万向节动力学

万向节动力学，其故障和一些实际上提高其

性能和寿命的命题

摘要

万象节也被称为万向联轴器，万向节，哈代斯派塞关节，或万向节是一个联合或耦合刚性杆，使杆任何方向的弯曲，是常用的轴传递旋转运动。它由一对铰链联接在一起，互相垂直，由一个十字轴连接。万向节有一个主要的问题：即使当输入驱动轴以恒定的速度旋转，输出驱动轴可以在变速旋转，从而引起振动磨损。从动轴的转速的变化取决于节点的配置。这样的配置可以由三个变量。通用（万向节）接头与动力传动系统有关的。他们通常用在那里需要在旋转轴的被角偏差。本研究的目的是探讨通用关节的动力学和提出了改善其性能的一些实用方法。任务由最初推导运动方程进行了关联—相关的万向接头。其次是阐述对转速和转矩，反式的振荡行为—MITS公司通过中介轴。用解析的方法，也支持通过计算在关节轴承的力数值模拟。这种模型也被用于计算的节奏，在联合超负荷量。这建议在这些流行的轴承的故障原因的查找一个系统的方法。带着同样的目的，一些有缺陷的轴承变形部分被选作实验室检查。通过分析负荷特性和表面条件的缺陷轴承的疲劳理论与已知的比较是为了尝试挖掘出使这些节点故障和轴承表面缺陷的原因。以提高这些流行机械元素的性能和寿命为目标，并提出一些切实可行的建议。

关键词：机械故障；轴承失效；失效分析；疲劳失效；SolidWorks建模

1.介绍

工程师们一直认为可以提供一种让旋转轴轴的方向稍微倾斜一点的办法。Artobolevsky推出了一些这样的机制在他的书中[1]。一些这样的机制，其相应的特性曲线示于图 1。万向节的失效以严重的后果结束，它可以是非常昂贵的。这导致突然的干扰物在电力供应源和消费设备之间。因此，许多研究是为了识别在这些机制中相应的力的性质和失败。例如，哈吉·雷扎伊＆艾哈迈迪曾报道的他们万向接头的脆性破坏的裂缝影响的研究成果[2]。 Bayrakceken等人。搭载的车辆的动力传递系统万向接头在两种情况下发生故障的研究成果报告上 [3]。在一般意义上，所有这些研究集中在万向接头或它的连接杆失效。几乎没有任何研究报告特别关注在万向节轴承的失效。然而，在实践中已经有许多失败的案例与万向节轴承失效有关联。

图1.万向接头的样品和该被Artobolevsky引入相应的特性曲线中虚线表明输入驱动轴的角速度和实线表明输出驱动轴的角速度 [1]

2.万向节机构

1904年，克拉伦斯·斯派塞，一位年轻的工程学毕业生康奈尔大学，他注册了一个他发明的机制[4]。从那时起，这是所谓的万向接头的机制已得到广泛的工业应用。该万向节是其中最热门的万向节。这是广泛应用于机械接头及接头与先决条件是，输入驱动轴和输出驱动轴不对准。它也可能是期望以允许一些沿旋转轴线的角偏差图2。

万向接头的三个主要部件包括：输入驱动轴，输出驱动轴和交叉十字轴。两点交叉件连接到输入传动轴和其它两个点连接到该输出驱动器轴。连接由滚针轴承提供的。

正是这些轴承的一个重要方面是，尽管在运转上他们从来没有经历完整的周期。换句话说，每个这些轴承围绕只有几度其轴之前返回到其原来的位置。因此，存在只有一组球中这些轴承是采取在轴承负载。另一方面，即使输入的角速度驱动轴是恒定的，所述输出驱动器的角速度轴摆动。这种振荡的大小取决于量输出驱动轴的角偏差。

这些接头被广泛用于汽车的动力传输系统。然而，它们容易磨损和故障并需要替换，在比较短的的时间间隔。自然，这意味着这些部件具有有限的寿命。

图2.万向接头示意图

2.1研究背景

众多机制用于横向轴之间的功率传输。在他们之中胡克的关节是最常用[5]。胡克接头被归类为万向关节和球形接头。这些接头分别具有相对相交的15度和45度的角度。这些类型的接头是在那些能够使用高功率传输的设备中。然而，从动轴的角速度是不恒定的。这意味着在所有角位置它们输出速度与输入速度的比值是不一样的[6]。

Bayrakceken，等。 [3] 进行了汽车动力的驱动轴传输系统万向节断裂分析。他们得出结论认为万向节的失效背后的主要原因，源于高应力点和疲劳失效导致的裂纹的扩展。他们还结论，为了防止这种故障在接头的设计改进中注意。温和应力集中也加速了失效。

车辆动力传动系统由几个经常遇到不幸故障组件组成。Heyes[7]研究了汽车常见的故障类型。他透露，传输系统故障在汽车故障中占1/4。这些故障的一些常见原因是由于设计和制造上的一些缺陷。维护不足，缺陷的材料以及由用户的误操作也有贡献因素。

也有研究人员做过一些动力传输系统的研究报告 [8-11]。Bayrakceken分析一个差速器小齿轮轴的失效[12]。Kepceler等人。研究了一个四轮驱动车辆的电力传输系统应力和寿命计算的元素[13]。Hummel和Chassapis [14]研究了万向节的设计。他们想出的一些建议关于万向接头的结构设计和优化与制造公差。他们还开发了一个系统——关于理想万向节的设计优化方法 [15]。设计了万向节的负责人需要处理一个给定的输入扭矩的最小直径对于一个给定的关节

角度推导

在早期的设计中，前轮驱动汽车用的是万向接头以从发动机传递动力，所遇到的传动系的问题。这是由于该摇摆万向节的扭矩。这样的扭矩当时由Dodge [16]和Evernden[17]分析一个全面的指南，万向节的设计是由瓦格纳和Cooney [ 18 ]写。该指南是关于分析运动学和理想的万向接头强度不考虑干扰和假定小关节角。Hummel和chassapis [ 14 ]一个系统的方法来研究与理想的万向接头的优化设计。这是表明，如果发生机制的各个组成部分之间接触会产生非常高的内力[ 19 ]。较高的内部力量会导致失败；因此，任何时候都必须避免干扰。不合时宜的联合的失败是由于摇摆力矩是由Dodge [ 16 ]和Evernden [ 17 ]研究要做。一般的万向节的设计和动力学的指导方针已经由Wagner and Cooney[ 18 ]，Lee [ 20 ]，Lingaiah [ 21 ]，和Shigley and Mischke [ 22 ]完成。

图3。一个失效的万向节的样品。

为提高电力传输机制的需要是无限的。工程师在他们的企图是不安探索更复杂的系统，可以做的工作更多的有效的工作。需要传递动力共同存在于在降低不良的机械振动水平的愿望。这种企图的例子可以发现在工作报告由陈，等。[ 23 ]。