內(nèi)花鍵式鏈輪優(yōu)化設(shè)計(jì)

王喜鵬

(天水風(fēng)動(dòng)機(jī)械有限責(zé)任公司 技術(shù)中心，甘肅 天水 741020)

0 引言

隨著我國機(jī)械行業(yè)的快速發(fā)展，對于一些大型鏈傳動(dòng)結(jié)構(gòu)中承受重載、沖擊和復(fù)雜應(yīng)力的關(guān)鍵零件——鏈輪提出了更高的設(shè)計(jì)和使用要求，要求其具有較高的耐磨性、抗表面接觸疲勞強(qiáng)度和彎曲疲勞強(qiáng)度等綜合性能。大部分場合使用的鏈輪形式大多為整體式、單鍵式連接，由于使用過程中的頻繁啟動(dòng)、制動(dòng)，使得鏈輪承受較大過載沖擊載荷的影響，造成鏈輪早期失效。下面就某企業(yè)引進(jìn)的大型貨架輸貨設(shè)備中的內(nèi)花鍵式鏈輪的研制為例，從材料選用、結(jié)構(gòu)形式和參數(shù)計(jì)算方面進(jìn)行介紹。

1 內(nèi)花鍵式鏈輪的優(yōu)化設(shè)計(jì)

1.1 內(nèi)花鍵式鏈輪的材料選用

內(nèi)花鍵式鏈輪常用的原材料為20CrMnTi［1］，其鋼化學(xué)成分及力學(xué)性能見表1，其在使用過程中由于受較大的沖擊載荷，出現(xiàn)了內(nèi)花鍵式鏈輪早期失效現(xiàn)象。經(jīng)測量分析得知，20CrMnTi由于其鋼的淬透性能有限，不能滿足大直徑大模數(shù)鏈輪的要求，滲透有效硬化層深度不能滿足重型齒輪的要求。此外，在熱處理過程中，鋼易產(chǎn)生內(nèi)氧化和非馬氏體組織而降低鏈輪的使用壽命。為了滿足使用要求，必須提高鏈輪材料的綜合性能。

隨著新型鏈輪用鋼的開發(fā)和應(yīng)用，鏈輪鋼的水平上了一個(gè)新的臺階，如新型鋼20CrNi2Mo，20CrNi2Mo 化學(xué)成分［1］見表 2。

20CrNi2Mo鋼中的Cr、Ni和Mo均有利于提高淬透性及抗蝕能力。Ni可提高滲碳的韌度，Ni和Mo綜合作用對提高淬透性非常有利，Ni和Mo的匹配使鋼在高碳時(shí)具有良好的淬硬層均勻性，并提高滲碳韌度。因此，用20CrNi2Mo鋼制作的內(nèi)花鍵式鏈輪滲碳后的各種力學(xué)性能優(yōu)越，故在本次設(shè)計(jì)中選用20CrNi2Mo鋼作為內(nèi)花鍵式鏈輪的材料。

表1 20CrMnTi鋼化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）和力學(xué)性能

表2 20CrNi2Mo鋼化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）和力學(xué)性能

1.2 內(nèi)花鍵式鏈輪的結(jié)構(gòu)形式

內(nèi)花鍵式鏈輪的結(jié)構(gòu)形式如圖1所示，鑒于其使用過程中輸入扭矩較大，且精度要求相對較高，根據(jù)GB/T 5371-2004《極限與配合過盈配合的計(jì)算和選用》標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)過計(jì)算和校核，內(nèi)花鍵式鏈輪在滿足傳遞力學(xué)性能的基礎(chǔ)上采用分體加工、過盈配合組裝。同時(shí)分體式的內(nèi)花鍵式鏈輪在加工過程中采用插齒加工、高精度磨削工藝［2］，提高了鏈輪的精度，使鏈輪副的嚙合性能更加良好，提高了鏈輪的抗表面接觸疲勞強(qiáng)度、抗彎曲強(qiáng)度與抗沖擊能力，從而提高了鏈輪的可靠性及使用壽命。

圖1 內(nèi)花鍵式鏈輪

1.3 內(nèi)花鍵式鏈輪主要參數(shù)設(shè)計(jì)［3］

下面介紹內(nèi)花鍵式鏈輪主要參數(shù)計(jì)算和設(shè)計(jì)過程。已知其鏈輪齒數(shù)Z=252，鏈條節(jié)距p=25.4 mm，鏈條的滾子外徑d1=15.884 mm，內(nèi)節(jié)內(nèi)寬b1=15.755 mm，內(nèi)鏈板高度h2=24.13 mm，輸入扭矩T=176000 N·mm

鏈輪材料采用20CrNi2Mo

(一)齒形部分

（1）分度圓直徑

將節(jié)距p=25.4 mm，齒數(shù)Z=252帶入，d=203 mm

（2）計(jì)算齒頂圓直徑

齒頂圓最大直徑dmax

dmax=d+1.25p-d1

將分度圓直徑d=203 mm，節(jié)距p=25.4 mm，鏈條的滾子外徑d1=15.88 mm帶入，得

dmax=218.87 mm

將 d=203mm，Z=252，p=25.4 mm，d1=15.88 mm帶入，得

dmin=201.89 mm

取d=215 mm

（3）齒根圓直徑dr

dr=d-d1

d=215 mm，d1=15.88 mm

帶入dr=187.12 mm

（4）分度圓弦齒高h(yuǎn)

最大分度圓弦齒高h(yuǎn)max=（0.625+

齒頂圓最小直徑dmin）p-0.5d1

最小分度圓弦齒高h(yuǎn)min=0.5（p-d1）

Z=252，p=25.4 mm，d1=15.88 mm

帶入，分度圓弦齒高h(yuǎn)max=8.7 mm，hmin=4.76 mm

（5）齒寬 bh

bh=0.95 b1

b1=15.75 mm，帶入得 bh=14.96 mm，取14.95 mm

（6）齒側(cè)倒角 ba

ba=0.13p=0.13×25.4=3.3 mm

(二)花鍵部分

花鍵連接的類型和尺寸根據(jù)被連接件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、使用要求和工作條件選擇。由于矩形花鍵加工難度較低，本次設(shè)計(jì)花鍵部分選擇矩形花鍵 8×36H7×40H10×7H11(GB/T1144-2001)。

在工作中，為避免鍵齒工作表面壓潰和過度磨損，應(yīng)進(jìn)行必要的強(qiáng)度校核［3］。

式中T——為傳遞扭矩，N·mm

ψ——各齒間載荷不均勻系數(shù)，一般取0.7～0.8

Z——花鍵的齒數(shù)

l——齒的工作長度，mm

h——鍵齒工作高度，mm

dm——平均直徑，mm

對于矩形花鍵

C——倒角尺寸，mm

花鍵的連接許用擠壓應(yīng)力，查出矩形花鍵的【δp】=100～140 MPa

可知其 T=176000 N·mm,ψ 取 0.8，Z=8，l=20 mm，D=40 mm，d=36 mm，C=0.3 mm

帶入(1)、（2）、（3）知

滿足設(shè)計(jì)要求。

2 結(jié)語

帶內(nèi)花鍵式鏈輪在滿足傳遞動(dòng)力性能的基礎(chǔ)上采用分體加工、過盈配合組裝的方法，簡化了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造工藝，提高了鏈輪的精度，改善了生產(chǎn)效率，從而提高了鏈輪的可靠性及使用壽命。

通過材料的比較分析和主要參數(shù)的合理化設(shè)計(jì)，可以有效地減小內(nèi)花鍵式鏈輪的畸變，提高了產(chǎn)品的合格率。

[1]姚貴升.汽車金屬材料應(yīng)用手冊[k].北京理工大學(xué)出版社，2000：374-477.

[2]丁年雄，鐘越.機(jī)械加工工藝辭典[k].北京：學(xué)苑出版社，1990：187-188.

[3]徐灝.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊第3卷[k].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1995.12：177-192.