十字轴
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压件的尺寸精度和表面粗糙度，还会造成能源的浪费，工作环境较差，并且后
续的机加工不但浪费大量材料，而且还会破坏零件的金属流线结构，产品的内
在和外观质量并不理想。
型和SWP型。从我国制订的三项标准，无论是对联轴器的性能参数还是有关主
要件的材料力学性能、热处理、尺寸偏差、形位公差、表明粗糙度等技术要求
均作了规定，其技术水平已达到国外先进国家同类产品的水平。标准规定的主
要技术指标为：回转直径为φ100～φ1200mm，可传递转矩为2.5～9000kN.m，
轴线倾角为5°～25°，伸缩量达1000mm。国外对SWC型十字轴式万向联轴器的研究要早于我国，其中西德Voith
量也会逐年增加。
十字轴式万向联轴器的主要构件由主、被动叉头与十字包组成,传递动力
的中间受力元件为十字轴。列入国家标准的十字轴式万向联轴器有JB5513
SWC型整体叉头十字轴式万向联轴器、JB3241 SWP型剖分轴承座十字轴式万
向联轴器和JB3242 SWZ型整体轴承座十字轴式万向联轴器。SWP型剖分轴
承座十字轴式万向联轴器和SWZ型整体轴承座十字轴式万向联轴器，对十字
轴的装配比较方便，同时为十字轴的尺寸设计提供了较大的选择空间，但由于
连结的环节较多，工作中故障率较高，使工作的可靠性受到影响，因此选择时
受到限制，应用较少；SWC型整体叉头十字轴式万向联轴器中的十字轴(十
字包)采用无螺栓联接，由于连接环节减少，降低了故障率，工作比较可靠，
十字轴式万向联轴器能够很好地适应传动轴间的较大角位移，而且具有传
递扭矩范围大、结构紧凑、传动效率高、维修保养方便等特点，是一种重要的
传动部件，因此在交通运输、冶金、重型机械等领域中得到广泛应用。基于组
件的开发是近几年发展并日益成熟起来的一种软件开发新方法，其核心思想是
以流水线方式、通过组装组件生产软件，从而容易实现软件开发的工业化。
以SOREM17十字轴为例利用Pro/E的实体造型功能建立十字轴的三维模型
作为通用零件。在建立模型过程中，要注意零件的参照以及零件尺寸、外形的设
定，都不能有过于具体的或者不可参数化的成分，以保证组件建立过程的顺利。
十字轴模型的主体部分，也就是轴向部分，采用旋转的方式来生成。这时，
要注意的一个问题，就是，在旋转截面的二维图中，也就是在同一个零件本身的
所以，本课题将以十字轴类零件作为研究对象，研究其新产品开发及模具设
计的数字化问题。
用DEFORM3D有限元模拟软件，对零件的预锻、终锻、切边过程进行模拟，
分析了变形过程中金属的应力分布及载荷一行程曲线。根据模拟结果，对成形过
程的设备选择，成形过程工艺参数的控制，从数学模型上给出了指导，得出了优
化的工艺参数。
学的角度对万向联轴器进行分析。鉴于十字轴万向联轴器这种非常复杂的结构
形式，无法用经典的弹性力学通过求解微分方程而得到其解析解，而有限元方
法则避免了求解微分方程，它与CAD系统结合，使设计者可以在计算机中进
行结构的刚、强度分析、疲劳寿命分析等各种性能分析，从而取代了传统设计
方法中“设计—验证—设计”的循环。整个设计过程只需要在最后阶段进行必
代，马钢公司才在引进德国的一款机器设备中发现了这一产品，在当时国内的
联轴器行业内来看，无疑是十分先进的ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ之后，国内才通过对这一产品的实体
测绘和技术攻克，并参照西德Voith公司SW和CW系列产品，推出了这种新
型的万向联轴器。
课题的研究对象
十字轴是汽车上转向节必备的零件之一，在传动系统中，承载较大，在结构
尺寸参数必须在绘制草图的关系中界定，而不能在整个零件本身的关系中界定，
否则会带来需要二次生成的问题。
十字轴通用零件三维实体模型如图5一1所示:
近几年，随着汽车行业及其它相关产业的发展，十字轴类零件的应用越来
越广，地位也越来越重要。国内传统的生产十字轴工艺主要采用热模锻工艺:
制坯一加热~模锻一切边。但由于加热时工件产生氧化、脱碳等缺陷，影响挤
上不可避免的存在应力集中，而轴头尺寸又受到限制，因而对加工制造的工艺要
求比较高，基本都是专业化生产。这样，在生产企业中，需要面对客户所提出来
第一章绪论
的各种外形相似，尺寸有所区别的零件。
近年来，私家车的快速发展，对高速发展的汽车行业提出了更多的个性化要
求，刺激了更多汽车型号的开发，也带动了汽车配件的快速发展，有很多配件都
的不稳定，再者有些大型设备中的主传动轴一时还无法达到要求，故失去了一
部分市场。这部分市场所占数量虽然不大，但产值却很高，约占总销量的30％
左右。为了减少进口和扩大出口，增加年销售量，对现有产品须进行不断的改
进，提高其技术水平和产品质量，最大限度的占有市场。由于十字轴式万向联
轴器的应用范围在不断地扩大，而它本身又是更换件，都需备品备件，其需求
要的验证性试验，这就极大地提高了工作效率，缩短了设计周期，降低了设计
成本。1
1.2研究现状
1.2.1万向联轴器研究现状
我国目前常用的联轴器有：梅花万向接轴、滑块万向接轴、弧形齿接轴及
十字轴式万向联轴器。梅花万向接轴和弧形齿接轴许用倾角小；滑块式万向接
轴润滑条件差；十字轴式万向联轴器转动平稳、效率高、许用倾角大、润滑维
+字轴式万向联轴器的运动原理[’3]
十字轴式万向联轴器的结构原理如图3一1所示，主、从动轴上的叉形件(轴
叉)l、3与中间的十字轴2分别以铰链联接，当两轴间存在角位移时，轴叉1、
3绕各自的固定轴线回转，而十字轴则作空间运动。
十字轴式万向联轴器是机械基础通用部件，适用于连接轴线偏斜且相对位
置经常变化的两轴，具有传递扭矩大、结构紧凑等优点，因此在各种机械中得
利用Rm尼中的二次开发组件Pro厅OOLK仃，对十字轴零件的产品设计、模
具开发、数控加工过程进行了二次开发，编写相应的程序，设置了相关的模块和
对应的响应动作，生成了十字轴零件的数据库，实现了零件的数字化管理。并预
留了后续开发的模块空间。
本文主要以汽车工业中广泛应用的十字轴类零件为研究对象，以目前企业成
具有某些相似的特征，比如十字轴是汽车配件中应用广泛的一类零件，产品外形
如图1一l和图1一2所示:
十字轴类零件结构相似，只是具体的尺寸参数有所不同，这类零件也就是系
列化零件，其产品开发过程完全相同。如果把每一个零件当成一个全新的产品进
行一次产品设计及模具设计，必然会导致大量不必要的重复劳动，同时也不可避
到广泛应用。十字环槽式万向联轴器是在生产实践中得出的一种新颖的联轴器
形式。本章分析了十字轴式万向联轴器的基本原理，建立了十字轴式万向联轴
器的运动学模型和十字槽式万向联轴器的力学模型，得出的十字环槽式万向联
轴器设计计算和强度校核公式将用于本课题系统的组件设计。
2
万向联轴器。具有传递扭矩大、使用寿命长、应用范围广等特点。主要应用于
公司SW和CW系列产品，在技术上是十分先进的，对于一些尺寸的确定也经
过了慎重的选择。甚至已经广泛应用于轧钢机等产品中，它对冶金工业的技术
改造及机械产品的更新换代提供了有利条件，西方工业先进国家采用这种新型
机械基础条件已经产生了大幅度提高作业率而获得很大的经济效益。
我国在SWC型十字轴式万向联轴器方面的研究起步较晚，甚至到了90年
SZK型十字轴式万向联轴器225 17 12
SWP型十字轴式万向联轴器225 20 12
SMZ型十字轴式万向联轴器225 25 10
SWB型十字轴式万向联轴器240 45 8
德国—S.W.CW联轴器225 45 15
十字轴式万向联轴器，从国内外的发展趋势看，一方面是如何提高它的承
载能力和质量，延长使用寿命；另一方面是如何扩大它的应用范围，以满足多
种机械设备的需要。为此除对结构、联接方式等方面进行适当的改进外，还应
对其主要部件提出更高的要求。在新的设计中，对结构、应力、变形等均将采
用有限元分析，进行优化设计，使其设计更为先进合理。
十字轴式万向联轴器我国已制订了三项标准：即JB 3241-91《SWP型剖分
轴承座十字轴式万向联轴器》、JB/T 3242-93《SWZ型整体轴承座十字轴式万向
因此使用较普遍。
实践证明，十字轴式万向联轴器的主要失效形式为十字轴的断裂、轴颈表
面出现塑性压痕或点蚀剥落以及叉头根部破坏。显然，这是由于轴颈上载荷引
起的应力超过了材料的弯曲应力极限与接触应力极限所致或者叉头根部弯曲应
力不足。因此，为了延长联轴器的使用寿命，应该降低轴颈危险截面的弯曲应
力和轴颈表面的接触应力，或者改变中间受力元件的受力状态，这就需要从力
护简便表1-1是国内外联轴器同类产品性能对照表。
表1-1国内外联轴器同类产品性能对照表
型号及名称
回转直径
D/mm
公称扭矩T
n
/KNm
轴线折角β
≤°
梅花万向接轴50～400 25～12500 2
滑块式万向接轴40～330 50～3000 10
弧形齿接轴225～680 40～2000 3
EQW型十字轴式万向联轴器240 15 12
联轴器》和JB 5513-91《SWC型整体叉头十字轴式万向联轴器》，这是当前国
内外应用范围最广、用量最大的三种不同结构形式的十字轴式万向联轴器。如
德国的GWB公司和Voith公司分别生产SWP型和SWC型，日本的Koyo公司
ПAJico公司分别生产SWZ型和SWP型，而美国和意大利则生产SWB型、SWZ
免的产生设计失误;根据以往的经验，如果能够实现产品开发以及模具设计的数
字化、参数化，即将其中的关键数据设计为参数，通过对这些参数的控制，由该
系列的一个通用的零件模型得到所有的零件模型，一种结构形式的模具能适应该
系列化零件中多种零件的生产，将会大大提高产品及其模具的设计效率和管理效
率，同时降低出错几率。
轧机主传动和辅机传动，也适用于起重、矿山、工程、车辆运输、石油、船舶、
造纸机械及其它重型机械行业。特别对冶金工业的技术改造及机械产品的更新
换代提供了有利条件，采用这种新型机械基础条件将会大幅度提高作业率而获
得很大的经济效益。十字轴式万向联轴器具有广阔的市场，年需求量很大。按
目前情况分析，不算进口，其年销售量也在二亿人民币左右。因国内产品质量
熟运用的热模锻工艺为基础，以R旧尼作为三维实体造型软件支撑软件，系统地
研究十字轴类零件的产品开发及其模具设计、制造过程的有限元模拟、数字化等
问题。为该领域制造业的信息化奠定了基础。
通过Pro尼中的族表法创建了十字轴零件的产品库，实现了产品管理的数字
化。
5.5.1创建通用零件(GenericParts)的三维实体模型
续的机加工不但浪费大量材料，而且还会破坏零件的金属流线结构，产品的内
在和外观质量并不理想。
型和SWP型。从我国制订的三项标准，无论是对联轴器的性能参数还是有关主
要件的材料力学性能、热处理、尺寸偏差、形位公差、表明粗糙度等技术要求
均作了规定，其技术水平已达到国外先进国家同类产品的水平。标准规定的主
要技术指标为：回转直径为φ100～φ1200mm，可传递转矩为2.5～9000kN.m，
轴线倾角为5°～25°，伸缩量达1000mm。国外对SWC型十字轴式万向联轴器的研究要早于我国，其中西德Voith
量也会逐年增加。
十字轴式万向联轴器的主要构件由主、被动叉头与十字包组成,传递动力
的中间受力元件为十字轴。列入国家标准的十字轴式万向联轴器有JB5513
SWC型整体叉头十字轴式万向联轴器、JB3241 SWP型剖分轴承座十字轴式万
向联轴器和JB3242 SWZ型整体轴承座十字轴式万向联轴器。SWP型剖分轴
承座十字轴式万向联轴器和SWZ型整体轴承座十字轴式万向联轴器，对十字
轴的装配比较方便，同时为十字轴的尺寸设计提供了较大的选择空间，但由于
连结的环节较多，工作中故障率较高，使工作的可靠性受到影响，因此选择时
受到限制，应用较少；SWC型整体叉头十字轴式万向联轴器中的十字轴(十
字包)采用无螺栓联接，由于连接环节减少，降低了故障率，工作比较可靠，
十字轴式万向联轴器能够很好地适应传动轴间的较大角位移，而且具有传
递扭矩范围大、结构紧凑、传动效率高、维修保养方便等特点，是一种重要的
传动部件，因此在交通运输、冶金、重型机械等领域中得到广泛应用。基于组
件的开发是近几年发展并日益成熟起来的一种软件开发新方法，其核心思想是
以流水线方式、通过组装组件生产软件，从而容易实现软件开发的工业化。
以SOREM17十字轴为例利用Pro/E的实体造型功能建立十字轴的三维模型
作为通用零件。在建立模型过程中，要注意零件的参照以及零件尺寸、外形的设
定，都不能有过于具体的或者不可参数化的成分，以保证组件建立过程的顺利。
十字轴模型的主体部分，也就是轴向部分，采用旋转的方式来生成。这时，
要注意的一个问题，就是，在旋转截面的二维图中，也就是在同一个零件本身的
所以，本课题将以十字轴类零件作为研究对象，研究其新产品开发及模具设
计的数字化问题。
用DEFORM3D有限元模拟软件，对零件的预锻、终锻、切边过程进行模拟，
分析了变形过程中金属的应力分布及载荷一行程曲线。根据模拟结果，对成形过
程的设备选择，成形过程工艺参数的控制，从数学模型上给出了指导，得出了优
化的工艺参数。
学的角度对万向联轴器进行分析。鉴于十字轴万向联轴器这种非常复杂的结构
形式，无法用经典的弹性力学通过求解微分方程而得到其解析解，而有限元方
法则避免了求解微分方程，它与CAD系统结合，使设计者可以在计算机中进
行结构的刚、强度分析、疲劳寿命分析等各种性能分析，从而取代了传统设计
方法中“设计—验证—设计”的循环。整个设计过程只需要在最后阶段进行必
代，马钢公司才在引进德国的一款机器设备中发现了这一产品，在当时国内的
联轴器行业内来看，无疑是十分先进的ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ之后，国内才通过对这一产品的实体
测绘和技术攻克，并参照西德Voith公司SW和CW系列产品，推出了这种新
型的万向联轴器。
课题的研究对象
十字轴是汽车上转向节必备的零件之一，在传动系统中，承载较大，在结构
尺寸参数必须在绘制草图的关系中界定，而不能在整个零件本身的关系中界定，
否则会带来需要二次生成的问题。
十字轴通用零件三维实体模型如图5一1所示:
近几年，随着汽车行业及其它相关产业的发展，十字轴类零件的应用越来
越广，地位也越来越重要。国内传统的生产十字轴工艺主要采用热模锻工艺:
制坯一加热~模锻一切边。但由于加热时工件产生氧化、脱碳等缺陷，影响挤
上不可避免的存在应力集中，而轴头尺寸又受到限制，因而对加工制造的工艺要
求比较高，基本都是专业化生产。这样，在生产企业中，需要面对客户所提出来
第一章绪论
的各种外形相似，尺寸有所区别的零件。
近年来，私家车的快速发展，对高速发展的汽车行业提出了更多的个性化要
求，刺激了更多汽车型号的开发，也带动了汽车配件的快速发展，有很多配件都
的不稳定，再者有些大型设备中的主传动轴一时还无法达到要求，故失去了一
部分市场。这部分市场所占数量虽然不大，但产值却很高，约占总销量的30％
左右。为了减少进口和扩大出口，增加年销售量，对现有产品须进行不断的改
进，提高其技术水平和产品质量，最大限度的占有市场。由于十字轴式万向联
轴器的应用范围在不断地扩大，而它本身又是更换件，都需备品备件，其需求
要的验证性试验，这就极大地提高了工作效率，缩短了设计周期，降低了设计
成本。1
1.2研究现状
1.2.1万向联轴器研究现状
我国目前常用的联轴器有：梅花万向接轴、滑块万向接轴、弧形齿接轴及
十字轴式万向联轴器。梅花万向接轴和弧形齿接轴许用倾角小；滑块式万向接
轴润滑条件差；十字轴式万向联轴器转动平稳、效率高、许用倾角大、润滑维
+字轴式万向联轴器的运动原理[’3]
十字轴式万向联轴器的结构原理如图3一1所示，主、从动轴上的叉形件(轴
叉)l、3与中间的十字轴2分别以铰链联接，当两轴间存在角位移时，轴叉1、
3绕各自的固定轴线回转，而十字轴则作空间运动。
十字轴式万向联轴器是机械基础通用部件，适用于连接轴线偏斜且相对位
置经常变化的两轴，具有传递扭矩大、结构紧凑等优点，因此在各种机械中得
利用Rm尼中的二次开发组件Pro厅OOLK仃，对十字轴零件的产品设计、模
具开发、数控加工过程进行了二次开发，编写相应的程序，设置了相关的模块和
对应的响应动作，生成了十字轴零件的数据库，实现了零件的数字化管理。并预
留了后续开发的模块空间。
本文主要以汽车工业中广泛应用的十字轴类零件为研究对象，以目前企业成
具有某些相似的特征，比如十字轴是汽车配件中应用广泛的一类零件，产品外形
如图1一l和图1一2所示:
十字轴类零件结构相似，只是具体的尺寸参数有所不同，这类零件也就是系
列化零件，其产品开发过程完全相同。如果把每一个零件当成一个全新的产品进
行一次产品设计及模具设计，必然会导致大量不必要的重复劳动，同时也不可避
到广泛应用。十字环槽式万向联轴器是在生产实践中得出的一种新颖的联轴器
形式。本章分析了十字轴式万向联轴器的基本原理，建立了十字轴式万向联轴
器的运动学模型和十字槽式万向联轴器的力学模型，得出的十字环槽式万向联
轴器设计计算和强度校核公式将用于本课题系统的组件设计。
2
万向联轴器。具有传递扭矩大、使用寿命长、应用范围广等特点。主要应用于
公司SW和CW系列产品，在技术上是十分先进的，对于一些尺寸的确定也经
过了慎重的选择。甚至已经广泛应用于轧钢机等产品中，它对冶金工业的技术
改造及机械产品的更新换代提供了有利条件，西方工业先进国家采用这种新型
机械基础条件已经产生了大幅度提高作业率而获得很大的经济效益。
我国在SWC型十字轴式万向联轴器方面的研究起步较晚，甚至到了90年
SZK型十字轴式万向联轴器225 17 12
SWP型十字轴式万向联轴器225 20 12
SMZ型十字轴式万向联轴器225 25 10
SWB型十字轴式万向联轴器240 45 8
德国—S.W.CW联轴器225 45 15
十字轴式万向联轴器，从国内外的发展趋势看，一方面是如何提高它的承
载能力和质量，延长使用寿命；另一方面是如何扩大它的应用范围，以满足多
种机械设备的需要。为此除对结构、联接方式等方面进行适当的改进外，还应
对其主要部件提出更高的要求。在新的设计中，对结构、应力、变形等均将采
用有限元分析，进行优化设计，使其设计更为先进合理。
十字轴式万向联轴器我国已制订了三项标准：即JB 3241-91《SWP型剖分
轴承座十字轴式万向联轴器》、JB/T 3242-93《SWZ型整体轴承座十字轴式万向
因此使用较普遍。
实践证明，十字轴式万向联轴器的主要失效形式为十字轴的断裂、轴颈表
面出现塑性压痕或点蚀剥落以及叉头根部破坏。显然，这是由于轴颈上载荷引
起的应力超过了材料的弯曲应力极限与接触应力极限所致或者叉头根部弯曲应
力不足。因此，为了延长联轴器的使用寿命，应该降低轴颈危险截面的弯曲应
力和轴颈表面的接触应力，或者改变中间受力元件的受力状态，这就需要从力
护简便表1-1是国内外联轴器同类产品性能对照表。
表1-1国内外联轴器同类产品性能对照表
型号及名称
回转直径
D/mm
公称扭矩T
n
/KNm
轴线折角β
≤°
梅花万向接轴50～400 25～12500 2
滑块式万向接轴40～330 50～3000 10
弧形齿接轴225～680 40～2000 3
EQW型十字轴式万向联轴器240 15 12
联轴器》和JB 5513-91《SWC型整体叉头十字轴式万向联轴器》，这是当前国
内外应用范围最广、用量最大的三种不同结构形式的十字轴式万向联轴器。如
德国的GWB公司和Voith公司分别生产SWP型和SWC型，日本的Koyo公司
ПAJico公司分别生产SWZ型和SWP型，而美国和意大利则生产SWB型、SWZ
免的产生设计失误;根据以往的经验，如果能够实现产品开发以及模具设计的数
字化、参数化，即将其中的关键数据设计为参数，通过对这些参数的控制，由该
系列的一个通用的零件模型得到所有的零件模型，一种结构形式的模具能适应该
系列化零件中多种零件的生产，将会大大提高产品及其模具的设计效率和管理效
率，同时降低出错几率。
轧机主传动和辅机传动，也适用于起重、矿山、工程、车辆运输、石油、船舶、
造纸机械及其它重型机械行业。特别对冶金工业的技术改造及机械产品的更新
换代提供了有利条件，采用这种新型机械基础条件将会大幅度提高作业率而获
得很大的经济效益。十字轴式万向联轴器具有广阔的市场，年需求量很大。按
目前情况分析，不算进口，其年销售量也在二亿人民币左右。因国内产品质量
熟运用的热模锻工艺为基础，以R旧尼作为三维实体造型软件支撑软件，系统地
研究十字轴类零件的产品开发及其模具设计、制造过程的有限元模拟、数字化等
问题。为该领域制造业的信息化奠定了基础。
通过Pro尼中的族表法创建了十字轴零件的产品库，实现了产品管理的数字
化。
5.5.1创建通用零件(GenericParts)的三维实体模型