万向节动力学.doc

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 ]。他们提出了一个通过小的悬挂杆的轴向力幅值垂直轴的振动隔离方法。通过梳理几何约束和动力学方程他们实现了一个通用的系统隔振控制方程。
为了提高电力传输系统的质量，第二路径是轴承表面的材料的改进含量。在可执行范围内提高材料的抗疲劳和断裂性能同时是对环境友好的。Sasaki [24]提出的轴承表面改进，多尺度表面纹理，是一种对于摩擦材料表面改进的新概念，介绍了其作为预期未来的发展。它被视为一种有效的工程技术，可以对社会的可持续发展做出显著的贡献。
图。3给出一个失效的的万向接头轴承。这个轴承失效的关键都清楚地标明在这个数字。它是本研究的焦点，调查失败的原因这些轴承，并提出了一些补救措施，以防止此类故障。它可以因此提高轴承性能，并提高其寿命。
3.万向接头运动学方程的推导

图4。一个理想化的万向节。
为了准确的研究输出轴震动大小和由于输出轴角速度变化引起的计算输出轴角的最大角加速度大小。一个需要求助于运动方程控制的万向节[ 14 ]，25-27。这样的方程组可以通过在万向节上选定的点之间使用一些几何关系推导。这是图4示意图展示。
在图4中，输入和输出轴上的点的轨迹被两个圆标记，为了开始推导，考虑一个测试点标记为点“A”在输出轴上，从这一点到坐标系中心点的距离标记为“R”，“θ”作为输出轴旋转角函数，可以计根据式（1）计算出。该模型是基于几何图4所示的关系。
(1)
测试点的速度矢量等于
(2)
和 分别在“A”点的法向量和切向量
(3)
(4)
(5)
与θ=ωt，其中“Z”是“A”点到输出轴的正常距离，“”是输入轴角速度，“R”是轴的半径，则：
（6）
（7）
（8）
（9）
（10）
“α”是输入轴与输出轴的方向之间的角度偏差。替代和,结果是：
（11）
最终得出和
（12）
（13）
方程组上方的只是基于几何该万向节。它是准确的，提供快速的答案感兴趣的参数是联合相关。然而，一个可以诉诸工程软件，可以产生在支出费用结果相同在模型的准备时间。这后面的部分文章依托SolidWorks为模拟加载在万向节轴承的情况。基于几何分析的方法，在这一部分从SolidSolidWorks建模展开协助验证初步结果。它可以提供保证的数值模拟保持在正确的轨道上，能提供可靠的数据。因此，本文提出的分析模型，并通过仿真在某种意义上，SolidWorks确认彼此的任务在一致性。
为了观察角速度的振荡，一个与所有细节利用SolidWorks建模的万向节软件工程[ 28 ]。它的输入传动轴旋转时恒定角速度等于每秒。相应的结果示于图5。它所呈现的变化在不同倾斜角度下的输出轴角速度的同时输入轴的角速度不变。
图6是输出之间的比较分析结果表明，采用式（12）和结果通过SolidWorks软件建模。SolidWorks建模是需要进一步分析的万向节。的输入数据的两种方法是相同的结果接近一致。而分析方法的产生精确的结果，也低于预测的两种方法之间的高峰值百分之0.01略有差异。这可以归因于固有的不精确性的数值模拟。这证实了计算的精度，验证了充足的条件SolidWorks建模这是本研究的后段需要。
需要强调的是，该模型的重要性在于其结果的准确性。
它可用于最大的计算角加速度和惯性矩影响最大的参数研究。在某种程度上我们同样可以通过SolidWorks的建模实现的代价在模型的制备及精度的损失时间。
图5。的变化在输出驱动轴的角速度万向节不同倾斜角度与输入轴的角位移。
从万向节的工作实际出发，利用二接头，安装在同一角度主题轴可以消除在角速度振荡。这是通过扩大分析证明同时通过数值解[ 29 ]使用方法。通常，机械系统中的两个万向接头同时使用是不可避免的。这消除了用户构件的角速度波动问题出现。这是图7的示意图展示。
图6。在输入驱动输出传动轴的角速度6转的转速。从SolidWorks建模与分析方法比较结果。

图7。当使用两个连续的角速度的变化万向接头。
4.轴承的动态分析和轴承力的推导
由一个旋转轴传递的功率可以计算根据式（14）：
(14)
其中“P”是电力传输，“T”是转动扭矩和“ω”是转动轴的角速度。
还考虑到的输入功率机制是恒定的和等于它的输出功率，一个结束用下列方程的传递扭矩：
(15)

图8。扭矩适用于两端的轴连接连续两个万向节（忽略系统惯性
作为一个例子，基于式（15），计算出的变化在转矩和角速度的假设6转轴和36千瓦发射功率图8所示。介绍了振荡行为扭矩传递通过中间轴之间两个万向接头。这确实是验证的存在这种振荡行为。
力的精确值和尺寸计算的振荡，取决于中间的惯性轴，在扭力臂车变化的惯性万向节机构。这样的计算要达到非常困难。这些力的数值计算利用SolidWorks软件工程[ 28 ]。样品案例1000转的角速度，抗扭矩100牛米和10 O轴角。因此，力通过输入传动轴的轴承和中间了轴承的计算和图9所示。
从这些结果可以看出，应用期这些力量是相同的。它所造成的事实应用力频率只取决于输入轴的转速。轴承构件的惯性也导致这些力之间的相位差。
这一点要注意的是，力的大小变化是较高的中间轴上的轴承相对于输入轴轴承。这是归因于变化的力矩臂旋转，在增加力幅。可以推断出重要的事实图9是对损坏的故障的可能性在中间轴承是比较高的同一类型的轴承，用于输入或输出轴。输入轴上的轴承力的扭矩所需要的旋转轴完全成正比。这的确是来自发动机的扭矩。因此，从这个点上，所有的数据都是不相关的发动机扭矩在轴承的行为力。

图9。在10轴角度的万向节轴承力，1000转的转速，并传递扭矩100 N.m。重行是输入轴上的轴承和虚线是在中间轴轴承。
5. 用计算机模拟与分析对超负荷的计算
到目前为止在本研究中，对万向的交变载荷关节轴承的确定和这种振荡的原因介绍了。在角出现的振荡速度和驱动轴传递扭矩造成的振荡力和合力在轴承的应力。这种影响对万向节机构的几何关系和不可能删除。这个问题想到的就是关于这种振荡力对万向节轴承的影响。当然，人们可能会认为的变形和破坏在这种情况下，轴承内圈。疲劳失效伴随着裂纹的萌生和传播不会导致零件变形。因此，它是必要的对万向节轴承故障搜索其他原因。事实上，大多数报告的变形引起的观点由冲击载荷的[ 30 ]，一个需要寻找的存在在这些轴承的冲击载荷。

图10。对于重载万向关节数值模拟设置。
出于同样的原因，为了研究作用于万向节轴承在重载条件下的军队，数值模拟用。示例是利用SolidWorks仿真工程软件来计算行为的力量在轴承。以下条件的应用。该机构的输入角速度为500 rpm和轴偏差角为10度。扭矩输出轴100，2厘米，适用于向下的位移输出轴在0.2秒。这样的条件下进行图10和图11所示的结果。
图。11.变异轴垂直位移（虚线）并且需要在转动轴对应的转矩以500rpm（黑线），“传送100牛顿米的扭矩”。
这个数值设置的模拟在振荡承载力而输出轴容许位移一个身高2厘米台阶形。这样的条件被认为是比实际情况更柔软。在现实中，作用在轴承上的力要高得多。然而，在这种情况下的最大负荷是1.5倍的平均载荷对轴承。这是一个迹象该万向节机构输出轴的位移灵敏度。从给出的结果图11系统工作的条件下，的多个重载系统中是不可避免的，这种重载不能过量被否认。在研究这个重要的问题，它变得清晰对超载的周期是主要嫌疑在轴承的内圈变形。作为提出在图11中，超负荷的峰值周期性重复。那多余的加载条件下的时期峰是独立的输出轴位移和只取决于该机构的几何，可以索赔这样的峰出现在轴承表面一定的角位置。
在相同的位置相同的超负荷浓度这是由载荷的重复性引起，引发轴承变形。为进一步研究这一问题，另一个数值模拟的组织。这是研究对超负荷峰值振荡比例等参数应用于万向节机构。这数值设置像行驶在不平路面的表面。在这种情况下，输出轴振荡在2厘米的振幅频率2.5 Hz。
作为一个结果，所需扭矩（代表力量作用在轴承），输出轴的位移和中间轴的角速度（即证明是振荡）如图12。这样的结果，它显然，多余的加载时间不依赖在输出轴的位移或环境条件。它只取决于该频率在中间的轴的角速度变化依赖于角速度输入机制。

图。12.输出轴位移（虚线），角中间轴（黑线）的速度，转矩施加到
万向接头机构（虚线）。
图13。模拟一个万向接头的条件下结果输出轴携带的恒定转矩和角速度逐渐增加了从10至100rpm下：（a），其所需的扭矩来驱动单元; （b）该轴承的内圈上的区域是承受的力（关于连接到所述驱动单元在轴上）。
这是事实，超出负荷仅适用于内部和外部的某些特定部分的指示对轴承套圈。这些练习是持续的，确定了内、外环的部分轴承承受负荷过重。在第三的数值模拟，无条件是超负荷的规定。恒力矩应用于万向节的结束机制和角速度输入机制逐渐变化从10到100转每分钟转速。
图14。失败的万向节，检查样品研究的目的。