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基于机构创新设计的型面联接

引言

型面联接是采用非圆异形截面的轴孔配合代替键和花键来传递扭矩的一种联接门窗合页方式。成型工艺的发展，更加促进了型面联接的应用研究。当前，随着市场经济竞争机制渗透到各个领域，世界先进的制造业企业已经走过了以产量和质量占领市场的阶段，进入了以创新占领市场的崭新阶段。如何创新，如何发展科技和经济，世界各国都在研究对策。在此时代背景下，基于机构创新设计理论，分析验证洗衣机的减速箱组件的输出端与洗涤执行元件(即波轮组件)的联接方式，通过结构设计、联接可靠性分析、设计成本预算，同时结合寿命测试，得出的研究结果是用方形型面联接代替渐开线花键联接。

1 机构创新设计

机构创新设计是机械创新设计的重要内容和理论分支，对于机械产品中的运动子系统，其功能的分解过程也就是根据工作原理来构思工艺动作的过程，整个工艺动作过程往往可分解为若干个动作行为。动作行为载体总是表现为某种物理(技术)装置，在机构学中就是指公司保洁各种各样的机构。机构是由构件组合而成的。在机构中，每个构件都以一定的方式与其他构件相互联接(即运动副)。

机构创新设计理论体系中，机构演化变异原理与创新是本文工程应用研究的基础。在机构演化变异原理与创新的方法中，本文主要利用机构的等效变换的设计思路和设计方法。

机构的等效变换又称机构的同性异形变换，是指其输入、输出的运动特性相同或等效，但是结构不同的一组机构。常用的设计思路和设计方法是利用运动副的等效代换创新同性异形机构。如图l所示，左侧图中组成平面高副的两元素均为圆，高副接触点为两元的切点C。圆心分别为A和B，半径分别为CB和AC。这是一个滚子摆动从动件盘形凸轮机构，盘形凸轮为一个偏心圆。机构运动时，A和日两点之间的距离始终保持不变，即为两圆半径之和。因此，若用一长度与之相当的附加构件3，并使其在两圆心A和B处铰接，而组成了一个曲柄摇杆机构OABD，该机构与原凸轮机构就成为一组同性异形机构。

图1 机构的等效变换实例的机构简图

2 型面联接的应用研究

型面联接早在16世纪就已在钟表、印刷机械中得到应用。但因其加工制造有相当难度，工业应用并不很广泛。目前，美、英、日等主要研究成形联接在数控机床刀具系统中的应用，前苏联将其用于工程和农业机械。国内研究在煤矿机械上的应用。型面联接与平键联接、花键联接相比，突出的优点是：不存在尖角，大大降低了应力集中，提高了轴的疲劳强度；具有自动定心性能，能实现以间隙配合装配，以过盈配合工作，联接刚度高；节约材料，减少制造成本，降低噪声不干胶。迄今为止，型面联接在我国还没有得到推广应用直到完全合格，关键是没有适合我国国情的高效率、高精度的专用加工设备。

2.1 结构设计

2.1.1 渐开线花键的结构设计

渐开线花键的主要基本参数有标准压力角、模数、齿数等。首先选择压力角，压力角使用范围有30.0°，37.5°和45.0°等3种，压力角的选择原则：花键的压力角大，则键齿强度大，在传递的圆周力相同时，大压力角花键的正压力也大，故摩擦力大；选择压力角时，主要应从构件的工作特点即有无滑动、浮动以及配合性质和工艺方法等方面考虑。

花键联接是由外花键和内花键组成。在双桶洗衣机中，减速箱组件的输出轴与波轮组件的嵌件联接的特性为：传递运动和动力，是固定联接，适合的压力角是30°，圆齿根。确定压力角的数值后，根据双桶洗衣机中的减速箱组件的输出轴直径12mm，参考“300外花键大径基本尺寸系列”，查得花键的齿数为11齿，花键的模数为1mm。根据花键尺寸计算公式可以算出需要的相关数值，可以绘制出减速箱组件的输出轴花键段的局部图，如图2所示，是外花键；根据配合要求，同样可以绘制出波轮组件的轴衬嵌件图，如图3所示，是内花键。

图2 减速箱组件的输出轴花键段的局部

图3 波轮组件的轴衬嵌件图

2.1.2 方形型面的结构设计

型面联接属于无键联接，是由轴和相应的轮毂沿光滑的非圆表面接触而成，表面可做成柱形或锥形甚至可以根据需要加工出各种各样的形状。柱形只能传递转矩，锥形除传递转矩外，还能传递轴向力。本文研究的减速箱组件的输出轴与波轮组件的轴衬嵌件之间只需传递转矩。所以型面联接的表面选择柱形。本文为了克服加工复杂性，采用的型面联接属方形型面联接，示意图如图4所示。

图4 方形型面示意图

其中是重要参数，可以通过相关手册和标准查找。双桶洗衣机中的减速箱组好消息件的输内墙涂料中有害物资限量GB18582⑵001出轴直径为12mm，即d1=12mm，参考DIN32712标准，可查到，可以绘制出减速箱组件的输出轴方轴段的局部图，如图5所示。根据配合要求，同样可以绘制出波轮组件的轴衬方嵌件图，如图6所示。

图5 减速箱组件的输出轴花键段的局部

图6 波轮组件的轴衬嵌件图

2.2 可靠性分析

2.2.1 渐开线花键联接的可靠性分析

双桶洗衣机中的减速箱组件的输出轴与波轮组件的轴衬嵌件之间的渐开线花键联接，属于静联接，在结构设计确定之后，进行强度校核计算。静联接主要的失效形式是工作面被压溃，强度条件为：

式中：T—传递的转矩，此处为17 N·m；

ψ—载荷分配不均系数，与齿数多少有关，一般取=0..8，齿数多时取管道泵偏小值，目标是去除磨光毁伤层此处取0.8

z—齿数，此处为11；

h—齿的工作高度，渐开线花键，压力角是30°时，h=m(模数)，此处为l；

l—齿的工作长度，此处为18mm；

D—分度圆直径，此处为D=mz=1×11=11mm；

[σp]—花键联接的许用挤压应力/MPa，此处是在静联接的工作方式下，使用和制造情况为中等，齿表面经调质热处理，取值为。

带入计算得：

[σp]= MPa

即满足σp