基于ABAQUS的十字轴式万向联轴器有限元分析

通过Catia软件建立十字轴式万向联轴器三维模型，基于Abaqus有限元分析法，研究万向联轴器的振动特性。通过模态分析，求解得到万向联轴器前六阶固有频率以及振型，与稳定运行的电动机转动频率相比较，可知该万向联轴器并不会发生共振现象。通过静力学分析，求解得到十字轴式万向联轴器及十字轴、叉头的最大应力值与最大位移值，通过计算十字轴与叉头的许用应力值，与最大应力值进行比较，可知该万向联轴器满足使用强度要求。通过本文分析，可为解决万向联轴器在传递动力过程中出现由共振现象所造成的传动误差等问题提供新的思路。

万向联轴器，也叫做万向节，是机械传动中一种重要的连接元件，可以解决不同方向传力和传动角度的问题。万向联轴器利用其机构的特点，可使得两轴线存在一定夹角的情况下实现所连接的两轴连续回转，并可靠地传递转矩和功率[1] [2]，可连接两个不在同一直线上，或轴线方向角度大于90˚的轴。它具有比较结构简单， 转矩大， 效率高， 应用广泛， 传动精度相对较高， 使用时间长， 成本低等特点[3] [4]。

万向联轴器根据结构的不同，可分为球笼式、三叉杆式、十字轴式等，其中十字轴式万向联轴器具有传动效率高，角向补偿能力较大以及传动平稳等特点，可广泛应用于汽车、机床、飞机、船舶、工程机械等传动装置中。

刘盛娟[5]利用有限元分析方法，对万向联轴器进行模态分析以及强度分析，并对十字轴的摩擦磨损进行了研究，发现接触力受运动副间隙的影响很大，间隙越大，系统失效风险越大。孙新东[6]对十字轴式万向联轴器关键部件十字轴和万向节叉头进行了静态强度分析，在其强度分析结果的基础上对十字轴和万向节叉头进行拓扑优化分析并对其结构进行修正，最后对不同材料的拓扑优化后的十字轴与万向节叉头零件疲劳寿命进行对比，发现使用合金钢材料可大幅提高十字轴的使用寿命。张宏梅[7]以150 轨钢机上无螺栓十字轴万向联轴器叉头为例， 建立了叉头的三维有限元分析模型，并运用Cosmosm 程序进行静力学分析，找出了叉头的应力集中区和最大应力值，分析了叉头发生破坏的原因，提出了叉头结构设计时可采取的措施。

2. 有限元模型的建立 2.1. 建立三维模型 在对十字轴式万向联轴器进行振动特性分析时，首先要建立万向联轴器的三维模型。本文采用Catia进行三维建模。Catia 具有强大的三维建模功能，提供了广泛的工具和功能，提供了多种建模技术，尤其具有突出的曲面建模能力，能够创建几乎任何形状的模型，广泛应用于航空航天、汽车、工业设计、制造业等领域。为了提高有限元分析的计算效率，本文所使用的联轴器三维模型作了一定简化处理。三维模型见图1。