1、1 关于传动花键和平键的外形设计 Daniel Z.Li 摘要 ： 花键和平键是安装在轴和键槽间的传输动力的机械零件。花键 (或键 )通常安装在动力传动副中的轴上，在轴上开有相应的键槽。本文分析了槽轴外形对动力传输的影响。本文陈述了三种不同设计类型的花键的外形设计。用微分的方法来计多算外形函数的最大值，可以成功地得到所要的数据。计算表明花键以及断开线外形引起键槽的变形。此外，他们能承载最大的传动载荷。另外，辐形平直的外形能提高传动的效率。我们认为该发现值得报道，该种方法同时也可用于其他花键的设计。 1 介绍 键是安装在轴和 键槽等动力传动装置如齿轮和扣练齿轮之间的零件。花键 发挥着和键一样的作
2、用，将力矩从轴传到配合零件上。花键和平键的主要区别是花键和平键连为一体的，而键是安装在键槽上的。与一个或两个用来传动动力的键相比，在轴上一般有四个或更多的花键。因此，传输的力矩更恒定，每个花键上的所受的载荷较低。在传输力矩中，花键发挥着重要的作用，花键的外形对动力传输的影响很大。与共轭外形不同，带有花键和键槽的轴有同样的转动轴，他们之间没有相对运动，是紧密配合的。他们联结在一起，有着相同的角速度。因此 ,它表明除轴外形之外的任何外形都可以用做 花键的设计。然而，实际上花键和键槽间的载荷并不是分布在整个接触表面的。载荷通常集中在接触表面的某小一部分和可变形的 键表面。当循环工作较久时，这就会引起
3、轴和键槽之间不希望得到的空隙，并引起键槽表面的损坏。为了解决这些问题，需要更进一步分析花键的外形是怎样影响力矩传输的，以便做出合适的花键外形设计。 目前使用中主要有两种 花键，分别为直线边花键和 渐进线 花键。 渐进线 花键具有自动调心的配合零件，可以用标准 平头钉切削器切除齿轮的齿。目前，相关的研究都着重于共轭外形齿轮的设计以及弯曲外形的设计，以来减少配合表面的磨损。然 而，由于不同的工作状况，它们都不能直接应用于 花键的外形。在本论文中，建立了花键外形的基本公式，在不同设计对象中用来分析所要求的外形。 三个设计对象，恒定变形，传输最大力矩和最佳传动效率，这三项被用来计算花键外形。成功地得到
4、了分析方法。 2 陈述问题并提出基本假设 2 如图 1所示，轴传动轮毂同时花键固定在轴上。设计要求决定了轴半径、花键高度、花键齿数，因此不能改动。只能通过改变花键的轮廓来提高传动性能。为简化设计问题以便于分析，做出以下几点假设： （ 1） 花键是刚体 相对轮毂，花键由刚性材料制成并假设它在承受负载 后无变形。 （ 2） 轮毂属弹性变形 轮毂表面变形在弹性变形范围内时，表面压力与变形量成正比。 （ 3） 花键无轴向变形 通常花键的齿高相对于齿宽尺寸小很多。因此，我们假设键端无积累变形，只有轮毂面有变形。 （ 4） 花键与轮毂接触处无间隙（面接触） 花键形状与轮毂形状不考虑制造误差完全一致。它们属
5、于面接触没有间隙。 图 1 花键 3 花键变形跟轮毂变形一致 设计的第一目标是使轮毂表面变形一致，那就要求轮毂上的压力均布。这样能保证表面承受的压力均匀分布，以避免一些危险点损坏材料。如图 2， 0r 表示轴半径， 表3 示花键的小旋转角。因为我们假定花键为刚体，所以花键任两点之间的变化就是轮毂的变形。花键联接按照键的横截面开头分为矩形花键联接和渐开线花键联接。 图 2 花键小旋转角 4 危险截面确定简单 传统设计方法考虑的前提是把 影响零件工作状态 的设计变量，如应力、强度、安全系数、载荷、环境因素、材料性能、零件尺寸和结构因素等，都处理成确定的单值变量。描述零件状态的数学模型，即变量与变量的关 系，是通过确定性的函数进行单值变换获得危险截面。 常用的危险截面的确定方法有以下几种： 4 1 花键的最小直径法 花键危险截面的可靠度非常高 (几乎为 100 )，这是由于花键的直径是按传统的设计经验确定的。若要求适当的可靠度值，则花键的直径可选用较小的值。 4 2 可靠性安全系数法 采用可靠性安全系数法设计时，必须知道应力和强度的分布类型与分布参数估计值。而可靠性数据的积累又是一项长期的工作，因而我们必须利用现有的数据资料，运用有关定理与法则 (如中心极限定理和“ 3 法则”等 )，来确定设计过程中所涉及的许多 随机变量的分布类型与分布参数。在可靠性安全系数计算 中，是把所涉及的
