十字軸是萬向聯軸器的主要受力部件,其強度和壽命決定了萬向聯軸器的使用壽命。改進十字軸承副的設計,提高十字軸承副的強度和使用壽命,是萬向聯軸器設計人員和制造廠家一直追求的目標。但船用十字軸式萬向聯軸器傳遞功率大、工作轉速高,作為主要受力元件的十字軸和叉頭的結構、運動和受力狀況均十分復雜。本文運用CAE技術和有限元分析方法計算了十字軸和叉頭的應力狀況,大大提高了計算精度和可靠度。船用高速大功率萬向聯軸器除了在強度上對十字軸和叉頭有較高的設計要求外,十字軸承副的承載能力和使用壽命是影響萬向聯軸器承載能力和使用壽命的又一項關鍵因素。本文以有限元應力分析計算的結果為基礎,運用等強度設計方法,在同樣的使用工況和尺寸、重量的前提下,利用有限的尺寸空間,進行優化設計,提高了十字軸承副的承載能力和使用壽命。

由于萬向聯軸器叉頭與軸聯接,而軸是有一定彈性模量的彈性體,為了避免約束對叉頭本體應力的影響,截取部分軸一起計算。同時由于約束遠離叉頭,約束對叉頭應力的影響較小,可以忽略不計。作用在叉頭孔內的力即十字軸受力的反作用力,因此受力的大小與作用點與十字軸相同,其分布規律也與十字軸相同。

船用萬向聯軸器的使用工況往往屬于高速、大轉矩的情況,同時在選型時卻又經常受到空間尺寸和重量制約。所以,如何在尺寸和重量不變或變化不大的情況下采取措施,提高萬向聯軸器的關鍵承載部件———十字軸承副的承載能力,提高其在高速大轉矩工況下的使用壽命,就成了船用高速大功率萬向聯軸器須解決的問題。從有限元分析得出的結果可以看到,十字軸綜合應力值位于十字軸2擋軸徑根部,主應力值與主應力值的位置與綜合應力值位置相同,且相互對稱。從結構上看該處由于軸徑變化,且采用的是小圓角過渡,產生較大的應力集中。如去掉臺階,改為圓錐面直接過渡,將大大減少此處的應力集中,提高十字軸的疲勞強度。以此為基礎,在滿足十字軸強度的情況下,適當減小1檔軸徑(軸承軸徑),讓出寶貴的空間用于變大滾柱的直徑,減小軸承副的接觸應力,可以大大提高整個十字軸承副的使用壽命,大大減少了十字軸軸根處應力集中,提高了十字軸的疲勞強度。b)原十字軸承副外圈的定位附加力對外圈有彎曲作用,十字軸承副的外圈是薄壁件,容易變形,會影響內圓與滾柱接觸強度。新型十字軸承副外圈的定位附加力使外圈是純受壓,這樣外圈不容易變形。c)十字軸平均壽命和承載能力與滾柱長度成比例,新型十字軸承副充分利用本身空間,在十字軸承副外端增加了一排滾柱,增加了軸承副的承載能力,同時也提高了萬向軸的壽命。