美标渐开线花键综合量规设计

张礼才

（中国煤炭科工集团 太原研究院有限公司， 山西 太原 030032）

0 引言

美标渐开线花键齿形较厚，有利于增加其承载能力，因而在矿用设备中得到了广泛应用。然而，此类花键检测难度较大， 采用常规的国标花键量规无法检测美标花键加工制造质量。花键量规的设计计算比较复杂，花键设计参数发生变化，检测花键的量规参数需要重新计算，因此花键量规设计与出图花费时间较长，难以推广应用。为此本文依据美国渐开线花键标准ANSI B92.1-1996，设计了美标渐开线花键量规，基于MATLAB 软件，开发了花键量规参数计算程序， 花键量规设计与出图花费时间缩短了50%，显著提高了花键量规设计效率。

1 美标渐开线花键的特点及检测难点

美标渐开线花键规定了四种齿廓分别为：30°圆齿根、30°平齿根、37.5°圆齿根、45°圆齿根，30°压力角花键定心方式包括大径定心、齿侧定心，37.5°、45°压力角花键定心方式均为齿侧定心， 花键齿数最小为6 齿， 最大为100 齿，双径节值最小为2.5/5，最大为80/160。 美标渐开线花键特点如表1 所示[1]。

表1 美标渐开线花键特点Tab.1 Features of american standard involute spline

美标渐开线花键采用英制双径节制， 花键参数的计算较为复杂，转化为米制标准后模数通常是小数，我国渐开线花键标准号为GB/T3478.1，采用米制模数制，国标花键与美标花键齿形对比如图1 所示[2]。

图1 花键齿形对比Fig.1 Spline tooth profile comparison

由图1 可知， 国标花键齿形与美标花键齿形不同，采用国标花键量规不能检测美标花键加工制造质量，采用量棒仅能检测花键跨棒矩、棒间距，无法检测其它参数，而且检测效率低下。 国标花键量棒不适用于美标花键检测。

2 花键综合量规设计的要点

花键量规设计包括量规型式、参数计算、公差选择、材料选择、硬度要求、表面粗糙度要求、检验要求等，其中量规参数计算、公差选择为设计重点[3]。

花键量规参数包括大径、小径、基圆直径、分度圆直径、齿根圆弧最小半径、作用齿厚（齿槽宽）最小值、作用齿厚（齿槽宽）最大值、实际齿厚（齿槽宽）最小值、实际齿厚（齿槽宽）最大值、量棒直径、跨棒矩（棒间距）。

下面以跨棒矩计算为例， 说明花键量规参数计算方法，跨棒距计算如图2 所示。

图2 跨棒距计算Fig.2 Span calculation

式中：N—花键齿数；D—分度圆直径；φD—表示标准压力角；P—径节；t—齿厚。

根据零件齿厚（齿槽宽）公差值计算量规的齿厚（齿槽宽）公差值，对于综合止端塞规，零件作用齿槽宽公差上限值与对应量规齿厚公差上限值一致， 量规齿厚公差下限值等于齿厚公差上限值与量规公差的差值。 量规公差通过查表得到。 零件齿厚（齿槽宽）公差与量规齿厚（齿槽宽）公差的对应关系如图3 所示。

图3 零件与量规齿形公差的对应关系Fig.3 Correspondence between parts and gauge tooth profile tolerance

3 掘采装备关键传动部件简介

煤矿掘采装备包括掘进机、连采机、掘锚机等，掘采装备工作条件复杂恶劣，工作载荷较大，载荷波动剧烈，而且时常受到冲击载荷作用[4]。掘采装备传动系统包括液压传动、电力传动，液压传动系统包括马达、减速器、执行元件，电力传动系统包括电机、减速器、执行元件。连采机截割部传动系统采用电力传动，包括截割电机、截割减速器、扭矩轴、限矩器[5]。 如图4 所示。

图4 掘采装备截割传动系统示意图Fig.4 Schematic diagram of cutting drive system of mining equipment

截割电机轴为空心轴， 截割电机轴加工有外花键与限矩器输入端的内花键连接，扭矩轴两端加工有外花键，穿过截割电机的空心轴， 一端与限矩器输出端的内花键连接，另一端与截割减速器的输入端内花键连接。

截割电机驱动限矩器转动， 限矩器通过扭矩轴驱动截割减速器运转，截割滚筒装配在截割减速器外部，实现采煤功能， 限矩器在传递动力的同时起到机械过载保护作用，当外力矩低于限矩器摩擦片设定的摩擦扭矩时，限矩器将截割电机的动力传送至截割减速器， 反之当外力矩高于限矩器摩擦片设定的摩擦扭矩时，摩擦片打滑，截割部停止工作， 此后， 当外力矩又低于设定的摩擦扭矩时，限矩器自动恢复动力传动。

扭矩轴是实现限矩器输出装置与截割齿轮箱之间动力传动的，比较细长。 当外力矩低于扭矩轴保护值时，扭矩轴传送动力，截割电机驱动截割部正常工作；反之，当外力矩大于扭矩轴保护值时，扭矩轴扭断，与扭断的扭矩轴相连的一侧电机空转，停止驱动截割部，需要重新更换扭矩轴方可恢复工作。 扭矩轴同样能在传送动力的同时起截割部过载保护作用。通常，限矩器要先于扭矩轴动作起过载保护作用。

4 限矩器、扭矩轴花键量规参数计算

MATLAB 是美国Mathworks 公司开发的大型科学计算应用软件系统，它提供了强大的数值计算、矩阵处理和绘图功能。 MATLAB 系统提供的基本函数库包含着大量的数值分析函数。借助这些基本函数，许多复杂问题的求解计算， 只需要几条简单的调用语句就能完成求解计算程序的编制[6]。

鉴于花键量规计算较为繁琐，难以推广的问题，应用MATLAB 软件，编制了花键量规基圆直径、分度圆直径、大径、小径、渐开线起始圆直径、实际齿厚（齿槽宽）最大值、实际齿厚（齿槽宽）最小值、作用齿厚（齿槽宽）最大值、作用齿厚（齿槽宽）最小值、齿根圆弧最小半径、量棒直径、跨棒距（棒间距）等参数计算程序[7]，外花键量规的跨帮距计算程序如下：

对于不同规格的美标渐开线花键，只需输入齿数、径节等基础设计参数，即可得到花键量规设计参数。从而提高了花键量规的设计效率。

应用编制的掘采装备美标剪开线花键量规参数计算程序，输入限矩器、扭距轴花键设计参数，得到花键量规设计参数如表2 所示。

表2 限矩器、扭矩轴花键量规参数（部分）Tab.2 Torque limiter、Torque shaftSpline gauge parameters（section）

绘制花键量规图纸，加工制造完成，限矩器、扭距轴花键量规实物照片如图5、图6 所示。

图5 扭矩轴花键量规Fig.5 Torque shaft spline gauge

图6 限矩器花键量规Fig.6 Torque limiter spline gauge

5 结论

本文以美标渐开线花键为研究对象， 分析了此类花键的特点和检测难点， 提出了此类花键综合量规的设计流程、参数计算方法。 编制了量规参数计算程序，提高了量规设计效率，得出结论如下。

美标渐开线花键采用径节制， 国标渐开线花键采用模数制，采用国标花键检具无法检测美标花键加工质量，需依据美标ANSIB92.1-1996 设计专用检具。

花键量规参数计算复杂繁琐， 花键设计参数发生变化，检测花键的量规参数需要重新计算，为此，应用MATLAB 软件编制了美标渐开线花键量规参数通用计算程序，花键量规设计与出图花费时间缩短了50%。

以掘采装备关键传动部件：限矩器、扭矩轴为例，计算了花键量规参数，完成了花键量规设计制造。