单位文秘网 2021-07-04 00:59:59 点击: 次
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摘 要:文章针对典型渐开线花键的联接形式,对渐开线花键联接磨损失效机理进行研究,针对花键联接磨损机理,提出防止渐开线花键磨损的措施,为渐开线花键的设计及失效分析提供参考。
关键词:花键联接;磨损机理;耐磨性;措施
1 概述
近年来,齿轮磨损逐渐成为困扰机构使用效率和寿命的重要原因,文章针对典型渐开线花键的联接形式,对渐开线花键联接磨损失效机理进行研究,针对花键联接磨损机理,提出防止渐开线花键磨损的措施,为电机渐开线花键的设计及失效分析提供参考。
2 渐开线花键联接的工作特点
渐开线花键联接的工作特点主要取决于齿圈的同轴度。当两齿圈的轴线重合时,齿的圆柱渐开线表面是等距的,因为它们是在同一基圆上形成的。这样,扭矩作用时,所有工作齿形点都进入接触,而与齿之间的初始间隙无关。非工作齿形间的所有点,都具有同样的法向间隙jn。
两个齿圈轴线如果平行偏移一个值Δα,花键联接的工作特性和齿的接触状况就要发生剧烈的变化。这种情况下,只有坐标角φt处在等于渐开线展成角的那些齿形点,才进入接触。其余齿形点将产生间隙,其值为:
jni=Δα[1-cos(φl-θ)] (1)
当轴线径向偏移时,花键联接就变为α=90°、齿数差等于零的一种特殊内啮合齿轮传动,其传动比i=1.0,啮合线切于二者的基圆,一对或两对齿相接触。这种传动与一般齿轮传动的典型差别在于,齿形上所有点上齿的滑动速度υB都相同,并且υB=Δαω。
弹性花键轴联接中最常见的现象是存在角向偏移,即轴线歪斜(γ)。齿的滑动速度可由下述矢量关系求出:
如果认为,轴线歪斜时,工作的联接传动比i12≈cosγ≈1,则齿的滑动速度的投影具有如下形式:
式中:
式中:Dm-花键联接件的平均直径,对渐开线花键取分度圆直径;n-花键轴转速;Δ-花键联接件旋转轴线的偏斜角度(rad)。
3 渐开线花键联接磨损特性
3.1 损伤形貌
花键联接的寿命和承载能力受到两个根本不同的过程的影响:一方面齿的磨损以及由此伴随而来的出现在配合区域的间隙和偏心度扩大;另一方面受切口的影响,动载荷会引起疲劳断裂。典型的磨损形貌如图3所示。在实际应用中,侧面定心的花键大多数损伤可归诸于磨损,有时磨损造成齿根应力集中增大,从而成为导致疲劳损坏的主要原因。
由于内外花键不同轴而产生的齿的磨损沿齿高和齿长都是不均匀的。当被联接件花键有径向偏移时,在工作初期,仅在外花键工作面的上齿面及内花键的下齿面产生磨损,继续工作时,逐渐地发展到整个齿进入全部深度。此时,由于“齿缘效应”仅在齿缘部分出现纵向的不均匀磨损。
如果被联接零件的花键采用整体热处理或齿面进行化学热处理,那么在偏斜状态工作的花键,由于齿的磨损,工作一段时间后,两个零件齿的纵向宏观形状呈对称的鼓形。
当花键上同时存在径向位移和偏斜时,在工作初期,在花键齿缘上出现磨损,同时在外花键齿的顶部和内花键齿根部出现磨损,接触区逐渐扩展到齿的全长和整个齿高。在工作初期,齿的磨损速度最大,随着实际接触面积的增加,齿的磨损速度逐渐降低,当齿的接触面积达到可能达到的最大值时,齿的磨损速度就随着齿的硬度沿深度方向的降低而逐渐增大。
3.2 磨损机理
花键联接的磨损,是由于两接触表面反复摩擦,接触的微体积受到多次循环载荷因疲劳而产生微粒脱落,摩擦学中称该磨损为疲劳磨损。花键磨损原则上分为三个阶段:磨合阶段、稳定磨损阶段、剧烈磨损阶段。
4 提高花键联接耐磨性的措施
为防止渐开线花键磨损失效,除需按上述要求计算渐开线花键的强度和寿命,在设计时还应采取措施减少磨损,总结电机产品发生的渐开线花键联接失效案例,并结合渐开线花键的磨损原理,认为在设计上应采取以下措施。
4.1 控制内外花键联接的偏角
内外花键联接存在偏角会减少同时承载的齿数,增加接触应力,同时还会导致花键齿对之间产生滑动摩擦,因此,在设计时应尽量减小装配误差,保证内外花键联接的同轴度。
4.2 改善润滑
试验表明,将润滑剂注入接触区会使摩擦系数降低1/2~1/3,同时摩损将减少到1/10甚至1/100。
如果以提高寿命为目标,那么从本质上来说,油脂润滑起不到积极的作用,图6表示了不同润滑条件对花键磨损寿命的影响,在中等转矩的范围内由于润滑材料粘住了磨损微粒,这些磨损微粒又正好起到了金刚砂的作用,所以它会使寿命缩短,只有采用油润滑才能起到显著的改善效果,因为除了摩擦特性以外,润滑油可以冲去磨损产生的微粒是特别重要的,因此,活动花键联接需要进行喷射润滑,滑油供给方式见图7。
4.3 齿面硬化
渐开线花键齿面硬化可以起到改善其磨损特性的作用,但是由于淬火变形,它对载荷分配会起到不利的影响,所以对硬化联接需进行精加工,对于由于结构限制无法进行精加工的花键,建议表面进行渗氮,目前一些机型中尺寸较小无法磨削的花键表面要求渗碳,是不合理的,在工作过程中极有可能因载荷分配不均匀导致花键早期磨损失效。
4.4 增加齿数
在花键弯曲疲劳强度满足要求的情况下,尽量增加齿数、减小模数,这样可以增加承载齿数、减小齿面接触应力、减少磨损。某产品传动轴花键设计中得到了充分的体现,该产品花键采用了32/64径节制的花键(相当于模数为0.8mm),相同分度圆直径情况下,相比采用模数是2mm的花键的耐磨损能力大大提高。
4.5 表面增加镀覆层
目前,常用花键表面镀铜的方式来减改善耐磨性。国外已研制出一种减磨性好的特殊尼龙覆盖层,使用这种减磨覆盖层可使振动受到阻尼,使工作面上载荷更加均匀,因而降低花键联接的工作应力,改善了磨损情况。
4.6 合理选择齿侧间隙
活动式花键联接在工作时,允许一个零件相对于另一个零件有一定的角向和轴向位移,此时花键联接需要一定的齿侧间隙,以便在所要求的角向位移内花键端部不卡住。
如图8所示,某电机产品在试验时出现传动齿轮花键副发生严重磨损,原因为内外花键存在较大不同轴、工作时花键端部卡死导致,将该花键副的齿侧配合间隙由(0.082~0.176)mm更改为(0.12~0.24)mm后,该故障得到有效解决。
4.7 齿长修形
在保证连接工作能力的条件下,花键长度应该尽可能的取最小值,花键长度过长会由于齿向误差而使载荷沿着齿长分布的不均匀程度增大。实际上不采用比值l/d>1.2的花联接。
在某些情况下,当花键长度足够长时,为了改善载荷沿着齿长分布的均匀性,根据在扭矩作用下,轴的扭转情况,可以在其中一个共轭零件上,沿花键齿长方向预先形成一定偏差,即齿长修形,常用的是鼓形齿修形。
5 结束语
文章总结了渐开线花键联接的工作特点,通过对典型磨损机理分析,得出渐开线花键联接耐磨损强度条件、引起破坏的循环次数及花键工作寿命。针对影响花键联接磨损的重要因素,提出提高渐开线花键耐磨性的措施,为渐开线花键的设计及失效分析提供参考。
参考文献
[1]陈其泰.花键轴联接应力和磨损特性[Z].
[2]GB/T 17855-1999.花键承载能力计算方法[S].1999.
[3]减速器设计手册[S].
[4]DIN 5466-1-2000.花键联接载荷能力计算[S].
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