花鍵傳動(dòng)桿偏心的可靠性影響分析

翟振強(qiáng)

（哈爾濱東安發(fā)動(dòng)機(jī)（集團(tuán)）有限公司 黑龍江哈爾濱 150066）

花鍵傳動(dòng)桿偏心的可靠性影響分析

翟振強(qiáng)

（哈爾濱東安發(fā)動(dòng)機(jī)（集團(tuán)）有限公司 黑龍江哈爾濱 150066）

傳動(dòng)桿是附件傳動(dòng)系統(tǒng)中重要構(gòu)件之一，從發(fā)動(dòng)機(jī)中央傳動(dòng)至附件傳動(dòng)機(jī)匣連接的傳動(dòng)桿稱主傳動(dòng)桿，國(guó)外稱塔軸。傳動(dòng)桿屬于軸類零件，特點(diǎn)是長(zhǎng)徑比大，兩端皆有漸開線花鍵?？炕ㄦI與功率輸入、輸出軸相連?；ㄦI聯(lián)接中常采用各種不同的定心方式以提高軸與輪轂的同心度，如外徑定心、內(nèi)徑定心或齒形定心。但無(wú)論采用哪種定心方式都很難保證軸與輪轂的絕對(duì)同心。輕則造成花鍵齒嚙合不好，產(chǎn)生沖擊和噪聲；重則出現(xiàn)嚙合產(chǎn)生“抱齒”現(xiàn)象，造成重大質(zhì)量事故。所以認(rèn)識(shí)花鍵傳動(dòng)桿偏心對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)的影響有著重大意義。本文同過對(duì)花鍵傳動(dòng)桿偏心的可靠性影響分析，認(rèn)識(shí)花鍵傳動(dòng)桿偏心對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)的影響。

花鍵；傳動(dòng)；桿偏心

1 花鍵傳動(dòng)桿偏心引起摩擦損失

當(dāng)花鍵正常工作時(shí)，載荷均勻的分布在每個(gè)鍵齒上。當(dāng)花鍵偏心時(shí)，花鍵在配合齒形面上呈三角形接觸，只有最遠(yuǎn)處的齒才處于接觸狀態(tài)，嚙合數(shù)量很少，這時(shí)花鍵嚙合時(shí)的工作狀態(tài)類似于內(nèi)嚙合傳動(dòng)的齒輪，載荷全部施加在這兩個(gè)齒上，且延齒長(zhǎng)方向分布不均。

嚙合的輪齒齒廓間存在相對(duì)滑動(dòng)。如圖1，設(shè)構(gòu)件以等角速度ωH繞O2順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，它與平動(dòng)機(jī)構(gòu)一起為平動(dòng)花鍵1提供平移運(yùn)動(dòng)，通過平動(dòng)花鍵1與花鍵2的嚙合，將運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力輸出。設(shè)花鍵2角速度為ω2，在圖示位置，主、從動(dòng)齒輪上兩齒廓E1、E2在K點(diǎn)嚙合，則K點(diǎn)必定落在兩基圓公切線（即過K點(diǎn)的兩齒廓的公法線）PN2上。此時(shí)，齒廓E1、E2上K點(diǎn)的速度分別為：

Vk1=ωHα′方向垂直于 O1O2；

Vk2=ω2rk2方向垂直于O2K；

二者在過K點(diǎn)的齒廓公切線t-t上的分速度分別為：

因?yàn)榛ㄦI1平動(dòng)，所以Vk1始終垂直于兩輪的連心O1O2，因此，Vk1與公法線間的夾角始終等于嚙合角α′，所以Vk1的大小始終不變。

圖1 齒間相對(duì)滑動(dòng)

由于此時(shí)兩齒廓在嚙合點(diǎn)K處沿齒廓公切線的分速度不相等，所以，兩齒廓沿公切線方向必然有相對(duì)滑動(dòng)速度存在。設(shè)相對(duì)滑動(dòng)速度為Vs，則：

由運(yùn)動(dòng)關(guān)系可知：外齒輪平動(dòng)時(shí)，該平動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比為：

由該式可知：在嚙合時(shí)，齒廓間的相對(duì)滑動(dòng)速度大小與PK有關(guān)，而PN1、PN2是恒定不變的，所以，K點(diǎn)的位置決定了相對(duì)滑動(dòng)速度的大小。

對(duì)花鍵機(jī)構(gòu)，由于進(jìn)入嚙合時(shí)，是由1的齒頂推動(dòng)2的齒根部分開始的，所以開始時(shí)，K點(diǎn)距節(jié)點(diǎn)P最近，即PK最小，因此，此時(shí)的相對(duì)滑動(dòng)速度也最??；而退出嚙合時(shí)，是由1的齒根部分推動(dòng)2的齒頂，所以退出嚙合時(shí)K點(diǎn)距節(jié)點(diǎn)P最遠(yuǎn)，即PK最大，因此，此時(shí)的相對(duì)滑動(dòng)速度也最大。

當(dāng)存在偏心的軸轂連接工作時(shí)，各齒嚙合的松緊程度必不相同，圖1所示，嚙合點(diǎn)K在嚙合過程中，沿PN1向P點(diǎn)靠近，這時(shí)α′大小不變，αa2增大，摩擦損失增大。相互摩擦，每轉(zhuǎn)一周，摩擦重復(fù)一次。

2 花鍵傳動(dòng)桿偏心對(duì)聯(lián)接強(qiáng)度的影響

花鍵聯(lián)接的受力情況，其主要的失效形式是工作面被壓潰（靜聯(lián)接）或工作面過度磨損（動(dòng)聯(lián)接）。靜聯(lián)接按工作面上的擠壓應(yīng)力進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算時(shí)，假設(shè)載荷在鍵的工作面上均勻分布，每個(gè)齒工作面上的壓力的合力F作用在平均直徑dm處，即傳遞的轉(zhuǎn)矩T=F×dm/2，并引入系數(shù)ψ來考慮實(shí)際載荷在各花鍵齒上分配不均的影響，花鍵聯(lián)接的強(qiáng)度條件為：

式中：ψ——載荷分布不均系數(shù)，與齒數(shù)多少有關(guān)，一般取ψ=0.7～0.8，齒數(shù)多時(shí)取偏小值；

z——花鍵的齒數(shù)；

h——花鍵齒側(cè)的工作高度，漸開線花鍵，α=30°，h=m；α=45°，h=0.8m，m為模數(shù)；

dm——花鍵的平均直徑，漸開線花鍵，dm=di，di為分度圓直徑，單位為mm；

[σp]——花鍵聯(lián)接的許用擠壓應(yīng)力，單位為MPa；

[p]——花鍵聯(lián)接的許用壓力，單位為MPa。

式中ψ-載荷分布不均系數(shù)，與齒數(shù)多少有關(guān)，一般取ψ=0.7～0.8，齒數(shù)多時(shí)取偏小值。當(dāng)花鍵偏心工作時(shí)，花鍵在配合齒形面上呈三角形接觸，載荷全部施加在這兩個(gè)齒上，且延齒長(zhǎng)方向分布不均，嚙合緊密的鍵齒將承受較大的壓力。這時(shí)，工作面上的壓力增大，載荷分布不均系數(shù)ψ增大，靜載荷和動(dòng)載荷也隨之增大。

3 花鍵傳動(dòng)桿偏心對(duì)鍵齒潤(rùn)滑的影響

在花鍵傳動(dòng)高副接觸中，兩摩擦表面之間接觸壓力很大，摩擦表面會(huì)出現(xiàn)不能忽略的局部彈性變形。同時(shí)，在較高壓力下，潤(rùn)滑劑的粘度也將隨壓力發(fā)生變化。

在彈性流體動(dòng)力潤(rùn)滑條件下，接觸面的彈性變形、油膜厚度及油膜壓力分布?？繚?rùn)滑劑與摩擦表面的粘附作用，兩圓柱體相互滾動(dòng)時(shí)將潤(rùn)滑劑帶入間隙。由于接觸壓力較高使接觸面發(fā)生局部彈性變形，接觸面積擴(kuò)大，在接觸面間形成了一個(gè)平行的縫隙，在出油口處的接觸面邊緣出現(xiàn)了使間隙變小的突起部分（一種縮頸現(xiàn)象），并形成最小油膜厚度，出現(xiàn)了一個(gè)第二峰值壓力。當(dāng)花鍵傳動(dòng)桿偏心時(shí)，內(nèi)嚙合鍵齒的節(jié)點(diǎn)靠近齒根處是油膜厚度的最薄弱處，且在變速傳動(dòng)時(shí)，低速傳動(dòng)的內(nèi)嚙合工況潤(rùn)滑狀態(tài)較差。

4 結(jié)論及改進(jìn)措施

由于造成花鍵齒幾何偏心的最主要原因是滾齒裝夾定位誤差和熱處理變形，因此，對(duì)于精度要求高的花鍵齒，以進(jìn)一步提高滾齒時(shí)的裝夾定位精度。

[1]張春林，姚九成.平動(dòng)齒輪機(jī)構(gòu)連續(xù)傳動(dòng)條件的分析方法.機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，1998.

[2]饒振剛.行星傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)（第二版）.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1994.

TH131

A

1004-7344（2016）02-0236-02

2015-12-22