新型平鍵起鍵器的研制

張穎利， 羅華安， 吳長華

（南京信息職業技術學院，南京210046）

0 引言

鍵聯接如圖1所示，是一種典型的機械聯接方式，通常用來連接軸上零件，對它們起周向固定作用并實現轉矩傳遞。鍵聯接可分為平鍵連接、半圓鍵聯接、楔鍵聯接和切向鍵聯接，其中平鍵聯接因為結構簡單、對中性好、制造方便，在實際工程中得到廣泛應用[1-3]。在工作時，通過鍵的側面與軸槽和輪轂槽的側面相互接觸來傳遞轉矩。為保證傳動精度，平鍵結構一般采用過渡配合，因其結構特點及使用工作條件，維修過程中采用普通機械工具難以起拔。如果強行拆卸，會破壞鍵及相配的軸，如圖2所示。

圖1 鍵連接

圖2 鍵的拆卸

利用機械原理取出平鍵的裝置市場上雖然有,但沒有相關的文獻報道，例如TURNUS平鍵拔出器T139-1（如圖3所示），適用于3～35 mm鍵寬，重量2 kg，利用兩側手輪的夾持力，垂直拔出，應用前需要在鍵的表面噴涂液體增加摩擦力，而且價格也比較高。

研制的新型平鍵起鍵器，在結構上力求達到簡潔、輕便的特點，攜帶方便；其主體擬采用機械結構，通過機械杠桿結構實現增力，保證夾持牢靠，能夠快速實現鍵與軸的分離，并使零件不受破壞。

1 研制過程

1.1 選題背景及意義

圖3 T139-1平鍵拔出器

維修設備時，在軸和輪轂類零件（例如齒輪、蝸輪等零件）相配的地方會遇到平鍵聯接，如果平鍵沒有磨損，可以直接用手拿下來；但是，長時間在惡劣的環境下工作和材料本身的問題，難免會出現磨損或者“焊死”現象。高級技師會用橡膠錘或者鋼錘加鋁棒，選擇正確的角度，并用適度的力敲擊平鍵的兩側，以保證平鍵與軸不會被破壞。工人通常會利用鋼錘直接敲擊平鍵或者用虎鉗夾著平鍵往外拽，或者用鏨子取出平鍵；有的采用焊接一根鋼筋在平鍵上，再用虎鉗夾住向外拽；有的在平鍵上鉆出一個螺紋孔，通過旋轉螺釘將平鍵從鍵槽中“頂出”。

在實際情況中起拔平鍵時，使用傳統方法和工具，不僅費時費力，還會破壞平鍵與軸，要想做到平鍵與軸輕松分離而且不被破壞還是非常困難的。

針對以上原因研制新型平鍵起鍵器，其主體擬采用機械結構，并通過機械杠桿結構實現增力，保證夾持牢靠。提供一種適用范圍比較廣，適用不同規格的平鍵，通過調整一側定位塊的位置來實現，為了保證取出過程中夾爪與平鍵始終接觸，采用了偏心凸輪機構。通過Pro/Mechanica的有限元分析，對夾爪和偏心輪做靜態的受力分析，驗證結構是否合理，還對偏心輪的結構進行了優化設計。

1.2 設計思路

新型起鍵器主要由支架和起拔裝置兩大部分組成，如圖4所示。支架支撐在軸頸表面上，其中左側定位塊用來確定位置，右側的定位塊用來調整方向；起拔裝置用于平鍵夾緊，其中偏心輪機構的設計具有自鎖功能；螺旋機構用來實現平鍵起拔。

低位桿1、左拉桿4、上連桿13和右拉桿18組成平行四邊形支撐機構；左定位塊7和右定位塊17是軸的定位塊，為了適用不同尺寸的軸，夾緊螺釘19長度可以調整；通過一對夾爪8夾持平鍵的2個側面，為了保證夾持中夾爪與平鍵在取出過程中始終接觸，采用了偏心輪機構，為了增加摩擦力接觸端面做成齒狀；通過蝶形螺母14的旋轉螺桿15向上垂直運動，夾爪收緊，把平鍵從鍵槽中拔出；防止拔出力不垂直，上連桿13中螺桿的通過孔為腰型孔，左右可調整。

研制的平鍵起鍵器的實物如圖5所示，而Pro/Engineer 5.0野火版完成的三維造型圖如圖6所示。

圖4 平鍵起鍵器

圖5 起鍵器的實物

圖6 起鍵器的三維造型

1.3 研制過程

1.3.1 機構的工作過程

1）固定支架在軸面。打開低位桿，把支架套到軸上，再合上低位桿，并通過左右定位塊定位、調整起拔方向。2）夾緊平鍵側面。松開蝶形螺母并轉動偏心輪，調整夾爪的位置使其與平鍵側面接觸。3）拔出平鍵。擰緊蝶形螺母以實現螺桿向上移動，從而實現平鍵垂直起拔。為了降低成本，機構中所有的加工零件采用45鋼，并進行熱處理和表面發藍處理。

該機構結構簡單、緊湊、輕便，能滿足不同類型平鍵的取出，而且不破壞相關零件。

1.3.2 機構設計

1）支架。支架采用封閉的框架結構，也可以是支腳式結構，如圖7所示。封閉式的支腳用左右V型塊與軸的外表面進行定位，相對比較穩定；而支腳式的結構簡單些，采用左右拉桿下端的V型面與軸接觸進行定位，但穩定性稍差。因此采用封閉式的支架。

圖7 支架

2）起拔裝置。起拔裝置主要包括偏心輪、夾爪、夾爪連桿、連接片、螺桿和蝶形螺母。它的功能主要是用于平鍵的夾緊和拔起；隨著蝶形螺母的擰緊，使得螺桿垂直向上移動，帶動夾爪上移來實現平鍵的起拔，它的工作原理類似于倒置的螺旋千斤頂如圖4所示。采用了偏心輪機構對平鍵進行夾緊，因此具有自鎖功能，這樣的設計保證了夾緊機構夾持的可靠性。

偏心輪在任何位置都具有自鎖性能的條件是：2e/D≤f。式中：D為偏心輪的直徑（D=2R）；f為偏心輪與零部件表面的摩擦因數，通常情況下取f=0.1～0.15。設計時，常采用f=0.15，此時偏心輪的偏心距應該是e<0.075D。綜上所述，結合實際情況，本課題中采用的偏心輪的偏心距為0.5 mm。

圖8 偏心輪

圖9 夾爪

外圍的兩個半圓槽是為起拔初期，增加預緊力所用，將其成對配置，并且與中心軸呈46°，這樣設計的目的是為了方便使用普通工具，輕輕轉動偏心輪，就可以提供足夠的夾緊力。以φ48軸為例設計偏心輪結構如圖8所示。

夾爪的結構如圖9所示，端面采用距離為0.8 mm的鋸齒狀的夾持槽，這樣能增大夾持端面的正壓力；中間的長型槽與夾持部分的結構，可以保證夾爪夾持平鍵時形成一個自夾緊的角度。

1.3.3 有限元分析

首先完成零件的三維造型，然后進入到有限元分析模塊，對夾爪和偏心輪進行靜態的力學分析，以驗證夾爪和偏心輪結構設計的合理性。

1）夾爪的靜態分析。靜態分析主要是用來模擬模型結構的剛度和強度，根據約束和載荷條件計算模型的應力和應變，所以它的作用包括計算模擬模型上的變形、應力和應變，這樣就可以響應指定的載荷和約束。在夾爪端部設置一個垂直向上的力約束[5-11]，設置固定曲面和殼體對應曲面，最后進行有限元分析，應力分析云圖和最大變形云圖如圖10所示。從夾爪的靜態有限元分析的應力云圖可以看出，最大應力發生在其中部的槽和夾持端面。根據選擇的材料和安生系數校核夾爪的強度，使夾爪工作時處于一個比較安全的狀態。還可以在最大應力處進行倒圓角處理，這樣就避免應力過于集中在一個位置。

圖10 夾爪有限元分析

2）偏心輪的優化。按照同樣的步驟，對偏心輪做受力分析計算，其有限元分析云圖如圖11所示。從偏心輪靜態有限元分析的應力云圖可以看出，偏心輪的最大應力發生在偏心輪的內部。根據材料力學的計算公式，經過論證，發現偏心輪在受到靜態載荷作用時，應力值不但超出設計要求，還接近材料的最大屈服強度值，需要對其進行結構優化設計。

圖11 偏心輪有限元分析云圖

從最大應力和角度曲線可以知道，隨著角度的逐漸增大，最大應力也會隨之逐漸減小。根據這一結論，可以改變偏心輪的外緣曲槽輪廓的形狀，間接地改善偏心輪內部輪廓應力過于集中的問題，而不是直接改變偏心輪內部輪廓。這樣做的原因是，在施加預夾緊力時，需要轉動這2個槽，因為偏心距的原因，就會將平鍵夾持住，所以，這一處是施加力的位置，通過改變其輪廓曲度，可以間接地影響到偏心槽的受力狀態。通過使用Pro/E的優化分析模塊，共進行了9次迭代，最終形成了如圖12所示的優化后的模型。

圖12 偏心輪優化

2 研究結果

研制的平鍵起鍵器主要用于快速取出軸上不同規格的平鍵，并且不破壞相關零件的結構。通過實驗驗證可以快速取出軸上磨損的平鍵，

通過這次的平鍵起鍵器的研制，能夠將機械設計理論知識與機械加工實踐過程相結合，尤其是杠桿原理和偏心輪機構方面；而且還應用三維軟件的有限元對零件進行受力分析和結構優化。

[參 考 文 獻]

[1] 濮良貴,陳國定,吳立言.機械設計[M].北京：高等教育出版社,2013.

[2] 曹助家.平鍵聯接中鍵槽尺寸的選取[J].機械制造,1984(6)：19-20.

[3] 鐘賢棟.平鍵聯接的可靠性設計[J].裝備制造技術,2002(1)：5-7.

[4] 唐劍兵.機械基礎與結構設計[M].重慶：重慶大學出版社,2006.

[5] 詹友剛.Pro/ENGINEER工程圖教程[M].北京：機械工業出版社,2007.

[6] 張健,李林澤,起雪梅.基于Pro/E的弧面分度凸輪參數化設計及有限元分析[J].組合機床與自動化加工技術,2013(7)：41-43.

[7] 焦杰.淺析Pro/E軟件在機械的設計制造中的綜合性應用[J].山東工業技術,2015(2)：153.

[8] 張洪武.有限元分析與CAE技術基礎[M].北京：清華大學出版社,2004.

[9] 喬建軍,王保平,胡仁喜.Pro/Engineer Wildfire5.0動力學與有限元分析從入門到精通[M].北京：機械工業出版社,2010.

[10]趙金才,劉書桂.Pro/E零件模型幾何信息的自動提取[J].機床與液壓,2005(12)：118-120,142.

[11] 李劍.大型立磨機身立柱的有限元分析[D].重慶：重慶大學,2008.