摘要：本文通过对球笼式万向节钟形壳建立三维模型，采用有限元分析的方法对钟形壳所处的关键位置进行有限元分析。根据分析结果对钟形壳薄弱环节进行确认以及薄弱成因的分析，提出相应的改进方案，通过对比优化前后的有限元分析结果，验证了所提优化方案的正确性，对球笼式万向节钟形壳的设计具有一定的指导性意义。
关键词：球龙式万向节；有限元分析；优化设计
一、 有限元简介
有限元分析（FEA，Finite Element Analysis）的基本概念是利用一个或者若干相对简单的问题来替代一个或者若干相对复杂问题以后再求解原来的问题，将所求问题的求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一个基本单元都定义为一个较简单的近似解，然后再综合所有的近似解推导求解这个域总的满足条件，从而得到问题的最终的解。在解决大多数实际问题的过程当中，并不能得到准确解。虽然是近似解，但是对于用有限元分析来解决的实际问题来说，总的计算结果精度较高。由于软件本身的特殊属性，它可以适应对多种复杂的形状分析。
二、 球笼式万向节
球笼式万向节是由钟形壳、保持架、星形套以及6个钢球组成。当球笼式万向节在轴间角的状态下工作，由于钢球被保持架窗口控制在轴间角的补角平分面上，球笼式万向节旋转一周的过程中，每个钢球在内、外沟道内按正弦曲线完成一次摆动。
三、 对钟形壳的有限元分析
根据需要，对钟形壳与钢球所在平面0度夹角位置进行有限元分析，转轴根部圆弧半径为5MM。在ALGOR软件下进行分析。设计方案选单一分析，即采用线性材料模型的静态应力，钟形壳模型设置网格并生成网格。如图1所示。
在鋼球上寻找角点，创建节点力对象。在六个钢球上创建节点力对象。由于万向节的等速性，所以六个力值都相等。由于钟形壳通过键槽与转轴相联结，可看作是与转轴固定在一起，故可在转轴的外表面上添加表面约束条件，使其只能发生转动不能发生位移上的移动。在钟形壳的转轴上添加节点力矩，使这个力矩和钢球受力形成的力矩同向。经过对钢球和钟形壳进行计算机分析，应力应变结果如图2：
在夹角为0度时应力主要集中在钟形壳的内沟道的边缘，在钟形壳的根部由于转轴受到转距的作用使得转轴在钟形壳的根部产生应变。通过分析结果，我们可以发现在钟形壳沟道的边缘位置的受力较多，其他位置受力较均匀。沟道边缘应力较集中，沟道边缘容易被压溃。
四、 对钟形壳的优化
通过以上的分析，可以看出在钟形壳的沟道边缘，沟道中部和转轴根部容易发生应力应变的集中，可以通过对钟形壳转轴的根部位置进行加强，加大转轴根部圆弧半径的方法进行优化。现将转轴根部圆弧半径分别加大至10厘米，夹角为0度。分析结果如图3：
五、 结论
通过上面实验数据的分析，可以发现通过增加圆弧半径可以有效地提高钟形壳的抵抗外来应力的能力。圆弧半径为10厘米时，钟形壳的应力比圆弧为5厘米时有明显减少，由186N转变为154N。我们可以看出通过加大钟形壳根部转轴圆弧半径对减少钟形壳的应力起很大的作用。应变也相应地减少。因此可以在设计球笼万向节的过程当中可适当增加转轴圆弧半径，达到增强钟形壳的抵抗变形和抵抗破坏的能力。
参考文献：
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[3]闵德瑞等.球笼式等等速万向节轻量化优化设计[J].机械设计与制造，2014（7）.
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作者简介：
季宏宇，讲师，江苏省常州市，常州工程职业技术学院。endprint
