漸開線花鍵聯接磨損特性研究

摘 要：文章針對典型漸開線花鍵的聯接形式，對漸開線花鍵聯接磨損失效機理進行研究，針對花鍵聯接磨損機理，提出防止漸開線花鍵磨損的措施，為漸開線花鍵的設計及失效分析提供參考。

關鍵詞：花鍵聯接；磨損機理；耐磨性；措施

1 概述

近年來，齒輪磨損逐漸成為困擾機構使用效率和壽命的重要原因，文章針對典型漸開線花鍵的聯接形式，對漸開線花鍵聯接磨損失效機理進行研究，針對花鍵聯接磨損機理，提出防止漸開線花鍵磨損的措施，為電機漸開線花鍵的設計及失效分析提供參考。

2 漸開線花鍵聯接的工作特點

漸開線花鍵聯接的工作特點主要取決于齒圈的同軸度。當兩齒圈的軸線重合時，齒的圓柱漸開線表面是等距的，因為它們是在同一基圓上形成的。這樣，扭矩作用時，所有工作齒形點都進入接觸，而與齒之間的初始間隙無關。非工作齒形間的所有點，都具有同樣的法向間隙jn。

兩個齒圈軸線如果平行偏移一個值Δα，花鍵聯接的工作特性和齒的接觸狀況就要發生劇烈的變化。這種情況下，只有坐標角φt處在等于漸開線展成角的那些齒形點，才進入接觸。其余齒形點將產生間隙，其值為：

jni=Δα[1-cos（φl-θ）] （1）

當軸線徑向偏移時，花鍵聯接就變為α=90°、齒數差等于零的一種特殊內嚙合齒輪傳動，其傳動比i=1.0，嚙合線切于二者的基圓，一對或兩對齒相接觸。這種傳動與一般齒輪傳動的典型差別在于，齒形上所有點上齒的滑動速度υB都相同，并且υB=Δαω。

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

如果認為，軸線歪斜時，工作的聯接傳動比i12≈cosγ≈1，則齒的滑動速度的投影具有如下形式：

式中：

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

3 漸開線花鍵聯接磨損特性

3.1 損傷形貌

花鍵聯接的壽命和承載能力受到兩個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在配合區域的間隙和偏心度擴大；另一方面受切口的影響，動載荷會引起疲勞斷裂。典型的磨損形貌如圖3所示。在實際應用中，側面定心的花鍵大多數損傷可歸諸于磨損，有時磨損造成齒根應力集中增大，從而成為導致疲勞損壞的主要原因。

由于內外花鍵不同軸而產生的齒的磨損沿齒高和齒長都是不均勻的。當被聯接件花鍵有徑向偏移時，在工作初期，僅在外花鍵工作面的上齒面及內花鍵的下齒面產生磨損，繼續工作時，逐漸地發展到整個齒進入全部深度。此時，由于“齒緣效應”僅在齒緣部分出現縱向的不均勻磨損。

如果被聯接零件的花鍵采用整體熱處理或齒面進行化學熱處理，那么在偏斜狀態工作的花鍵，由于齒的磨損，工作一段時間后，兩個零件齒的縱向宏觀形狀呈對稱的鼓形。

當花鍵上同時存在徑向位移和偏斜時，在工作初期，在花鍵齒緣上出現磨損，同時在外花鍵齒的頂部和內花鍵齒根部出現磨損，接觸區逐漸擴展到齒的全長和整個齒高。在工作初期，齒的磨損速度最大，隨著實際接觸面積的增加，齒的磨損速度逐漸降低，當齒的接觸面積達到可能達到的最大值時，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 磨損機理

花鍵聯接的磨損，是由于兩接觸表面反復摩擦，接觸的微體積受到多次循環載荷因疲勞而產生微粒脫落，摩擦學中稱該磨損為疲勞磨損。花鍵磨損原則上分為三個階段：磨合階段、穩定磨損階段、劇烈磨損階段。

4 提高花鍵聯接耐磨性的措施

為防止漸開線花鍵磨損失效，除需按上述要求計算漸開線花鍵的強度和壽命，在設計時還應采取措施減少磨損，總結電機產品發生的漸開線花鍵聯接失效案例，并結合漸開線花鍵的磨損原理，認為在設計上應采取以下措施。

4.1 控制內外花鍵聯接的偏角

內外花鍵聯接存在偏角會減少同時承載的齒數，增加接觸應力，同時還會導致花鍵齒對之間產生滑動摩擦，因此，在設計時應盡量減小裝配誤差，保證內外花鍵聯接的同軸度。

4.2 改善潤滑

試驗表明，將潤滑劑注入接觸區會使摩擦系數降低1/2～1/3，同時摩損將減少到1/10甚至1/100。

如果以提高壽命為目標，那么從本質上來說，油脂潤滑起不到積極的作用，圖6表示了不同潤滑條件對花鍵磨損壽命的影響，在中等轉矩的范圍內由于潤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，所以它會使壽命縮短，只有采用油潤滑才能起到顯著的改善效果，因為除了摩擦特性以外，潤滑油可以沖去磨損產生的微粒是特別重要的，因此，活動花鍵聯接需要進行噴射潤滑，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，它對載荷分配會起到不利的影響，所以對硬化聯接需進行精加工，對于由于結構限制無法進行精加工的花鍵，建議表面進行滲氮，目前一些機型中尺寸較小無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導致花鍵早期磨損失效。

4.4 增加齒數

在花鍵彎曲疲勞強度滿足要求的情況下，盡量增加齒數、減小模數，這樣可以增加承載齒數、減小齒面接觸應力、減少磨損。某產品傳動軸花鍵設計中得到了充分的體現，該產品花鍵采用了32/64徑節制的花鍵（相當于模數為0.8mm），相同分度圓直徑情況下，相比采用模數是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受到阻尼，使工作面上載荷更加均勻，因而降低花鍵聯接的工作應力，改善了磨損情況。

4.6 合理選擇齒側間隙

活動式花鍵聯接在工作時，允許一個零件相對于另一個零件有一定的角向和軸向位移，此時花鍵聯接需要一定的齒側間隙，以便在所要求的角向位移內花鍵端部不卡住。

如圖8所示，某電機產品在試驗時出現傳動齒輪花鍵副發生嚴重磨損，原因為內外花鍵存在較大不同軸、工作時花鍵端部卡死導致，將該花鍵副的齒側配合間隙由（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 齒長修形

在保證連接工作能力的條件下，花鍵長度應該盡可能的取最小值，花鍵長度過長會由于齒向誤差而使載荷沿著齒長分布的不均勻程度增大。實際上不采用比值l/d>1.2的花聯接。

在某些情況下，當花鍵長度足夠長時，為了改善載荷沿著齒長分布的均勻性，根據在扭矩作用下，軸的扭轉情況，可以在其中一個共軛零件上，沿花鍵齒長方向預先形成一定偏差，即齒長修形，常用的是鼓形齒修形。

5 結束語

文章總結了漸開線花鍵聯接的工作特點，通過對典型磨損機理分析，得出漸開線花鍵聯接耐磨損強度條件、引起破壞的循環次數及花鍵工作壽命。針對影響花鍵聯接磨損的重要因素，提出提高漸開線花鍵耐磨性的措施，為漸開線花鍵的設計及失效分析提供參考。

參考文獻

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