轉接軸花鍵磨損問題分析

白志剛

摘? 要：該文針對轉接軸花鍵異常磨損問題，對花鍵設計強度、對中性、裝配間隙、表面質量等方面進行分析，發現花鍵磨損不僅會和接觸應力偏大，花鍵對中性不好，作用側隙設計不合理等因素相關，花鍵的接觸面硬度不匹配同樣可能造成花鍵故障，造成花鍵異常磨損的原因很多，設計花鍵時應全面考慮，避免造成不必要的損失。

關鍵詞：花鍵;磨損;套齒;發動機

中圖分類號：TG372? ? ? 文獻標志碼：A

航空花鍵結構因具有承載能力高、定心性能好、結構緊湊等優點，在現代航空發動機結構設計中廣泛應用，然而航空花鍵工作環境苛刻， 一旦出現問題，造成的危害較大，更為糟糕的是由于空間狹小和設計等原因導致的不可接近性，使花鍵檢修和更換困難，設計時需要考慮全面，避免造成不必要的損失。

1 問題描述

某發動機故檢中發現，轉接軸花鍵尺寸出現超差，檢查發現花鍵存在異常磨損現象，轉接軸結構如圖1所示，磨損如圖2所示。轉接軸前端開有螺栓孔，通過螺栓與壓氣機轉子連接，并設計過盈止口用于定心;后端設有內花鍵，用于輸入扭矩，帶動壓氣機轉子旋轉。內花鍵為漸開線花鍵，參數見表1，漸開線花鍵的齒廓受載時各齒承受大小相等且指向圓心的徑向分力，總接觸面積大、可自動定心，適于應用在傳遞轉矩大且定心精度要求高的傳扭結構中。造成花鍵異常磨損的原因很多，分析磨損問題需要全面考慮強度、裝配、工藝等方面。

2 問題分析

2.1 接觸應力

漸開線花鍵接觸應力是影響花鍵副微動磨損的重要參數，漸開線花鍵副花鍵擠壓應力σp計算公式如下：

（1）

式（1）中：T—轉矩（Nm）;ψ—各齒間載荷不均勻系數，通常取ψ=0.7～0.8;z—齒數;hg—齒的工作高度（mm）;lg—齒的工作長度（mm）;Dm—為分度圓直徑（mm）。

花鍵輸入轉矩T計算公式如下：

（2）

式（2）中：P—輸入功率（W）;n—轉速（r/min）。

考慮設計轉速下，壓氣機需要的輸入功率按如下公式考慮，

（3）

式（3）中：Qm—空氣流量; Cp—定壓比熱容;T? *

2—壓氣機出口總溫; T*

1—壓氣機進口總溫;η—轉子機械效率。

按照上述公式計算，將壓氣機參數帶入，計算得到花鍵所在軸的功率為P=128 kW，花鍵的正壓力σp為110 MPa;從計算結果來看，所有計算花鍵中齒面接觸強度許用值與計算應力之比

最小值為10.8。花鍵的計算應力遠遠小于許用值，能保證所用花鍵安全地工作。

2.2 內、外花鍵對中性分析

內外花鍵不對中也可能造成套齒磨損，以下幾個方面可能造成內外花鍵不對中：1）零件缺少定心或定心不牢固;2）零件剛度不足，工作中存在較大變形;3）內外花鍵材料熱膨脹系數差異大，工作中內外花鍵變形不協調;4）內外花鍵所在截面的厚度不能有較大差異，防止出現受力變形不協調。

通過對零件端面跳動、材料、剛度等方面的復查，未發現造成套齒不對中的因素，因此認為磨損和零件不對中無關。

2.3裝配間隙

花鍵側隙設計是影響磨損的一個重要參數，花鍵側隙設計值為0.13 mm～0.26 mm，參照航空標準，該花鍵齒側間隙相對較大，較大齒側間隙有利于增強內、外花鍵的不對中適應能力，通過檢查，花鍵裝配側隙符合要求，因此齒側間隙不是花鍵磨損的原因。

2.4 表面質量檢查

為檢驗是否由于內、外花鍵硬度不匹配造成磨損故障，從花鍵副的材料和表面硬度對磨損情況進行分析，內、外花鍵的材料都是高強度合金鋼，且內花鍵的材料硬度略高于外花鍵，這樣的設計是合理的，使用過程中有利于保護內花鍵，但是，外花鍵表面做了滲氮處理，硬度大大提高，而內花鍵未做表面處理，內、外花鍵硬度相差較大，嚴重不匹配。通過查閱資料發現，國內外發動機中與其結構相近的發動機，花鍵表面均有強化要求。

另外檢查了花鍵表面的粗糙度、內花鍵相對于安裝座止口的徑向跳動等參數，均未見異常。

2.5 振動

在有振動的機械中，螺紋連接、花鍵連接和過盈配合連接等容易發生微動磨損。微動是指2個接觸表面之間小振幅振蕩運動，涉及面與面接觸循環小幅度的相對位移，這一般與花鍵轉子振幅基本一致。通過復查發動機振動情況并結合磨損現象認為振動不是造成異常磨損的主要因素。

3 改進措施及驗證結果

通過對花鍵接觸應力、對中性、裝配間隙等方面的分析，花鍵在表面硬度的匹配性上與其它發動機存在差異，其它方面未發現異常，對內花鍵表面增加滲碳要求，滲碳深度0.2 mm～0.5 mm，使其表面硬度略高于外花鍵的表面硬度，經試車考核，花鍵工作正常，未見磨損痕跡，改進措施有效。因此認為，齒面硬度不匹配是齒面磨損的主要原因。

4 結論

通過對轉接軸花鍵異常磨損問題的分析，花鍵磨損不僅會和接觸應力偏大、花鍵對中性不好、作用側隙設計不合理等因素相關，花鍵的接觸面硬度不匹配同樣可能造成花鍵故障。造成花鍵異常磨損的原因很多，設計花鍵時應全面考慮，避免造成不必要的損失。

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