朱孝錄 ， 胡 煒 ， 薄文麗 ， 李東武

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

0 引言

花鍵連接在減速機中是一種常用的連接形式，但是如果設計、使用不當，因花鍵齒過度磨損而失效是高概率事件，微動磨損成為主要失效形式之一[1]?；ㄦI磨損的原因很多，國內外學者對此進行了多方面的研究。KU 等[2]歷時9 年，對花鍵的磨損機理進行深入的研究，重點研究傾角不對中、潤滑、材料類型、工作溫度和表面處理等設計參數(shù)對環(huán)境磨損的影響，討論設計和潤滑相關的參數(shù)，可以用來減輕花鍵齒的磨損。文獻[3]指出，旋轉機械軸線不對中是不可避免的，軸線不對中，花鍵在實際工作中可能只有部分（25%～50%）齒參與嚙合，從而導致斷齒、劃痕、點蝕、塑性變形等損傷或失效，并且指出軸線不對中是花鍵磨損的決定性因素。薛向珍等[4]認為，花鍵副的微動磨損是微動磨損與微動疲勞共同作用的結果，提出了能較準確反映損傷累積的模型，為進一步研究考慮齒側間隙的花鍵副微動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度等方式來提高花鍵的磨損壽命。MONTI S[6]在實驗和數(shù)值分析的基礎上認為，花鍵齒的過早磨損是由于軸與輪轂之間的周期性微滑動造成的，這與結構的變形引起的非均勻接觸條件有關。劉軍[7]通過分析研究認為，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)和材料的特性來評估花鍵連接齒面疲勞磨損破壞的壽命。顧玲等[8]從傳動軸花鍵的磨損機理入手，分析研究影響花鍵耐磨性有關的幾何參數(shù)。為提高花鍵聯(lián)接的可靠性和耐磨性，提出一些實用性對策。RATSIMBA等[9]對花鍵副的微動磨損提出了一種預測的方法，并進行驗證，認為少量潤滑油情況下的磨損情況要比不加潤滑的好。文獻[10]論述推土機錐花鍵的磨損現(xiàn)象和磨損的原因，提出從材料熱處理、加工質量、裝配工藝方法等方面的改進措施。

以上研究表明，花鍵副有多種損傷和失效形式，但是都認為磨損是花鍵副的主要形式之一，而軸線不對中是花鍵磨損的決定性因素[3]。在煤礦井下刮板運輸機上的一臺250 減速機，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）；另一臺輸出軸內花鍵鍵齒也被磨禿而失效；還有一臺花鍵齒嚴重磨損?；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，是一種嚴重的過度磨損，當鍵齒齒厚磨損到一定程度，最后殘留部分是被內花鍵齒剪斷的。

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

內花鍵齒磨損形貌和齒廓的磨損程度見圖2，齒廓已經磨去2～3 mm。齒面產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，結成塊粘附在齒上。內花鍵鍵齒全部磨去（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 內花鍵齒廓磨損形貌Fig.2 Wear morphology of inner spline teeth

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

2 花鍵磨損性質及原因分析

根據(jù)現(xiàn)場調查、斷口觀察和分析，多臺減速機花鍵齒出現(xiàn)過度磨損的主要原因之一是內外花鍵鍵齒之間的微動。而產生微動的根本原因是內外花鍵軸線不重合，花鍵齒面產生相對滑動，從而出現(xiàn)廣義上的微動磨損。

對于無載荷、有間隙的漸開線花鍵連接，在無任何誤差時，是一種同軸線耦合副；在無載荷時，鍵齒兩側的間隙相等，均為側隙Cv的1/2。對于無任何誤差，內外花鍵軸線重合的花鍵連接，在承受轉矩T 作用時，每一個花鍵齒的側面作用力是相同的，內外花鍵齒之間也不會產生滑動，因而也不會產生磨損（圖4）。

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

對于內外花鍵軸線不重合的花鍵連接，兩軸線有一個偏心量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，這時就會產生齒面相對滑動。圖5 是兩軸線有偏心量e 時的花鍵連接狀態(tài)。從圖中可以看到，花鍵在轉速n 轉矩T 的運轉條件下，接觸的齒面上任何一點K 到內花鍵圓心O1、外花鍵圓心O2的距離分別為、。

內外花鍵旋轉時的轉速n 是相同的（外花鍵主動，內花鍵從動），由于，其圓周速率vk1＞vk2，且2 個速度不在同一個方向上，因此K 點的齒面就會產生滑動，其滑動速度為vh。

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

式中：vh為滑動速度，m/s；n 為花鍵轉速，r/min；e 為偏心量，mm。

由此可見，只要有偏心量，齒面的滑動就不可避免，雖然滑動速率很小，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，內外花鍵因軸線存在不同軸，使齒面產生相對滑動（微動），是產生齒面過度磨損（微動磨損）的根本原因。

3 影響花鍵微動磨損因素分析

受微動磨損的零件是有壽命的，磨損越嚴重，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系，摩擦功越大，磨損就越快。設2 個鍵齒齒面嚙合的法向力為Fn，摩擦因數(shù)為fh，相對滑動速率為Vh，則在dt 時間內的摩擦功：

式中：ω 為花鍵角速率；e 為內外花鍵軸線偏心量。

在dt 時間內，接觸點K 在嚙合線上移動的距離為：

式中：rb為花鍵基圓半徑。因此，可得：

式（3）在嚙合線起始點至終止點的距離范圍內進行積分，就可得一對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，摩擦功越小（圖4），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0.5 以上，摩擦功大，磨損就很快。本案例中減速機花鍵就是干摩擦；因此，磨損就很嚴重。

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，摩擦功A=0，花鍵就不會磨損。相同減速機的花鍵連接，雖然高速軸的內花鍵已經磨禿，但是輸出軸的花鍵連接仍然很好（圖6）。究其原因就是內外花鍵的軸線同軸度（偏心量）不同的結果。

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

4）花鍵齒數(shù)。當花鍵分度圓直徑一定時，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）的試驗摩擦副和另一組釩鈦球鐵（等溫淬火）的試驗摩擦副，采用M-2000磨損試驗機進行磨損試驗，結果表明：在平均硬度為HRC 35～38 時，釩鈦球鐵的磨損量為45 鋼的1/2；在平均硬度為HRC 25～26 時，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）對于齒面硬化的花鍵，齒面的硬度影響其耐磨性。臺架試驗結果表明，花鍵齒的磨損與其硬度之間存在線性關系，硬度高，耐磨性好。但是，對于滲碳淬火、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，就會導致加速磨損。更不利的是，表面硬化層磨去的硬質顆粒，變成磨粒磨損的最佳介質，加速花鍵的磨損。

3）有潤滑的花鍵連接，由于減小了摩擦因數(shù)，通常都能提高磨損壽命。例如行星減速機浮動機構中的花鍵連接，因有很好的潤滑條件，磨損就較小?；ㄦI連接中通常不宜采用潤滑脂潤滑，因為其不能將磨粒帶走，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，但磨損后會有自適應效果，對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）對耐磨性有很大影響。這類偏差使花鍵接觸點在徑向和軸向產生偏移和歪斜，例如行星減速機浮動機構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于其軸線的平行度。

4 結論及改進措施

1）內、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、外花鍵軸的軸線不同軸（軸線偏心）使鍵齒齒面產生滑動，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零件的加工精度和安裝精度，盡量減少內外花鍵的偏心量。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）本研究未涉及更復雜的花鍵傾角不同軸，從減速機制造和安裝的角度來看，要做到內外花鍵完全同軸較難；因此，對于有間隙的花鍵連接，盡可能減輕微動磨損，才能延長花鍵連接的使用壽命。