花鍵傳動桿偏心的可靠性影響分析

翟振強

（哈爾濱東安發動機（集團）有限公司 黑龍江哈爾濱 150066）

花鍵傳動桿偏心的可靠性影響分析

翟振強

（哈爾濱東安發動機（集團）有限公司 黑龍江哈爾濱 150066）

傳動桿是附件傳動系統中重要構件之一，從發動機中央傳動至附件傳動機匣連接的傳動桿稱主傳動桿，國外稱塔軸。傳動桿屬于軸類零件，特點是長徑比大，兩端皆有漸開線花鍵。靠花鍵與功率輸入、輸出軸相連。花鍵聯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、內徑定心或齒形定心。但無論采用哪種定心方式都很難保證軸與輪轂的絕對同心。輕則造成花鍵齒嚙合不好，產生沖擊和噪聲；重則出現嚙合產生“抱齒”現象，造成重大質量事故。所以認識花鍵傳動桿偏心對傳動系統的影響有著重大意義。本文同過對花鍵傳動桿偏心的可靠性影響分析，認識花鍵傳動桿偏心對傳動系統的影響。

花鍵；傳動；桿偏心

1 花鍵傳動桿偏心引起摩擦損失

當花鍵正常工作時，載荷均勻的分布在每個鍵齒上。當花鍵偏心時，花鍵在配合齒形面上呈三角形接觸，只有最遠處的齒才處于接觸狀態，嚙合數量很少，這時花鍵嚙合時的工作狀態類似于內嚙合傳動的齒輪，載荷全部施加在這兩個齒上，且延齒長方向分布不均。

嚙合的輪齒齒廓間存在相對滑動。如圖1，設構件以等角速度ωH繞O2順時針轉動，它與平動機構一起為平動花鍵1提供平移運動，通過平動花鍵1與花鍵2的嚙合，將運動和動力輸出。設花鍵2角速度為ω2，在圖示位置，主、從動齒輪上兩齒廓E1、E2在K點嚙合，則K點必定落在兩基圓公切線（即過K點的兩齒廓的公法線）PN2上。此時，齒廓E1、E2上K點的速度分別為：

Vk1=ωHα′方向垂直于 O1O2；

Vk2=ω2rk2方向垂直于O2K；

二者在過K點的齒廓公切線t-t上的分速度分別為：

因為花鍵1平動，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 齒間相對滑動

由于此時兩齒廓在嚙合點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滑動速度存在。設相對滑動速度為Vs，則：

由運動關系可知：外齒輪平動時，該平動機構的傳動比為：

由該式可知：在嚙合時，齒廓間的相對滑動速度大小與PK有關，而PN1、PN2是恒定不變的，所以，K點的位置決定了相對滑動速度的大小。

對花鍵機構，由于進入嚙合時，是由1的齒頂推動2的齒根部分開始的，所以開始時，K點距節點P最近，即PK最小，因此，此時的相對滑動速度也最小；而退出嚙合時，是由1的齒根部分推動2的齒頂，所以退出嚙合時K點距節點P最遠，即PK最大，因此，此時的相對滑動速度也最大。

當存在偏心的軸轂連接工作時，各齒嚙合的松緊程度必不相同，圖1所示，嚙合點K在嚙合過程中，沿PN1向P點靠近，這時α′大小不變，αa2增大，摩擦損失增大。相互摩擦，每轉一周，摩擦重復一次。

2 花鍵傳動桿偏心對聯接強度的影響

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

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

z——花鍵的齒數；

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

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]——花鍵聯接的許用擠壓應力，單位為MPa；

[p]——花鍵聯接的許用壓力，單位為MPa。

式中ψ-載荷分布不均系數，與齒數多少有關，一般取ψ=0.7～0.8，齒數多時取偏小值。當花鍵偏心工作時，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齒上，且延齒長方向分布不均，嚙合緊密的鍵齒將承受較大的壓力。這時，工作面上的壓力增大，載荷分布不均系數ψ增大，靜載荷和動載荷也隨之增大。

3 花鍵傳動桿偏心對鍵齒潤滑的影響

在花鍵傳動高副接觸中，兩摩擦表面之間接觸壓力很大，摩擦表面會出現不能忽略的局部彈性變形。同時，在較高壓力下，潤滑劑的粘度也將隨壓力發生變化。

在彈性流體動力潤滑條件下，接觸面的彈性變形、油膜厚度及油膜壓力分布。靠潤滑劑與摩擦表面的粘附作用，兩圓柱體相互滾動時將潤滑劑帶入間隙。由于接觸壓力較高使接觸面發生局部彈性變形，接觸面積擴大，在接觸面間形成了一個平行的縫隙，在出油口處的接觸面邊緣出現了使間隙變小的突起部分（一種縮頸現象），并形成最小油膜厚度，出現了一個第二峰值壓力。當花鍵傳動桿偏心時，內嚙合鍵齒的節點靠近齒根處是油膜厚度的最薄弱處，且在變速傳動時，低速傳動的內嚙合工況潤滑狀態較差。

4 結論及改進措施

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，對于精度要求高的花鍵齒，以進一步提高滾齒時的裝夾定位精度。

[1]張春林，姚九成.平動齒輪機構連續傳動條件的分析方法.機械科學與技術，1998.

[2]饒振剛.行星傳動機構設計（第二版）.北京：國防工業出版社，1994.

TH131

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1004-7344（2016）02-0236-02

2015-12-22