图1  改进前十字轴应力分布云图

本文结合实例介绍了如何利用有限元分析方法找出万向节早期失效的原因，根据有限元分析结果并结合失效情况及性能试验结果，对万向节进行分析改进，从而显著提高了万向节的性能。

根据来自市场售后三包件统计分析，某款万向节的失效比例在1.5%左右。对失效件进行分析，我们发现主要失效原因为万向节轴承滚针在高速旋转过程中磨损、碎裂后发热，使得油封失效，油脂溢出，最终导致万向节早期失效。

从理论分析，该款万向节原设计额定转矩为320N·m，现已逐步提高至450N·m。万向节使用额定转矩提高了40.6%，原设计已无法满足使用要求，必须对此万向节从设计上予以分析、改进，以提高万向节的性能。

首先，我们对十字轴进行静强度有限元分析，得出十字轴有限元应力分布情况，发现最大应力值在十字轴台肩根部，为676.926MPa。十字轴应力分布云图如图1所示。

同时，对轴承滚针模拟工作状况进行有限元分析，得出滚针有限元应力分布情况，滚针的最大应力值为2565MPa，位置在滚针的头部。滚针应力分布云图如图2所示。

图2  改进前轴承滚针应力分布云图

根据以上有限元分析结果并结合失效情况及万向节性能试验结果，我们从以下三方面进行分析改进：

1. 万向节早期失效问题

万向节滚针碎裂，磨损加剧后万向节加速升温，温度过高使得油封失效，油脂溢出，最终导致万向节早期失效。为此，我们对滚针进行适当加粗，增加滚针的有效长度，由原来的φ2.006mm×10.1mm加粗至φ2.34mm×10.5mm，并且滚针头部圆角采用两光滑圆弧过渡连接，以降低滚针的应力集中，防止滚针早期碎裂导致的轴承磨损及损坏。

图3  改进前油封结构图

2.密封防尘结构

原油封为两唇口结构，两唇口方向同向（见图3），以防止外界的尘土、水及泥浆的侵入；密封唇口宽度较薄，过盈量较小，且由于油封唇口结构的限制可防止万向节油脂外泄导致性能较差。由于该万向节上没有设置防尘罩，油封直接暴露在外界，加快了油封橡胶老化，导致油封早期失效油脂溢出，轴承失效。

基于上述分析，我们将油封唇口设计成双向结构（见图4），即左唇口方向向左，以防止外界的尘土、水及泥浆等侵入万向节轴承内。右唇口方向向右，以防止万向节油脂的外泄，密封唇口宽度适当加宽， 并适当调整密封过盈量，同时轴承外部增设防尘罩，以提高密封效果。

图4  改进后油封结构图

3.十字轴的结构

（1）为降低十字轴应力，对十字轴直径及根部圆角进行适当加大，使应力分布更加均匀；

（2）对十字轴油孔进行加深，使油脂量更加充足，提高万向节的使用寿命；

（3）十字轴热锻毛坯结构改为冷挤毛坯结构，可减少锻加工时原材料的消耗和机加工时的余量，同时提高了十字轴的表面质量。

图5  改进后十字轴应力分布图

改进后，我们再次进行有限元分析。从改进后的十字轴应力分布图（见图5）上看，通过将十字轴热锻毛坯结构改为冷挤结构以及对轴颈的调整，改进前后的十字轴应力由676.9MPa下降至643.3MPa，最大应力值下降了5%，十字轴理论强度略有加强。从改进后滚针应力分布云图（见图6）上看，通过对滚针加粗，增加滚针有效长度，并适当调整头部圆角后，最大应力值由2565MPa下降至1579MPa，下降了62.5%，滚针理论应力已大大改善。

图6  改进后滚针应力分布云图

最终，我们对改进后的万向节制作了样件并进行静扭、扭疲及磨损性能试验，改进后的这款万向节的额定转矩提高了41%，磨损寿命提高50%以上，密封性等均有较大改善，满足了客户的要求。