叶片式摆动液压马达花键轴的45钢屈服极限分析与强度校核

付建军

（杨凌职业技术学院 机电工程学院，陕西 杨凌 712100）

摆动液压马达又称摆动液压缸，它是液压负载模拟器及飞行姿态仿真转台中最重要的执行元件之一[1]；其工作原理是输入量是压力和流量，输出量是转矩和角速度、角位移，旋转角一般小于360°的液压执行元件。

由其工作原理可知输出轴的质量对其工作影响很重要。本文以某生产企业生产线中叶片式摆动液压马达花键轴为研究对象，因其在实际使用中故障率较高，维修耗时较长，影响生产线生产效率、效益，所以对其进行重新设计改造，使其能够在正常使用条件下满足企业生产线的工作要求。

1 叶片式摆动液压马达三维建模

采用CREO软件建立叶片式摆动液压马达三维实体模型如图1所示，该马达为单叶片式，主要由花键轴、端盖、缸体、转子、定叶片及其他零部件组成。花键轴结构三维模型如图2所示，输出花键轴与其他机电设备连接，起到承上启下作用，它的质量对整个生产线影响较为重要，对其进行重新设计改造意义重大。

图1 摆动液压马达三维实体模型

图2 花键轴结构三维模型

2 花键轴的有限元分析

将CREO软件中建立的花键轴三维模型导入到有限元分析软件ANSYS Workbench中，利用该软件强大的分析功能，对花键轴进行强度刚度分析，其主要步骤如下。

2.1 花键轴有限元分析前处理

花键轴材料选择为45钢，调质处理220-250HBS，材料属性通过查阅有关手册可知。选择四面体网格对其进行划分，由工作原理可知花键轴与转子通过四个螺栓连接，因此花键轴螺栓工作中承受挤压力较大，网格划分时螺栓孔处选择较小的网格尺寸，以获得较高质量的网格。花键轴网格划分如图3所示。

图3 输出轴网格划分图

图4 输出轴载荷与约束图

由叶片式摆动液压马达机构与工作原理可知，花键轴的工作中受力情况较为复杂，添加约束应为：①花键轴向由轴肩定位的，所以轴肩处添加移动约束；②对花键轴仅做静力学分析，因此花键轴这时可以看作是固定不动的，所以在花键轴轴颈处施加全约束。

施加载荷应为：①花键轴与转子通过四个螺栓连接输出转矩，通过计算可得输入转矩为8820.8N·m，因此四个螺栓孔处添加集中力进行模拟，即Force进行加载；②通过花键轴带动负载运动，因此在和花键轴面上各有一个均布力Pressure，载荷和约束如图4所示。

2.2 花键轴有限元分析后处理

图5 花键轴应力分布云图

图6 花键轴位移分布云图

通过有限元分析，花键轴应力应变结果如图5、如图6所示。由结果图5可得，花键轴最大应力为100.87MPa，最小值为0.345MPa。分析可知花键轴是通过与螺栓固定的叶片传递动力，这符合实际的情况。通过查阅有关手册可知45钢的屈服极限为355MPa，故在允许范围之内。

由结果图6可得花键轴的应力与应变都较小，其中与端面处距离较小处位移最小，其原因是分析时对其进行了简化，设该处位移为零；由结果图可得花键轴螺栓孔边缘应变最大，最大值达到0.01mm，其应变也较小。根据实际工况可知，该花键轴在最大额定压力下工作时，其最大变形位移在可以控制的范围内，花键轴的刚度满足生产要求。

3 花键轴的强度校核

花键轴的主要目的是传递转矩。因此，轴的强度校核可以用许用切应力计算。根据机械设计及查阅有关手册可得，花键轴最小直径与所能传递转矩的关系，如式1所示。

通过式（1），将重新设计改造花键轴的最小直径带入公式计算，计算结果取整为标准直径尺寸[2]。

式中，d—轴的最小直径；

Mt—轴所传递的转矩；

由前期工作结果可知，该轴所能输出的扭矩能够达到8820.8N·m，依据是1很容易计算出该轴的理论最小直径值：

花键轴改造设计的的最小直径设计为105mm，通过上述理论计算结果可知所需的最小直径应为85.3mm。花键轴改造设计的的最小直径大于理论所需值，因此花键轴的最小直径能够满足生产线要求，其安全系数约为2.5。

4 结论

本文对叶片式摆动液压马达花键轴进行设计改造，通过理论分析与有限元分析对比可知，设计花键轴的尺寸合理，其强度刚度能够满足生产线正常工作。