【正文】 齒側(cè)配合。矩形花鍵需采用不同規(guī)格的滾刀，否則精度難以保證。 (7) 適用于多齒數(shù)或大直徑和盤式聯(lián)結(jié)。由于漸開線花鍵的設(shè)計(jì)和加工不受齒數(shù)限制，其 強(qiáng) 度主要 與 分度圓直徑有關(guān)，與模數(shù)大小關(guān)系不大（花鍵長(zhǎng)度相同、精度相同時(shí)）。對(duì)于結(jié)構(gòu)緊湊、大直徑、需要少去材料的花鍵聯(lián)結(jié)，可采用多齒數(shù)，小模數(shù)的漸開線花鍵聯(lián)結(jié)。同時(shí)，漸開線花鍵不上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） UG離合器齒轂 的 強(qiáng)度 設(shè)計(jì)分析 10 受直徑大小限制 ，其直徑小到幾毫米，大到幾百毫米。所以，漸開線花鍵聯(lián)結(jié)不僅適用于軸與孔的聯(lián)結(jié)，還適用與盤式聯(lián)結(jié)。如：行星傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)軸與盤，固定齒圈與安裝盤等聯(lián)結(jié)。矩形花鍵因受結(jié)構(gòu)、工藝方法、刀具和加工精度等限制，不具有上述特點(diǎn)。 (8) 精度高。漸開線花鍵加工一般采用齒輪加工機(jī)床（滾齒機(jī)、插齒機(jī)、磨齒機(jī)等）或?qū)Ｓ没ㄦI磨床，機(jī)床精度高。采用的滾齒刀齒形為直線，插齒刀或拉刀齒形為漸開線，容易獲得高精度。由于機(jī)床、刀具等精度高，所以加工的花鍵精度也較高。 (9) 檢驗(yàn)方便、精確，互換性好。漸開線花鍵的誤差有一定規(guī)律性，有些誤 差項(xiàng)目與齒輪誤差項(xiàng)目相同，加工時(shí)容易控制；檢驗(yàn)時(shí)可采用齒輪檢測(cè)設(shè)備或量具進(jìn)行質(zhì)量控制和分析（如齒形誤差 ff? 、齒距累積誤差 pF? 、齒向誤差 F?? ，以及 M 值、 W 值等，均與齒輪檢測(cè)方法相同），批量生產(chǎn)采用綜合通規(guī)檢驗(yàn)。精確的測(cè)量和檢驗(yàn)，可以保證花鍵的互換性要求。 (10) 刀具經(jīng)濟(jì) 1) 一把滾刀（或插刀），可以加工齒數(shù)不同（直徑不同）的外花鍵。而矩形花鍵齒數(shù)或直徑不同時(shí) ,滾刀不能通用（一種規(guī)格只配一種滾刀）。 2) 漸開線花鍵滾刀齒形為直線，制造容易。 3) 漸開線拉刀齒頂尖、齒根厚、強(qiáng)度高、剛性好、可制成 較 大的前角、后 角、刀刃鋒利、壽命長(zhǎng)。 由上述特點(diǎn)可見，漸開線花鍵聯(lián)結(jié)的承載能力比矩形花鍵聯(lián)結(jié)高，同時(shí)也具有自動(dòng)定心、結(jié)構(gòu)緊湊、適于盤式聯(lián)結(jié)等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，所以它幾乎應(yīng)用在各種同軸傳動(dòng)中，尤其適用于高速重載傳動(dòng)。例如： 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） UG離合器齒轂 的 強(qiáng)度 設(shè)計(jì)分析 11 (1) 5～ 10mm 的大模數(shù)花鍵，主要用于結(jié)構(gòu)尺寸不受限制的重載荷傳動(dòng)機(jī)構(gòu)上。如內(nèi)燃機(jī)車變速器主傳動(dòng)軸、工程機(jī)械和礦山機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等。 (2) 2～ 4mm 的中模數(shù)花鍵，主要用于結(jié)構(gòu)緊湊、傳遞較大的載荷和高速重載的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)上。如載重汽車的傳動(dòng)軸、半軸、變速器各檔傳動(dòng)軸；航空減速器傳動(dòng)軸、航空發(fā)動(dòng)機(jī)螺旋槳軸、直升機(jī) 旋翼軸等。 (3) ～ 的小模數(shù)花鍵，通常用在結(jié)構(gòu)緊湊、傳動(dòng)載荷不大的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)上。如轎車和微型汽車的變速器各檔軸、航空發(fā)動(dòng)機(jī)各附件傳動(dòng)軸、調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和鎖緊機(jī)構(gòu)等。 盡管漸開線花鍵聯(lián) 結(jié) 在眾多方面都優(yōu)于矩形花鍵，但是它也存在一些不足之處。例如： 在 不具備加工設(shè)備、專用刀具和檢測(cè)手段的情況下，修配困難；對(duì)于滑動(dòng)構(gòu)件，摩擦力較大；當(dāng)有較大徑向外力時(shí)，會(huì)影響定心精度。 花鍵常見的 失 效形式 花鍵常見的失效形式有鍵齒面壓潰、鍵齒面磨損、鍵齒面柔傷（冷作硬化）、鍵齒過(guò)載斷裂和疲勞斷裂等，這些 失效形式的主要特征、產(chǎn)生的主要原因及預(yù)防措施見表 。 表 花鍵常見的失效形式 失效形式 主要特征 主要原因 預(yù)防措施 鍵齒面 壓潰 鍵齒面及次表面材料出現(xiàn)明顯的金屬流動(dòng)；在齒頂、齒端出現(xiàn)飛邊；鍵齒面被壓陷；作用側(cè)隙增大 花鍵材料硬度偏低；接觸應(yīng)力過(guò)高；單項(xiàng)誤差（ F?p 、 f? 、 F?? ）偏大 提高齒面硬度，以增加抗塑性變形能力；提高花鍵的公差等級(jí)、壓縮單項(xiàng)公差（ F?p 、 f? 、F?? ），增加接觸面積，降低接觸應(yīng)力 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） UG離合器齒轂 的 強(qiáng)度 設(shè)計(jì)分析 12 續(xù)表 失效形式 主要特征 主要原因 預(yù)防 措施 鍵齒面 磨損 鍵齒面材料大量磨掉；齒厚明顯減?。ɑ螨X槽寬增大）；工作齒面與鍵齒面非工作部分交界處出現(xiàn)臺(tái)階；作用側(cè)隙增大 存在摩擦磨損或微動(dòng)磨損；有較大的振動(dòng)和沖擊載荷；潤(rùn)滑不良；潤(rùn)滑油有雜質(zhì)，產(chǎn)生磨粒磨損或有活性成分，產(chǎn)生腐蝕磨損；作用側(cè)隙增大 采用強(qiáng)制潤(rùn)滑；控制潤(rùn)滑油清潔度及活性成分；采用較小作用側(cè)隙；鍵齒面噴涂（鍍）相應(yīng)材料 鍵齒面柔傷（冷作硬化傷） 鍵齒 接觸 表面局部呈疲勞片狀剝落；有冷作硬化現(xiàn)象；常發(fā)生在齒端、齒根、齒頂或幾個(gè)鍵齒上 鍵齒表面局部應(yīng)力過(guò)大；齒面硬度低；受變動(dòng)載荷；花 鍵的單項(xiàng)誤差（ F?p 、f? 、 F?? ）偏大 提高齒面硬度；壓縮單項(xiàng)公差（ F?p 、 f? 、F?? ）；增加潤(rùn)滑；鍵齒面噴涂（鍍）相應(yīng)材料 鍵齒過(guò)載 斷裂 通常發(fā)生在鍵齒根部（斷齒、裂紋）；斷口有呈發(fā)射狀裂紋高速擴(kuò)展區(qū) ；斷口無(wú)貝殼紋疲勞線和明顯的宏觀塑性變形 鍵齒所受彎曲應(yīng)力過(guò)高；載荷嚴(yán)重集中，突然過(guò)載；單項(xiàng)誤差偏大（載荷偏向齒端、齒頂或集中在個(gè)別齒上）；材料缺陷 設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮 強(qiáng)度裕度 ；防止過(guò)載（采取安全設(shè)置）；縮小單項(xiàng)公差；控制材料與加工質(zhì)量（齒根探傷等） 鍵齒疲勞 斷裂 一般疲勞折斷的鍵齒斷口分三個(gè)區(qū)： 斷裂源區(qū)：時(shí)疲勞折斷的發(fā)源區(qū)， 是 貝殼疲勞線的焦點(diǎn)（出發(fā)點(diǎn)），位于齒根受拉側(cè)； 疲勞擴(kuò)展區(qū)：有由焦點(diǎn)向外擴(kuò)展的疲勞線（或放射狀臺(tái)階）； 瞬斷區(qū)：類似過(guò)載斷裂的斷口 齒根受交變應(yīng)力過(guò)大，花鍵強(qiáng)度裕度小；材料 或熱處理等因素（如材料缺陷、熱處理齒根 有 裂紋）； 齒根最小曲率半徑小，應(yīng)力集中大 選擇較好材料；控制材料和熱處理質(zhì)量（齒根探傷）；采用圓齒根花鍵，減小應(yīng)力集中 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） UG離合器齒轂 的 強(qiáng)度 設(shè)計(jì)分析 13 漸開線花鍵齒受載分析 漸開線花鍵齒受載分為以下四種情況： (1) 無(wú)載荷 由于花鍵副是互相聯(lián)結(jié)的同軸偶件，所以對(duì)于無(wú)誤差的漸開線花鍵聯(lián)結(jié)，在其無(wú)載荷狀態(tài)時(shí)（不計(jì)自 重，下同），內(nèi)、外花鍵各齒的中心線（或?qū)ΨQ面）是重合的。鍵齒兩側(cè)間隙 相等， 均為 作用側(cè)隙值 Cv 之半，見 圖。 圖 無(wú)載荷有間隙的漸開線花鍵聯(lián)結(jié)的理論 位置 (2) 受純轉(zhuǎn)矩載荷 對(duì) 無(wú) 誤差的漸開線花鍵聯(lián)結(jié)，在其只傳遞轉(zhuǎn)矩 T 而無(wú)壓軸力 F 時(shí)，同側(cè)的各齒面載轉(zhuǎn)矩的作用下，彼此接觸、作用側(cè)隙相等，內(nèi)外花鍵的兩軸線仍是同軸的，見圖 所有鍵齒傳遞轉(zhuǎn)矩，承受同樣大小的載荷，見圖。 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） UG離合器齒轂 的 強(qiáng)度 設(shè)計(jì)分析 14 圖 只承受轉(zhuǎn)矩 T無(wú)壓軸力 F時(shí)內(nèi)花鍵與外花鍵的位置 圖 只傳遞轉(zhuǎn)矩 T 無(wú)壓軸力 F時(shí)的載荷分配 (3) 受純壓軸力載荷 對(duì)無(wú)誤差的漸開線花鍵聯(lián)結(jié)，在只承受壓軸力 F 不受轉(zhuǎn)矩 T 時(shí)，內(nèi)外花鍵的兩軸線出現(xiàn)一個(gè)相對(duì)位移量 0e (見圖 )。當(dāng)花鍵副回轉(zhuǎn)時(shí)，各鍵齒兩側(cè)面所受載荷的大小按圖 周期性變化。此時(shí)，花鍵副容易磨損。 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） UG離合器齒轂 的 強(qiáng)度 設(shè)計(jì)分析 15 圖 只承受壓軸力 F而無(wú)轉(zhuǎn)矩 T時(shí)的內(nèi)花鍵與外花鍵的位置 圖 只承受壓軸力 F而無(wú)轉(zhuǎn)矩 T時(shí)的載荷分配 (4) 受轉(zhuǎn)矩和壓軸力兩種載荷 對(duì)無(wú)誤差的漸開線花鍵聯(lián)結(jié)，在其承受轉(zhuǎn)矩 T和壓軸力 F兩種載荷時(shí)，內(nèi)、外花鍵的相對(duì)位置和各鍵齒所受載荷的大小和方向，決定于所受轉(zhuǎn)矩T 和壓軸力 F 的大小及兩者的比例。 當(dāng)花鍵副所受的載荷主要是轉(zhuǎn)矩 T，壓軸力 F 是次要的或很小 時(shí)，該花鍵副回轉(zhuǎn)后，各鍵齒的位置近似圖 ；各鍵齒的兩側(cè)面的受力狀態(tài)發(fā)上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） UG離合器齒轂 的 強(qiáng)度 設(shè)計(jì)分析 16 生周期性變化，見圖 。 圖 同時(shí)承受轉(zhuǎn)矩 T和壓軸力 F，轉(zhuǎn)矩 T 占優(yōu)勢(shì)時(shí)的載荷分配 當(dāng)花鍵副所受的載荷主要是壓軸力 F，轉(zhuǎn)矩 T 是次要的或很小時(shí)，該花鍵副回轉(zhuǎn)后，各鍵齒的位置近似圖 ，各鍵齒兩側(cè)受力狀態(tài)發(fā)生周期性變化，見圖 。在這種情況下，花鍵副也容易磨損。 圖 同時(shí)承受壓軸力 F和轉(zhuǎn)矩 T，而壓軸力占優(yōu)勢(shì)時(shí)的載荷分配 對(duì)于有誤差的漸開線花鍵副，在轉(zhuǎn)矩 T 和壓軸力 F 同時(shí)作用下，其載上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） UG離合器齒轂 的 強(qiáng)度 設(shè)計(jì)分析 17 荷分配見圖 ，偏心狀態(tài) 見圖 。 圖 在轉(zhuǎn)矩 T和壓軸力 F 的作用下，齒數(shù)為 46 的漸開線花鍵 副 的載荷分配 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） UG離合器齒轂 的 強(qiáng)度 設(shè)計(jì)分析 18 圖 間隙配合、齒數(shù)為 46 的漸開線花鍵副 在轉(zhuǎn)矩 T和壓軸力 F作用下的偏心狀態(tài) 提高花鍵承載能力的措施 提高花鍵承載能力，對(duì)傳遞重載荷的花鍵，尤其是高速重載的花鍵，非常必要。對(duì)于矩形花鍵，在有些傳動(dòng)中也很必要。以下是針對(duì)花鍵失效原因，通過(guò)生產(chǎn)和使用實(shí)踐總結(jié)出的提高花鍵承載能力的有效措施。 (1) 采用硬齒面花鍵，齒面硬度應(yīng)為 50～ 64HRC。 (2) 在內(nèi)花鍵（或外花 鍵）齒面噴涂，鍍中介材料 。 (3) 采用強(qiáng)制潤(rùn)滑（噴射壓力注滑油）。一是用流動(dòng)的潤(rùn)滑油帶走摩擦產(chǎn)生的熱量；二是沖走磨下的金屬末，防止產(chǎn)生或減小磨料磨損；同時(shí)上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） UG離合器齒轂 的 強(qiáng)度 設(shè)計(jì)分析 19 也有減小摩擦力的潤(rùn)滑作用。 (4) 采用較高精度的花鍵（如公差等級(jí)為 4 級(jí)或 5 級(jí)）或提出單項(xiàng)公差（ F?p 、 f? 、 F?? ）要求。 (5) 采用較大模數(shù)的花鍵，防止因齒厚磨薄而斷齒。 (6) 須用較好的材料、圓齒根花 鍵，提高強(qiáng)度裕度。 (7) 鍵齒表面采用磨削加工，提高表面粗糙度質(zhì)量和花鍵精度。 (8) 采用較小的側(cè)隙或過(guò)盈配合的花鍵副，限制摩擦磨損。 (9) 采取必要的安全措 施 （ 如：用保險(xiǎn)軸限制轉(zhuǎn)矩 ） ，防止過(guò)載。 （ 10） 嚴(yán)格控制技工質(zhì)量，尤其對(duì)重要花鍵應(yīng)逐件進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，防止熱處理裂紋、磨削裂紋或燒傷，以及材料缺陷。 2 有限元分析基礎(chǔ) 有限單元法簡(jiǎn)介 [7] 在工程技術(shù)領(lǐng)域中有許多的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，包括復(fù)雜的幾何形狀、復(fù)雜的載荷作用和復(fù)雜的支承約束等。當(dāng)對(duì)這些復(fù)雜問(wèn)題進(jìn)行靜、動(dòng)態(tài)力學(xué)性能分析時(shí)，往往難以 用解析方法寫出其基本方程，同時(shí)也難以確定出它們的邊界條件，更求不出解析值。對(duì)于這類工程實(shí)際問(wèn)題，通常有兩種分析和研究途徑：一是對(duì)復(fù)雜問(wèn)題進(jìn)行簡(jiǎn)化，提出種種假設(shè)，最終簡(jiǎn)化為一個(gè)能夠求解的問(wèn)題。這種方法由于太多的假設(shè)和簡(jiǎn)化，將導(dǎo)致求解不準(zhǔn)確乃至得出錯(cuò)誤的答案。另一種方法是盡可能保留問(wèn)題的各種實(shí)際工況，尋求近似的數(shù)值解。在計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)值計(jì)算方法飛速發(fā)展的今天，這已經(jīng)成為較為現(xiàn)實(shí)而又非常有效的選擇。在眾多的近似分析方法中，有限元法是最上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） UG離合器齒轂 的 強(qiáng)度 設(shè)計(jì)分析 20 為成功和運(yùn)用最廣的方法。 有限元法的基本思想是“離散化”，思路來(lái)源于結(jié)構(gòu)矩陣分析 ，將連續(xù)體視作有限個(gè)基本單元的集合體，相鄰的單元僅在節(jié)點(diǎn)處相連，節(jié)點(diǎn)的位移分量作為結(jié)構(gòu)的基本未知量。這樣，只要對(duì)構(gòu)成分析對(duì)象的節(jié)點(diǎn)位移求解，就可以求得單元的變形和應(yīng)力，而不必對(duì)彈性體的無(wú)限域求解。在工程技術(shù)領(lǐng)域中，所研究的彈性連續(xù)體在載荷和其它因素下所產(chǎn)生的應(yīng)力、應(yīng)變和位移都是變形量的函數(shù)，如果把彈性連續(xù)體看作由無(wú)限多個(gè)微元體組成，那么這就變成一個(gè)具有無(wú)限多個(gè)自由度的問(wèn)題了。通過(guò)有限元法將無(wú)限多個(gè)自由度的連續(xù)系統(tǒng)問(wèn)題簡(jiǎn)化為有限多個(gè)自由度的離散系統(tǒng)的問(wèn)題。在此基礎(chǔ)上，選擇位移模式，通過(guò)力學(xué)原理，如虛功原理、變 分原理等，確定單元節(jié)點(diǎn)作用力與節(jié)點(diǎn)位移之間的關(guān)系，將所有單元按照節(jié)點(diǎn)位移連續(xù)和節(jié)點(diǎn)作用力平衡的原理進(jìn)行集總，得到整個(gè)系統(tǒng)的平衡方程組，引入邊界條件和約束后，就可以求解系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)位移，隨即完成對(duì)系統(tǒng)總的求解問(wèn)題。在同一有限元計(jì)算模型中，盡量避免出現(xiàn)剛度過(guò)分懸殊的單元，包括剛度很大的邊界元、相鄰單元相差很大等；同時(shí)采用較密的網(wǎng)格劃分和較好的單元形態(tài)進(jìn)行計(jì)算，從而減小離散帶來(lái)的誤差。 有限元計(jì)算方法的優(yōu)越性 [11] (1) 在固體力學(xué)及其他連續(xù)體力學(xué)中，只有一些特殊的位移場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)才能求得微分方程的解，對(duì) 于多數(shù)復(fù)雜的實(shí)際結(jié)構(gòu)得不到解，而有限元法對(duì)于完成這些復(fù)雜結(jié)構(gòu)的分析是一種十分有效的方法。 (2) 有限元法引入邊界條件的方法簡(jiǎn)單。邊界條件不需要進(jìn)入單個(gè)有限元的方程，而是求得整個(gè)集合體的代數(shù)方程再引入，所以對(duì)內(nèi)部和邊界上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） UG離合器齒轂 的 強(qiáng)度 設(shè)計(jì)分析 21 上的單元都能采用相同的場(chǎng)變量 （ 位移函數(shù) ） ，而且當(dāng)邊界條件改變時(shí)，場(chǎng)變量函數(shù)不需要改變。這對(duì)編制通用的有限元程序帶來(lái)了莫大的簡(jiǎn)化。