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1花鍵與漸開線花鍵

漸開線花鍵是花鍵的一種，而傳遞轉(zhuǎn)矩的部件一般通過鍵和花鍵聯(lián)接。

普遍采用的是矩形花鍵和漸開線花鍵。

2漸開線花鍵的優(yōu)點(diǎn)

漸開線花鍵應(yīng)用日趨廣泛。這是由于漸開線花鍵較矩形花鍵有許多優(yōu)點(diǎn)，如齒數(shù)多、齒端，齒根部厚，承載能力強(qiáng)，易自動(dòng)定心，安裝精度高。相同外形尺寸下花鍵小徑大，有利于增加軸的剛度。漸開線花鍵便于采用冷搓、冷打、冷擠等無切屑加工工藝方法，生產(chǎn)效率高，精度高，并且節(jié)約材料。

3漸開線花鍵參數(shù)

基本參數(shù)

漸開線花鍵的基本參數(shù)包括規(guī)格、模數(shù)、齒數(shù)、壓力角、變位系數(shù)（公稱值）。

定心

花鍵孔與花鍵軸之間的定心方法，指的是在直徑方向上間隙設(shè)定得小的部位。包括齒面定位、大徑定位、小徑定位。

配合量

配合量是*心部位過盈或間隙狀態(tài)，包括間隙、中間配合、過盈。

4基本參數(shù)的確定方法

從已有的規(guī)格中選擇合適的參數(shù)可節(jié)省時(shí)間、防止遺漏探討。合適的參數(shù)值可避免表面壓潰（靜連接）及過度磨損（動(dòng)連接）等強(qiáng)度校核計(jì)算（簡單計(jì)算法），或花鍵承載能力校核計(jì)算（計(jì)算法）。一般情況可以直接采用規(guī)格值的各參數(shù)數(shù)值。

已有規(guī)格參數(shù)的特征

1）GB規(guī)格（ISO）：壓力角符號為M，壓力角系列有30°、37.5°（模數(shù)0.5～10）、45°（模數(shù)0.25～2.5），變?yōu)橄禂?shù)0。

2）舊JIS規(guī)格：壓力角符號M，壓力角20°（模數(shù)0.8）。

3）NES規(guī)格（參考）：壓力角符號M，壓力角30°（模數(shù)0.5左右）。

4）SAE規(guī)格：壓力角符號DP，壓力角30°（模數(shù)0）。

參數(shù)的補(bǔ)充特征

1）花鍵的壓力角大，則鍵齒強(qiáng)度大，在傳遞圓周力相同時(shí)，大壓力角的正壓力也大，故摩擦力大。選擇壓力角時(shí)主要從構(gòu)件的工作特點(diǎn)去考慮，如有無滑動(dòng)、浮動(dòng)以及配合性質(zhì)和工藝方法等方面考慮。

2）加工精密刀具、檢具工裝時(shí)，即使是使用規(guī)格參數(shù)，也全部需要制作專用件，從這個(gè)意義出發(fā)是沒有必要保證規(guī)格參數(shù)的。

5定心與配合量的確定方法

定心確定

根據(jù)花鍵使用部位的功能來確定定心的類型，花鍵加工后需要熱處理的零件會(huì)發(fā)生熱變形，因此需要將間隙做得大一些。作為減小此間隙的方法，可以給大徑（或小徑）處進(jìn)行磨削加工做成大徑定位（或小徑定位）。精度順序一般為“齒面定位>大徑定位>小徑定位”，且磨加工處越多越好，下面是幾種常用組合。

1）軸類零件：采用大徑定位時(shí)推薦在大徑處進(jìn)行磨削加工；采用小徑定位時(shí)推薦在小徑處進(jìn)行磨削加工。

2）孔類零件：推薦采用小徑定位，并在小徑處進(jìn)行磨削加工。

說明：使用小徑定位時(shí)，很難保證軸的小徑磨加工直徑與齒面PCD的同軸度，齒面間隙做得較小時(shí)，裝配會(huì)很困難，所以必須注意。

配合量確定

部分加工方法與公差等級。

1）拉刀加工：適用于孔類零件，公差等級IT7級。

2）滾齒加工：適用于軸類零件，公差等級IT10級。

3）插齒加工：適用于孔、軸類零件，公差等級IT10級。

4）激光線切加工：適用于孔、軸類零件（薄零件），公差等級IT10級，一般不用于量產(chǎn)中。

5）熱處理：適用于孔、軸類零件，公差寬度+100～200μm。

6）磨加工：適用于孔、軸類零件，公差等級IT6～7級。

還可以進(jìn)行間隙調(diào)整，原則上是將孔參數(shù)固定后再探討軸的參數(shù)。需要注意的是，即使要用拉刀加工孔，也不能變更其尺寸。

6其他詳細(xì)參數(shù)的確定方法

1）不用來定心的部位，軸小徑與孔大徑不加公差。

2）選擇齒底形狀是平/圓底時(shí)，如果沒有特別要求的話定為平底就可以了。原因?yàn)檩S的抗扭強(qiáng)度與齒底圓角沒有關(guān)系，花鍵小徑越大強(qiáng)度越強(qiáng)，所以選擇小徑更大的平底為好。對于孔，如果采用大徑定位的話，就必須做成平底。即使一開始沒有采用大徑定位，為了將來能夠在共用該拉刀的產(chǎn)品上實(shí)現(xiàn)大徑定位，提前做成平底也（在此情況下提前加公差）很有必要。

3）在齒頂上加倒角，齒根上加齒根圓角。給齒頂加倒角的原因?yàn)椋悍乐箤X面的磕碰傷痕/避開齒根圓角等。但是，在帶倒錐的換擋接合齒的軸向上，為了避免齒面接觸面積損失得過大，在齒頂上不加倒角。齒根圓角是為了延長刀具壽命、緩和應(yīng)力集中。

4）花鍵齒面加工的退刀部位上、由于容易發(fā)生毛刺、飛邊，要特別注意。

5）花鍵加工面的粗糙度（除磨加工處）原則上應(yīng)定為Ra=2.5μm。

7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。

8漸開線花鍵聯(lián)接磨損特性

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)展到齒的全長和整個(gè)齒高。在工作初期，齒的磨損速度大，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。

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。

9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。

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。

改善潤滑

試驗(yàn)表明，將潤滑劑注入接觸區(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(zhuǎn)矩的范圍內(nèi)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(huì)使壽命縮短，只有采用油潤滑才能起到顯著的改善效果，因?yàn)槌四Σ撂匦砸酝猓瑵櫥涂梢詻_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)行噴射潤滑，滑油供給方式見圖7。

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(huì)起到不利的影響，所以對硬化聯(lián)接需進(jìn)行精加工，對于由于結(jié)構(gòu)限制無法進(jìn)行精加工的花鍵，建議表面進(jìn)行滲氮，一些機(jī)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?qū)е禄ㄦI早期磨損失效。

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。

表面增加鍍覆層

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(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。

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。

齒長修形

在保證連接工作能力的條件下，花鍵長度應(yīng)該盡可能的取小值，花鍵長度過長會(huì)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(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)花鍵長度足夠長時(shí)，為了改善載荷沿著齒長分布的均勻性，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，沿花鍵齒長方向預(yù)先形成一定偏差，即齒長修形，常用的是鼓形齒修形。