膜盘冗余强度分析

冗余结构强度分析

扭矩载荷作用下内外齿的相对位移除了角向偏转之外，扭矩载荷对内外齿的相对位移也起到了主要影响，膜盘传递扭矩载荷时外齿的周向。以膜盘外围为参考，当膜盘受到扭矩载荷T时，中间轴会由于膜盘的形变而产生旋转角度β，从而产生相应的周向位移S，由于此位移是由膜盘形变产生的，故此处的位移是指膜盘外围与同侧外齿之间的相对位移，即花键内外齿相对位移。

由于膜盘联轴器是对称结构，因此有限元分析时只需得出一侧的相对位移即可，建立有限元模型后，对膜盘外围进行约束，在中间轴的另一端施加允许的大扭矩载荷，齿处的周向位移为0.2mm左右。因此，在扭矩载荷作用下内外齿的齿侧间隙应大于该位移，考虑到安装及制造误差，因此将齿侧隙也取为0.mm。

根据上述对冗余结构花键内外齿的间隙设计的分析结果，以及之前设计的中间轴结构尺寸，并参照膜盘结构，得出冗余结构与膜盘的装配图如图-所示，而护板及花键的结构尺寸仍需要通过强度分析之后才能得出。

由于本文所设计的冗余结构属于非工作冗余，故只有当膜盘破损失效时，该结构才会传递扭矩，因此有先分析膜盘的破损状态以及膜盘破损后冗余结构的受载情况，随后对该结构传递扭矩时的状态进行强度分析。

3.1膜盘破损状态及冗余结构受载情况分析

对于膜盘的失效，从3.中得出的结论中可知，其断裂失效位置一般发生在膜盘厚度薄处。由于受到的扭矩载荷很大，当膜盘某处开裂后，整个膜盘盘面便会在短时间内沿开裂处继续破损，直到膜盘从与法兰固定的轮毂处脱落，从而失效。此时冗余结构开始代替膜盘传递扭矩，即扭矩直接通过输入端法兰传递到护板上，护板与中间轴上的齿开始啮合，从而通过中间轴传递到输出端。

冗余结构传递扭矩时的受载情况，其特征主要集中在花键内外齿的啮合上，由于所采用的花键的齿廓为渐开线，其受载时齿上有径向力，能起到自动定心作用，故冗余结构在传递扭矩时，花键内外齿的中心通常是重合的。

考虑到冗余结构在受到角向载荷或者冲击载荷时，由于内外齿的间隙相对较大，内外齿之间的啮合不可避免的会产生偏心或者倾斜。但是由于这种状态的瞬时性，以及冗余结构此时在整个联轴器中所起的缓冲作用，因此不必对这种状态具体进行深入分析，而是通过冗余结构的系数来满足其强度要求。

其大应力发生在护板花键齿的根部，说明齿根处的过渡形式对其强度的影响较大，因此，从结构改进的思路上出发，需对不同的齿根过渡形式进一步探究。此外，对于渐开线花键而言，模数也是影响强度的一个重要因素，探究模数与应力的关系，其分度圆直径要一致。对于模数而言，根据中间轴的直径，可将齿的模数定为、3、2.三种进行应力计算，而为了探究齿根过渡形式的影响，可将花键齿分为平齿根和圆齿根两种形式。圆齿根渐开线花键比平齿根渐开线花键的强度要高很多，因此冗余结构可以采用圆齿根渐开线花键来提升其系数。同时随着模数的减小，齿数的增加，两种齿根过渡形式所受的应力均有所减小，因此可以适当降低模数，增加齿数，使冗余结构受载均匀，但模数也受齿间间隙等其他因素的影响，故并不是越小越好。在本设计中，由于考虑到模数的改变对其应力的影响较小，同时为了制造方便，因此选用模数为的圆齿根渐开线花键即可。