0 引　言

膜盘联轴器属于金属膜盘挠性联轴器，其工作原理为转矩从主动端半联轴器输入，经过沿圆周间隔布置的主传扭高强度螺栓将转矩传输至膜盘组，再由膜盘组通过高强度螺栓传至中间节，并同样由另一端的膜盘组、高强度螺栓及从动端半联轴器输出^{[1 – 2]}。膜盘作为金属膜盘挠性联轴器的关键部件，工作时，膜盘联轴器的型面不仅在输入和输出端之间传递转矩，还要通过其弹性变形补偿输入输出端的位移偏差等。通常受到离心力、扭矩以及轴向变形等载荷的作用，膜盘型面的设计是膜盘设计的关键，故本文以锥形型面膜盘为研究对象，进行应力及刚度分析，获得膜盘在不同载荷作用下应力及刚度的变化规律，为膜盘的设计及优化提供理论基础。

1 膜盘有限元模型的建立

本文研究的锥形膜盘外环上有24个螺栓孔，内环上有12个传扭销孔，膜盘的内径为92 mm，外径为300 mm，厚度为8 mm，型面部分厚度按公式t=130/r变化，其中t为型面厚度，r为型面半径。在Ansys软件内，应用APDL进行参数化建模，采用solid185单元对膜盘进行六面体单元网格划分^[3]。获得锥形膜盘有限元模型如图1所示。

2 膜盘应力分析 2.1 扭矩作用下的膜盘应力

锥形膜盘在工作过程中，承受的扭矩为7 958 N·m，作用在膜盘内侧12个传扭销一侧，根据扭矩求出作用在每个传扭销孔的圆周力，将圆周力按余弦规律分布进行加载，固定内侧孔的径向及轴向约束，外侧螺栓孔进行全部约束，获得膜盘应力云图以及型面径向沿y轴分布曲线如图2所示。

由图2可知，膜盘在承受扭矩载荷作用下，最大应力为247 MPa，型面内径处应力最大为239 MPa，随着半径的增加，型面处应力逐渐降低，且变化幅度越来越缓。

2.2 离心力作用下的膜盘应力

根据已知膜盘转速为7 200 r/min，在分析过程中以角速度形式进行加载，同时固定所有孔的轴向及周向自由度。获得膜盘应力云图以及型面径向沿y轴分布曲线如图3所示。

由图3可知，膜盘在承受离心力载荷作用下，最大应力为41.1 MPa，型面外径处应力最大为30.73 MPa，随着半径的增加，型面处应力呈现先减小后增加的趋势，相比于扭矩载荷对膜盘应力的影响较小。

2.3 轴向偏差作用下的膜盘应力

假设膜盘承受的轴向偏差为3 mm，作用在输入端传扭销处，固定外圈螺栓孔全部自由度，获得膜盘应力云图以及型面径向沿y轴分布曲线如图4所示。

由图4可知，膜盘在承受轴向偏差载荷作用下，最大应力为515 MPa，型面内、外径处应力最大约为381 MPa，随着半径的增加，型面处应力呈现先减小后增加的趋势，相比于前2种载荷对膜盘应力的影响较大。

2.4 角向偏差作用下的膜盘应力

假设膜盘承受的角向偏差为0.3°，将其转化成轴向位移约束进行加载，作用在输入端传扭销处，固定外圈螺栓孔全部自由度，获得膜盘应力云图以及型面径向沿y轴分布曲线如图5所示。

由图5可知，膜盘在承受角向偏差载荷作用下，最大应力为82 MPa，型面内径处应力最大约为72.23 MPa，随着半径的增加，型面处应力呈现先减小后增加的趋势。

2.5 复合工况作用下的膜盘应力

膜盘在上述4种载荷共同作用，对外圈孔进行经向及轴向约束，获得膜盘应力云图以及型面径向沿y轴应力分布曲线如图6所示。

由图6可知，膜盘在多种载荷共同作用下，最大应力为598 MPa，型面内径处应力最大约为510 MPa，随着半径的增加，型面处应力呈现先减小后增加的趋势。

3 膜盘刚度分析

膜盘在扭矩载荷作用下产生相应的扭转刚度，在轴向偏差载荷作用下会产生轴向刚度，在角向偏差载荷作用下会产生角向刚度^[4]。本节对膜盘在不同载荷作用下各刚度变化进行研究，获得3种刚度在各载荷下变化曲线如图7所示。

由图7可知，膜盘在承受不同扭矩载荷作用下其偏转角呈线性增加趋势，其斜率为扭转刚度，数值约为7.04×10⁷ N·m/rad；膜盘在承受轴向位移载荷作用时，其轴向反力呈线性增加趋势，其轴向刚度约为1.27×10⁶ N/m；膜盘在承受角偏差载荷作用时，其反作用力矩呈现线性增加趋势，其角向刚度约为7 435.9 N·m/rad。

4 结　语

本文对锥形膜盘在各种载荷下应力分布以及3种刚度进行数值仿真研究，结果表明：膜盘应力最大值通常出现在型面的内侧或外侧过渡区域，在几种载荷单独作用下时，其轴向位移相比于其他载荷产生的应力最大，但膜盘联轴器往往处于上述几种复合载荷的工作环境下，致使膜盘会产生更大的应力。膜盘在结构尺寸参数不变的情况下，当在不同载荷作用下时其3种刚度基本保持不变。