漸開線花鍵聯(lián)接磨損特性研究

摘 要：文章針對(duì)典型漸開線花鍵的聯(lián)接形式，對(duì)漸開線花鍵聯(lián)接磨損失效機(jī)理進(jìn)行研究，針對(duì)花鍵聯(lián)接磨損機(jī)理，提出防止?jié)u開線花鍵磨損的措施，為漸開線花鍵的設(shè)計(jì)及失效分析提供參考。

關(guān)鍵詞：花鍵聯(lián)接；磨損機(jī)理；耐磨性；措施

1 概述

近年來，齒輪磨損逐漸成為困擾機(jī)構(gòu)使用效率和壽命的重要原因，文章針對(duì)典型漸開線花鍵的聯(lián)接形式，對(duì)漸開線花鍵聯(lián)接磨損失效機(jī)理進(jìn)行研究，針對(duì)花鍵聯(lián)接磨損機(jī)理，提出防止?jié)u開線花鍵磨損的措施，為電機(jī)漸開線花鍵的設(shè)計(jì)及失效分析提供參考。

2 漸開線花鍵聯(lián)接的工作特點(diǎn)

漸開線花鍵聯(lián)接的工作特點(diǎn)主要取決于齒圈的同軸度。當(dāng)兩齒圈的軸線重合時(shí)，齒的圓柱漸開線表面是等距的，因?yàn)樗鼈兪窃谕换鶊A上形成的。這樣，扭矩作用時(shí)，所有工作齒形點(diǎn)都進(jìn)入接觸，而與齒之間的初始間隙無(wú)關(guān)。非工作齒形間的所有點(diǎn)，都具有同樣的法向間隙jn。

兩個(gè)齒圈軸線如果平行偏移一個(gè)值Δα，花鍵聯(lián)接的工作特性和齒的接觸狀況就要發(fā)生劇烈的變化。這種情況下，只有坐標(biāo)角φt處在等于漸開線展成角的那些齒形點(diǎn)，才進(jìn)入接觸。其余齒形點(diǎn)將產(chǎn)生間隙，其值為：

jni=Δα[1-cos（φl(shuí)-θ）] （1）

當(dāng)軸線徑向偏移時(shí)，花鍵聯(lián)接就變?yōu)棣?90°、齒數(shù)差等于零的一種特殊內(nèi)嚙合齒輪傳動(dòng)，其傳動(dòng)比i=1.0，嚙合線切于二者的基圓，一對(duì)或兩對(duì)齒相接觸。這種傳動(dòng)與一般齒輪傳動(dòng)的典型差別在于，齒形上所有點(diǎn)上齒的滑動(dòng)速度υB都相同，并且υB=Δαω。

彈性花鍵軸聯(lián)接中最常見的現(xiàn)象是存在角向偏移，即軸線歪斜（γ）。齒的滑動(dòng)速度可由下述矢量關(guān)系求出：

如果認(rèn)為，軸線歪斜時(shí)，工作的聯(lián)接傳動(dòng)比i12≈cosγ≈1，則齒的滑動(dòng)速度的投影具有如下形式：

式中：

式中：Dm-花鍵聯(lián)接件的平均直徑，對(duì)漸開線花鍵取分度圓直徑；n-花鍵軸轉(zhuǎn)速；Δ-花鍵聯(lián)接件旋轉(zhuǎn)軸線的偏斜角度（rad）。

3 漸開線花鍵聯(lián)接磨損特性

3.1 損傷形貌

花鍵聯(lián)接的壽命和承載能力受到兩個(gè)根本不同的過程的影響：一方面齒的磨損以及由此伴隨而來的出現(xiàn)在配合區(qū)域的間隙和偏心度擴(kuò)大；另一方面受切口的影響，動(dòng)載荷會(huì)引起疲勞斷裂。典型的磨損形貌如圖3所示。在實(shí)際應(yīng)用中，側(cè)面定心的花鍵大多數(shù)損傷可歸諸于磨損，有時(shí)磨損造成齒根應(yīng)力集中增大，從而成為導(dǎo)致疲勞損壞的主要原因。

由于內(nèi)外花鍵不同軸而產(chǎn)生的齒的磨損沿齒高和齒長(zhǎng)都是不均勻的。當(dāng)被聯(lián)接件花鍵有徑向偏移時(shí)，在工作初期，僅在外花鍵工作面的上齒面及內(nèi)花鍵的下齒面產(chǎn)生磨損，繼續(xù)工作時(shí)，逐漸地發(fā)展到整個(gè)齒進(jìn)入全部深度。此時(shí)，由于“齒緣效應(yīng)”僅在齒緣部分出現(xiàn)縱向的不均勻磨損。

如果被聯(lián)接零件的花鍵采用整體熱處理或齒面進(jìn)行化學(xué)熱處理，那么在偏斜狀態(tài)工作的花鍵，由于齒的磨損，工作一段時(shí)間后，兩個(gè)零件齒的縱向宏觀形狀呈對(duì)稱的鼓形。

當(dāng)花鍵上同時(shí)存在徑向位移和偏斜時(shí)，在工作初期，在花鍵齒緣上出現(xiàn)磨損，同時(shí)在外花鍵齒的頂部和內(nèi)花鍵齒根部出現(xiàn)磨損，接觸區(qū)逐漸擴(kuò)展到齒的全長(zhǎng)和整個(gè)齒高。在工作初期，齒的磨損速度最大，隨著實(shí)際接觸面積的增加，齒的磨損速度逐漸降低，當(dāng)齒的接觸面積達(dá)到可能達(dá)到的最大值時(shí)，齒的磨損速度就隨著齒的硬度沿深度方向的降低而逐漸增大。

3.2 磨損機(jī)理

花鍵聯(lián)接的磨損，是由于兩接觸表面反復(fù)摩擦，接觸的微體積受到多次循環(huán)載荷因疲勞而產(chǎn)生微粒脫落，摩擦學(xué)中稱該磨損為疲勞磨損?；ㄦI磨損原則上分為三個(gè)階段：磨合階段、穩(wěn)定磨損階段、劇烈磨損階段。

4 提高花鍵聯(lián)接耐磨性的措施

為防止?jié)u開線花鍵磨損失效，除需按上述要求計(jì)算漸開線花鍵的強(qiáng)度和壽命，在設(shè)計(jì)時(shí)還應(yīng)采取措施減少磨損，總結(jié)電機(jī)產(chǎn)品發(fā)生的漸開線花鍵聯(lián)接失效案例，并結(jié)合漸開線花鍵的磨損原理，認(rèn)為在設(shè)計(jì)上應(yīng)采取以下措施。

4.1 控制內(nèi)外花鍵聯(lián)接的偏角

內(nèi)外花鍵聯(lián)接存在偏角會(huì)減少同時(shí)承載的齒數(shù)，增加接觸應(yīng)力，同時(shí)還會(huì)導(dǎo)致花鍵齒對(duì)之間產(chǎn)生滑動(dòng)摩擦，因此，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量減小裝配誤差，保證內(nèi)外花鍵聯(lián)接的同軸度。

4.2 改善潤(rùn)滑

試驗(yàn)表明，將潤(rùn)滑劑注入接觸區(qū)會(huì)使摩擦系數(shù)降低1/2～1/3，同時(shí)摩損將減少到1/10甚至1/100。

如果以提高壽命為目標(biāo)，那么從本質(zhì)上來說，油脂潤(rùn)滑起不到積極的作用，圖6表示了不同潤(rùn)滑條件對(duì)花鍵磨損壽命的影響，在中等轉(zhuǎn)矩的范圍內(nèi)由于潤(rùn)滑材料粘住了磨損微粒，這些磨損微粒又正好起到了金剛砂的作用，所以它會(huì)使壽命縮短，只有采用油潤(rùn)滑才能起到顯著的改善效果，因?yàn)槌四Σ撂匦砸酝?，?rùn)滑油可以沖去磨損產(chǎn)生的微粒是特別重要的，因此，活動(dòng)花鍵聯(lián)接需要進(jìn)行噴射潤(rùn)滑，滑油供給方式見圖7。

4.3 齒面硬化

漸開線花鍵齒面硬化可以起到改善其磨損特性的作用，但是由于淬火變形，它對(duì)載荷分配會(huì)起到不利的影響，所以對(duì)硬化聯(lián)接需進(jìn)行精加工，對(duì)于由于結(jié)構(gòu)限制無(wú)法進(jìn)行精加工的花鍵，建議表面進(jìn)行滲氮，目前一些機(jī)型中尺寸較小無(wú)法磨削的花鍵表面要求滲碳，是不合理的，在工作過程中極有可能因載荷分配不均勻?qū)е禄ㄦI早期磨損失效。

4.4 增加齒數(shù)

在花鍵彎曲疲勞強(qiáng)度滿足要求的情況下，盡量增加齒數(shù)、減小模數(shù)，這樣可以增加承載齒數(shù)、減小齒面接觸應(yīng)力、減少磨損。某產(chǎn)品傳動(dòng)軸花鍵設(shè)計(jì)中得到了充分的體現(xiàn)，該產(chǎn)品花鍵采用了32/64徑節(jié)制的花鍵（相當(dāng)于模數(shù)為0.8mm），相同分度圓直徑情況下，相比采用模數(shù)是2mm的花鍵的耐磨損能力大大提高。

4.5 表面增加鍍覆層

目前，常用花鍵表面鍍銅的方式來減改善耐磨性。國(guó)外已研制出一種減磨性好的特殊尼龍覆蓋層，使用這種減磨覆蓋層可使振動(dòng)受到阻尼，使工作面上載荷更加均勻，因而降低花鍵聯(lián)接的工作應(yīng)力，改善了磨損情況。

4.6 合理選擇齒側(cè)間隙

活動(dòng)式花鍵聯(lián)接在工作時(shí)，允許一個(gè)零件相對(duì)于另一個(gè)零件有一定的角向和軸向位移，此時(shí)花鍵聯(lián)接需要一定的齒側(cè)間隙，以便在所要求的角向位移內(nèi)花鍵端部不卡住。

如圖8所示，某電機(jī)產(chǎn)品在試驗(yàn)時(shí)出現(xiàn)傳動(dòng)齒輪花鍵副發(fā)生嚴(yán)重磨損，原因?yàn)閮?nèi)外花鍵存在較大不同軸、工作時(shí)花鍵端部卡死導(dǎo)致，將該花鍵副的齒側(cè)配合間隙由（0.082～0.176）mm更改為（0.12～0.24）mm后，該故障得到有效解決。

4.7 齒長(zhǎng)修形

在保證連接工作能力的條件下，花鍵長(zhǎng)度應(yīng)該盡可能的取最小值，花鍵長(zhǎng)度過長(zhǎng)會(huì)由于齒向誤差而使載荷沿著齒長(zhǎng)分布的不均勻程度增大。實(shí)際上不采用比值l/d>1.2的花聯(lián)接。

在某些情況下，當(dāng)花鍵長(zhǎng)度足夠長(zhǎng)時(shí)，為了改善載荷沿著齒長(zhǎng)分布的均勻性，根據(jù)在扭矩作用下，軸的扭轉(zhuǎn)情況，可以在其中一個(gè)共軛零件上，沿花鍵齒長(zhǎng)方向預(yù)先形成一定偏差，即齒長(zhǎng)修形，常用的是鼓形齒修形。

5 結(jié)束語(yǔ)

文章總結(jié)了漸開線花鍵聯(lián)接的工作特點(diǎn)，通過對(duì)典型磨損機(jī)理分析，得出漸開線花鍵聯(lián)接耐磨損強(qiáng)度條件、引起破壞的循環(huán)次數(shù)及花鍵工作壽命。針對(duì)影響花鍵聯(lián)接磨損的重要因素，提出提高漸開線花鍵耐磨性的措施，為漸開線花鍵的設(shè)計(jì)及失效分析提供參考。

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