转接轴花键磨损问题分析

白志刚

摘  要：該文针对转接轴花键异常磨损问题，对花键设计强度、对中性、装配间隙、表面质量等方面进行分析，发现花键磨损不仅会和接触应力偏大，花键对中性不好，作用侧隙设计不合理等因素相关，花键的接触面硬度不匹配同样可能造成花键故障，造成花键异常磨损的原因很多，设计花键时应全面考虑，避免造成不必要的损失。

关键词：花键;磨损;套齿;发动机

中图分类号：TG372      文献标志码：A

航空花键结构因具有承载能力高、定心性能好、结构紧凑等优点，在现代航空发动机结构设计中广泛应用，然而航空花键工作环境苛刻， 一旦出现问题，造成的危害较大，更为糟糕的是由于空间狭小和设计等原因导致的不可接近性，使花键检修和更换困难，设计时需要考虑全面，避免造成不必要的损失。

1 问题描述

某发动机故检中发现，转接轴花键尺寸出现超差，检查发现花键存在异常磨损现象，转接轴结构如图1所示，磨损如图2所示。转接轴前端开有螺栓孔，通过螺栓与压气机转子连接，并设计过盈止口用于定心;后端设有内花键，用于输入扭矩，带动压气机转子旋转。内花键为渐开线花键，参数见表1，渐开线花键的齿廓受载时各齿承受大小相等且指向圆心的径向分力，总接触面积大、可自动定心，适于应用在传递转矩大且定心精度要求高的传扭结构中。造成花键异常磨损的原因很多，分析磨损问题需要全面考虑强度、装配、工艺等方面。

2 问题分析

2.1 接触应力

渐开线花键接触应力是影响花键副微动磨损的重要参数，渐开线花键副花键挤压应力σp计算公式如下：

（1）

式（1）中：T—转矩（Nm）;ψ—各齿间载荷不均匀系数，通常取ψ=0.7～0.8;z—齿数;hg—齿的工作高度（mm）;lg—齿的工作长度（mm）;Dm—为分度圆直径（mm）。

花键输入转矩T计算公式如下：

（2）

式（2）中：P—输入功率（W）;n—转速（r/min）。

考虑设计转速下，压气机需要的输入功率按如下公式考虑，

（3）

式（3）中：Qm—空气流量; Cp—定压比热容;T  *

2—压气机出口总温; T*

1—压气机进口总温;η—转子机械效率。

按照上述公式计算，将压气机参数带入，计算得到花键所在轴的功率为P=128 kW，花键的正压力σp为110 MPa;从计算结果来看，所有计算花键中齿面接触强度许用值与计算应力之比

最小值为10.8。花键的计算应力远远小于许用值，能保证所用花键安全地工作。

2.2 内、外花键对中性分析

内外花键不对中也可能造成套齿磨损，以下几个方面可能造成内外花键不对中：1）零件缺少定心或定心不牢固;2）零件刚度不足，工作中存在较大变形;3）内外花键材料热膨胀系数差异大，工作中内外花键变形不协调;4）内外花键所在截面的厚度不能有较大差异，防止出现受力变形不协调。

通过对零件端面跳动、材料、刚度等方面的复查，未发现造成套齿不对中的因素，因此认为磨损和零件不对中无关。

2.3装配间隙

花键侧隙设计是影响磨损的一个重要参数，花键侧隙设计值为0.13 mm～0.26 mm，参照航空标准，该花键齿侧间隙相对较大，较大齿侧间隙有利于增强内、外花键的不对中适应能力，通过检查，花键装配侧隙符合要求，因此齿侧间隙不是花键磨损的原因。

2.4 表面质量检查

为检验是否由于内、外花键硬度不匹配造成磨损故障，从花键副的材料和表面硬度对磨损情况进行分析，内、外花键的材料都是高强度合金钢，且内花键的材料硬度略高于外花键，这样的设计是合理的，使用过程中有利于保护内花键，但是，外花键表面做了渗氮处理，硬度大大提高，而内花键未做表面处理，内、外花键硬度相差较大，严重不匹配。通过查阅资料发现，国内外发动机中与其结构相近的发动机，花键表面均有强化要求。

另外检查了花键表面的粗糙度、内花键相对于安装座止口的径向跳动等参数，均未见异常。

2.5 振动

在有振动的机械中，螺纹连接、花键连接和过盈配合连接等容易发生微动磨损。微动是指2个接触表面之间小振幅振荡运动，涉及面与面接触循环小幅度的相对位移，这一般与花键转子振幅基本一致。通过复查发动机振动情况并结合磨损现象认为振动不是造成异常磨损的主要因素。

3 改进措施及验证结果

通过对花键接触应力、对中性、装配间隙等方面的分析，花键在表面硬度的匹配性上与其它发动机存在差异，其它方面未发现异常，对内花键表面增加渗碳要求，渗碳深度0.2 mm～0.5 mm，使其表面硬度略高于外花键的表面硬度，经试车考核，花键工作正常，未见磨损痕迹，改进措施有效。因此认为，齿面硬度不匹配是齿面磨损的主要原因。

4 结论

通过对转接轴花键异常磨损问题的分析，花键磨损不仅会和接触应力偏大、花键对中性不好、作用侧隙设计不合理等因素相关，花键的接触面硬度不匹配同样可能造成花键故障。造成花键异常磨损的原因很多，设计花键时应全面考虑，避免造成不必要的损失。

参考文献

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