日本渐开线花键

2024-06-12

日本渐开线花键（共6篇）

日本渐开线花键篇1

0 引言

随着国民经济的发展和市场需求的增加, 机床行业快速发展, 同时市场对产品的多样化需求和产品的不断更新使生产厂家对机床设备的要求也越来越高。加工中心既能满足大批量生产的要求, 又具备多品种生产的能力, 还具备可迅速调整适应新产品生产的能力, 从而成为国外机床工业技术发展的主流之一。

近几年来, 本公司也致力于加工中心的设计制造, 但是立式加工中心主轴箱所需高速、高精度齿轮和花键轴等零件设计要求较高, 国内没有满足设计要求的产品, 需从日本进口。日本生产的花键均为渐开线花键, 设计制造都采用日本标准, 与我国花键有很大不同[1]。由于缺乏这方面的技术标准和资料, 设计和测绘工作都遭遇了很大的困难。为解决这一难题, 下面举例介绍JISD2001日本汽车工业用渐开线花键的设计和选用标准, 供从事这一领域工作的技术人员参考。

1 花键联接

花键联接是依靠轴和轮毂上纵向齿的相互啮合来传递扭矩的可拆联接, 是联接轴与带毂零件的常用方式[2]。与普通键联接比较, 花键联接齿数多, 总承载面积大, 轴、毂受力均匀, 齿根应力集中小, 被联接件的强度削弱也较小, 有利于提高承载能力。此外, 花键齿可采用完善的加工工艺, 两被联接件的定心性好, 零件的互换性也容易保证。

花键已标准化, 按齿形的不同分为矩形、渐开线形和三角形3种。渐开线花键具有自动定心、齿面接触好、承载能力强、结构紧凑等优点, 可用制造齿轮的方法进行加工, 工艺性好, 在各种机械设备特别是汽车、工程机械的轴毂联接中得到越来越广泛的应用。

2 渐开线花键测绘步骤

渐开线花键的主要参数是齿形参数, 包括模数、压力角、是否变位及变位系数、定心方式及采用标准等, 具体的测绘步骤如下[2]:

(1) 判断花键联接类型、定心方式及齿根类型。

(2) 测相关尺寸。

(3) 确定模数及压力角。渐开线花键模数和压力角的确定方法和渐开线圆柱齿轮相同。

(4) 判断是否变位。判断所测花键是否变位, 并计算出变位花键的变位系数, 有助于花键标准的确定。中国采用不变位模数制, 日本采用变位模数制。

(5) 计算量棒间尺寸及公差。

3 日本渐开线花键标准

渐开线花键和渐开线圆柱齿轮一样, 具有标准参数, 其主要参数的含义、测量方法和渐开线圆柱齿轮基本相同。渐开线花键标准种类繁多, 各国不尽相同。现介绍JISD2001日本汽车工业用渐开线花键标准的内容[3], 供从事这一领域工作的技术人员参考。

3.1 基本参数和计算方法

(1) 模数m:表1中介绍了3个系列共15种模数。例:模数选择第一系列m=2.5。

(2) 齿数Z:从6到40个。例:选定齿数为18。

(3) 位移量x和压力角α。例:位移量x为0.8 m, 分度圆上的压力α通常为20°。

3.2 基本计算公式

(1) 公称直径:当x=0.8时, d= (Z+2) m;当x≠0.8时, d= (Z+2x+0.4) m。例:d= (Z+2) m=50mm。

(2) 孔的外径:当齿形定心和插孔时, D1=d+0.3m;当齿形定心拉孔和外径定心时, D2=d。

(3) 轴的外径:当齿形定心时, d1=d-0.2m;当外径定心时, d2=d。例:d1=d-0.2m=49.5 mm。

(4) 孔的内径:Dk=d-2m。例:Dk=d-2m=45 mm。

(5) 轴的内径:dr=d-2.4m。例:dr=d-2.4m=44 mm。

(6) 分度圆直径:d0=Zm。例:d0=Zm=45 mm。

(7) 分度圆上的压力角:α0=20°

(8) 基圆直径:d1=d0cosα0。例:d1=d0cosα0=42.286 mm。

(9) 周节:t0=πm。

(10) 基节:t1=t0cosα0。

(11) 变位系数:x=) =0.8 mm。

(12) 分度圆的弧齿厚:5.381 mm。

(13) 基圆上的弧齿厚:。其中inv为压力角的渐开线函数。例:=5.687 mm。

(14) 公法线长度:W= (Zw-1) πmcosα0+S1。其中w为花键变位系数。例:W= (Zw-1) πmcosα0+S1=20.449 mm。

(15) 跨棒距尺寸:

1) 当x=0.8时。

轴的跨棒距尺寸:当Z为偶数时，+U=54.367 mm。当Z为奇数时, 。式中, α1′为轴用量棒中心压力角;U为测轴跨棒距用量棒直径。

孔的跨棒距尺寸:当Z为偶数时, 。例:M2。

2) 当x≠0.8时的跨棒距尺寸及有关数值可从相关表查得。

3.3 定心方式、配合与公差

(1) 定心方式:齿形定心和外径定心。

(2) 配合种类分以下4种配合:1) 自由配合, 即有间隙配合;2) 滑动配合, 一般为有较小间隙配合, 也可能有较小过盈出现;3) 固定配合, 一般有较小过盈, 也可能有较小间隙;4) 压入配合, 必有过盈, 但外径定心不采用此种配合。

以上4种配合是通过改变花键轴的尺寸实现的, 配合级别根据定心方式和配合种类可从表2中查得。

(3) 公差:公差借用了日本渐开线圆柱齿轮公差标准 (JISB0401) [4]的符号及数值。直径公差见表3, 基圆齿厚 (或齿槽宽) 公差见表4。

表3和表4中的d7、f6、R7、H7和H9可从国标GB1801—79查得, c10、f10、j10和x10的上差和下差可从JISB0401标准中查到。

3.4 标注方法

花键联接的标注方法是花键孔或花键轴的公称直径 (单位为mm) ×齿数×模数。齿形定心孔无附注, 外径定心用R标注。此外, 对花键轴还要标注精度等级。

4 结语

综上所述, 在渐开线花键测绘时, 按照上述测绘的基本步骤和方法, 同时结合日本渐开线花键标准, 从多方面进行分析和计算, 就能准确地确定渐开线花键所采用的标准和主要齿形参数。

根据以上资料, 本单位在立式加工中心MDV95大扭矩齿轮主轴箱设计中予以应用, 效果良好, 现已成为定型产品投放市场。

参考文献

[1]孟刚, 刘绍舫.日本汽车用渐开线花键[J].石油物探设备, 1994, 4 (2) :20～24

[2]孙建英.渐开线花键测绘及齿形参数的确定[J].铁道机车车辆工人, 2005 (10) :20～23

[3]杨志聪.日本汽车渐开线花键的公差标准及计算方法[J].中国汽车保修设备, 1992 (11) :52～54

[4]日本机械学会编.机械技术手册[M].北京:机械工业出版社, 1984

渐开线花键装配工装的设计篇2

渐开线花键连接目前应用十分广泛。渐开线花键具有承载能力大、加工工艺性好、加工精度高等优点。在工程实际中为了提高承载能力, 渐开线花键连接要取较小的间隙。渐开线花键由于其齿数多, 制造的形状和位置误差的存在, 装配时不易对位, 且容易损伤连接部分。尤其是在封闭箱体内装配和维修条件下装配以及配合较紧时装配特别困难。为此可设计装配工装以改善装配条件。

1 渐开线装配工装的设计

如图1为FB系列闭式蜂窝煤成型机的主轴装配结构图, 主轴1是机器的工作主轴, 它带动曲柄滑块机构运动从而使机器产生冲压力, 主轴的转速为50 r/min, 主轴受力主要为巨大的扭矩。主轴大齿轮2将扭矩传递给主轴, 机体3用以支承各传动轴, 机体装配箱盖板后形成封闭的齿轮箱, 从而形成齿轮的闭式传动。图中主轴1与主轴大齿轮2的连接为渐开线花键连接。渐开线花键连接参数为:模数m=3.5 mm, 齿数z=26, 压力角α=30°。渐开线花键配合间隙很小, 间隙为0.023~0.122 mm。由于形位误差的影响, 实际装配时出现接近零间隙或小过盈情况, 加之相配合的两个零件都较重 (大于60 kg) , 而齿轮箱内不易观察对位 (实际情况为盲装) , 所以该渐开线连接装配较困难, 单件装配时间为车间装配时间20~40 min;而机器在维修中主轴渐线花键装配时, 由于采用工作位置装配, 装配更困难, 维修设备装配时间达30~120 min不等, 有时还可能因装配变形而造成装配失败和零件损坏。

1.主轴2.主轴大齿轮3.机体

为了提高装配效率, 考虑设计装配工装用于装配工作。为了解决装配间隙太小的问题, 工装应采用大间隙导向结构设计。如图2所示为装配工装结构原理图。工装工作原理是利用花键导向轴头3大端与三轴端面的花键对齐, 花键导向轴头3小端负变位花键具有导向作用以利于装配。校正花键套2的作用是把主轴花键与导向头对接时自动对正位置。花键导向轴头3的结构为三段式, 右段为导入段, 该段花键采用较大负变位使花键外径及齿厚都变小很多以便于导入。左段为校正段, 作用为起装配时自动校正作用。中段是自然过渡段, 同花键铣刀加工负变位花键时过渡自然形成, 也起到装配时逐渐校正位置的作用。

1.主轴2.校正花键套3.花键导向轴头4.平垫圈5.弹簧垫圈6.螺栓

使用该工装时操作步骤为:1) 先将校正套2的内共花键与主轴端花键配合;2) 将渐开线导向轴头3与主轴端对正并手动装配平垫圈4、弹簧垫圈5、螺栓6到接近到位;3) 手动缓慢旋转导向轴头3同时滑动校正花键套2, 使校正套同时与主轴及导向轴头相配合, 其中校正套与导向轴头配合5~10 mm;4) 然后将螺栓拧紧;5) 拆下校正套;6) 装配;7) 拆下导向轴头、垫圈、螺栓。

2 工装设计参数

花键轴头由大小端组成, 大端长度10 mm, 参数为m=3.5 mm, z=26, α=30°, 采用标准渐开线花键, 即变位系数x=0, 花键齿厚为5.498-0.04-0.08, 外径为φ94.4-0.03-0.06, 而小端设计将渐开线花键负变位, 长度为20 mm, 取变位系数x=-0.4, 小端齿厚变薄, 齿顶变小, 从而利于装机时导向, 外径尺寸为φ91.6 mm (小端变位后外径减少2.8 mm) 。大小端之间由花建铣刀加工自然切成过渡花键齿, 齿厚由小变大, 起导向校正作用。小端外圆端面处倒10 mm的30°倒角, 小端外径已小于主轴大齿轮的内花键的小径, 起到外圆的导向作用并能自动定心找正。

由于花键压力角大, 同时又是较大的负变位, 所以加工此处花键时, 如果要使小端齿厚进一步减少, 可在径向变位的同时再适当进行切向变位。

3 结语

该工装具有结构简单、操作方便的优点。投入使用后, 效果很好, 受到装配工和维修人员的普遍欢迎。操作效率大幅度提高, 平均装配时间减少到5~10 min, 具有良好的经济效益。装配不再出现由于对位偏差产生的内外花键的损伤情况, 产品质量得到了有效保证。

参考文献

[1]哈尔滨工业大学.圆柱齿轮加工[M].上海:上海科学技术出版社, 1982.

[2]西北工业大学机械原理及机械零件教研组.机械设计[M].北京:人民教育出版社, 1980.

日本渐开线花键篇3

花键轴冷滚轧成形是一种先进的少、无切削加工工艺技术,与滚齿、插齿等传统切削工艺相比,具有节约原材料、提高生产效率、加工出的工件尺寸精度高而且稳定、能改善加工表面金属组织等显著优点[1]。滚轧成形前坯料直径的计算精度,直接影响到花键分齿精度。同时,也是模具设计所考虑的重要参数。文献[2—4]都涉及到了滚轧成形前坯料直径的计算,但多为生产实际经验的总结,理论推导不够完善,计算繁琐,且基本上都是针对直齿花键的推导计算,而对螺旋渐开线花键的毛坯直径计算甚少涉及。本文基于渐开线基本性质、微积分原理建立了螺旋渐开线花键冷滚轧成形前坯料直径的计算模型,为后续滚轧轮设计提供理论依据。

1冷滚轧加工的工作原理

2.1滚轧原理

参数相同的一对滚轧轮1和3平行安装在两传动主轴上。两主轴带动滚轮作同步同向旋转。同时在液压系统提供的水平力作用下,滚轮3作径向进给运动,以恒定的进给速度运行。滚轮连续进给对坯料2进行滚轧,直至花键成形[5]。

2.2 花键冷滚轧成形过程

外花键冷滚轧成形过程,按压缩量(经一滚轮滚压,工件齿根圆前后半径之差)的变化可分为四个阶段。稳定滚轧时的压缩量等于稳定滚轧时工件旋转半圈滚轮的进给量。

第一阶段为开始接触滚轧至工件旋转半周,这一阶段压缩量由零逐渐增至稳定压缩量的值,在此阶段工件完成初步分齿,这一阶段分齿是否精确对整个轧制过程起着决定性作用。第二阶段滚轧轮进给量持续增加直至达到最大值,此阶段进给量持续增加,压缩量保持不变。第三阶段为滚轧轮进给行程达到最大值至再旋转半圈,此阶段内进给量不再增加,压缩量逐渐减小。第四阶段为精整阶段,无进给量,无压缩量[6]。

2 花键坯料直径dz的确定

2.1 花键的几何参数

滚轧成形前后坯料密度变化很小,花键冷滚轧前坯料直径理论计算可按照成形后工件体积不变的原则确定[7]。由此可得花键滚轧前坯料直径[1]

$d_{z} = \sqrt{d_{f}^{2} + \frac{4}{π} A Ζ}$ (1)

(1)式中:dz—花键坯料直径; df—花键齿根圆直径;A—端面齿根圆以上的单齿截面积;Z—花键齿数。

对于端面齿根圆以上的单齿截面积的求解方法,首先应以法面齿形为准计算出法面单齿截面积,然后再通过螺旋角折算为端面单齿截面积。但因为过螺旋线的法面与分度圆柱的交线为一椭圆,所以要精确计算其法向齿形非常困难。因此,就根据斜齿圆柱齿轮的当量齿轮和当量齿数的定义引入一个当量渐开线直齿花键解决这个问题[5]。

以 $ρ = \frac{d}{2 \cos 2 β}$ 为分度圆半径,以法向模数mn、标准压力角αn作一个渐开线直齿花键轴,此假想花键轴的齿廓与螺旋渐开线花键轴的法向齿廓十分接近。下面就以这个假想的当量齿廓来计算法面齿根圆以上的单齿截面积S。图1所示即为当量直齿花键的廓形,其参数计算完全可以按照渐开线直齿花键的参数计算公式进行,则有[8]:

模数mv=mn;齿数 $z_{v} = \frac{z}{\cos^{3} a}$ ;分度圆直径dv=mvzv ;齿顶圆直径daV=mv(zv+1);齿根圆直径dfv= mv(zv-1.5);基圆直径dbv=dvcosαn;分度圆弧齿厚sv=0.5πmv;齿顶圆压力角 $α_{a v} = \arccos \frac{r_{b v}}{r_{a v}}$ ;齿根圆压力角 $α_{f v} = \arccos \frac{r_{b v}}{r_{f v}}$ 。

渐开线齿形是以OA为轴线的对称图形,为计算方便对其一半进行计算即可。由图2可得齿根圆以上的单齿截面积为[1,6]:

S=2(S1+S2 ) (2)

根据渐开线性质,微积分知识分别求出S1,S2的值。渐开线极坐标方程为:

(3)式中:rbv—当量齿廓的基圆半径。

求得:

(4)式中:αfv—当量齿廓齿根圆压力角; αav—当量齿廓齿顶圆压力角;αn—花键分度圆标准压力角。

根据弧微分公式可求得MN的弧长:

$\int_{θ Μ}^{θ Ν} \sqrt{ρ^{2} (θ) + [ρ^{'} (θ)]^{2}}$ ,d θ=rv(θN-θM) (5)

(5)式中:rv—当量齿廓分度圆半径。

$Μ Ν = \frac{1}{2} S_{v}$ (6)

(6)式中:Sv—当量齿廓分度圆弧齿厚。

联立(5)式,(6)式得:

$θ_{Ν} = \frac{s_{v}}{d_{v}} + θ_{Μ}$ (7)

各部分面积求解如下:

(1)齿顶圆弧部分面积:

$S_{1} + S_{1^{'}} = \int_{θ_{B}}^{θ_{Ν}} \frac{1}{2} [ρ (θ)]^{2} d θ = \frac{r_{a v}^{2}}{2} (θ_{Ν} - θ_{B})$ (8)

(2)渐开线部分面积:

由渐开线极坐标方程知dθ=(sec2αk-1)dαk,则有

$S_{2} + S_{2^{'}} = \int_{θ_{c}}^{θ_{B}} \frac{1}{2} [\frac{r_{b v}}{\cos α_{k}}]^{2} d θ = \frac{r_{b v}^{2}}{6} (\tan^{3} α_{a v} - \tan^{3} α_{f v})$ (9)

(3) 齿根圆以下面积

$S_{1^{'}} + S_{2^{'}} = \int_{θ_{C}}^{θ_{F}} \frac{1}{2} [ρ (θ)]^{2} d θ = \frac{r_{f v}^{2}}{2} (θ_{Ν} - θ_{C})$ (10)

联立(8)式～(10)式可得:

$\begin{array}{l} S = 2 [(S_{1} + S_{1}' + S_{2} + S_{2}') - (S_{1}' + S_{2}')] = \\ 2 [\frac{r_{a v}^{2}}{2} (θ_{Ν} - θ_{B}) + \frac{r_{b v}^{2}}{6} (\tan^{3} α_{a v} - \tan^{3} α_{f v}) - \frac{r_{f v}^{2}}{2} (θ_{Ν} - θ_{C})] = \\ 2 [\frac{r_{a v}^{2}}{2} (\frac{s_{v}}{d_{v}} + i n v α_{n} - i n v α_{a v}) + \frac{r_{b v}^{2}}{6} (\tan^{3} α_{a v} - \tan^{3} α_{f v}) - \\ \frac{r_{f v}^{2}}{2} (\frac{s_{v}}{d_{v}} + i n v α_{n} - i n v α_{f v})] = r_{a v}^{2} (\frac{s_{v}}{d_{v}} + i n v α_{n} - i n v α_{a v}) + \\ \frac{r_{b v}^{2}}{3} (\tan^{3} α_{a v} - \tan^{3} α_{f v}) - r_{f v}^{2} (\frac{s_{v}}{d_{v}} + i n v α_{n} - i n v α_{f v}) (11) \end{array}$

S即为渐开线斜齿花键的法向单齿截面积,然后再通过螺旋角折算为端面单齿截面积A,则有:

$A = \frac{s}{c o s a}$ (12)

把(12)式代入(1)式即可求出毛坯直径dz,所以有:

$d_{z} = \sqrt{d_{f}^{2} + \frac{4}{π} A Ζ} =$ $d_{f}^{2} + \frac{z}{π \cos β}$ dav2 $\frac{s v}{d v} + i n v α n - i n v_{a v}$ $+ \frac{d_{b v}^{2}}{3} (\tan 3 α_{a v} - \tan 3 α_{f v}) - d_{f v}^{2}$ $\frac{s_{v}}{d_{v}} + i n v α n - i n v α f v$ -1/2= $d_{f}^{2} + \frac{z}{π \cos β}$ $\frac{d_{b v}^{2}}{3} (\tan 3 α_{a v} - \tan 3 α_{f v}) + d_{a v} s_{a v} - d_{f v} s_{f v}$ -1/2 (13)

(13)式中:

sav—当量齿廓顶圆弧齿厚, sav=dav $\frac{s_{v}}{d_{v}} + i n v$ αn-invαav;

sfv—当量齿廓根圆弧齿厚, sfv=dfv $\frac{s_{v}}{d_{v}} + i n v$ αn-invαfv。

为了验证理论推导的正确性,对实际生产中的花键截面进行测量。同时,利用Pro/E软件对花键轴进行三维造型[9],然后利用软件所带的分析功能测量花键端面面积,测量结果如表1所示。

由表1所列出花键截面积的理论值与计算值可以得出,利用公式(1)计算出的毛坯直径非常精确,它与实际测量值之间的误差小于0.09﹪。

3 结论

完整地建立了螺旋渐开线花键冷滚轧成形前坯料直径计算公式,理论计算值与实际测量值非常接近,误差小于0.09﹪。坯料直径的精确计算为后续滚轧轮的设计提供了强大的理论依据。

参考文献

[1]何枫.小模数渐开线花键滚轧轮的设计.工具技术,2001;35(2);23—25

[2]郑金刚.圆柱直齿小模数渐开线花键冷滚轧成型技术.汽车工艺与材料,1997;(7):16—18

[3]吴修义.小模数渐开线花键滚轧轮技术.机械制造,1998;(1):16—18

[4]张光裕.渐开线花键冷滚挤成形.制造技术与机床,2003;(1):58—60

[5]彭文生,李志明,黄华梁.机械设计.北京:高等教育出版社,2002

[6]张大伟,李永堂,付建华,等.外花键冷滚压成形坯料直径计算.锻压装备与制造技术,2007;(2):

[7]吕立华.金属塑性变形与轧制原理.北京:化学工业出版社,2007

[8]詹昭平,常宝印.渐开线花键标准应用手册.北京:中国标准出版社,1997

日本渐开线花键篇4

关键词：渐开线花键,标准,DIN5480,设计,计算

1 引言

渐开线花键具有结构紧凑、承载能力大、定心精度高、加工工艺性好以及使用寿命长等优点,广泛应用于机械传动领域。

随着国外先进技术的引进,在冶金、铸锻以及采掘等重型机械设备中大量采用了德国标准DIN5480的渐开线花键。该标准在国外同类标准中具有代表性并有较大影响,但与我国渐开线花键标准GB/T 3478-2008有所不同,而且标准文本也未给出完整的示例,给设备的修配、转化设计和制造带来一些不便。本文着重讨论依据该标准进行设计计算的方法和过程。

2 DIN5480渐开线花键标准简介

DIN5480最早于1959年颁布,以后经过1966年、1974年、1986年、1991年多次修订,现行标准于2006年颁布。2006年版标准包括四个部分:

DIN5480-1基于参考直径的渐开线花键联结-第1部分:总则;

DIN5480-2基于参考直径的渐开线花键联结-第2部分:名义尺寸和检验尺寸;

DIN5480-15基于参考直径的渐开线花键联结-第15部分:检验;

DIN5480-16基于参考直径的渐开线花键联结-第16部分:刀具。

该标准规定的渐开线花键具有如下特点:

(1)压力角规定为30°;尺寸系列按“参考直径-模数”排列。与依照ISO 4156和GB/T 3478按“齿数-模数”排列的的渐开线花键不能互换[1]。

(2)齿侧定心,个别情况下允许直径定心。

(3)采用变位齿形,主要目的是为了获得特定的参考直径,以适应标准化的滚动轴承的孔径,并减少加工工具的数量[1]。外花键多数是正变位,相配的内花键为负变位;少量外花键是负变位,与之相配的内花键则为正变位;故同一花键副内、外花键的变位系数大小相同而符号相反,总变位系数为0。

(4)花键轴的制造考虑了冷轧挤压成型工艺,并允许圆齿根齿廓。

(5)引入了作用尺寸概念,齿侧配合计入作用公差对齿侧间隙的影响;总公差TG与实际公差Tact之比取为1.6∶1。

3 设计过程

以下依据2006年版DIN5480标准讨论花键联结的设计计算过程。

3.1 确定参考直径dB、模数m和齿数z

渐开线花键联结取决于参考直径dB、模数m和齿数z。这些参数在DIN5480-1中的表1至表3中给出。其中,花键的参考直径和模数应在表中规定的系列中选择,对应的齿数则随之而定。

需要明确的是:必须在满足承载能力、结构及功能要求的前提下确定这些参数。必要时,可根据DIN5466验算花键联结的承载能力。考虑到在结合长度方向上齿面载荷分布是不均匀的,增加长度并不能起到增大承载能力的作用,在仅传递转矩的情况下,结合长度与花键大径之比取0.5较为合适[2]。

在DIN5480标准中,参考直径dB比外花键齿顶圆直径da1大0.2m,与标准的滚动轴承内径系列相等,不仅可以保证花键轴能够顺利地穿过轴承内孔安装到位,而且可以尽可能地提高花键轴断面的承载能力[1]。这一特点对于一些结构要求紧凑之处的设计尤为方便。

3.2 确定定心方式和配合类型

DIN5480标准的花键副定心方式有齿侧定心、大径定心和小径定心三种。采取大径定心或小径定心,对定心直径的公差和同轴度要求较高,而且为了避免内、外花键的齿顶与齿根产生干涉,需要进行二次加工,因而给花键及刀具的设计、制造过程带来许多困难,所以DIN5480标准将齿侧定心置于优先位置,允许在个别情况下采用大径定心和小径定心。

齿侧定心的花键联结通过选择齿槽宽和齿厚的基本偏差和公差,可以组成不同的齿侧配合。在DIN5480标准中,内花键有6个基本偏差,外花键有18个基本偏差,公差等级则均为8个。DIN5480-1的表9给出了推荐的配合类型。

在径向力较大的场合下,采用齿侧定心的内、外花键之间偏心严重,齿间作用力分布在较少的齿对上,增大了齿面压力,将加速键齿磨损,所以此时宜采用大径定心或小径定心,使径向力由定心配合面承受,以改善齿面磨损情况[2]。

需要注意的是:采取大径定心或小径定心时,应保证足够的齿侧间隙,以避免形成过定位。DIN5480-1的表5给出了这种情况下齿顶圆直径和齿根圆直径的推荐公差带以及相应的齿侧配合。

3.3 确定基本尺寸及其公差

在零件图样上应给出制造花键所需的基本尺寸及其公差。这些项目依次包括:

外、内花键齿高变位量x1·m和x2·m;

外、内花键齿顶圆直径da1、da2及其公差;

外、内花键齿根圆直径df1、df2及其公差;

外、内花键渐开线终止圆直径dFf1、dFf2;

外花键齿厚s及其偏差;

内花键齿槽宽e及其偏差。

在计算时需要注意:

(1)标准中所有规格的齿形均为变位齿,对参考直径、齿数和模数一定的花键都给出了规定的变位量x·m。因此,上述项目的计算必须根据标准给定的变位量来进行。

(2)如果直接引用DIN5480-1表3中的公式计算内花键各直径尺寸,齿数z2应取负值,齿高变位量x2·m应取-x1·m,这样所得到的结果也应该是负值———之所以这样规定,是为了与DIN 3960-1987《渐开线圆柱齿轮和齿轮副的定义、参数和公式》取得一致[1]。最后在图纸上标注这些尺寸时则应取它们的绝对值。

(3)大径定心时,外花键齿顶圆直径da1与内花键齿根圆直径df2均等于参考直径dB,即:da1=df2=dB;小径定心时,应使外花键齿根圆直径df1等于内花键齿顶圆直径da2,即:df1=da2。

(4)齿根圆直径的大小与键齿的加工方式有关。DIN5480标准将键齿的加工分拉削、滚切、插削和冷轧共四种方式,每种方式的齿根高度hfP是不同的(详见DIN5480-1表3),应根据不同情况按公式计算齿根圆直径。

(5)DIN5480-2中第4节至第19节表格中的数据是在齿侧定心、拉削加工的条件下给出的。否则,需要修改相应的数据。盲目地直接引用将造成错误的结果。

3.4 确定检验方法、检验尺寸及偏差

DIN5480标准优先使用量规进行检验,保证花键的齿侧配合性质;只是在无法使用量规时,例如单件、小批量生产或花键尺寸过大等情况下,才允许进行单项检验[3]。

(1)花键量规

DIN5480标准中用于检验工件花键的量规(塞规和环规)包括两类:全齿的通端量规和非全齿的止端量规[3]———前者用于检验最大实体尺寸,后者用于检验最小实体尺寸。应根据工件花键的参考直径dB、模数m、齿数z和公差确定量规的规格。

渐开线花键量规对公差等级、材料及加工的要求较高,所以量规的制造成本也是较高的,一般应用于批量生产工件花键的场合。

此外,因成本和使用条件(重量将超过10kg)所限,不推荐使用参考直径超过240mm的量规[3]。

(2)公法线长度和跨棒距、棒间距

外花键齿厚和内花键齿槽宽可以通过跨k齿公法线长度Wk或外花键跨棒距M1和内花键棒间距M2检验。这些尺寸的名义值可以从DIN5480-2直接查出。极限偏差值可以按以表1中的公式计算。

说明:1.AW*、AM1*和AM2*为偏差系数,可从DIN5480-2中查出;2.AS-齿厚偏差,Ae-齿槽宽偏差,从DIN5480-1中表7查出;3.Teff-作用齿厚/齿槽宽公差,TG-齿厚/齿槽宽总公差,从DIN5480-1中表7查出。

说明:因本例内、外花键公差等级相同,故单项偏差也相同;否则,内、外花键的单项偏差应分别查表确定。

(3)单项偏差

单项偏差包括齿形公差Fα、齿向公差Fβ、齿距累积公差Fp和单个齿距偏差fp。这些数据都可以从DIN5480-1表7中直接查到。

3.5 标注尺寸并编制参数表

在零件图纸中,应给出制造花键所需的全部参数、尺寸和公差以及与所选检验方法有关的项目。由于这些内容较多,无法全部标注在图形上,有些数据需要用参数表的形式附在图中。

DIN5480系列标准没有像GB/T 3478那样规定具体的检验方法以供选择。设计花键时,应根据产品的功能要求和制造条件,选择合适的检验项目予以保证。

4 设计实例

某厂引进轧机的轧辊轴与联轴器之间采用了渐开线花键联结,装配图标注的规格为:

现根据DIN5480计算该花键联结的几何尺寸。

4.1 查表与计算

完整的步骤和过程见表2。

4.2 选择检验方法

零件的工况特点是高温、重载、有间断性的冲击载荷;零件尺寸、重量较大,装配不易;制造批量小(每批最多3件),备件消耗周期长。这些条件要求内、外花键齿面之间应保证良好的接触;控制配合侧隙并适当控制制造成本。

出于上述考虑,采用了单项检验法:不用花键量规,用检验M或W值等方法来控制花键的实际齿槽宽和齿厚,用检验齿距累积公差、齿形误差和齿向误差的方法间接控制花键的综合误差[2]。

4.3 填写参数表

根据表2的结果以及所选的检验方法,填写内、外花键的参数表(详见表3和表4),并附在各自的零件图中。

这里应注意的是:确定M值所选的量棒直径应尽量与标准所规定的一致;当不能一致时,应按实际选用的量棒直径计算M值及其偏差。

5 结语

以上通过实例,详细讨论了利用德国2006年版DIN5480标准进行花键设计计算的过程。从中可以看到,要正确使用该标准必须注意:

(1)引用标准中的公式或图表中的数据时,一定要明确其前提条件,实际情况与之不同时应按照标准作相应修改。

(2)应根据产品的结构特点、功能要求、工艺条件和检验手段等因素来选择合适的检验方法。检验方法的不同,应在参数表中反映出来。

生产实践证明:按照上述过程设计的花键可以与引进产品实现互换,完全符合标准要求。

参考文献

[1]DIN Deutsches Institut für Normung e.V.DIN 5480-1 Involutesplines based on reference diameters-Part 1:Generalities[S].Berlin:Normen durch Beuth Verlag GmbH,2006.

[2]DIETZ P,et al.花键轴联接-应力和磨损特性[J].工程设计学报,1996(1):31-38.

[3]DIN Deutsches Institut für Normung e.V.DIN 5480-15 Involutesplines based on reference diameters-Part 15:Inspection[S].Berlin:Normen durch Beuth Verlag GmbH,2006.

日本渐开线花键篇5

在重型机械的摩擦片制造产业中,美国威尔曼公司是公认的行业领导者。其生产的摩擦片种类繁多,且广泛应用于工业、矿山机械、军用等大型器械上。下图所示即为渐开线花键齿式摩擦芯片。

1 渐开线齿式摩擦芯片零件图分析

由零件图分析得知:制件材料选用硬度较高的65Mn,厚度t=1.9mm;工件有一定的平行度和平面度要求。零件外圆结构尺寸为φ285,六个槽均布(圆弧半径为5mm,圆心定位尺寸分别为φ222和φ150),且上述尺寸对加工精度要求不高。内孔为渐开线内花键齿形。

目前,各个国家对渐开线使用的标准有所不同,即使在同一国家内,渐开线花键标准也不尽相同。如下表1所示。(国内外渐开线主要标准)。从中我们可以看到德国的渐开线花键就有DIN5480及DIN5482两种,日本有JIS B1602及JIS D2001两种。并且,在同一标准内往往又有不同压力角分类。例如法国NF E22-144-78标准中压力角取值就有α=30°、α=37.5°和α=45°三种;另外,不同标准系列中有的采用模数制,而有的则采用径节制;有的国家采用双模数制或双径节制。因此,在进行零件图分析时首先要明确各个国家的标准才能确定准确的渐开线花键参数的计算取值。

美国威尔曼公司委托加工的渐开线花键产品类型,即为模数值标注为2.1167的渐开线内花键,通过下面公式换算可得:

由此确定该渐开线花键参数计算与分析,应当参照美国ANSIB92.2标准中模数为2.1167或参照美国ANSIB92.1 标准中径节为12的标准系列进行计算。

2 渐开线花键齿摩擦片加工工艺方案的拟定

传统的渐开线花键齿成型方案,主要有仿形法加工和展成法加工。考虑工件加工效率和成本控制两方面因素,该渐开线花键齿式摩擦芯片成型方案的初步拟定采用冲裁成型。

由零件图分析看出:该工件既有冲孔又有落料。落料部分为φ285的外径,冲孔部分为冲内渐开线花键齿形和六个均布槽。对工件进行渐开线齿形结构冲裁,有一定冲裁难度要求。但是,参照零件图分析的齿形部分尺寸精度要求,选择进行普通冲裁加工即可以完成加工要求。但是工件材料为硬度较高的65Mn,因此,在加工过程中要特别注意避免出现齿形冲裂现象。工件完工后的检测标准,是采用中径棒间距检测,这种检测方式对工件的光亮带要求较高。因此,在模具设计制造时,一方面要注意模具整体构造可采用全钢性的模具来提高工件的尺寸精度要求,另一方面可以在工件的末道工序根据检验状况可以对工件进行进一步的修整工作。

由前面渐开线花键内齿摩擦片的工艺分析,确定工件的工艺路线为以下四步:

第一步,利用剪板机剪切冲裁用的板料。

第二步,工件调平。采用先调平后冲齿可以保证冲齿后齿形的精度。针对工件的平行度和平面度要求,在冲齿之前对工件进行调频处理,目的是矫正工件的平行度和平面度要求,保证齿形冲裁后渐开线齿形的精度要求。具体操作是将工件在调频炉里摆放好后,然后在最上层加重物施压。工件加热后在重物施压下,提高工件的表面精度要求。

第三步,冲形。该零件选用的材料硬度较高。冲压难点主要在于齿形冲裂问题。在企业早期试件冲压中就发现有较为普遍的齿形开裂问题。因此,确定零件的加工工艺过程,主要针对的便是渐开线花键齿的冲裁模设计。在花键齿的冲裁模设计中,我们引入了有限元软件对冲裁间隙进行分析,最终确定了一个合理的冲裁间隙0.094mm。同时减少了修模次数,缩短了模具设计周期。针对渐开线齿形零件的相似性问题,在模具造型设计上,借助UG的参数化进行设计,避免了同类制件模具设计上出现的相同的问题。

第四步,利用棒间距检测原理来检测渐开线齿式冲裁件的齿形,并采用自制量具检查平行度和平面度。最后要注意对有冲压毛刺的产品进行修正。由于棒间距测绘项目中的棒距公式计算繁琐、容易出错。在分析过程中,利用EXCEL软件中函数计算功能来计算棒距,大大简化了相应参数的求解过程,为以后类似的棒间距计算提供了一个比较高效的方法。

3 渐开线花键齿摩擦片冲裁方案的拟定

首先进行冲裁力计算。计算冲裁力的目的是为了选用合适的压机、设计模具和检验模具强度。压机的吨位必须大于所计算的冲裁力。目前该公司现有最大的冲压设备为80吨位的机械式压力机。冲裁方案设计时考虑遇到的第一个冲压问题便是冲压能力可能不足。因此,在方案拟定中首先进行了冲裁力计算,检查设备工作能力。冲裁力(单位N)计算公式(采用刚性卸料和下出料方式)如下:

式中:K为安全系数,考虑到模具刃口的磨损,凸凹模间隙的波动,材料机械性能的变化,材料厚度及偏差等因素一般取1.3;L为冲裁轮廓长度,单位mm;t为板料厚度,单位mm;τ为材料的抗剪强度。通过查表确定取值为600Mpa。将渐开线花键齿摩擦片各部分冲压单元尺寸代入以上公式计算可得:

φ285外圆落料冲裁力:

6 个均布槽的冲裁力

内花键齿冲裁力:

从上述各单元的冲裁力计算可以看出,企业现有80吨位的机械式压力机的冲压设备,在外圆和内齿的冲裁加工中显得能力不足。

当前首要问题是根据企业经济状况,考虑不同的冲裁方案并购入适当的冲压设备。其次是要确定冲裁工艺方案。

冲裁模具按工序组合程度,主要可分为单工序模、级进模、复合模三种:

(1)单工序模

在压力机一次行程内中一副模具只完成一种工序的冲模,如落料模、冲孔模、切边模、切口模、切断模等。其典型结构一般包括工作零件、定位零件、卸料及推件零件、导向零件和连接固定零件五部分组成。单工序模结构相对比较简单,制造方便,缺点是工件加工若有多个工序时,加大了加工误差。要保证工件精度、质量,势必增加模具的制造难度。

(2)复合模

在压力机的一次行程中,在一副模具的同一位置上完成几个不同工序的冲模。复合模中必定有一个或几个凸凹模,模具的轮廓尺寸较小,冲件精度比单工序模冲出的精度高。缺点是成本偏高,制造周期长,多个工序内容集中在一起,冲裁所需的冲裁力较大。

(3)级进模

级进模是在单工序冲模的基础上发展起来的一种多工序、高效率冲模,在压力机一次行程中可以完成多个工序的连续冲压。连续模冲裁可以减少模具和设备数量,生产率高,操作方便安全,便于实现冲压生产自动化。缺点是级进模轮廓尺寸较大,制造复杂,成本较高,一般仅适合大批量,精度要求低、多工序的小件加工。

本零件外廓尺寸较大,包括冲孔和落料两个基本工序。一般可以有以下几种加工方案选择:方案一是先落料,后冲六个槽和渐开线内齿,采用单工序模生产。方案二是冲孔—落料级进冲压,采用级进模生产。方案三是采用落料、冲孔同时进行的复合模生产。

通过冲裁力计算得知,企业现有80吨位

冲床设备,即使使用单工序模能力尚且不足。经过对订单状况以及公司的经济状况分析研究,决定购进180吨位的冲床。根据此设备冲压能力,冲裁方案只能采用单工序模生产。因此,最终我们确定花键齿的加工工艺方案:落料-冲槽-调平-冲齿-检测。

参考文献

[1]机械工程标准手册编委会编委.机械工程标准手册键与花键联接卷,北京,中国标准出版社,2001.

[2]詹昭平,常宝印,明翠新.渐开线花键标准应用手册,北京,中国标准出版社,1997.

[3]汪金飞,刘玉慧.冲裁成形与断裂的数值模拟,锻压装备与制造技术,2007.04,第2期:72-74.

[4]黄珍媛,阮锋,周驰等.薄板精密冲裁的变形过程和机理研究,锻压装备与制造技术,2009.01,第1期:146-148.

[5]方刚,曾攀.金属板料冲裁过程的有限元模拟,金属学报,2001.06,第6期:653-657.

[6]樊曙天,张玉新,林立峰.板料冲裁过程中材料流动与断面形成的有限元模拟,模具工业,2009.02,第2期:36-38.

日本渐开线花键篇6

关键词：DIN5480渐开线花键,跨棒距,公法线长度,公差计算

引言

花键的跨棒 (球) 距M值、公法线长度W值的测量应用较广泛, 由于其测量工具简单, 测量精度高 (不受齿顶圆误差的影响) , 所以许多厂家把M、W值作为重要检查项目标注到产品图上;且根据实测M、W值与工艺要求值的偏差调整径向进刀量, 便于调整工艺与控制产品质量。

跨棒距与公法线长度公差的计算

由于DIN5480渐开线花键已经标准化、系列化, 设计与制造时只需根据基准直径、齿数、精度与配合等级在标准原文中选取。下面举例我厂加工的两种零件中内外花键M值、W值公差的计算:

轴承法兰的外花键W110×3×30×35×9k, 参数解释如下:基准直径dB=110, 模数m=3, 压力角α=30°, 齿数Z=35, 精度与配合等级为9k。

在标准DIN5480文中可以查到以下参数:

名义齿厚s1=5.694, 量棒直径DM1=6mm, 变位量xm=0.85, 跨棒距名义尺寸M1=116.076mm, 偏差系数A*M1=1.53, 跨齿数k=7, 名义公法线长度Wk=58.791mm, A*Wk=0.866。9k级的齿厚偏差As=28μm, 总公差TG=90μm, 实际齿厚公差Tact=56μm, 作用齿厚公差Teff=34μm。

根据标准中的计算方法, 则M值、W值的公差为:

以上是利用查找标准的数据计算出M值、W值及其公差, 下面使用公式对其进行验算:

s:实际齿厚

αM:量棒中心压力角

以上验证了外花键的W值、K值公差的计算结果是正确的。

离合器体的内花键N110×3×30×35×9H, 参数解释如下:基准直径dB=110, 模数m=3, 压力角α=30°, 齿数Z=35, 精度与配合等级9H。

在标准DIN5480文中可以查到以下参数:

名义齿槽宽e2=5.694, 量棒直径DM2=5.25mm, 变位量xm=0.85, 跨棒距名义尺寸M2=99.001mm, 偏差系数A*M2=1.76, 9H级的齿槽宽偏差Ae=0, 总公差TG=90μm, 实际齿槽宽公差Tact=56μm, 作用齿槽宽公差Teff=34μm。

结语

本文简述了DIN5480渐开线的M值、W值的公差的计算方法, 对中小批量生产及质量控制有着一定的指导意义。

参考文献

[1]D I N5480., Passverzahnungen mit Evolventenflanken und Bezugsdurchmesser[S].德国2006年3月实施。