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内容简介：

邵阳学院毕业设计（论文）关于传动花键和平键的外形设计Daniel C.H. Yang, Shih-Hsi Tong 摘要：花键和平键是安装在轴和键槽间的传输动力的机械零件。花键(或键)通常安装在动力传动副中的轴上，在轴上开有相应的键槽。本文分析了槽轴外形对动力传输的影响。本文陈述了三种不同设计类型的花键的外形设计。用微分的方法来计多算外形函数的最大值，可以成功地得到所要的数据。计算表明花键以及断开线外形引起键槽的变形。此外，他们能承载最大的传动载荷。另外，辐形平直的外形能提高传动的效率。我们认为该发现值得报道，该种方法同时也可用于其他花键的设计。关键字：花键，平键1 介绍键是安装在轴和键槽等动力传动装置如齿轮和扣练齿轮之间的零件。花键发挥着和键一样的作用，将力矩从轴传到配合零件上。花键和平键的主要区别是花键和平键连为一体的，而键是安装在键槽上的。与一个或两个用来传动动力的键相比，在轴上一般有四个或更多的花键。因此，传输的力矩更恒定，每个花键上的所受的载荷较低。在传输力矩中，花键发挥着重要的作用，花键的外形对动力传输的影响很大。与共轭外形不同，带有花键和键槽的轴有同样的转动轴，他们之间没有相对运动，是紧密配合的。他们联结在一起，有着相同的角速度。因此,它表明除轴外形之外的任何外形都可以用做花键的设计。然而，实际上花键和键槽间的载荷并不是分布在整个接触表面的。载荷通常集中在接触表面的某小一部分和可变形的键表面。当循环工作较久时，这就会引起轴和键槽之间不希望得到的空隙，并引起键槽表面的损坏。为了解决这些问题，需要更进一步分析花键的外形是怎样影响力矩传输的，以便做出合适的花键外形设计。目前使用中主要有两种花键，分别为直线边花键和渐进线花键。渐进线花键具有自动调心的配合零件，可以用标准平头钉切削器切除齿轮的齿。目前，相关的研究都着重于共轭外形齿轮的设计以及弯曲外形的设计，以来减少配合表面的磨损。然而，由于不同的工作状况，它们都不能直接应用于花键的外形。在本论文中，建立了花键外形的基本公式，在不同设计对象中用来分析所要求的外形。三个设计对象，恒定变形，传输最大力矩和最佳传动效率，这三项被用来计算花键外形。成功地得到了分析方法。2 陈述问题并提出基本假设如图1所示，轴传动轮毂同时花键固定在轴上。设计要求决定了轴半径、花键高度、花键齿数，因此不能改动。只能通过改变花键的轮廓来提高传动性能。为简化设计问题以便于分析，做出以下几点假设：（1） 花键是刚体 相对轮毂，花键由刚性材料制成并假设它在承受负载后无变形。（2） 轮毂属弹性变形轮毂表面变形在弹性变形范围内时，表面压力与变形量成正比。（3） 花键无轴向变形通常花键的齿高相对于齿宽尺寸小很多。因此，我们假设键端无积累变形，只有轮毂面有变形。（4） 花键与轮毂接触处无间隙（面接触）花键形状与轮毂形状不考虑制造误差完全一致。它们属于面接触没有间隙。图1 花键3 花键变形跟轮毂变形一致设计的第一目标是使轮毂表面变形一致，那就要求轮毂上的压力均布。这样能保证表面承受的压力均匀分布，以避免一些危险点损坏材料。如图2，表示轴半径，表示花键的小旋转角。因为我们假定花键为刚体，所以花键任两点之间的变化就是轮毂的变形。花键联接按照键的横截面开头分为矩形花键联接和渐开线花键联接。图2 花键小旋转角4 危险截面确定简单传统设计方法考虑的前提是把影响零件工作状态的设计变量，如应力、强度、安全系数、载荷、环境因素、材料性能、零件尺寸和结构因素等，都处理成确定的单值变量。描述零件状态的数学模型，即变量与变量的关系，是通过确定性的函数进行单值变换获得危险截面。常用的危险截面的确定方法有以下几种：41 花键的最小直径法花键危险截面的可靠度非常高(几乎为 100)，这是由于花键的直径是按传统的设计经验确定的。若要求适当的可靠度值，则花键的直径可选用较小的值。42 可靠性安全系数法采用可靠性安全系数法设计时，必须知道应力和强度的分布类型与分布参数估计值。而可靠性数据的积累又是一项长期的工作，因而我们必须利用现有的数据资料，运用有关定理与法则(如中心极限定理和“3 法则”等 )，来确定设计过程中所涉及的许多随机变量的分布类型与分布参数。在可靠性安全系数计算 中，是把所涉及的设计参数都处理成随机变量，将安全系数的概念与可靠性的概念联系起来，从而建立相应的概率模型。由于考虑到工程实际中发生的现象及表征参数的不确定性(随机性)，因而更能揭示事物的本来面貌。理论分析与实践表明，可靠性设计比传统机械设计，能更有效地处理设计中一些问题，提高产品质量，减少零件尺寸，从而节约原材料，降低成本。5 结束语机械可靠性设计是近几十年来发展起来的一种现代设计理论和方法，它以提高产品质量为核心 ，以概率论 、数理统计为基础 ，综合运用工程力学 、系统工程学 、运筹学等多学科知识来研究机械工程最优设计问题。目前 ，可靠性设计的理论已趋于完善，但真正用于机械零件设计工程实际的却很少。采用可靠性安全系数法设计时，必须知道应力和强度的分布类型与分布参数估计值。而可靠性数据的积累又是一项长期的工作，因而我们必须利用现有的数据资料，运用有关定理与法则，来确定设计过程中所涉及的许多随机变量的分布类型与分布参数。本文讲述了三种花键（或平键）形状最佳设计标准。用变量积分法来确定轮廓公式以及最大值，由此获得分析结果。从结果可以看出，渐开线花键导致轮毂变形一致，此外，能传递的载荷最大。另外，矩形花键传动最高效。相信如果要增加新的性能标准，别的形状的花键很少会被用到。参考文献1 Robert L. Mott, Machine Elements in Mechanical Design, third ed., Prentice-Hall Inc., 1999.2 M.F. Spotts, Design of Machine Elements, third ed., Prentice-Hall Inc., 1961.3 Joseph E. Shigley, Larry D. Mitchell, Mechanical Engineering Design, fourth ed., McGraw-Hill Inc., 1983.4 D.C.H. Yang, S.H. Tong, J. Lin, Deviation-function based pitch curve modification for conjugate pair design, Transaction of ASME Journal of Mechanical Design 121 (4) (1999) 579586.5 S.H. Tong, New conjugate pair designtheory and application, PhD Dissertation, Mechanical and Aerospace Engineering Department, UCLA, 1998.6 F.L. Litvin, Gear Geometry and Applied Theory, Prentice-Hall Inc., 1994.7 D.B. Dooner, A.A. Seireg, The Kinematic Geometry of Gearing, John Wiley & Sons Inc., 1995, pp. 5663.8 Y. Ariga, S. Nagata, Load capacity of a new WN gear with basic rack of combined circular and involute profile, Transaction of ASME Journal of Mechanisms, Transmissions, and Automation in Design 107 (1985) 565572.9 M.J. French, Gear conformity and load capacity, in: Proc Instn Mech Engrs, vol. 180(43), Pt 1, (196566), pp. 10131024.10 A.O. Lebeck, E.I. Radzimovsky, The synthesis of tooth profile shapes and spur gears of high load capacity, Transaction of ASME Journal of Engineering for Industry (1970) 543553.11 H. Iyoi, S. Ishimura, v-Theory in gear geometry, Transaction of ASME Journal of Mechanisms, Transmissions, and Automation in Design 105 (1983) 286290.12 J.E. Beard, D.W. Yannitell, G.R. Pennock, The effects of the generating pin size and placement on the curvature and displacement of epitrochoidal gerotors, Mechanism and Machine Theory 27 (4) (1992) 373389.13 H.C. Liu, S.H. Tong, D.C.H. Yang