美標(biāo)漸開(kāi)線(xiàn)花鍵綜合量規(guī)設(shè)計(jì)

張禮才

（中國(guó)煤炭科工集團(tuán) 太原研究院有限公司， 山西 太原 030032）

0 引言

美標(biāo)漸開(kāi)線(xiàn)花鍵齒形較厚，有利于增加其承載能力，因而在礦用設(shè)備中得到了廣泛應(yīng)用。然而，此類(lèi)花鍵檢測(cè)難度較大， 采用常規(guī)的國(guó)標(biāo)花鍵量規(guī)無(wú)法檢測(cè)美標(biāo)花鍵加工制造質(zhì)量。花鍵量規(guī)的設(shè)計(jì)計(jì)算比較復(fù)雜，花鍵設(shè)計(jì)參數(shù)發(fā)生變化，檢測(cè)花鍵的量規(guī)參數(shù)需要重新計(jì)算，因此花鍵量規(guī)設(shè)計(jì)與出圖花費(fèi)時(shí)間較長(zhǎng)，難以推廣應(yīng)用。為此本文依據(jù)美國(guó)漸開(kāi)線(xiàn)花鍵標(biāo)準(zhǔn)ANSI B92.1-1996，設(shè)計(jì)了美標(biāo)漸開(kāi)線(xiàn)花鍵量規(guī)，基于MATLAB 軟件，開(kāi)發(fā)了花鍵量規(guī)參數(shù)計(jì)算程序， 花鍵量規(guī)設(shè)計(jì)與出圖花費(fèi)時(shí)間縮短了50%，顯著提高了花鍵量規(guī)設(shè)計(jì)效率。

1 美標(biāo)漸開(kāi)線(xiàn)花鍵的特點(diǎn)及檢測(cè)難點(diǎn)

美標(biāo)漸開(kāi)線(xiàn)花鍵規(guī)定了四種齒廓分別為：30°圓齒根、30°平齒根、37.5°圓齒根、45°圓齒根，30°壓力角花鍵定心方式包括大徑定心、齒側(cè)定心，37.5°、45°壓力角花鍵定心方式均為齒側(cè)定心， 花鍵齒數(shù)最小為6 齒， 最大為100 齒，雙徑節(jié)值最小為2.5/5，最大為80/160。 美標(biāo)漸開(kāi)線(xiàn)花鍵特點(diǎn)如表1 所示[1]。

表1 美標(biāo)漸開(kāi)線(xiàn)花鍵特點(diǎn)Tab.1 Features of american standard involute spline

美標(biāo)漸開(kāi)線(xiàn)花鍵采用英制雙徑節(jié)制， 花鍵參數(shù)的計(jì)算較為復(fù)雜，轉(zhuǎn)化為米制標(biāo)準(zhǔn)后模數(shù)通常是小數(shù)，我國(guó)漸開(kāi)線(xiàn)花鍵標(biāo)準(zhǔn)號(hào)為GB/T3478.1，采用米制模數(shù)制，國(guó)標(biāo)花鍵與美標(biāo)花鍵齒形對(duì)比如圖1 所示[2]。

圖1 花鍵齒形對(duì)比Fig.1 Spline tooth profile comparison

由圖1 可知， 國(guó)標(biāo)花鍵齒形與美標(biāo)花鍵齒形不同，采用國(guó)標(biāo)花鍵量規(guī)不能檢測(cè)美標(biāo)花鍵加工制造質(zhì)量，采用量棒僅能檢測(cè)花鍵跨棒矩、棒間距，無(wú)法檢測(cè)其它參數(shù)，而且檢測(cè)效率低下。 國(guó)標(biāo)花鍵量棒不適用于美標(biāo)花鍵檢測(cè)。

2 花鍵綜合量規(guī)設(shè)計(jì)的要點(diǎn)

花鍵量規(guī)設(shè)計(jì)包括量規(guī)型式、參數(shù)計(jì)算、公差選擇、材料選擇、硬度要求、表面粗糙度要求、檢驗(yàn)要求等，其中量規(guī)參數(shù)計(jì)算、公差選擇為設(shè)計(jì)重點(diǎn)[3]。

花鍵量規(guī)參數(shù)包括大徑、小徑、基圓直徑、分度圓直徑、齒根圓弧最小半徑、作用齒厚（齒槽寬）最小值、作用齒厚（齒槽寬）最大值、實(shí)際齒厚（齒槽寬）最小值、實(shí)際齒厚（齒槽寬）最大值、量棒直徑、跨棒矩（棒間距）。

下面以跨棒矩計(jì)算為例， 說(shuō)明花鍵量規(guī)參數(shù)計(jì)算方法，跨棒距計(jì)算如圖2 所示。

圖2 跨棒距計(jì)算Fig.2 Span calculation

式中：N—花鍵齒數(shù)；D—分度圓直徑；φD—表示標(biāo)準(zhǔn)壓力角；P—徑節(jié)；t—齒厚。

根據(jù)零件齒厚（齒槽寬）公差值計(jì)算量規(guī)的齒厚（齒槽寬）公差值，對(duì)于綜合止端塞規(guī)，零件作用齒槽寬公差上限值與對(duì)應(yīng)量規(guī)齒厚公差上限值一致， 量規(guī)齒厚公差下限值等于齒厚公差上限值與量規(guī)公差的差值。 量規(guī)公差通過(guò)查表得到。 零件齒厚（齒槽寬）公差與量規(guī)齒厚（齒槽寬）公差的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖3 所示。

圖3 零件與量規(guī)齒形公差的對(duì)應(yīng)關(guān)系Fig.3 Correspondence between parts and gauge tooth profile tolerance

3 掘采裝備關(guān)鍵傳動(dòng)部件簡(jiǎn)介

煤礦掘采裝備包括掘進(jìn)機(jī)、連采機(jī)、掘錨機(jī)等，掘采裝備工作條件復(fù)雜惡劣，工作載荷較大，載荷波動(dòng)劇烈，而且時(shí)常受到?jīng)_擊載荷作用[4]。掘采裝備傳動(dòng)系統(tǒng)包括液壓傳動(dòng)、電力傳動(dòng)，液壓傳動(dòng)系統(tǒng)包括馬達(dá)、減速器、執(zhí)行元件，電力傳動(dòng)系統(tǒng)包括電機(jī)、減速器、執(zhí)行元件。連采機(jī)截割部傳動(dòng)系統(tǒng)采用電力傳動(dòng)，包括截割電機(jī)、截割減速器、扭矩軸、限矩器[5]。 如圖4 所示。

圖4 掘采裝備截割傳動(dòng)系統(tǒng)示意圖Fig.4 Schematic diagram of cutting drive system of mining equipment

截割電機(jī)軸為空心軸， 截割電機(jī)軸加工有外花鍵與限矩器輸入端的內(nèi)花鍵連接，扭矩軸兩端加工有外花鍵，穿過(guò)截割電機(jī)的空心軸， 一端與限矩器輸出端的內(nèi)花鍵連接，另一端與截割減速器的輸入端內(nèi)花鍵連接。

截割電機(jī)驅(qū)動(dòng)限矩器轉(zhuǎn)動(dòng)， 限矩器通過(guò)扭矩軸驅(qū)動(dòng)截割減速器運(yùn)轉(zhuǎn)，截割滾筒裝配在截割減速器外部，實(shí)現(xiàn)采煤功能， 限矩器在傳遞動(dòng)力的同時(shí)起到機(jī)械過(guò)載保護(hù)作用，當(dāng)外力矩低于限矩器摩擦片設(shè)定的摩擦扭矩時(shí)，限矩器將截割電機(jī)的動(dòng)力傳送至截割減速器， 反之當(dāng)外力矩高于限矩器摩擦片設(shè)定的摩擦扭矩時(shí)，摩擦片打滑，截割部停止工作， 此后， 當(dāng)外力矩又低于設(shè)定的摩擦扭矩時(shí)，限矩器自動(dòng)恢復(fù)動(dòng)力傳動(dòng)。

扭矩軸是實(shí)現(xiàn)限矩器輸出裝置與截割齒輪箱之間動(dòng)力傳動(dòng)的，比較細(xì)長(zhǎng)。 當(dāng)外力矩低于扭矩軸保護(hù)值時(shí)，扭矩軸傳送動(dòng)力，截割電機(jī)驅(qū)動(dòng)截割部正常工作；反之，當(dāng)外力矩大于扭矩軸保護(hù)值時(shí)，扭矩軸扭斷，與扭斷的扭矩軸相連的一側(cè)電機(jī)空轉(zhuǎn)，停止驅(qū)動(dòng)截割部，需要重新更換扭矩軸方可恢復(fù)工作。 扭矩軸同樣能在傳送動(dòng)力的同時(shí)起截割部過(guò)載保護(hù)作用。通常，限矩器要先于扭矩軸動(dòng)作起過(guò)載保護(hù)作用。

4 限矩器、扭矩軸花鍵量規(guī)參數(shù)計(jì)算

MATLAB 是美國(guó)Mathworks 公司開(kāi)發(fā)的大型科學(xué)計(jì)算應(yīng)用軟件系統(tǒng)，它提供了強(qiáng)大的數(shù)值計(jì)算、矩陣處理和繪圖功能。 MATLAB 系統(tǒng)提供的基本函數(shù)庫(kù)包含著大量的數(shù)值分析函數(shù)。借助這些基本函數(shù)，許多復(fù)雜問(wèn)題的求解計(jì)算， 只需要幾條簡(jiǎn)單的調(diào)用語(yǔ)句就能完成求解計(jì)算程序的編制[6]。

鑒于花鍵量規(guī)計(jì)算較為繁瑣，難以推廣的問(wèn)題，應(yīng)用MATLAB 軟件，編制了花鍵量規(guī)基圓直徑、分度圓直徑、大徑、小徑、漸開(kāi)線(xiàn)起始圓直徑、實(shí)際齒厚（齒槽寬）最大值、實(shí)際齒厚（齒槽寬）最小值、作用齒厚（齒槽寬）最大值、作用齒厚（齒槽寬）最小值、齒根圓弧最小半徑、量棒直徑、跨棒距（棒間距）等參數(shù)計(jì)算程序[7]，外花鍵量規(guī)的跨幫距計(jì)算程序如下：

對(duì)于不同規(guī)格的美標(biāo)漸開(kāi)線(xiàn)花鍵，只需輸入齒數(shù)、徑節(jié)等基礎(chǔ)設(shè)計(jì)參數(shù)，即可得到花鍵量規(guī)設(shè)計(jì)參數(shù)。從而提高了花鍵量規(guī)的設(shè)計(jì)效率。

應(yīng)用編制的掘采裝備美標(biāo)剪開(kāi)線(xiàn)花鍵量規(guī)參數(shù)計(jì)算程序，輸入限矩器、扭距軸花鍵設(shè)計(jì)參數(shù)，得到花鍵量規(guī)設(shè)計(jì)參數(shù)如表2 所示。

表2 限矩器、扭矩軸花鍵量規(guī)參數(shù)（部分）Tab.2 Torque limiter、Torque shaftSpline gauge parameters（section）

繪制花鍵量規(guī)圖紙，加工制造完成，限矩器、扭距軸花鍵量規(guī)實(shí)物照片如圖5、圖6 所示。

圖5 扭矩軸花鍵量規(guī)Fig.5 Torque shaft spline gauge

圖6 限矩器花鍵量規(guī)Fig.6 Torque limiter spline gauge

5 結(jié)論

本文以美標(biāo)漸開(kāi)線(xiàn)花鍵為研究對(duì)象， 分析了此類(lèi)花鍵的特點(diǎn)和檢測(cè)難點(diǎn)， 提出了此類(lèi)花鍵綜合量規(guī)的設(shè)計(jì)流程、參數(shù)計(jì)算方法。 編制了量規(guī)參數(shù)計(jì)算程序，提高了量規(guī)設(shè)計(jì)效率，得出結(jié)論如下。

美標(biāo)漸開(kāi)線(xiàn)花鍵采用徑節(jié)制， 國(guó)標(biāo)漸開(kāi)線(xiàn)花鍵采用模數(shù)制，采用國(guó)標(biāo)花鍵檢具無(wú)法檢測(cè)美標(biāo)花鍵加工質(zhì)量，需依據(jù)美標(biāo)ANSIB92.1-1996 設(shè)計(jì)專(zhuān)用檢具。

花鍵量規(guī)參數(shù)計(jì)算復(fù)雜繁瑣， 花鍵設(shè)計(jì)參數(shù)發(fā)生變化，檢測(cè)花鍵的量規(guī)參數(shù)需要重新計(jì)算，為此，應(yīng)用MATLAB 軟件編制了美標(biāo)漸開(kāi)線(xiàn)花鍵量規(guī)參數(shù)通用計(jì)算程序，花鍵量規(guī)設(shè)計(jì)與出圖花費(fèi)時(shí)間縮短了50%。

以掘采裝備關(guān)鍵傳動(dòng)部件：限矩器、扭矩軸為例，計(jì)算了花鍵量規(guī)參數(shù)，完成了花鍵量規(guī)設(shè)計(jì)制造。