CN113958688A - 非高速传动场合圆柱直齿梯形花键联结方法及其检测方法 - Google Patents

非高速传动场合圆柱直齿梯形花键联结方法及其检测方法 Download PDF

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Abstract

一种非高速传动场合圆柱直齿梯形花键联结方法及其检测方法，根据花键的承载要求确定内花键和外花键的基本有效尺寸A以及齿数z，设定内花键和外花键的齿形角φ恒为90°，根据基本有效尺寸A、齿数z和齿形角φ计算得出内花键和外花键各参数。本发明通过采用圆锥直齿梯形花键联结，降低了齿高，简化了齿形，既提高了花键的承载能力，且花键的加工和检验都更简单，加工效率得到提高，降低了成本。

Description

非高速传动场合圆柱直齿梯形花键联结方法及其检测方法
技术领域
本发明涉及一种用于非高速传动场合的花键联结方法及其检测方法，具体涉及一种用于非高速传动场合如抗侧滚扭杆的圆柱直齿梯形花键联结方法及其检测方法。
背景技术
抗侧滚扭杆是轨道车辆转向架上一种非常重要的装置，核心部件包括扭杆轴和两端以某种方式与之联结的两个扭转臂。扭转臂的作用是将扭杆轴扭转时产生的扭矩传递给车体，因此，扭转臂与扭杆轴之间的联结必须保证联结界面不打滑。最先和最普遍使用的联结方式是过盈配合，这种联结方式不可拆卸。
转向架发展趋势轻量化，因此结构越来越紧凑，抗侧滚扭杆安装空间的限制越来越严格，可拆卸抗侧滚扭杆应运而生。所谓可拆卸抗侧滚扭杆，是指扭转轴和扭转臂的联接可反复组装和拆卸，这样的好处是扭杆轴可以穿过构架横梁安装，从而节省安装空间。与不可拆卸的抗侧滚扭杆相比，可拆卸的抗侧滚扭杆可节省较大的安装空间，从而为其它部件的设计带来更大的自由度，所以应用越来越广泛。
圆柱直齿渐开线花键联结是一种较为典型的可拆卸联结方式，花键规格和参数如国标GB/T3478或国际标准ISO4156。如申请人之前申请的申请号CN201810799672.1，名称为“扭杆圆锥直齿渐开线花键与扭转臂之间的高强度联接方法”的发明专利申请，其抗侧滚扭杆内部采用圆柱直齿渐开线花键连接。
圆柱直齿渐开线花键联结最大优点是两个联结件可自定心，对中性好，因此非常适用于高速传动场合。但国标国标GB/T3478或国际标准ISO4156规定的花键直接用抗侧滚扭杆，缺点很明显：
1.最大的缺点是花键齿高过高，对外花键轴的削弱程度较大，而且齿根圆弧很小，应力集中非常显著，两方面因素降低了花键的承载能力；
2.花键参数计算非常复杂，计算和校核难度大；
3.加工不同的花键模数的花键，要用不同的刀具；
4.花键量具设计和加工的难度大；
5.检验效率低。
像抗侧滚扭杆这种非高速传动的部件，具有一个重要特征：被联结件绕花键轴线转动速度很小，被联结件能否自定心或花键轴线是否对中则无关紧要。因此，需要另外一种合适的花键联结方式及其检测方法用于这种非高速传动场合。
发明内容
本发明针对当前传统的圆柱直齿渐开线花键的联结不适用于非高速传动场所的问题，提出了一种非高速传动场合圆柱直齿梯形花键联结方法及其检测方法，提高花键的承载能力，且花键的加工和检验简单。
本发明为解决上述问题所采用的技术手段为：一种非高速传动场合圆柱直齿梯形花键联结方法，根据花键的承载要求确定内花键和外花键的基本有效尺寸A以及齿数z，设定内花键和外花键的齿形角φ恒为90o，根据基本有效尺寸A、齿数z和齿形角φ计算得出内花键和外花键各参数。
进一步地，根据花键的承载要求确定内花键和外花键的基本有效尺寸A以及齿数z是指将花键视为标准压力角为45o的渐开线花键，然后按GB/T.17855《花键承载能力计算方法》计算花键的承载能力，根据计算得出的承重能力检验和调整基本有效尺寸A以及齿数z的值。
进一步地，采用渐开线花键计算承载能力时，分度圆D按下式计算：
Figure BDA0003376947190000021
模数m按下式计算：
Figure BDA0003376947190000022
进一步地，齿数z不小于16，且为4的倍数。
进一步地，根据基本有效尺寸A、齿数z和齿形角φ计算得出内花键和外花键各参数是指根据下列各式计算齿槽角θ、顶点大径Dae、顶点小径Dai、内花键小径Dii、内花键大径Dei、外花键大径Dee、外花键小径Die、齿根圆弧半径R：
Figure BDA0003376947190000023
Figure BDA0003376947190000031
Figure BDA0003376947190000032
进一步地，内花键有效尺寸Ai公差为：下偏差为0，上偏差为+IT6。
进一步地，当内花键与外花键过盈配合时，外花键有效尺寸Ae公差为：下偏差+IT7，上偏差+IT8；
当内花键与外花键过渡配合时，外花键有效尺寸Ae公差为：下偏差-IT4，上偏差+IT4。
本发明还公开了一种非高速传动场合圆柱直齿梯形花键检测方法，采用量棒检验内花键棒间距Mi、外花键跨棒距Me。
进一步地，量棒直径X按下式确定：
Figure BDA0003376947190000033
棒间距Mi按下式确定：
Figure BDA0003376947190000034
其中Ai为内花键有效尺寸；
跨棒距Me按下式确定：
Figure BDA0003376947190000035
其中Ae为外花键有效尺寸。
本发明还公开了另一种非高速传动场合圆柱直齿梯形花键检测方法，用内径千分尺和外径千分尺分别检验内花键有效尺寸Ai和外花键有效尺寸Ae；或者制造通规和止规分别检验内花键有效尺寸Ai和外花键有效尺寸Ae，其中通规的尺寸GAi和止规的尺寸GAe分别根据内花键有效尺寸Ai和外花键有效尺寸Ae的最大值和最小值确定。
本发明的有益效果是：
1.本发明通过采用圆柱直齿梯形花键联结，与GB/T3478或ISO4156规定的圆柱直齿渐开线花键相比，在相同直径(内花键齿根直径或外花键齿顶圆直径)的前提下，本发明的齿高(内花键或外花键的齿顶圆至齿根圆之间的径向距离)更小，减小对外花键的削弱；同时齿根圆弧更大，降低应力集中效应，从而使得本发明的花键承载能力更高。
2.本发明花键齿侧轮廓为直线，且齿形角恒为90°，齿形简单，没有渐开线花键中“模数”的概念，加工不同规格的花键可以用相同的刀具，加工效率更高，综合加工成本更低。
3.本发明花键齿侧轮廓为直线，且总有两对相互平行的齿侧，可以作为检验的基础，使得花键的检验更加简单。
4.本发明花键参数少，计算简单，使设计和校核更加容易。
附图说明
图1为实施例一抗侧滚扭杆的花键联结位置示意图；
图2为图1的联结处剖视示意图，图中仅示出了花键联结部分；
图3为实施例一内花键尺寸参数示意图；
图4为实施例一外花键尺寸参数示意图；
图5为实施例一量棒检测花键尺寸示意图；
图中：1.扭杆轴，2.扭转臂，3.量棒。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步说明。其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
实施例一
一种非高速传动场合圆柱直齿梯形花键联结方法，如图1-图4所示，用于抗侧滚扭杆的扭杆轴1和扭转臂2之间的连接，其中扭杆轴1设有圆柱直齿梯形外花键，扭转臂2设有圆柱直齿梯形内花键。如图2所示，设定内花键和外花键的齿形角φ恒为90o，并根据花键的承载要求确定内花键和外花键的基本有效尺寸A以及齿数z，在确定基本有效尺寸A以及齿数z时，将花键视为标准压力角为45o的渐开线花键，然后按GB/T.17855《花键承载能力计算方法》计算花键的承载能力，根据计算得出的承重能力检验和调整基本有效尺寸A以及齿数z的值，直至花键的承载能力满足要求，在计算过程中，分度圆D按下式计算：
Figure BDA0003376947190000051
模数m按下式计算：
Figure BDA0003376947190000052
其中齿数z不小于16，且为4的倍数。
然后根据确定的基本有效尺寸A、齿数z和齿形角φ计算得出内花键和外花键的参数齿槽角θ、顶点大径Dae、顶点小径Dai、内花键小径Dii、内花键大径Dei、外花键大径Dee、外花键小径Die、齿根圆弧半径R：
Figure BDA0003376947190000053
Figure BDA0003376947190000054
Figure BDA0003376947190000055
最后，根据上述参数分别在扭杆轴1和扭转臂2加工出相应的外花键和内花键。
根据承载要求确定的花键的基本有效尺寸为A，此为一个理论值，实际加工过程中，内花键有效尺寸为Ai，外花键有效尺寸为Ae，各参数的公差按下表确定：
Figure BDA0003376947190000056
Figure BDA0003376947190000061
当花键加工完成后，只是可以采用下述两种方式对加工的花键进行检验：
其一，如图5所示，采用量棒检验内花键棒间距Mi、外花键跨棒距Me，且量棒直径X按下式确定：
Figure BDA0003376947190000062
棒间距Mi按下式确定：
Figure BDA0003376947190000063
其中Ai为内花键有效尺寸；
跨棒距Me按下式确定：
Figure BDA0003376947190000064
其中Ae为外花键有效尺寸。
其二，采用内径千分尺和外径千分尺分别检验内花键有效尺寸Ai和外花键有效尺寸Ae；或者制造通规和止规分别检验内花键有效尺寸Ai和外花键有效尺寸Ae，其中通规的尺寸GAi和止规的尺寸GAe分别根据内花键有效尺寸Ai和外花键有效尺寸Ae的最大值和最小值确定，即内花键通规的尺寸GAi等于内花键有效尺寸Ai的最大值，内花键止规的尺寸GAi等于内花键有效尺寸Ai的最小值；外花键通规的尺寸GAe等于外花键有效尺寸Ae的最大值，外花键止规的尺寸GAe等于外花键有效尺寸Ae的最小值。
其中上述各参数的定义如下表所示：
Figure BDA0003376947190000065
Figure BDA0003376947190000071
由于内花键与外花键之间的配合有过盈配合和过渡配合两种方式，分别适用于不需要拆卸和需要拆卸的场合，因此，相应的外花键的公差标准是不同的。此外，齿槽角θ、顶点大径Dae和顶点小径Dai供设计刀具和量具参考，不规定公差。
上述实施例的梯形花键与渐开线花键相比，齿高降低，减小齿高主要带来两个变化：一方面，外花键的齿根圆直径变大，花键的最大扭转剪切应力更小，从而使花键的承载能力增加；另一方面，会使内外花键的接触面积减小，使花键齿面的压应力增加，从而承载能力减弱。但根据GB/T17855的计算表明，外花键的最大扭转剪切应力的安全余量应力总是远远小于齿面压应力；换句话说，GB/T3478或ISO4156中的花键的承载能力主要取决于外花键的最大扭转剪切应力。因此适当减小齿高，降低外花键最大扭转剪切应力，增加齿面压应力，其综合效果是花键的承载能力依然会增加。
以上实施例仅供说明本发明之用，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化或变换，因此所有等同的技术方案也应该属于本发明的保护范围，本发明的保护范围应该由各权利要求限定。

Claims (10)

1.一种非高速传动场合圆柱直齿梯形花键联结方法，其特征在于：根据花键的承载要求确定内花键和外花键的基本有效尺寸A以及齿数z，设定内花键和外花键的齿形角φ恒为90°，根据基本有效尺寸A、齿数z和齿形角φ计算得出内花键和外花键各参数。
2.如权利要求1所述的非高速传动场合圆柱直齿梯形花键联结方法，其特征在于：根据花键的承载要求确定内花键和外花键的基本有效尺寸A以及齿数z是指将花键视为标准压力角为45°的渐开线花键，然后按GB/T.17855《花键承载能力计算方法》计算花键的承载能力，根据计算得出的承重能力检验和调整基本有效尺寸A以及齿数z的值。
3.如权利要求2所述的非高速传动场合圆柱直齿梯形花键联结方法，其特征在于：采用渐开线花键计算承载能力时，分度圆D按下式计算：
Figure FDA0003376947180000011
模数m按下式计算：
Figure FDA0003376947180000012
4.如权利要求1所述的非高速传动场合圆柱直齿梯形花键联结方法，其特征在于：齿数z不小于16，且为4的倍数。
5.如权利要求1所述的非高速传动场合圆柱直齿梯形花键联结方法，其特征在于：根据基本有效尺寸A、齿数z和齿形角φ计算得出内花键和外花键各参数是指根据下列各式计算齿槽角θ、顶点大径Dae、顶点小径Dai、内花键小径Dii、内花键大径Dei、外花键大径Dee、外花键小径Die、齿根圆弧半径R：
Figure FDA0003376947180000013
Figure FDA0003376947180000014
Figure FDA0003376947180000021
6.如权利要求5所述的非高速传动场合圆柱直齿梯形花键联结方法，其特征在于：内花键有效尺寸Ai公差为：下偏差为0，上偏差为+IT6。
7.如权利要求5所述的非高速传动场合圆柱直齿梯形花键联结方法，其特征在于：当内花键与外花键过盈配合时，外花键有效尺寸Ae公差为：下偏差+IT7，上偏差+IT8；
当内花键与外花键过渡配合时，外花键有效尺寸Ae公差为：下偏差-IT4，上偏差+IT4。
8.一种权利要求1所述的非高速传动场合圆柱直齿梯形花键联结方法的花键检测方法，其特征在于：采用量棒检验内花键棒间距Mi、外花键跨棒距Me。
9.如权利要求8所述的非高速传动场合圆柱直齿梯形花键联结方法的花键检测方法，其特征在于：量棒直径X按下式确定：
Figure FDA0003376947180000022
棒间距Mi按下式确定：
Figure FDA0003376947180000023
为内花键有效尺寸；
跨棒距Me按下式确定：
Figure FDA0003376947180000024
其中Ae为外花键有效尺寸。
10.一种权利要求1所述的非高速传动场合圆柱直齿梯形花键联结方法的花键检测方法，其特征在于：用内径千分尺和外径千分尺分别检验内花键有效尺寸Ai和外花键有效尺寸Ae；或者制造通规和止规分别检验内花键有效尺寸Ai和外花键有效尺寸Ae，其中通规的尺寸GAi和止规的尺寸GAe分别根据内花键有效尺寸Ai和外花键有效尺寸Ae的最大值和最小值确定。
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