十字轴万向联轴器结构优化设计

万向传动装置一般由万向节和传动轴组成，有的还设置有中间支承。万向传动装置的功用是能在轴间夹角及相互位置经常变化的两转轴之间传递动力。 

万向节的功用是不在同一轴线上的两轴之间地传递动力。万向节按其刚度的大小分为刚性万向节和挠性万向节。前者是靠刚性铰链式零件传递动力，其弹性较小；而后者则是靠弹性元件传递动力，其弹性较大，且具有缓冲减振作用，汽车上普遍采用刚性万向节。根据其输出轴和输入轴轴线夹角大于零时传动的瞬时角速度是否相等，刚性万向节又分为不等速万向节、准等速万向节和等速万向节等。

轧钢机等大型机械设备上用的十字轴万向联轴器通常有两种结构形式: 一种称分离式十字轴万向联轴器, 其结构形式是联轴器叉头由分离的轴承盖与轴承座用螺栓连接, 这种形式的结构, 在冲击载荷作用下, 螺栓容易松动和断裂, 而且螺栓占用了空间, 许用倾角小, 限制了联轴器的适用范围。另一种称整体式无螺栓十字轴万向联轴器[1 ] , 其结构形式是采用整体叉头, 无螺栓, 弥补了前者的不足, 但其自身也有缺点, 由于叉头孔增大造成叉头根部强度减弱, 叉头的内轮廓为复杂曲面, 制造及装配困难等。文章将利用三维有限元法对叉头整体结构进行分析, 寻找应力和应力点, 然后, 以应力小为目标, 寻求简单的几何曲面来代替原来的复杂曲面。

结构的形状优化设计又称结构应力优化设计, 其实质是用改变结构形状参数的方法, 达到改变应力分布状态, 减小应力。

叉头的内轮廓形状非常复杂, 工艺性很差, 而且原结构根部应力偏大, 结构的形状优化设计的目的是希望设计一种新的轮廓曲线代替原来的内轮廓曲线, 在不影响万向联轴器的使用性能, 不加大叉头整体尺寸, 满足装配要求的前提下, 降低应力, 提高制造工艺性。考虑到“圆弧—直线—圆弧”为常见的几何线形, 数学描述简单, 加工容易, 故采用“圆弧—直线—圆弧”作为母线, 沿Z 轴拉伸构成叉头内轮廓曲面。为不加大叉头整体尺寸, 外轮廓仍然采用原来形状。