【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計和加工不受齒數(shù)限制，其 強 度主要 與 分度圓直徑有關(guān)，與模數(shù)大小關(guān)系不大（花鍵長度相同、精度相同時）。對于結(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，漸開線花鍵不上海工程技術(shù)大學畢業(yè)設計 （論文） UG離合器齒轂 的 強度 設計分析 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：行星傳動機構(gòu)的傳動軸與盤，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。 (8) 精度高。漸開線花鍵加工一般采用齒輪加工機床（滾齒機、插齒機、磨齒機等）或?qū)Ｓ没ㄦI磨床，機床精度高。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。由于機床、刀具等精度高，所以加工的花鍵精度也較高。 (9) 檢驗方便、精確，互換性好。漸開線花鍵的誤差有一定規(guī)律性，有些誤 差項目與齒輪誤差項目相同，加工時容易控制；檢驗時可采用齒輪檢測設備或量具進行質(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，均與齒輪檢測方法相同），批量生產(chǎn)采用綜合通規(guī)檢驗。精確的測量和檢驗，可以保證花鍵的互換性要求。 (10) 刀具經(jīng)濟 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 ,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、強度高、剛性好、可制成 較 大的前角、后 角、刀刃鋒利、壽命長。 由上述特點可見，漸開線花鍵聯(lián)結(jié)的承載能力比矩形花鍵聯(lián)結(jié)高，同時也具有自動定心、結(jié)構(gòu)緊湊、適于盤式聯(lián)結(jié)等獨特優(yōu)點，所以它幾乎應用在各種同軸傳動中，尤其適用于高速重載傳動。例如： 上海工程技術(shù)大學畢業(yè)設計 （論文） UG離合器齒轂 的 強度 設計分析 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機構(gòu)上。如內(nèi)燃機車變速器主傳動軸、工程機械和礦山機械傳動機構(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機構(gòu)上。如載重汽車的傳動軸、半軸、變速器各檔傳動軸；航空減速器傳動軸、航空發(fā)動機螺旋槳軸、直升機 旋翼軸等。 (3) ～ 的小模數(shù)花鍵，通常用在結(jié)構(gòu)緊湊、傳動載荷不大的傳動機構(gòu)上。如轎車和微型汽車的變速器各檔軸、航空發(fā)動機各附件傳動軸、調(diào)節(jié)機構(gòu)和鎖緊機構(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 不具備加工設備、專用刀具和檢測手段的情況下，修配困難；對于滑動構(gòu)件，摩擦力較大；當有較大徑向外力時，會影響定心精度。 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；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；接觸應力過高；單項誤差（ 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、壓縮單項公差（ F?p 、 f? 、F?? ），增加接觸面積，降低接觸應力 上海工程技術(shù)大學畢業(yè)設計 （論文） UG離合器齒轂 的 強度 設計分析 12 續(xù)表 失效形式 主要特征 主要原因 預防 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)臺階；作用側(cè)隙增大 存在摩擦磨損或微動磨損；有較大的振動和沖擊載荷；潤滑不良；潤滑油有雜質(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 采用強制潤滑；控制潤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、齒頂或幾個鍵齒上 鍵齒表面局部應力過大；齒面硬度低；受變動載荷；花 鍵的單項誤差（ F?p 、f? 、 F?? ）偏大 提高齒面硬度；壓縮單項公差（ F?p 、 f? 、F?? ）；增加潤滑；鍵齒面噴涂（鍍）相應材料 鍵齒過載 斷裂 通常發(fā)生在鍵齒根部（斷齒、裂紋）；斷口有呈發(fā)射狀裂紋高速擴展區(qū) ；斷口無貝殼紋疲勞線和明顯的宏觀塑性變形 鍵齒所受彎曲應力過高；載荷嚴重集中，突然過載；單項誤差偏大（載荷偏向齒端、齒頂或集中在個別齒上）；材料缺陷 設計時充分考慮 強度裕度 ；防止過載（采取安全設置）；縮小單項公差；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區(qū)： 斷裂源區(qū)：時疲勞折斷的發(fā)源區(qū)， 是 貝殼疲勞線的焦點（出發(fā)點），位于齒根受拉側(cè)； 疲勞擴展區(qū)：有由焦點向外擴展的疲勞線（或放射狀臺階）； 瞬斷區(qū)：類似過載斷裂的斷口 齒根受交變應力過大，花鍵強度裕度?。徊牧?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，減小應力集中 上海工程技術(shù)大學畢業(yè)設計 （論文） UG離合器齒轂 的 強度 設計分析 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) 無載荷 由于花鍵副是互相聯(lián)結(jié)的同軸偶件，所以對于無誤差的漸開線花鍵聯(lián)結(jié)，在其無載荷狀態(tài)時（不計自 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 無 誤差的漸開線花鍵聯(lián)結(jié)，在其只傳遞轉(zhuǎn)矩 T 而無壓軸力 F 時，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)大學畢業(yè)設計 （論文） UG離合器齒轂 的 強度 設計分析 14 圖 只承受轉(zhuǎn)矩 T無壓軸力 F時內(nèi)花鍵與外花鍵的位置 圖 只傳遞轉(zhuǎn)矩 T 無壓軸力 F時的載荷分配 (3) 受純壓軸力載荷 對無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，內(nèi)外花鍵的兩軸線出現(xiàn)一個相對位移量 0e (見圖 )。當花鍵副回轉(zhuǎn)時，各鍵齒兩側(cè)面所受載荷的大小按圖 周期性變化。此時，花鍵副容易磨損。 上海工程技術(shù)大學畢業(yè)設計 （論文） UG離合器齒轂 的 強度 設計分析 15 圖 只承受壓軸力 F而無轉(zhuǎn)矩 T時的內(nèi)花鍵與外花鍵的位置 圖 只承受壓軸力 F而無轉(zhuǎn)矩 T時的載荷分配 (4) 受轉(zhuǎn)矩和壓軸力兩種載荷 對無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，內(nèi)、外花鍵的相對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，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)大學畢業(yè)設計 （論文） UG離合器齒轂 的 強度 設計分析 16 生周期性變化，見圖 。 圖 同時承受轉(zhuǎn)矩 T和壓軸力 F，轉(zhuǎn)矩 T 占優(yōu)勢時的載荷分配 當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，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 同時承受壓軸力 F和轉(zhuǎn)矩 T，而壓軸力占優(yōu)勢時的載荷分配 對于有誤差的漸開線花鍵副，在轉(zhuǎn)矩 T 和壓軸力 F 同時作用下，其載上海工程技術(shù)大學畢業(yè)設計 （論文） UG離合器齒轂 的 強度 設計分析 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)大學畢業(yè)設計 （論文） UG離合器齒轂 的 強度 設計分析 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，對傳遞重載荷的花鍵，尤其是高速重載的花鍵，非常必要。對于矩形花鍵，在有些傳動中也很必要。以下是針對花鍵失效原因，通過生產(chǎn)和使用實踐總結(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) 采用強制潤滑（噴射壓力注滑油）。一是用流動的潤滑油帶走摩擦產(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；同時上海工程技術(shù)大學畢業(yè)設計 （論文） UG離合器齒轂 的 強度 設計分析 19 也有減小摩擦力的潤滑作用。 (4) 采用較高精度的花鍵（如公差等級為 4 級或 5 級）或提出單項公差（ 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：用保險軸限制轉(zhuǎn)矩 ） ，防止過載。 （ 10） 嚴格控制技工質(zhì)量，尤其對重要花鍵應逐件進行無損檢測，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 有限單元法簡介 [7] 在工程技術(shù)領(lǐng)域中有許多的復雜結(jié)構(gòu)，包括復雜的幾何形狀、復雜的載荷作用和復雜的支承約束等。當對這些復雜問題進行靜、動態(tài)力學性能分析時，往往難以 用解析方法寫出其基本方程，同時也難以確定出它們的邊界條件，更求不出解析值。對于這類工程實際問題，通常有兩種分析和研究途徑：一是對復雜問題進行簡化，提出種種假設，最終簡化為一個能夠求解的問題。這種方法由于太多的假設和簡化，將導致求解不準確乃至得出錯誤的答案。另一種方法是盡可能保留問題的各種實際工況，尋求近似的數(shù)值解。在計算機技術(shù)和數(shù)值計算方法飛速發(fā)展的今天，這已經(jīng)成為較為現(xiàn)實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)大學畢業(yè)設計 （論文） UG離合器齒轂 的 強度 設計分析 20 為成功和運用最廣的方法。 有限元法的基本思想是“離散化”，思路來源于結(jié)構(gòu)矩陣分析 ，將連續(xù)體視作有限個基本單元的集合體，相鄰的單元僅在節(jié)點處相連，節(jié)點的位移分量作為結(jié)構(gòu)的基本未知量。這樣，只要對構(gòu)成分析對象的節(jié)點位移求解，就可以求得單元的變形和應力，而不必對彈性體的無限域求解。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)生的應力、應變和位移都是變形量的函數(shù)，如果把彈性連續(xù)體看作由無限多個微元體組成，那么這就變成一個具有無限多個自由度的問題了。通過有限元法將無限多個自由度的連續(xù)系統(tǒng)問題簡化為有限多個自由度的離散系統(tǒng)的問題。在此基礎上，選擇位移模式，通過力學原理，如虛功原理、變 分原理等，確定單元節(jié)點作用力與節(jié)點位移之間的關(guān)系，將所有單元按照節(jié)點位移連續(xù)和節(jié)點作用力平衡的原理進行集總，得到整個系統(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)點位移，隨即完成對系統(tǒng)總的求解問題。在同一有限元計算模型中，盡量避免出現(xiàn)剛度過分懸殊的單元，包括剛度很大的邊界元、相鄰單元相差很大等；同時采用較密的網(wǎng)格劃分和較好的單元形態(tài)進行計算，從而減小離散帶來的誤差。 有限元計算方法的優(yōu)越性 [11] (1) 在固體力學及其他連續(xù)體力學中，只有一些特殊的位移場和應力場才能求得微分方程的解，對 于多數(shù)復雜的實際結(jié)構(gòu)得不到解，而有限元法對于完成這些復雜結(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單。邊界條件不需要進入單個有限元的方程，而是求得整個集合體的代數(shù)方程再引入，所以對內(nèi)部和邊界上海工程技術(shù)大學畢業(yè)設計 （論文） UG離合器齒轂 的 強度 設計分析 21 上的單元都能采用相同的場變量 （ 位移函數(shù) ） ，而且當邊界條件改變時，場變量函數(shù)不需要改變。這對編制通用的有限元程序帶來了莫大的簡化。