花鍵過度磨損原因分析

朱孝錄 ， 胡 煒 ， 薄文麗 ， 李東武

（1.北京科技大學(xué)，北京 100083；2.沃德傳動(dòng)（天津）股份有限公司，天津 300409）

0 引言

花鍵連接在減速機(jī)中是一種常用的連接形式，但是如果設(shè)計(jì)、使用不當(dāng)，因花鍵齒過度磨損而失效是高概率事件，微動(dòng)磨損成為主要失效形式之一[1]?；ㄦI磨損的原因很多，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了多方面的研究。KU 等[2]歷時(shí)9 年，對(duì)花鍵的磨損機(jī)理進(jìn)行深入的研究，重點(diǎn)研究?jī)A角不對(duì)中、潤(rùn)滑、材料類型、工作溫度和表面處理等設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)環(huán)境磨損的影響，討論設(shè)計(jì)和潤(rùn)滑相關(guān)的參數(shù)，可以用來減輕花鍵齒的磨損。文獻(xiàn)[3]指出，旋轉(zhuǎn)機(jī)械軸線不對(duì)中是不可避免的，軸線不對(duì)中，花鍵在實(shí)際工作中可能只有部分（25%～50%）齒參與嚙合，從而導(dǎo)致斷齒、劃痕、點(diǎn)蝕、塑性變形等損傷或失效，并且指出軸線不對(duì)中是花鍵磨損的決定性因素。薛向珍等[4]認(rèn)為，花鍵副的微動(dòng)磨損是微動(dòng)磨損與微動(dòng)疲勞共同作用的結(jié)果，提出了能較準(zhǔn)確反映損傷累積的模型，為進(jìn)一步研究考慮齒側(cè)間隙的花鍵副微動(dòng)磨損疲勞壽命提供依據(jù)。劉鴻雁[5]的研究表明，可以通過提高花鍵軸的加工精度、減少花鍵連接的配合間隙和通過熱處理提高接觸強(qiáng)度等方式來提高花鍵的磨損壽命。MONTI S[6]在實(shí)驗(yàn)和數(shù)值分析的基礎(chǔ)上認(rèn)為，花鍵齒的過早磨損是由于軸與輪轂之間的周期性微滑動(dòng)造成的，這與結(jié)構(gòu)的變形引起的非均勻接觸條件有關(guān)。劉軍[7]通過分析研究認(rèn)為，花鍵齒面疲勞磨損破壞主要由齒面摩擦因數(shù)、最大齒面作用力、花鍵連接偏心量、齒面面積等因素所決定；并可根據(jù)這些參數(shù)和材料的特性來評(píng)估花鍵連接齒面疲勞磨損破壞的壽命。顧玲等[8]從傳動(dòng)軸花鍵的磨損機(jī)理入手，分析研究影響花鍵耐磨性有關(guān)的幾何參數(shù)。為提高花鍵聯(lián)接的可靠性和耐磨性，提出一些實(shí)用性對(duì)策。RATSIMBA等[9]對(duì)花鍵副的微動(dòng)磨損提出了一種預(yù)測(cè)的方法，并進(jìn)行驗(yàn)證，認(rèn)為少量潤(rùn)滑油情況下的磨損情況要比不加潤(rùn)滑的好。文獻(xiàn)[10]論述推土機(jī)錐花鍵的磨損現(xiàn)象和磨損的原因，提出從材料熱處理、加工質(zhì)量、裝配工藝方法等方面的改進(jìn)措施。

以上研究表明，花鍵副有多種損傷和失效形式，但是都認(rèn)為磨損是花鍵副的主要形式之一，而軸線不對(duì)中是花鍵磨損的決定性因素[3]。在煤礦井下刮板運(yùn)輸機(jī)上的一臺(tái)250 減速機(jī)，使用2 a 多后，輸入軸外花鍵鍵齒被磨禿而失效（花鍵齒齒面硬度HRC 30～45）；另一臺(tái)輸出軸內(nèi)花鍵鍵齒也被磨禿而失效；還有一臺(tái)花鍵齒嚴(yán)重磨損?；ㄦI磨損的原因很多[2]，但根據(jù)磨損斷口形貌觀察，可以判定花鍵齒的磨損主要是由于內(nèi)外花鍵軸線不同軸（本研究暫不討論傾角不同軸）引起的，是一種典型的微動(dòng)磨損失效。

1 花鍵齒磨損形貌觀察

輸入軸外花鍵齒被磨禿的形貌見圖1，是一種嚴(yán)重的過度磨損，當(dāng)鍵齒齒厚磨損到一定程度，最后殘留部分是被內(nèi)花鍵齒剪斷的。

圖1 外花鍵磨損形貌Fig.1 Wear morphology of External spline teeth

內(nèi)花鍵齒磨損形貌和齒廓的磨損程度見圖2，齒廓已經(jīng)磨去2～3 mm。齒面產(chǎn)生大量紅褐色氧化物顆粒（磨屑，粉末狀）（圖3），其中大部分為菱形六面體非磁性的α-Fe2O3，具有高磨粒性；磨屑中也含有一些黑色的Fe3O4，也是一種磨粒，結(jié)成塊粘附在齒上。內(nèi)花鍵鍵齒全部磨去（缺失）的斷口形貌見圖3，鍵齒斷口可分磨損部分和剪斷部分，磨損部分幾乎占花鍵齒厚的1/2，花鍵最后是因鍵齒剪斷而失效。

圖2 內(nèi)花鍵齒廓磨損形貌Fig.2 Wear morphology of inner spline teeth

圖3 內(nèi)花鍵齒磨損缺失形貌Fig.3 Wear-deleted morphology of inner spline teeth

2 花鍵磨損性質(zhì)及原因分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、斷口觀察和分析，多臺(tái)減速機(jī)花鍵齒出現(xiàn)過度磨損的主要原因之一是內(nèi)外花鍵鍵齒之間的微動(dòng)。而產(chǎn)生微動(dòng)的根本原因是內(nèi)外花鍵軸線不重合，花鍵齒面產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)，從而出現(xiàn)廣義上的微動(dòng)磨損。

對(duì)于無載荷、有間隙的漸開線花鍵連接，在無任何誤差時(shí)，是一種同軸線耦合副；在無載荷時(shí)，鍵齒兩側(cè)的間隙相等，均為側(cè)隙Cv的1/2。對(duì)于無任何誤差，內(nèi)外花鍵軸線重合的花鍵連接，在承受轉(zhuǎn)矩T 作用時(shí)，每一個(gè)花鍵齒的側(cè)面作用力是相同的，內(nèi)外花鍵齒之間也不會(huì)產(chǎn)生滑動(dòng)，因而也不會(huì)產(chǎn)生磨損（圖4）。

圖4 無誤差花鍵連接在承受轉(zhuǎn)矩T 時(shí)的受力狀態(tài)Fig.4 Error-free spline connection at the torque T when the force state

對(duì)于內(nèi)外花鍵軸線不重合的花鍵連接，兩軸線有一個(gè)偏心量e，偏心量e 可以是安裝軸線不重合，或加上軸的彈性變形引起的，這時(shí)就會(huì)產(chǎn)生齒面相對(duì)滑動(dòng)。圖5 是兩軸線有偏心量e 時(shí)的花鍵連接狀態(tài)。從圖中可以看到，花鍵在轉(zhuǎn)速n 轉(zhuǎn)矩T 的運(yùn)轉(zhuǎn)條件下，接觸的齒面上任何一點(diǎn)K 到內(nèi)花鍵圓心O1、外花鍵圓心O2的距離分別為、。

內(nèi)外花鍵旋轉(zhuǎn)時(shí)的轉(zhuǎn)速n 是相同的（外花鍵主動(dòng)，內(nèi)花鍵從動(dòng)），由于，其圓周速率vk1＞vk2，且2 個(gè)速度不在同一個(gè)方向上，因此K 點(diǎn)的齒面就會(huì)產(chǎn)生滑動(dòng)，其滑動(dòng)速度為vh。

圖5 兩軸線有偏心量e 時(shí)的花鍵連接狀態(tài)Fig.5 Spline connection state when two axes have an eccentricity e

式中：vh為滑動(dòng)速度，m/s；n 為花鍵轉(zhuǎn)速，r/min；e 為偏心量，mm。

由此可見，只要有偏心量，齒面的滑動(dòng)就不可避免，雖然滑動(dòng)速率很小，但是如果齒面處于干摩擦狀態(tài)，過度磨損就不可避免；因此，內(nèi)外花鍵因軸線存在不同軸，使齒面產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)（微動(dòng)），是產(chǎn)生齒面過度磨損（微動(dòng)磨損）的根本原因。

3 影響花鍵微動(dòng)磨損因素分析

受微動(dòng)磨損的零件是有壽命的，磨損越嚴(yán)重，使用壽命越短。齒面的磨損狀態(tài)和齒面的磨擦功有直接的關(guān)系，摩擦功越大，磨損就越快。設(shè)2 個(gè)鍵齒齒面嚙合的法向力為Fn，摩擦因數(shù)為fh，相對(duì)滑動(dòng)速率為Vh，則在dt 時(shí)間內(nèi)的摩擦功：

式中：ω 為花鍵角速率；e 為內(nèi)外花鍵軸線偏心量。

在dt 時(shí)間內(nèi)，接觸點(diǎn)K 在嚙合線上移動(dòng)的距離為：

式中：rb為花鍵基圓半徑。因此，可得：

式（3）在嚙合線起始點(diǎn)至終止點(diǎn)的距離范圍內(nèi)進(jìn)行積分，就可得一對(duì)齒在嚙合過程中的摩擦功為：

式中：z 為花鍵齒數(shù)。由式（5）可知，微動(dòng)磨損的主要影響因素如下：

1）齒面法向力。越均勻分布的法向力，摩擦功越?。▓D4），但是花鍵連接如果有偏心量e，花鍵就不可能全部齒都均勻承受載荷，而是一部分齒承受載荷大，另一部分齒承受載荷小，甚至不承受載荷。這樣就加大了部分鍵齒上的載荷，加速了齒面的磨損，花鍵的壽命就大為縮短。

2）齒面摩擦因數(shù)。摩擦因數(shù)小則摩擦功就小，磨損也就小。齒面間干摩擦，摩擦因數(shù)可達(dá)0.5 以上，摩擦功大，磨損就很快。本案例中減速機(jī)花鍵就是干摩擦；因此，磨損就很嚴(yán)重。

3）偏心量。偏心量越小，摩擦功則越小，磨損也就越小。偏心量e=0 時(shí)，摩擦功A=0，花鍵就不會(huì)磨損。相同減速機(jī)的花鍵連接，雖然高速軸的內(nèi)花鍵已經(jīng)磨禿，但是輸出軸的花鍵連接仍然很好（圖6）。究其原因就是內(nèi)外花鍵的軸線同軸度（偏心量）不同的結(jié)果。

圖6 花鍵齒仍然完好的內(nèi)花鍵Fig.6 Spline teeth are still intact

4）花鍵齒數(shù)。當(dāng)花鍵分度圓直徑一定時(shí)，摩擦功A 反比于花鍵齒數(shù)z，也就是齒數(shù)盡可能多則摩擦功越小。

除了以上主要影響因素外，還有其他的一些影響因素，如材料的耐磨性、齒的硬度、潤(rùn)滑、制造精度等。

1）材料的耐磨性影響花鍵的磨損壽命。將一組45 鋼（表面淬火）的試驗(yàn)?zāi)Σ粮焙土硪唤M釩鈦球鐵（等溫淬火）的試驗(yàn)?zāi)Σ粮保捎肕-2000磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行磨損試驗(yàn)，結(jié)果表明：在平均硬度為HRC 35～38 時(shí)，釩鈦球鐵的磨損量為45 鋼的1/2；在平均硬度為HRC 25～26 時(shí)，釩鈦球鐵的磨損量為45 鋼的1/30～1/18。釩鈦球墨鑄鐵的耐磨性比相同硬度鋼的耐磨性提高數(shù)倍[11]，由此可見，不同材料、不同硬度的摩擦副，其耐磨性的差別較大。

2）對(duì)于齒面硬化的花鍵，齒面的硬度影響其耐磨性。臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果表明，花鍵齒的磨損與其硬度之間存在線性關(guān)系，硬度高，耐磨性好。但是，對(duì)于滲碳淬火、滲氮、高頻淬火等的花鍵，只要硬化層被磨去，其心部的硬度不高，就會(huì)導(dǎo)致加速磨損。更不利的是，表面硬化層磨去的硬質(zhì)顆粒，變成磨粒磨損的最佳介質(zhì)，加速花鍵的磨損。

3）有潤(rùn)滑的花鍵連接，由于減小了摩擦因數(shù)，通常都能提高磨損壽命。例如行星減速機(jī)浮動(dòng)機(jī)構(gòu)中的花鍵連接，因有很好的潤(rùn)滑條件，磨損就較小?；ㄦI連接中通常不宜采用潤(rùn)滑脂潤(rùn)滑，因?yàn)槠洳荒軐⒛チё?，故減磨的效果非常有限。

4）花鍵齒的齒形、齒距誤差雖然重要，但磨損后會(huì)有自適應(yīng)效果，對(duì)齒面磨損的影響就較小。而花鍵齒的齒面平行性的偏差（齒向誤差）對(duì)耐磨性有很大影響。這類偏差使花鍵接觸點(diǎn)在徑向和軸向產(chǎn)生偏移和歪斜，例如行星減速機(jī)浮動(dòng)機(jī)構(gòu)中的花鍵連接就是如此；因此，提高花鍵連接件的耐磨性的重要因素是保持花鍵軸鍵齒相對(duì)于其軸線的平行度。

4 結(jié)論及改進(jìn)措施

1）內(nèi)、外花鍵軸的軸線不同軸是造成花鍵磨損的主要原因之一。內(nèi)、外花鍵軸的軸線不同軸（軸線偏心）使鍵齒齒面產(chǎn)生滑動(dòng)，為齒面磨損提供條件。軸線偏心使各鍵齒齒面的載荷分配不均勻，加速齒面的磨損。

2）防止花鍵齒的磨損最有效的措施是提高與軸線偏心量有關(guān)零件的加工精度和安裝精度，盡量減少內(nèi)外花鍵的偏心量。提高花鍵硬度，例如采用滲碳淬火花鍵，硬度達(dá)HRC 56～63，可以增加花鍵的磨損壽命，但硬化層一定不能太薄。

3）本研究未涉及更復(fù)雜的花鍵傾角不同軸，從減速機(jī)制造和安裝的角度來看，要做到內(nèi)外花鍵完全同軸較難；因此，對(duì)于有間隙的花鍵連接，盡可能減輕微動(dòng)磨損，才能延長(zhǎng)花鍵連接的使用壽命。