CN203146634U

CN203146634U - 万向十字轴

Info

Publication number: CN203146634U
Application number: CN 201320147116
Authority: CN
Inventors: 赵韩; 陈科; 殷磊; 朱长江; 贾敬平; 孟冠军; 张祖芳; 陈振华
Original assignee: HEFEI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY (MAANSHAN) HIGH-TECH INSTITUTE; Hefei University of Technology; Anhui Taier Heavy Industry Co Ltd
Current assignee: HEFEI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY (MAANSHAN) HIGH-TECH INSTITUTE; Hefei University of Technology; Anhui Taier Heavy Industry Co Ltd
Priority date: 2013-03-28
Filing date: 2013-03-28
Publication date: 2013-08-21
Anticipated expiration: 2023-03-28

Abstract

针对现有重载及超重载领域的万向联轴器的万向十字轴由于应力集中而极易发生疲劳断裂的技术难题，本实用新型提供一种能够减少万向十字轴轴头根部的应力集中，提高零件结构强度的万向节十字轴，由球体状的基体及自基体的四个方向延伸出的与轴承相连的、形状一致的轴头组成，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和一个锥角为90°的圆锥过渡台，在轴截面上，近似圆锥状过渡台母线均为圆弧线，圆锥过渡台母线均为直线。本实用新型的有益的技术效果是：采用本结构后的万向十字轴能有效降低十字轴根部的应力，并改善应力的分布情况，实现增强产品抗疲劳断裂的能力，本结构能提高十字轴的工艺性，有效缩短工期，降低生产成本。

Description

万向十字轴

技术领域

本实用新型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，导致其在在运行时受到的冲击载荷和扭矩相应很大；另一方面，其在作业过程中还要受到频度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内部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由于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。

实用新型内容

针对现有重载及超重载领域的万向联轴器的万向十字轴由于应力集中而极易反生疲劳断裂的技术难题，本实用新型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和一个锥角为90°的圆锥过渡台，每个轴头同与其相连接的呈近似圆锥状过渡台及圆锥过渡台平滑过渡。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）的底部设有第一轴头圆锥过渡台（212）且第一轴头近似圆锥状过渡台（211）的侧面和第一轴头圆锥过渡台（212）的侧面相切，第一轴头圆锥过渡台（212）的底部与基体（1）相连接且第一轴头圆锥过渡台（212）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）的底部设有第二轴头圆锥过渡台（222）且第二轴头近似圆锥状过渡台（221）的侧面和第二轴头圆锥过渡台（222）的侧面相切，第二轴头圆锥过渡台（222）的底部与基体（1）相连接且第一轴头圆锥过渡台（222）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）的底部设有第三轴头圆锥过渡台（232）且第三轴头近似圆锥状过渡台（231）的侧面和第三轴头圆锥过渡台（232）的侧面相切，第三轴头圆锥过渡台（232）的底部与基体（1）相连接且第一轴头圆锥过渡台（232）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）的底部设有第四轴头圆锥过渡台（242）且第四轴头近似圆锥状过渡台（241）的侧面和第四轴头圆锥过渡台（242）的侧面相切，第四轴头圆锥过渡台（242）的底部与基体（1）相连接且第一轴头圆锥过渡台（242）的侧面与基体（1）相切；上述四个近似圆锥状过渡台，即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均为圆弧线；上述四个圆锥过渡台，即第一轴头圆锥过渡台212、第二轴头圆锥过渡台222、第三轴头圆锥过渡台232和第四轴头圆锥过渡台242的形状与尺寸相同；在轴截面上，圆锥过渡台母线4均为直线。

回转直径H0的范围在650mm至1300mm之间，回转直径H0、轴头直径D、轴头长度H1、近似圆锥状过渡台台高H2与圆锥过渡台台高H3的尺寸关系为：回转直径H0-2×轴头长度H1-轴头直径D=4×圆锥过渡台台高H3+n×近似圆锥状过渡台台高H2，其中，n的取值为2.828, 圆锥过渡台台高H3与近似圆锥状过渡台台高H2的比值在0.1至0.4之间。

有益的技术效果

采用本结构后的万向十字轴能有效降低十字轴根部的应力，并改善应力的分布情况，实现增强产品抗疲劳断裂的能力，此外，本结构能提高十字轴的工艺性，能够有效缩短工期，降低生产成本。

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、第一轴头圆锥过渡台212、第二轴头近似圆锥状过渡台221、第二轴头圆锥过渡台222、第三轴头近似圆锥状过渡台231、第三轴头圆锥过渡台232、第四轴头近似圆锥状过渡台241、第四轴头圆锥过渡台242、近似圆锥状过渡台母线3、圆锥过渡台母线4。

具体的实施方法

现结合附图详细说明本实用新型的具体结构。

实施例1

参见图1、图2及图3，万向十字轴，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和一个锥角为90°的圆锥过渡台，每个轴头同与其相连接的呈近似圆锥状过渡台及圆锥过渡台平滑过渡，详见图3至图7。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的底部设有第一轴头圆锥过渡台212且第一轴头圆锥状过渡台211的侧面和第一轴头圆锥过渡台212的侧面相切，第一轴头圆锥过渡台212的底部与基体1相连接且第一轴头圆锥过渡台212的侧面与基体1相切，详见图3及图4。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的底部设有第二轴头圆锥过渡台222且第二轴头圆锥状过渡台221的侧面和第二轴头圆锥过渡台222的侧面相切，第二轴头圆锥过渡台222的底部与基体1相连接且第二轴头圆锥过渡台222的侧面与基体1相切，详见图3及图5。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的底部设有第三轴头圆锥过渡台232且第三轴头圆锥状过渡台231的侧面和第三轴头圆锥过渡台232的侧面相切，第三轴头圆锥过渡台232的底部与基体1相连接且第三轴头圆锥过渡台232的侧面与基体1相切，详见图3及图6。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的底部设有第四轴头圆锥过渡台242且第四轴头圆锥状过渡台241的侧面和第三轴头圆锥过渡台242的侧面相切，第四轴头圆锥过渡台242的底部与基体1相连接且第四轴头圆锥过渡台242的侧面与基体1相切，详见图3及图7。上述四个近似圆锥状过渡台，即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均为圆弧线，详见图4至图7。上述四个圆锥过渡台，即第一轴头圆锥过渡台212、第二轴头圆锥过渡台222、第三轴头圆锥过渡台232和第四轴头圆锥过渡台242的形状与尺寸相同；在轴截面上，圆锥过渡台母线4均为直线，详见图4至图7。

回转直径H0的范围在650mm至1300mm之间，回转直径H0、轴头直径D、轴头长度H1、近似圆锥状过渡台台高H2与圆锥过渡台台高H3的尺寸关系符合等式：回转直径H0-2×轴头长度H1-轴头直径D=4×圆锥过渡台台高H3+n×近似圆锥状过渡台台高H2，其中，n的取值为2.828, 圆锥过渡台台高H3与近似圆锥状过渡台台高H2的比值在0.1至0.4之间。

参见图4，第一轴头圆锥过渡台212的底边与第二轴头圆锥过渡台222的底边相切于点A，参见图5和图8，第二轴头圆锥过渡台222的底边与第三轴头圆锥过渡台232的底边相切于点B，参见图6，第三轴头圆锥过渡台232的底边与第四轴头圆锥过渡台242的相切于点C，参见图7，第四轴头圆锥过渡台242的底边与第一轴头圆锥过渡台212的相切于点D；所述点A、点B、点C和点D共面，参见图3。

参见图1、图3和图8，在实施例1中的轴头直径D均为361mm，轴头长度H1为300mm，回转直径H0为1300mm，圆锥过渡台台高H3与近似圆锥状过渡台台高H2的比值为0.257。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6.2%。

实施例2

参见图1和图3，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和一个锥角为90°的圆锥过渡台，每个轴头同与其相连接的呈近似圆锥状过渡台及圆锥过渡台平滑过渡，详见图3至图7。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的底部设有第一轴头圆锥过渡台212且第一轴头圆锥状过渡台211的侧面和第一轴头圆锥过渡台212的侧面相切，第一轴头圆锥过渡台212的底部与基体1相连接且第一轴头圆锥过渡台212的侧面与基体1相切，详见图3及图4。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的底部设有第二轴头圆锥过渡台222且第二轴头圆锥状过渡台221的侧面和第二轴头圆锥过渡台222的侧面相切，第二轴头圆锥过渡台222的底部与基体1相连接且第二轴头圆锥过渡台222的侧面与基体1相切，详见图3及图5。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的底部设有第三轴头圆锥过渡台232且第三轴头圆锥状过渡台231的侧面和第三轴头圆锥过渡台232的侧面相切，第三轴头圆锥过渡台232的底部与基体1相连接且第三轴头圆锥过渡台232的侧面与基体1相切，详见图3及图6。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的底部设有第四轴头圆锥过渡台242且第四轴头圆锥状过渡台241的侧面和第四轴头圆锥过渡台242的侧面相切，第四轴头圆锥过渡台242的底部与基体1相连接且第四轴头圆锥过渡台242的侧面与基体1相切，详见图3及图7。上述四个近似圆锥状过渡台，即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均为圆弧线，详见图4至图7。上述四个圆锥过渡台，即第一轴头圆锥过渡台212、第二轴头圆锥过渡台222、第三轴头圆锥过渡台232和第四轴头圆锥过渡台242的形状与尺寸相同；在轴截面上，圆锥过渡台母线4均为直线，详见图4至图7。

参见图3及图10，实施例2中的轴头直径D均为328mm，轴头长度H1为225mm，回转直径H0为975mm，圆锥过渡台台高H3与近似圆锥状过渡台台高H2的比值为0.20。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5.2%。

实施例3

参见图1、图3和图8，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和一个锥角为90°的圆锥过渡台，每个轴头同与其相连接的呈近似圆锥状过渡台及圆锥过渡台平滑过渡，详见图3至图7。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的底部设有第一轴头圆锥过渡台212且第一轴头圆锥状过渡台211的侧面和第一轴头圆锥过渡台212的侧面相切，第一轴头圆锥过渡台212的底部与基体1相连接且第一轴头圆锥过渡台212的侧面与基体1相切，详见图3及图4。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的底部设有第二轴头圆锥过渡台222且第二轴头圆锥状过渡台221的侧面和第二轴头圆锥过渡台222的侧面相切，第二轴头圆锥过渡台222的底部与基体1相连接且第一轴头圆锥过渡台212的侧面与基体1相切，详见图3及图5。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的底部设有第三轴头圆锥过渡台232且第三轴头圆锥状过渡台231的侧面和第三轴头圆锥过渡台232的侧面相切，第三轴头圆锥过渡台232的底部与基体1相连接且第三轴头圆锥过渡台232的侧面与基体1相切，详见图3及图6。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的底部设有第四轴头圆锥过渡台242且第四轴头圆锥状过渡台241的侧面和第四轴头圆锥过渡台242的侧面相切，第四轴头圆锥过渡台242的底部与基体1相连接且第四轴头圆锥过渡台242的侧面与基体1相切，详见图3及图7。上述四个近似圆锥状过渡台，即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均为圆弧线，详见图4至图7。上述四个圆锥过渡台，即第一轴头圆锥过渡台212、第二轴头圆锥过渡台222、第三轴头圆锥过渡台232和第四轴头圆锥过渡台242的形状与尺寸相同；在轴截面上，圆锥过渡台母线4均为直线，详见图4至图7。

参见图1、图3及图11，实施例3中的轴头直径D均为170mm，轴头长度H1为146mm，回转直径H0为650mm，圆锥过渡台台高H3与近似圆锥状过渡台台高H2的比值为0.147。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8.05%。

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，原设计应力是指采用传统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。当H3/H2在0.1至0.4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。同时，该设计可以通过改变过渡圆锥面和过渡圆弧面轮廓线(母线)的曲率来分散应力分布，减少应力集中。

Claims

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和一个锥角为90°的圆锥过渡台，每个轴头同与其相连接的呈近似圆锥状过渡台及圆锥过渡台平滑过渡；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）的底部设有第一轴头圆锥过渡台（212）且第一轴头近似圆锥状过渡台（211）的侧面和第一轴头圆锥过渡台（212）的侧面相切，第一轴头圆锥过渡台（212）的底部与基体（1）相连接且第一轴头圆锥过渡台（212）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）的底部设有第二轴头圆锥过渡台（222）且第二轴头近似圆锥状过渡台（221）的侧面和第二轴头圆锥过渡台（222）的侧面相切，第二轴头圆锥过渡台（222）的底部与基体（1）相连接且第一轴头圆锥过渡台（222）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）的底部设有第三轴头圆锥过渡台（232）且第三轴头近似圆锥状过渡台（231）的侧面和第三轴头圆锥过渡台（232）的侧面相切，第三轴头圆锥过渡台（232）的底部与基体（1）相连接且第一轴头圆锥过渡台（232）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）的底部设有第四轴头圆锥过渡台（242）且第四轴头近似圆锥状过渡台（241）的侧面和第四轴头圆锥过渡台（242）的侧面相切，第四轴头圆锥过渡台（242）的底部与基体（1）相连接且第一轴头圆锥过渡台（242）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均为圆弧线；

第一轴头圆锥过渡台（212）、第二轴头圆锥过渡台（222）、第三轴头圆锥过渡台（232）和第四轴头圆锥过渡台（242）的形状与尺寸相同；在轴截面上，圆锥过渡台母线（4）均为直线。

2.如权利要求1所述的万向十字轴，其特征在于，回转直径H0的范围在650mm至1300mm之间，回转直径H0、轴头直径D、轴头长度H1、近似圆锥状过渡台台高H2与圆锥过渡台台高H3的尺寸关系为：回转直径H0-2×轴头长度H1-轴头直径D=4×圆锥过渡台台高H3+n×近似圆锥状过渡台台高H2，其中，n的取值为2.828, 圆锥过渡台台高H3与近似圆锥状过渡台台高H2的比值在0.1至0.4之间。

3.如权利要求1所述的万向十字轴，其特征在于，第一轴头圆锥过渡台（212）的底边与第二轴头圆锥过渡台（222）的底边相切于点A，第二轴头圆锥过渡台（222）的底边与第三轴头圆锥过渡台（232）的底边相切于点B，第三轴头圆锥过渡台（232）的底边与第四轴头圆锥过渡台（242）的相切于点C，第四轴头圆锥过渡台（242）的底边与第一轴头圆锥过渡台（212）的相切于点D；所述点A、点B、点C和点D共面。