈近似圆锥状过渡台，每个轴头同与其相连接的呈近似圆锥状过渡台平滑过渡；即第一轴头21的底部设有第一轴头近似圆锥状过渡台211，第一轴头近似圆锥状过渡台211的底部与基体1相连接且第一轴头近似圆锥状过渡台211的侧面与基体1相切；第二轴头22的底部设有第二轴头近似圆锥状过渡台221，第二轴头近似圆锥状过渡台221的底部与基体1相连接且第二轴头近似圆锥状过渡台221的侧面与基体1相切；第三轴头23的底部设有第三轴头近似圆锥状过渡台231，第三轴头近似圆锥状过渡台231的底部与基体1相连接且第三轴头近似圆锥状过渡台231的侧面与基体1相切；第四轴头24的底部设有第四轴头近似圆锥状过渡台241，第四轴头近似圆锥状过渡台241的底部与基体1相连接且第四轴头近似圆锥状过渡台241的侧面与基体1相切；第一轴头近似圆锥状过渡台211、第二轴头近似圆锥状过渡台221、第三轴头近似圆锥状过渡台231和第四轴头近似圆锥状过渡台241的形状与尺寸相同；在轴截面上，近似圆锥状过渡台母线3均为椭圆弧线。
本实施例中的轴头直径D均为170mm，轴头长度H1为146mm，回转直径H0为650mm，近似圆锥状过渡台母线（椭圆弧）的短轴a的长度为66.6mm，近似圆锥状过渡台母线（椭圆弧）的长轴b的长度为146mm，的短轴和长轴的长度比为0.456。图11是对实施例3所述尺寸的样品施加扭矩180KNm至2878KNm的载荷的检测结果，经检测采用本结构后应力平均减少14.3%。
下表是采用本结构的实施例1、实施例2及实施例3与传统结构万向十字轴的性能比较。其中，原设计应力是至采用传动单一圆弧结构或台阶结构的万向十字轴应力数据。
结合图9、图10、图11及上表可以得知,采用本设计的十字轴能够有效降低轴颈根部的应力，尤其是当构成近似圆锥状过渡母线3的椭圆弧线椭圆的短轴a和构成近似圆锥状过渡母线3的椭圆弧线椭圆的长轴b的比值在0.20至0.60之间时，即当a/b在0.20至0.60之间时，十字轴根部的最大应力显著降低，十字轴的强度显著提高。之所以产生上述有益效果的原因是采用椭圆形过渡结构可以有效减少十字轴根部的应力集中；同时该设计的十字轴轴颈根部均为平滑过渡，没有截面形状的突变；因而避免了截面形状突变引起的应力集中。
Claims (4)
1.万向十字轴，由球体状的基体(1)及自基体(1)的四个方向延伸出的与轴承相连的、形状一致的轴头组成，即由基体(1)、第一轴头(21)、第二轴头(22)、第三轴头(23)和第四轴头(24)组成，其特征在于，在每个轴头的底部与基体(1)之间均设有一个呈近似圆锥状过渡台，每个轴头同与其相连接的呈近似圆锥状过渡台平滑过渡；即第一轴头(21)的底部设有第一轴头近似圆锥状过渡台(211)，第一轴头近似圆锥状过渡台(211)的底部与基体(1)相连接且第一轴头近似圆锥状过渡台(211)的侧面与基体(1)相切；第二轴头(22)的底部设有第二轴头近似圆锥状过渡台(221)，第二轴头近似圆锥状过渡台(221)的底部与基体(1)相连接且第二轴头近似圆锥状过渡台221的侧面与基体(1)相切；第三轴头(23)的底部设有第三轴头近似圆锥状过渡台(231)，第三轴头近似圆锥状过渡台(231)的底部与基体(1)相连接且第三轴头近似圆锥状过渡台(231)的侧面与基体(1)相切；第四轴头(24)的底部设有第四轴头近似圆锥状过渡台(241)，第四轴头近似圆锥状过渡台(241)的底部与基体(1)相连接且第四轴头近似圆锥状过渡台241的侧面与基体(1)相切；第一轴头近似圆锥状过渡台(211)、第二轴头近似圆锥状过渡台(221)、第三轴头近似圆锥状过渡台(231)和第四轴头近似圆锥状过渡台(241)的形状与尺寸相同；在轴截面上，近似圆锥状过渡台母线(3)均为椭圆弧线；
万向十字轴的回转直径H0的范围在600mm至1300mm之间，构成近似圆锥状过渡母线(3)的椭圆弧线的椭圆的短轴a的长度范围为在0.1×(回转直径H0-2×轴头长度H1-轴头直径D)至2×(回转直径H0-2×轴头长度H1-轴头直径D)之间；构成近似圆锥状过渡母线(3)的椭圆弧线椭圆的短轴a和构成近似圆锥状过渡母线(3)的椭圆弧线椭圆的长轴b的比值在0.20至0.60之间；呈近似圆锥状过渡台的台高H2的范围是在0.25×(回转直径H0-2×轴头长度H1-轴头直径D)至0.3535×(回转直径H0-2×轴头长度H1-轴头直径D)之间。
2.如权利要求1所述的万向十字轴，其特征在于，第一轴头近似圆锥状过渡台(211)的底边与第二轴头近似圆锥状过渡台(221)的底边相切于点A，第二轴头近似圆锥状过渡台(221)的底边与第三轴头近似圆锥状过渡台(231)的底边相切于点B，第三轴头近似圆锥状过渡台(231)的底边与第四轴头近似圆锥状过渡台(241)的相切于点C，第四轴头近似圆锥状过渡台(241)的底边与第一轴头近似圆锥状过渡台(211)的相切于点D；所述点A、点B、点C和点D共面。
3.如权利要求1所述的万向十字轴，其特征在于，设第一轴头(21)和第二轴头(22)沿第一对称面(401)镜像对称，第二轴头(22)和第三轴头(23)沿第二对称面(402)镜像对称，第三轴头(23)和第四轴头(24)沿第三对称面(403)镜像对称，第四轴头(24)和第一轴头(21)沿第四对称面(404)镜像对称；在轴剖视面上，构成近似圆锥状过渡台母线(3)的椭圆弧线的椭圆的短轴a均位于相邻两个十字轴头的对称面上；即第一轴头近似圆锥状过渡台(211)右侧的母线(3)的短轴a位于第一对称面(401)上，第一轴头近似圆锥状过渡台(211)左侧的母线(3)的短轴a位于第四对称面(404)上；第二轴头近似圆锥状过渡台(221)上方的母线(3)的短轴a位于第一对称面(401)上，第二轴头近似圆锥状过渡台(221)下方的母线(3)的短轴a位于第二对称面(402)上；第三轴头近似圆锥状过渡台(231)右侧母线(3)的短轴a位于第二对称面(402)上，第三轴头近似圆锥状过渡台(231)左侧母线(3)的短轴a位于第三对称面(403)上；第四轴头近似圆锥状过渡台(241)下方母线(3)的短轴a位于第三对称面(403)上，第四轴头近似圆锥状过渡台(241)上方的母线(3)的短轴a位于第四对称面上(404)上。
4.如权利要求1所述的万向十字轴，其特征在于，构成近似圆锥状过渡母线(3)的椭圆弧线椭圆的短轴a和构成近似圆锥状过渡母线(3)的椭圆弧线椭圆的长轴b的比值在0.45至0.50之间。
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