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如何计算花键联轴器的刚度、定心力、磨损和疲劳失效

花键联轴器有多种类型。这些联轴器具有几个重要的特性，包括：刚度、渐开线花键、不对中性、磨损和疲劳失效。要了解这些特性与花键联轴器之间的关系，请阅读本文。本文将为您提供必要的知识，帮助您确定哪种类型的联轴器最适合您的需求。需要注意的是，花键联轴器通常呈球形，由钢制成。

渐开线花键

有效的侧向干涉条件可最大限度地减少齿轮不对中。当两个花键啮合且无不对中时，最大拉伸根应力会向左偏移 5 毫米。由于花键接触长度方向上的多个连接点造成的线性导程变化，会使有效间隙或干涉量增加一定百分比。这种不对中情况对于高速设备的啮合是不利的。
渐开线花键常用于齿轮箱。这类花键能够传递高扭矩，并能更好地将载荷分散到联轴器圆周上的多个齿上。渐开线轮廓和导程误差与花键齿和键槽之间的间距有关。在联轴器应用中，行业惯例是使用啮合齿数占25%至50%的花键。这种载荷分布比传统的单键联轴器更加均匀。
为了确定复杂花键联轴器的最佳齿啮合情况，薛祥珍及其同事利用计算机模型模拟了花键所受的应力。研究结果表明，联轴器中应使用“允许的”Ruiz参数。通过预测冠状花键的磨损量，研究人员可以准确预测联轴器部件在联轴器连接过程中将遭受的损伤程度。
确定渐开线花键最佳压力角的方法有多种。渐开线花键通常使用30度压力角进行测量。与齿轮类似，渐开线花键通常通过销钉测量法进行测试。该方法是将特定尺寸的金属丝插入齿轮齿间，并测量金属丝之间的距离。这种方法可以判断齿轮的齿廓是否符合要求。
图 1 所示的样条系统展示了一个振动模型。该仿真可以帮助用户理解渐开线样条在联轴器中的应用。振动模型包含四个集中质量块，分别代表原动机、内样条和负载。需要注意的是，啮合变形函数表示作用于这三个部件上的力。

耦合刚度

计算样条联轴器的刚度需要测量其齿啮合情况。下文将采用两种不同的方法分析具有不同类型齿的样条联轴器的刚度。直接反演和分块反演都能减少刚度计算的CPU时间，但它们都需要评估子矩阵。本文将讨论这两种方法之间的差异。
第二部分推导了样条联轴器的解析模型。第三部分详细解释了计算过程。随后，我们将该模型与有限元方法进行了对比验证。最后，我们讨论了刚度非线性对转子动力学的影响。最后，我们分析了各种方法的优缺点。我们提出了一种简单而有效的样条联轴器横向刚度估算方法。
样条联轴器的数值计算基于半解析样条载荷分布模型。该方法涉及精细的接触网格，并在每次迭代中更新柔度矩阵，因此计算时间较长。此外，该方法难以应用于转子的动力学分析。该方法存在一定的局限性，仅应在对样条联轴器进行全面研究后使用。
啮合力是指未对准的花键联轴器产生的力。它与花键厚度和转子的传递扭矩有关，也与动态振动位移有关。啮合力分析的结果如图7、图8和图9所示。
本文旨在分析错位花键联轴器的刚度。尽管以往研究结果较为准确，但仍存在一些问题。例如，花键错位可能导致接触损伤。本文旨在研究错位花键联轴器的相关问题，并提出一种用于估算花键连接中接触压力的解析方法。此外，我们还将本文结果与纯数值方法的结果进行了比较。

错位

为了确定定心力，必须知道有效压力角。利用有效压力角，基于最大轴向和径向载荷以及更新后的达德利不对中系数计算定心力。定心力是摩擦力能够传递的最大轴向力。计算中还包含了几个已发表的不对中系数。本文提出了一种考虑凸轮效应对法向力影响的新方法。
这种新方法可以将花键连接处的刚度积分，从而获得适用于扭转振动分析的整体刚度。此外，还可以计算给定不对中程度下的轴承刚度，从而精确估算轴承尺寸。建议始终检查轴承刚度，以确保其尺寸和对中正确。
花键联轴器的错位会导致磨损甚至失效。这是由于齿形轮廓未正确对齐造成的。由于齿在整个渐开线轮廓上都保持接触，因此这个问题常常被忽视。这导致载荷沿接触线分布不均匀。因此，必须考虑错位对花键联轴器齿接触力的影响。
图2中，阳花键的中心与阴花键的中心重合，啮合距离也相同。因此，啮合力曲线会随动态振动位移而变化。在实施花键联轴器之前，必须了解其参数。本文提出了花键联轴器的错位模型及其相关参数。
利用自制的花键联轴器试验台，研究了不对中对花键联轴器的影响。与典型的花键联轴器不同，不对中会导致花键联轴器齿面特定位置发生微动磨损。这是此类联轴器失效的主要原因。

磨损和疲劳失效

花键联轴器因磨损和疲劳而失效，取决于齿磨损和轴不对中首次出现的时间。标准设计方法并未考虑磨损损伤，对疲劳寿命的评估也存在较大误差。本文开展了实验研究，旨在评估花键联轴器的磨损和疲劳损伤。实验在专用试验台和连接至标准疲劳试验机的特殊装置上进行。通过改变扭矩、不对中角和轴向距离等工作参数，测量了疲劳损伤。此外，还评估了超尺寸效应。
在疲劳和磨损过程中，内外花键之间会发生机械滑动，最终导致灾难性失效。航空发动机花键联轴器磨损和疲劳方面的文献匮乏，可能是由于缺乏该联轴器的应用数据。花键的磨损和疲劳失效取决于多种因素，包括材料组合、几何形状和润滑条件。
对花键联轴器的分析表明，尺寸过大是一种常见现象，会导致系统出现各种损伤。主要损伤包括磨损、微动磨损、腐蚀和齿疲劳。在工业应用中也观察到了噪声问题。然而，评估花键联轴器的接触行为十分困难，数值模拟常常受到特定代码和边界元方法的限制。
花键齿轮联轴器的失效是由疲劳引起的，断裂始于键槽底部圆角处。键槽和花键的过载超过了其屈服强度，花键齿轮齿部出现了明显的屈服现象。非标合金钢的断裂环具有尖锐的圆角，这是一个显著的应力集中点。
为了确定其使用寿命，我们研究了几个部件，包括花键轴、密封螺栓和石墨环。每个部件都有其自身的设计参数。然而，这些部件的分布存在相似之处。花键联轴器的磨损和疲劳失效可归因于这三个因素的综合作用。失效模式通常被定义为应力和应变的非线性分布。

编辑者 czh 2023-02-15