浅谈渐开线花键设计应用

浅谈渐开线花键设计应用

天津阿尔斯通水电设备有限公司段会胜

【摘要】：本文主要浅显地讨论了花键设计的一些准则和相关的实际应用。

【关键词】：花键，定心，配合，作用尺寸，检验

一．花键联接的类型、特点和应用

花键联接是有外花键和内花键组成，花键联接是平键联接在数目上的发展而成。但是由于结构型式和制造工艺的不同，与评键联接相比，花键联接在强度、工艺和使用上具有以下几个优点：a）因为花键是在轴和孔上直接而均匀地制造出较

多的齿与槽，因而联接受力较均匀；b）因齿或槽较浅，齿根处应力集中较小，轴与轮毂的强度削弱较少；c）齿数较多，总接触面积增大，故而能能承受较大

的载荷；d）花键联接的轴与轮毂的对中性及导向性好。因此花键联接适用于定心精度要求高、载荷大或经常滑移的联接。花键联接可用于静联接或动联接。按其齿形不同，可划分为矩形花键和渐开线花键两类。本文就探讨一下渐开线的设计及其应用。

渐开线花键的齿廓为渐开线。与渐开线齿轮相比，渐开线花键齿较短，齿根较宽，不发生根切的最少齿数较小。渐开线花键可以用制造齿轮的方法来加工，工艺性较好，制造精度也较高，花键齿的根部强度高，应力集中小，易于定心，当传递的扭矩较大且轴颈也大是，宜采用渐开线花键联接。

二．渐开线花键的设计

1.花键设计的标准

花键设计的标准有有4个，分别是DIN 5480，ISO 4156，ANSI B92.2M和

GB/T 3478。这四个标准都涉及三种不同的分度圆压力角30°、37.5°和45°，

但是最常用的是30°分度圆压力角的渐开线花键。四个标准就花键的基本原则是相同的，只是侧重点不同。DIN 5480中对于花键的公差等级划分比较多，且已将每一级的公差详细地列出，设计工程师只需根据应用选取相应的公差即可。DIN 5480的实用性较其它标准要高。GB/T 3478非等同采用ISO 4156，ANSI B92.2M是米制花键的标准。ISO 4156，ANSI B92.2M和GB/T 3478中，公差等级只给出了4，5，6，7四个等级，最常用的等级为7级。

设计中采用的公差等级越高，对于花键的功能性越好，但是相应地增加了生产制造的困难和成本。故而合理地选取花键的公差等级对于设计工程师来说至关重要。

2.花键的定心与配合、

1）花键有三种定心方式：齿侧定心，大径定心和小径定心。齿侧定心时（见下图），扭矩的传递和内外花键的对中都是由花键的齿面所提供。此时外花键的大径比内花键的大径小 0.1M（M为花键的模数），外花键的小径比内花键的小径小0.1M。内外花键的对中精度取决于内花键的齿槽宽和外花键的齿厚的精度等级。内花键的小径公差可取H11，外花键的公差大径可取h11。

大径定心时（见下图），扭矩的传递是由齿侧完成的。内外花键的对中是由各自的大径决定的。此时外花键的大径公差可取h6，内花键的大径公差可取H7，内位花键的大径基本尺寸取自参考尺寸dB。大径公差需在生产制造时严格保证。

小径定心时（见下图），扭矩的传递是也是由齿侧完成的。内外花键的对中是由各自的小径决定的。此时外花键的小径公差可取h6，内花键的小径公差可取H7。小径公差需在生产制造时严格保证。

当花键联接中对于内外花键对中性要求较高时，可优先考虑采用大径定心，外花键的大径可以很好的保证h6的公差，而内花键一般采用拉花键的工艺制造（对于内花键是通花键来说的）也可以较好的保证其大径公差H7。

2）花键的配合实质是齿侧配合。花键联接中，所有外花键的齿同时与所有的内花键的齿槽相啮合。花键齿的齿形偏差对于侧隙的影响要比齿轮的齿形偏差对齿轮啮合侧隙影响要大。花键的配合分为三大类：间隙配合、过渡配合与过盈配合。花键的配合性质取决与最小作用侧隙和最大实际侧隙。（见下图）最小作用侧隙=内花键最小作用齿槽宽-外花键最大作用齿厚，最大实际侧隙=内花键最大实际齿槽宽-外花键最小实际齿厚。

花键联接的配合是采用了基孔制，即保持内花键的最小作用齿槽宽不变，通过改变外花键的作用齿厚来获得不同的配合。实际尺寸和作用尺寸的概念是有一个演变过程。以内花键为例来加以说明（见下图）。图中所表示的各齿槽均为基本齿槽宽，由于在实际生产过程中因机床的精度、刀具的磨损以及各种热处理的变形导致内花键的齿槽宽具有齿距累积误差、齿形误差和齿向误差。因此即使实际齿槽宽合格，也有可能导致一个理想的外花键无法与之相配合。这是我们根据最大实体效应而引入一个作用尺寸的概念。即作用齿槽宽是一个理想外花键在零侧隙下的齿厚。

对于内花键来说（见下图），因为有加工误差，所以实际最大齿槽宽和实际最小齿槽宽就会正好相差一个T（加工误差）。由于有齿距累积误差、齿形误差和齿向误差，所以最小作用齿槽宽和实际最小齿槽宽正好相差一个λ（综合作用误差=齿距累积误差+齿形误差+齿向误差）。同理最大作用齿槽宽和实际最大齿槽宽也相差一个λ。即最小作用齿槽宽和实际最大齿槽宽相差一个T+λ。

对于外花键来说，因为同样有加工误差，所以实际最大齿厚和实际最小齿厚就会正好相差一个T（加工误差）。由于有齿距累积误差、齿形误差和齿向误差，所以最大作用齿厚和实际最大齿厚正好相差一个λ（综合作用误差=齿距累积误差+齿形误差+齿向误差）。同理最小作用齿厚和实际最小齿厚也相差一个λ。即

最大作用齿后和实际最小齿厚相差一个T+λ。

3.花键的强度设计

因为渐开线花键齿较短，齿根较宽，所以花键齿的根部强度高，应力集中小。

因此在花键的强度设计时，只需考虑两个方面的强度。一是花键最小横截面上因扭矩而产生的剪应力。另一个是花键齿面上的接触应力即齿面的压应力。

σ=2*T/(PD*N*A)=4*T/(D*(Do-Di)*N*t)

其中σ---花键齿面接触应力

T----花键传递的扭矩

PD---花键节圆

N----花键的齿数

A----一个齿的接触面的投影面积

Do---外花键大径的最小值

Di---内花键小径的最大值

D----花键作用节圆=（Do+Di）/2

t----花键的配合长度

为了提高花键齿面的承载能力，花键一般都需要进行热处理。低碳钢一般采用渗碳淬火的热处理方式，中碳钢一般采用感应淬火，将齿面的硬度提高到50HRc 左右。

4.花键的检验

基本方法，用综合通端花键量规（环规或塞规）控制内花键的作用齿槽宽的最小值或外花键的作用齿厚的最大值，从而控制作用侧隙的最小值。同时，用非全齿止端量规（环规或塞规）或测量M值（棒间距或跨棒距），对于外花键可测量公法线平均长度W值，控制内花键的实际齿槽宽最大值或外花键的实际齿厚的最小值，从而控制内外花间的额最小实体尺寸。基本方法是批量生产中常用的检验方法。

方法A，在基本方法的基础上增加用综合止端花键量规（环规或塞规）控制内花键作用齿槽宽最大值或外花键作用齿厚最小值，从而控制作用侧隙的最大值。这种方法适用于双向转动并有回程要求的传动机构。

方法B，用综合通端花键量规和只和止端花键量规（塞规或环规）分别控制内花键嘴用齿槽宽最小值和最大值或外花键作用齿厚的最大值和最小值，从而控制作用侧隙的最小值和最大值。这种方法是须在采用方法A时，经过批量生产证明，工艺质量稳定后，方可采用。若工艺质量出现波动，可能影响产品质量时，还应采用方法A。

单项检验法，用非全齿通规和非全齿止规，或测量棒间距控制花键实际齿槽宽的最大和最小值。用非全齿通规和非全齿止规，或测量棒间距控制花键实际齿厚的最大和最小值。同时测量齿距累积误差、齿形误差和齿向误差，控制综合误差。齿距累积误差和齿向误差允许在花键分度圆附近测量。这种方法适用于单件或小批量生产、工艺分析、质量分析、无量规，以及因尺寸偏大和偏小而无法制造量规的花键。

下面举一个设计的例子。如下图所示，外花键要求零件保证最大作用齿厚和最小实际齿厚，内花键要求零件保证最小作用齿槽宽和实际最大齿槽宽。控制内外花键的作用尺寸的目的是为了保证最小作用侧隙并且零件能够顺利地装配。保证内外花键的实际最大和最小值的目的是为了控制花键配合的侧隙不能超过设计的许可范围。

5.差齿数的花键设计

有时在强度足够的情况下，为了减少花键的生产制造的工时和成本，可以设计成差齿数的花键。如下图所示，正常的齿数为26齿，现在将齿数减少一般设计成13个齿。实际的齿的参数是这样的，m=4，Z=13。原来的齿的参数是这样的m1=2，Z=26。

第一步，按m1=2，Z=26设计基本尺寸和公差。

第二步，当去掉13个齿时，保持第一步中的尺寸和公差不变。

第三步，将实际最小齿厚、实际最大齿厚和最大作用齿厚各加π*m1。

第四步，利用m=4，Z=13及第三步中的齿厚尺寸计算跨棒距。

说明：不能将正常的齿数减少一半模数增加一倍直接去计算跨棒距，原因在于有可能出现正常齿数为偶数但差齿后的齿数变成奇数的情况，此时必须按照上述第三和第四步去计算跨棒距。

三．渐开线花键的实际应用

在实际的使用中，花键的主要失效形式为花键轴整体折断、花键齿面压溃和花键齿面磨损。对于花键轴的整体折断和花键齿面压溃的失效，我们可以增加花键轴的抗剪强度和齿面的接触强度。对于花键齿面的磨损，在设计时就需考虑给花键增加强制润滑的条件。