GBT 17855-1999 花键承载能力计算方法

前言本标准是参照德国标准渐开线花键联结和矩形花键联结的承载能力计算基础和原苏联标准矩形花键承载能力计算方法并结合目前国内常用的计算方法制定的本标准的主要内容包括花键的受载分析系数的确定和齿面接触强度齿根弯曲强度齿根剪切强度齿面耐磨损能力的计算方法及外花键扭转与弯曲承载能力计算方法等内容在产品设计时应根据花键零件的具体结构受力状态材料热处理与硬度精度等级等情况选取上述内容的全部或部分进行花键承载能力的核算本标准由国家机械工业局提出本标准由全国机器轴与附件标准化技术委员会归口本标准起草单位机械标准化研究所哈尔滨东安发动机制造公司北京齿轮总厂上海航天局八分分所第一汽车制造集团本标准主要起草人明翠新常宝印郭霓虹王金武郭宝仁薛恒明黄宝全中华人民共和国国家标准花键承载能力计算方法国家质量技术监督局批准实施范围本标准规定了圆柱直齿渐开线花键和圆柱矩形齿花键以下简称花键的承载能力计算方法本标准适用于按和制造的花键其他类型的花键也可参照使用引用标准下列标准所包含的条文通过在本标准中引用而构成为本标准的条文本标准出版时所示版本均为有效所有标准都会被修订使用本标准的各方应探讨使用下列标准最新版本的可能性矩形花键尺寸公差和检验圆柱直齿渐开线花键模数基本齿廓公差术语与代号术语代号及说明见表表术语代号及说明序号术语代号单位说明输入转矩输入给花键副的转矩输入功率输入给花键副的功率转速花键副的转速名义切向力花键副所受的名义切向力分度圆直径渐开线花键分度圆直径平均圆直径矩形花键大径与小径之和的一半单位载荷单一键齿在单位长度上所受的法向载荷见公式和公式齿数花键的齿数结合长度内花键与外花键相配合部分的长度按名义值压轴力花键副所受的与轴线垂直的径向作用力标准压力角渐开线花键齿形分度圆上的压力角弯矩作用在花键副上的弯矩模数渐开线花键的模数使用系数主要考虑由于传动系统外部因素而产生的动力过载影响的系数齿侧间隙系数当花键副承受压轴力时考虑花键副齿侧配合间隙过盈对各键齿上所受载荷影响的系数表完序号术语代号单位说明分配系数考虑由于花键的齿距累积误差分度误差影响各键齿载荷分配不均的系数轴向偏载系数考虑由于花键的齿向误差和安装后花键副的同轴度误差以及受载后花键扭转变形影响各键齿沿轴向受载不均匀的系数齿面压应力键齿表面计算的平均接触压应力工作齿高键齿工作高度外花键大径外花键大径的基本尺寸内花键小径内花键小径的基本尺寸齿面接触强度的计算安全系数值一般可取较重要的及淬火的花键取较大值一般的未经淬火的花键取较小值齿面许用压应力材料的屈服强度花键材料的屈服强度按表层取值齿根弯曲应力花键齿根的计算弯曲应力全齿高花键的全齿高弦齿厚花键齿根危险截面最大弯曲应力处的弦齿厚许用齿根弯曲应力材料的拉伸强度花键材料的拉伸强度弯曲强度的计算安全系数对矩形花键取对渐开线花键取齿根最大剪切应力剪切应力靠近花键收尾处的剪应力应力集中系数外花键小径外花键小径的基本尺寸作用直径当量应力处的直径相当于光滑扭棒的直径见的公式齿根圆角半径一般指外花键齿根圆弧最小曲率半径许用剪切应力齿面磨损许用压应力花键副在次循环数以下工作时的许用压应力齿面磨损许用压应力花键副长期工作无磨损的许用压应力当量应力计算花键扭转与弯曲强度时剪切应力与弯曲应力的合成应力弯曲应力计算花键扭转与弯曲强度时的弯曲应力转换系数确定作用直径的转换系数见表许用应力计算花键扭转与弯曲强度时的许用应力作用侧隙花键副的全齿侧隙位移量花键副的内外花键两轴线的径向相对位移量受载分析与计算受载分析无载荷由于花键副是相互联结的同轴偶件所以对于无误差的花键联结在其无载荷状态时不计自重下同内花键各齿槽的中心线或对称面与外花键各键齿的中心线或对称面是重合的此时键齿两侧的间隙或过盈相等均为侧隙之半见图图无载荷有间隙的渐开线花键联结左边和矩形花键联结右边的理论位置受纯转矩载荷对无误差的花键联结在其只传递转矩而无压轴力时一侧的各齿面在转矩的作用下彼此接触侧隙相等内花键与外花键的两轴线仍是同轴的见图所有键齿传递转矩承受同样大小的载荷见图图有载荷有间隙的渐开线花键联结左和矩形花键联结右的理论位置图只传递转矩而无压轴力时的载荷分配受纯压轴力载荷对无误差的花键联结在其只承受压轴力不受转矩时内花键与外花键的两轴线不同轴出现一个相对位移量见图这个相对位移量是由花键副的部分侧隙消失和部分键齿弹性变形造成的键齿的弹性变形主要与它们的受力大小和位置侧隙间隙或过盈弹性模量和花键齿数等因素有关当花键副回转时各键齿两侧面所受载荷的大小按图周期性变化在这种情况下花键副容易磨损图只承受压轴力无转矩时内花键与外花键的位置图只承受压轴力而无转矩时的载荷分配受转矩和压轴力两种载荷对无误差的花键联结在其承受转矩和压轴力两种载荷时内花键与外花键的相对位置和各键齿所受载荷的大小和方向决定于所受转矩和压轴力的大小及两者的比例当花键副所受的载荷主要是转矩压轴力是次要的或很小时该花键副回转后各键齿的位置近似图各键齿两侧面的受力状态发生周期性变化见图当花键副所受的载荷主要是压轴力转矩是次要的或很小时该花键副回转后各键齿的位置近似图各键齿两侧面的受力状态发生周期性变化见图在这种情况下花键副也容易磨损图同时承受压轴力和转矩而转矩占优势时的载荷分配图同时承受压轴力和转矩而压轴力占优势时的载荷分配对有误差的花键联结在转矩和压轴力同时作用下其载荷分配见图偏心状态见图图在压轴力和转矩的作用下齿数为的渐开线花键副的载荷分配图间隙配合齿数为的渐开线花键副在压轴力和转矩作用下的偏心状态载荷计算输入转矩计算名义切向力计算渐开线花键矩形花键单位载荷计算渐开线花键矩形花键压轴力和弯矩计算花键副所受的压轴力和弯矩应根据具体传动结构进行受力分析后计算系数使用系数使用系数主要是考虑由于传动系统外部因素引起的动力过载影响的系数这种过载影响取决于原动机输入端和工作机输出端的特性质量比花键副的配合性质与精度以及运行状态等因素该系数可以通过精密测量获得也可经过对全系统分析后确定在上述方法不能实现时可参考表取值表使用系数原动机输入端工作机输出端均匀平稳中等冲击严重冲击均匀平稳或更大轻微冲击或更大中等冲击或更大注均匀平稳的原动机电动机蒸汽轮机燃气轮机等轻微冲击的原动机多缸内燃机等中等冲击的原动机单缸内燃机等均匀平稳的工作机电动机皮带输送机通风机透平压缩机均匀密度材料搅拌机等中等冲击的工作机机床主传动非均匀密度材料搅拌机多缸柱塞泵航空或舰船螺旋桨等严重冲击的工作机冲床剪床轧机钻机等齿侧间隙系数当花键副的受力状态如图所示时渐开线花键或矩形花键的各键齿上所受的载荷大小除取决于键齿弹性变形大小外还取决于花键副的侧隙大小在压轴力的作用下随着侧隙的变化一半圆周间隙增大另一半圆周间隙减小内花键与外花键的两轴线将出现一个相对位移量参见图和图其位移量的大小与花键的作用侧隙间隙大小和制造精度高低等因素有关产生位移后使载荷分布在较少的键齿上对渐开线花键失去了自动定心的作用因而影响花键的承载能力此影响用齿侧间隙系数予以考虑通常当压轴力较小花键副的精度较高时可取当压轴力较大花键副的精度较低时可取当压轴力为零只承受转矩时见图分配系数花键副的内花键和外花键的两轴线在同轴状态下由于其齿距累积误差分度误差的影响使花键副的理论侧隙单齿侧隙不同各键齿所受载荷也不同这种影响用分配系数予以考虑对于磨合前的花键副当精度较高时按标准为精密级的矩形花键或精度等级按标准为级或高于级时当精度较低时按标准为一般用的矩形花键或精度等级按标准低于级时对于磨合后的花键副各键齿均参与工作且受载荷基本相同时取轴向偏载系数由于花键副在制造时产生的齿向误差和安装后的同轴度误差以及受载后的扭转变形使各键齿沿轴向所受载荷不均匀用轴向偏载系数予以考虑其值可从表中选取对于磨合后的花键副各键齿沿轴向载荷分布基本相同时可取当花键的精度较高和分度圆直径或平均圆直径较小时表中的轴向偏载系数取较小值反之取较大值表轴向偏载系数系列或模数分度圆直径或平均圆直径或轻系列或中系列或承载能力计算齿面接触强度计算齿面压应力按下式计算齿面许用压应力按下式计算计算结果应满足下列条件齿根弯曲强度计算齿根弯曲应力按下式计算渐开线花键矩形花键对于渐开线花键取渐开线起始圆上的弦齿厚并按下式计算式中分度圆弧齿厚渐开线起始圆直径对于矩形花键取键最小齿厚或齿根过渡曲线上的最小齿厚两者的小值许用弯曲应力按下式计算计算结果应满足下列条件齿根剪切强度计算齿根最大扭转剪切应力按下式计算式中见许用剪切应力按下式计算计算结果应满足下列条件齿面耐磨损能力计算花键副在循环数以下工作时耐磨损能力计算齿面压应力按公式计算齿面磨损许用压应力见表计算结果应满足下列条件表值热处理及齿面平均硬度未经热处理调质处理淬火渗碳氮淬火花键副长期工作无磨损时耐磨损能力计算齿面压应力按公式计算齿面磨损许用压应力见表表值未经热处理布氏硬度值调质处理布氏硬度值淬火洛氏硬度值渗碳氮淬火洛氏硬度值计算结果应满足下列条件外花键的扭转与弯曲强度计算外花键在扭转和弯曲及压轴力的作用下将产生弯曲应力和剪切应力通常靠近花键收尾处最大这两种应力合成为当量应力当量应力按下式计算式中上式表明应力和的大小在载荷已确定的情况下取决于断面系数和也就是取决于作用直径相当于光滑扭棒的直径式中值见表表值轻系列矩形花键中系列矩形花键较少齿渐开线花键较多齿渐开线花键许用应力值应根据零件的试验或模拟试验结果确定也可取计算结果应满足下列条件示例示例渐开线花键副输入功率转速输入端为燃气轮机平稳输出端为螺旋桨轻微冲击花键结合长度工作齿高全齿高齿根圆角半径大径小径渐开线起始圆直径材料为优质合金钢硬度为载荷计算输入转矩计算名义切向力计算单位载荷计算齿面接触强度计算齿面压应力计算齿面许用压应力计算取计算结果满足条件安全齿根弯曲强度计算齿根弯曲应力计算齿根许用弯曲应力计算取计算结果满足条件安全齿根剪切强度计算齿根最大剪切应力计算许用剪切应力计算计算结果满足的条件安全齿面耐磨损能力计算花键副在循环数以下工作时耐磨损能力计算齿面压应力齿面磨损许用压应力查表得计算结果满足的条件安全花键副长期工作无磨损时耐磨损能力计算齿面压应力齿面磨损许用压应力查表得计算结果未满足的条件不能长期无磨损或很少磨损工作外花键的扭转与弯曲强度计算当量应力计算因故许用应力计算计算结果满足的条件安全示例矩形花键副输入功率转速输入端联结离合器平稳输出端联结齿轮轻微冲击花键结合长度工作齿高全齿高齿根圆角半径大径小径材料为低碳合金钢表面渗碳淬火表面硬度为载荷计算输入转矩计算名义切向力计算单位载荷计算齿面接触强度计算齿面压应力计算齿面许用压应力计算取计算结果满足条件安全齿根弯曲强度计算齿根弯曲应力计算齿根许用弯曲应力计算取计算结果满足条件安全齿根剪切强度计算齿根最大剪切应力计算许用剪切应力计算计算结果满足的条件安全齿面耐磨损能力计算花键副在循环数以下工作时耐磨损能力计算齿面压应力齿面磨损许用压应力查表得计算结果满足的条件安全花键副长期工作无磨损时耐磨损能力计算齿面压应力齿面磨损许用压应力查表得计算结果满足的条件可以长期无磨损或很少磨损工作外花键的扭转与弯曲强度计算当量应力计算因故许用应力计算计算结果满足的条件安全