CN108999890B - 一种提高花键寿命的花键组合顺序选择方法及花键组件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及机械零件领域，公开了一种提高花键寿命的花键组合顺序选择方法及花键组件。本发明的选择方法考虑到花键加工误差及其组合顺序对花键齿上载荷分配的影响，能够真实地计算花键在各组合顺序下键齿的最大名义切向力，可以合理地得到花键最优组合顺序，在此组合顺序下，花键组件的最大名义切向力最小，性能更稳定，寿命更长，可靠性更高，花键组件能够承担更大的载荷。本发明的花键组件通过上述的选择方法得出的最优组合顺序装配得到，其能够承担更大载荷，性能更稳定，使用寿命更长，可靠性更高。

Description

一种提高花键寿命的花键组合顺序选择方法及花键组件

技术领域

本发明涉及机械零件领域，具体而言，涉及一种提高花键寿命的花键组合顺序选择方法及花键组件。

背景技术

花键广泛应用于汽车、航空航天等领域，具有承载能力高、对中性好等有优点。但由于加工误差不可避免，使得花键各齿侧间隙并不均匀，花键传递载荷时各键齿上传递的载荷也并不相同。花键初始侧隙值较小的花键齿上承载较大，而侧隙较大的花键齿上承载较小甚至没有载荷。在现有技术中，尚且没有从花键组合顺序对花键齿上载荷分配影响方面的研究。而内、外花键在实际装配时，传统方法采用随机组合的方式进行装配，也未考虑花键不同装配顺序对花键齿上载荷分配不均匀性的影响，可能导致花键组件的性能不佳，影响花键使用寿命。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的包括提供一种提高花键寿命的花键组合顺序选择方法，其能够考虑到花键加工误差及其组合顺序对花键齿上载荷分配的影响，能够真实地计算花键组件在各组合顺序下键齿的最大名义切向力，可以合理地得到花键最优组合顺序，使花键组件发挥最佳的性能，提高了其使用寿命及传递载荷时的可靠性。

本发明的目的还包括提供一种花键组件，其按照上述选择方法得出的最优组合顺序装配，具有较长的寿命和较佳的性能。

本发明的实施例是这样实现的：

一种提高花键寿命的花键组合顺序选择方法，用于确定花键组件的最优组合顺序，花键组件包括内花键和外花键，内花键包括n个齿槽，外花键包括n个键齿，第1，2，...，i，...，n齿槽沿第一方向绕内花键的轴线依次排列，第1，2，...，i，...，n键齿沿第一方向绕外花键的轴线依次排列，内花键的第1齿槽与外花键的第i键齿配合的组合顺序为第i组合顺序，花键组合顺序选择方法包括：

计算花键组件的每种组合顺序在预设扭转载荷M下的参与啮合的键齿的共同形变量；

根据每种组合顺序的共同形变量计算每种组合顺序下键齿的最大名义切向力；

选择最大名义切向力最小的组合顺序作为最优组合顺序。

在本发明的一种实施例中，计算每种组合顺序在预设扭转载荷M下的参与啮合的键齿的共同形变量的步骤之前，花键组合顺序选择方法还包括：

获得花键组件的各组合顺序的各对键齿的齿侧间隙，其中，组合顺序为i时的齿侧间隙由小到大排序为在该排序下，对应的各对键齿编号为1ⁱ，2ⁱ，...，nⁱ，齿侧间隙为相配合的键齿和齿槽用于传递扭矩的作用面之间的间隙大小；

获得花键组件的单对键齿刚度K；

通过齿侧间隙和单对键齿刚度K计算花键组件的每种组合顺序在预设扭转载荷M下的啮合齿对数，其中，啮合齿对数等于外花键在该组合顺序下参与啮合的键齿个数。

在本发明的一种实施例中，单对键齿刚度为：

其中，K₁为内花键单键刚度，K₂为外花键单键刚度。

在本发明的一种实施例中，计算花键组件的每种组合顺序在预设扭转载荷M下的啮合齿对数的步骤包括：

预设花键组件在预设扭转载荷M下有J_i＝1对键齿参与啮合；

计算花键组件第(J_i+1)ⁱ对键齿刚接触但尚未承载时，第1ⁱ对键齿到第(J_i)ⁱ对键齿的弹性力之和

若弹性力之和大于或等于键齿的名义切向力之和F，则输出啮合齿对数为J_i；若弹性力之和小于键齿的名义切向力之和F，令J_i加1，判断J_i与花键组件的齿数n是否相等；

若J_i与花键组件的齿数n相等，则输出啮合齿对数为J_i＝n；若J_i与花键组件的齿数n不相等，则重新执行计算花键组件第(J_i+1)ⁱ对键齿刚接触但尚未承载时，第1ⁱ对键齿到第(J_i)ⁱ对键齿的弹性力之和的步骤；

其中，J_i为第i组合顺序在预设扭转载荷M下的啮合齿对数。

在本发明的一种实施例中，计算花键组件的每种组合顺序在预设扭转载荷M下的参与啮合的键齿的共同形变量b_i满足：

在本发明的一种实施例中，第i组合顺序的最大名义切向力F_max，i满足：

在本发明的一种实施例中，各组合顺序的各对键齿的齿侧间隙是通过二次元影像仪测量内花键和外花键在不同组合顺序时花键配合面一侧分度圆处的齿侧间隙得到的。

一种花键组件，其包括内花键和外花键，内花键包括n个齿槽，外花键包括n个键齿，花键组件按照上述的花键组合顺序选择方法所得出的最优组合顺序组装得到。

本发明实施例的有益效果是：

本发明实施例的提高花键寿命的花键组合顺序选择方法包括计算花键组件的每种组合顺序在预设扭转载荷M下的参与啮合的键齿的共同形变量；根据每种组合顺序的共同形变量计算每种组合顺序下键齿的最大名义切向力；选择最大名义切向力最小的组合顺序作为最优组合顺序。因此，该选择方法考虑到花键加工误差及其组合顺序对花键齿上载荷分配的影响，能够真实地计算花键在各组合顺序下键齿的最大名义切向力，可以合理地得到花键最优组合顺序，在此组合顺序下，花键组件的最大名义切向力最小，性能更稳定，寿命更长，可靠性更高，花键组件能够承担更大的载荷。

本发明实施例的花键组件通过上述的选择方法得出的最优组合顺序装配得到，其能够承担更大载荷，性能更稳定，使用寿命更长，可靠性更高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1是本发明实施例不同组合顺序时花键组件示意图；

图2是本发明实施例的主流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述。

本实施例提供一种提高花键寿命的花键组合顺序选择方法，用于确定圆柱直齿花键组件的最优组合顺序。本实施例的花键组件可以是渐开线花键组件，花键组件包括内花键和外花键，内花键包括n个齿槽，外花键包括n个键齿，第1，2，…，i，…，n齿槽沿第一方向(图1中的顺时针方向)绕内花键的轴线依次排列，第1，2，…，i，…，n键齿沿第一方向绕外花键的轴线依次排列，内花键的第1齿槽与外花键的第i键齿配合的组合顺序为第i组合顺序。在本实施例的附图1中，当花键上作用逆时针的扭转载荷M时，以任意内花键齿槽和外花键齿为起点，按照顺时针顺序将内花键各齿槽和外花键键齿编号为1，2，…，n，并规定内花键编号为1的齿槽与外花键编号为i的键齿相配合时，其组合顺序为i，则含有n对键齿的渐开线花键有n种组合顺序。如图1所示，是12齿花键当其组合顺序为1、4、7和10时的示意图。应当理解，在本发明的其他实施例中，第一方向可以为逆时针，扭转载荷的方向可以是顺时针，只要这两个方向相反即可。在本实施例中，花键组合顺序选择方法包括：

步骤S1，获得花键组件的各组合顺序的各对键齿的齿侧间隙。

对含有n对键齿的圆柱直齿渐开线花键组件，利用二次元影像仪测量内、外花键在不同组合顺序时花键配合面一侧分度圆处的齿侧间隙，并将各组合顺序下花键侧隙值按照由小到大的顺序排序，将组合顺序为i(即第i组合顺序)时的花键侧隙由小到大排序后记为并按照该排序将对应的各对键齿编号为1ⁱ，2ⁱ，...，nⁱ。齿侧间隙为相配合的键齿和齿槽用于传递扭矩的作用面之间的间隙大小。

步骤S2，通过齿侧间隙和单对键齿刚度K计算花键组件的每种组合顺序在预设扭转载荷M下的啮合齿对数。其中，所述啮合齿对数等于外花键在该组合顺序下参与啮合的键齿个数。

在本实施例中，可采用期刊《Mechanical Engineering Science》2013年第227卷第10期“Load distribution in spline coupling teeth with parallel offsetmisalignment”中提出的计算花键键齿刚度方法，计算内、外花键单键刚度K₁、K₂。将相配合的内、外花键键齿等效为两个串联的弹簧系统，则单对键齿刚度K为：

其中，K₁为内花键单键刚度，K₂为外花键单键刚度。另外，由于实际花键齿厚与理想花键齿厚相差很小，故不考虑齿侧间隙对键齿刚度产生的影响。

步骤S3，计算花键组件的每种组合顺序在预设扭转载荷M下的参与啮合的键齿的共同形变量。

在本实施例中，结合步骤S2中的单对键齿刚度K，当一对相配合的键齿形变量为δ时，该对键齿由变形产生的弹性力F_弹满足关系：

F_弹＝Kδ (1)

结合步骤S1中得到的组合顺序为i时花键的齿侧间隙值，当该组合顺序下花键第(J_i+1)ⁱ对键齿刚接触但尚未承载时，第jⁱ(jⁱ＝1ⁱ，2ⁱ，...，(J_i)ⁱ)对键齿的形变量为结合公式(1)，当第(J_i+1)ⁱ对键齿刚接触但尚未承载时，花键在组合顺序为i时第1ⁱ对键齿到第(J_i)ⁱ对键齿的弹性力之和为

当施加在内(外)花键上的扭转载荷为M时，记键齿上载荷作用点位于分度圆D处，则键齿上名义切向力之和为：

其中，D为分度圆直径。

花键组件的每种组合顺序在预设扭转载荷M下的参与啮合的键齿的共同形变量b_i满足：

即，

其中，Eⁱ(a)为组合顺序为i时，对应的花键参与啮合键齿的齿侧间隙平均值。

按照该求第i组合顺序为下花键组件参与啮合的键齿的共同形变量的方法，可继续求得花键其他组合顺序时参与啮合键齿的共同形变量，并将花键所有组合顺序下参与啮合键齿的共同形变量记为

步骤S4，根据每种组合顺序的共同形变量计算每种组合顺序下键齿的最大名义切向力。

由于花键齿侧间隙最小的键齿对应的弹性变形最大，其分配的名义切向力也最大。因此，当组合顺序为i时，在扭转载荷M作用下，结合公式(5)可得花键齿上最大名义切向力F_max，i为

按照该求组合顺序为i时花键齿上最大名义切向力的方法，可继续求得花键其他组合顺序时键齿上最大名义切向力，并将花键所有组合顺序下键齿的最大名义切向力记为

步骤S5，选择最大名义切向力最小的组合顺序作为最优组合顺序。

由于花键齿上的载荷越小，其越不容易发生失效。因此，在扭转载荷M作用下，在中的最小值对应的组合顺序下，花键齿上最大名义切向力小于花键其他组合顺序时键齿上的最大名义切向力，其对应的组合顺序即为最优组合顺序。

进一步的，结合公式(2)与公式(3)，步骤S2可进一步包括以下步骤：

(1)预设所述花键组件在预设扭转载荷M下有J_i＝1对键齿参与啮合；

(2)计算花键第(J_i+1)ⁱ对键齿刚接触但尚未承载时，第1ⁱ对键齿到第(J_i)ⁱ对键齿的弹性力之和

(3)若弹性力之和大于或等于键齿的名义切向力之和F，则输出啮合齿对数为J_i；若所述弹性力之和小于键齿的名义切向力之和F，令J_i加1，继续步骤(4)；

(4)判断此时J_i与花键齿数n是否相等。若相等，则输出啮合齿对数为J_i＝n；若不等，则返回步骤2)继续计算。

按照该求组合顺序为i时花键啮合齿对数的方法，可继续求得花键其他组合顺序时的啮合齿对数，并将花键所有组合顺序下啮合齿对数记为

为了实现上述的花键组合顺序选择方法，本发明实施例还提供一种花键组合顺序选择装置，可搭载于计算机，用于实现上述的选择方法。花键组合顺序选择装置包括：

第一获取模块，用于获得花键组件的各组合顺序的各对键齿的齿侧间隙，其中，组合顺序为i时的齿侧间隙由小到大排序为在该排序下，对应的各对键齿编号为1ⁱ，2ⁱ，...，nⁱ。各对键齿的齿侧间隙可通过二次元影像测量，并通过计算机输入设备录入后，被第一获取模块接收。

第二获取模块，用于获得花键组件的单对键齿刚度K。

啮合齿数计算模块，用于通过齿侧间隙和单对键齿刚度K计算花键组件的各种组合顺序在预设扭转载荷M下的啮合齿对数。

第一计算模块，用于计算花键组件的每种组合顺序在预设扭转载荷M下的参与啮合的键齿的共同形变量。

第二计算模块，用于根据每种组合顺序的共同形变量计算每种组合顺序下键齿的最大名义切向力。

选择模块，用于选择最大名义切向力最小的组合顺序作为最优组合顺序。

本发明实施例还提供一种花键组件，其按照本发明实施例的花键组合顺序选择方法所得出的最优组合顺序组装得到。该花键组件可以是渐开线花键组件。

综上所述，本发明实施例的提高花键寿命的花键组合顺序选择方法包括计算花键组件的每种组合顺序在预设扭转载荷M下的参与啮合的键齿的共同形变量；根据每种组合顺序的共同形变量计算每种组合顺序下键齿的最大名义切向力；选择最大名义切向力最小的组合顺序作为最优组合顺序。因此，该选择方法考虑到花键加工误差及其组合顺序对花键齿上载荷分配的影响，能够真实地计算花键在各组合顺序下键齿的最大名义切向力，可以合理地得到花键最优组合顺序，在此组合顺序下，花键组件的最大名义切向力最小，性能更稳定，寿命更长，可靠性更高，花键组件能够承担更大的载荷。

本发明实施例提供的花键组合顺序选择装置用于实现上述的选择方法，因此也具有上述的有益效果。本发明实施例的花键组件通过上述的选择方法得出的最优组合顺序装配得到，其能够承担更大载荷，性能更稳定，使用寿命更长，可靠性更高。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种提高花键寿命的花键组合顺序选择方法，用于确定渐开线花键组件的最优组合顺序，所述花键组件包括内花键和外花键，所述内花键包括n个齿槽，所述外花键包括n个键齿，第1，2，…，i，…，n齿槽沿第一方向绕所述内花键的轴线依次排列，第1，2，…，i，…，n键齿沿第一方向绕所述外花键的轴线依次排列，所述内花键的第1齿槽与所述外花键的第i键齿配合的组合顺序为第i组合顺序，其特征在于，所述花键组合顺序选择方法包括：

计算所述花键组件的每种组合顺序在预设扭转载荷M下的参与啮合的键齿的共同形变量；

根据每种组合顺序的所述共同形变量计算每种组合顺序下键齿的最大名义切向力；

选择所述最大名义切向力最小的组合顺序作为最优组合顺序。

2.根据权利要求1所述的提高花键寿命的花键组合顺序选择方法，其特征在于，计算每种组合顺序在预设扭转载荷M下的参与啮合的键齿的共同形变量的步骤之前，所述花键组合顺序选择方法还包括：

获得所述花键组件的各组合顺序的各对键齿的齿侧间隙，其中，组合顺序为i时的齿侧间隙由小到大排序为在该排序下，对应的各对键齿编号为1ⁱ,2ⁱ,…,nⁱ，所述齿侧间隙为相配合的所述键齿和所述齿槽用于传递扭矩的作用面之间的间隙大小；

获得所述花键组件的单对键齿刚度K；

通过所述齿侧间隙和所述单对键齿刚度K计算所述花键组件的每种组合顺序在所述预设扭转载荷M下的啮合齿对数，其中，所述啮合齿对数等于所述外花键在该组合顺序下参与啮合的所述键齿个数。

3.根据权利要求2所述的提高花键寿命的花键组合顺序选择方法，其特征在于，所述单对键齿刚度为：

其中，K₁为内花键单键刚度，K₂为外花键单键刚度。

4.根据权利要求2所述的提高花键寿命的花键组合顺序选择方法，其特征在于，计算所述花键组件的每种组合顺序在所述预设扭转载荷M下的啮合齿对数的步骤包括：

预设所述花键组件在预设扭转载荷M下有J_i＝1对键齿参与啮合；

计算所述花键组件第(J_i+1)ⁱ对键齿刚接触但尚未承载时，第1ⁱ对键齿到第(J_i)ⁱ对键齿的弹性力之和

若所述弹性力之和大于或等于键齿的名义切向力之和F，则输出所述啮合齿对数为J_i；若所述弹性力之和小于键齿的名义切向力之和F，令J_i加1，判断J_i与所述花键组件的齿数n是否相等；

若J_i与所述花键组件的齿数n相等，则输出啮合齿对数为J_i＝n；若J_i与所述花键组件的齿数n不相等，则重新执行计算所述花键组件第(J_i+1)ⁱ对键齿刚接触但尚未承载时，第1ⁱ对键齿到第(J_i)ⁱ对键齿的弹性力之和的步骤；

其中，所述J_i为所述第i组合顺序在所述预设扭转载荷M下的啮合齿对数。

5.根据权利要求4所述的提高花键寿命的花键组合顺序选择方法，其特征在于，所述花键组件的每种组合顺序在预设扭转载荷M下的参与啮合的键齿的共同形变量b_i满足：

6.根据权利要求5所述的提高花键寿命的花键组合顺序选择方法，其特征在于，第i组合顺序的最大名义切向力F_max，i满足：

7.根据权利要求2所述的提高花键寿命的花键组合顺序选择方法，其特征在于，各组合顺序的各对键齿的齿侧间隙是通过二次元影像仪测量所述内花键和所述外花键在不同组合顺序时花键配合面一侧分度圆处的齿侧间隙得到的。

8.一种花键组件，其包括内花键和外花键，所述内花键包括n个齿槽，所述外花键包括n个键齿，其特征在于，所述花键组件按照权利要求1-7中任一项所述的花键组合顺序选择方法所得出的最优组合顺序组装得到。