DIN5480标准渐开线花键联结的设计计算

!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! !!!!!!!!!! 案，机械密封腔由封头和机封压盖形成，在封头一端 一高硬合金的耐磨节流环，与泵轴配合，耐磨节流环与封 头之间的间隙应按所选材料的温度变化曲线进行计算设 计。整个装置应配有独立的高压密封水系统，机封冲洗水 压力应比泵的出口压力大 0.2MPa左右。 3.6 轴承箱组件的设计 高压灰水循环泵工作时进口压力很高，叶轮处承受 轴向力、径向力大，轴承箱组件必须特殊设计，要考虑到 止推轴承完全能承受起巨大轴向力，轴承箱、轴必须具有 很高的强度、刚度以及可靠性，前、后轴承必须能承受全 部的轴向力和径向力。由于该泵在进口未加压调试时，叶 轮前后盖板的压力差方向指向泵吸入口，而在进口加压 工作时，叶轮前后盖板的压力差方向指向泵的驱动侧，所 以在轴承箱驱动侧设计一同向双列角接触球轴承和一只 与双列角接触球轴承反向安装的单列角接触球轴承，而 泵的径向力全部由设计安装在轴承箱前面的圆柱滚子轴 承承受。 高压灰水循环泵工作温度高，轴承箱应设计较大的 油箱，轴承润滑采用稀油润滑。为了很好地冷却轴承和润 滑油，轴承箱还必须设计有较大的水冷却腔，冷却水量要 经过热屏计算，使传递到电机的温度降到配套电机所能 承受的温度。 3.7 高压灰水循环泵主要零件材料设计 泵主要零件材料要考虑其高温适应能力、耐磨性能。 一般叶轮材料采用 Ni-Hard高性能合金，热处理硬度应 控制在 HRC40～50，防止脆裂。泵体材料一般采用 06Cr13Ni4Mo铸造高强度马氏体不锈钢，它具有良好的 高温力学性能和良好的工艺性及在高温下具有优良的抗 裂能力。泵轴材料采用 0Cr17Ni4Cu4Nb高强度沉淀硬化 不锈钢，它强度高，稳定性好。 3.8 其它设计 由于高温、高压泵因材料所具有的强度与工作温度 有关，其进出口法兰、泵体、泵盖等承压边界的壁厚、高压 螺柱等在设计时应按材料的温压表进行强度设计校核。 高温、高压泵相关冲洗和冷却辅助管路的设计要通 过热工计算确定，辅助管路布置合理、美观，机组上的流 量、温度等测量仪器仪表及传感器配置合理。 ［参考文献］ ［1］ 关醒凡.现代泵技术手册［M］.北京：宇航出版社，1995. ［2］ 刘在伦，梁森，等.基于面积比原理的水泵设计方法［J］.农业机 械学报，2007（6）：196-198. ［3］ 朱俊豪，周杰.德士古加压水煤浆气化装置用泵［J］.化工设备与 管道，2008，45（6）：28-30. ［4］ 黄道见，盛绛，等.SDZA型高温高压循环泵的研制［J］.农机化研 究，2005（6）：126-127. （编辑黄 荻） 作者简介：滕国荣（1954-），男，高级工程师，总工程师，工程技术研究 中心主任，研究方向为特种化工泵、核 2、3级泵研究设计。 收稿日期：2011- 02- 23 DIN5480 渐开线花键联结的设计计算 张轶蔚 1， 杨民 2 （1.黄石理工学院，湖北 黄石 435003；2.湖北新冶钢有限公司，湖北 黄石 435003） 1 引 言 渐开线花键具有结构紧凑、承载能力大、定心精度 高、加工工艺性好以及使用寿命长等优点，广泛应用于机 械传动领域。 随着国外先进技术的引进，在冶金、铸锻以及采掘等 重型机械设备中大量采用了德国标准 DIN5480的渐开线 花键。该标准在国外同类标准中具有代表性并有较大影 响，但与我国渐开线花键标准 GB/T 3478-2008 有所不 摘 要：根据 2006年版德国 DIN5480渐开线花键标准中的规定，讨论了应用该标准设计花键联结的基本过程,对设计 及计算中需要注意之处作了说明。文中给出了设计实例，为使用 DIN5480标准设计花键联结提供了参考。 关键词：渐开线花键；标准；DIN5480；设计；计算 中图分类号：TH131.4 文献标识码：A 文章编号：1002－2333（2011）05－0020－04 Design Calculation of Involute Spline Joints Based on DIN5480 ZHANG Yi-wei1， YANG Min2 （1.Huangshi Institute of Technology, Huangshi 435003，China；2.Hubei Xinyegang Co.,Ltd, Huangshi 435003，China） Abstract： According to the provisions of the German standard of involute splines DIN5480 published in 2006, this paper discusses the basic approach to designing splines based on DIN5480. Several issues which should be aware of in the design and calculation are accounted for. In the end, a design instance is provided, which can be available for reference in the application of the DIN5480. Key words： involute spline； standard； DIN5480； design； calculation ACADEMIC COMMUNICATION 学术交流 理论 / 研发 / 设计 / 制造 机械工程师 2011年第 5期20 同，而且标准文本也未给出完整的示例，给设备的修配、 转化设计和制造带来一些不便。本文着重讨论依据该标 准进行设计计算的方法和过程。 2 DIN5480渐开线花键标准简介 DIN5480 最早于 1959年颁布，以后经过 1966 年、 1974年、1986年、1991年多次修订，现行标准于 2006年 颁布。2006年版标准包括四个部分： DIN5480-1 基于参考直径的渐开线花键联结－第 1 部分：总则； DIN5480-2 基于参考直径的渐开线花键联结－第 2 部分：名义尺寸和检验尺寸； DIN5480-15 基于参考直径的渐开线花键联结－第 15部分：检验； DIN5480-16 基于参考直径的渐开线花键联结－第 16部分：刀具。 该标准规定的渐开线花键具有如下特点： （1）压力角规定为 30°；尺寸系列按“参考直径－模数” 排列。与依照 ISO 4156和 GB/T 3478按“齿数－模数”排 列的的渐开线花键不能互换［1］。 （2）齿侧定心，个别情况下允许直径定心。 （3）采用变位齿形，主要目的是为了获得特定的参考 直径，以适应标准化的滚动轴承的孔径，并减少加工工具 的数量［1］。外花键多数是正变位，相配的内花键为负变位； 少量外花键是负变位，与之相配的内花键则为正变位；故 同一花键副内、外花键的变位系数大小相同而符号相反， 总变位系数为 0。 （4）花键轴的制造考虑了冷轧挤压成型工艺，并允许 圆齿根齿廓。 （5）引入了作用尺寸概念，齿侧配合计入作用公差对齿 侧间隙的影响；总公差 TG与实际公差 Tact之比取为 1.6 ∶1。 3 设计过程 以下依据 2006年版 DIN5480标准讨论花键联结的 设计计算过程。 3.1 确定参考直径 dB、模数 m和齿数 z 渐开线花键联结取决于参考直径 dB、模数 m和齿数 z。这些参数在 DIN5480-1中的表 1至表 3中给出。其中， 花键的参考直径和模数应在表中规定的系列中选择，对 应的齿数则随之而定。 需要明确的是：必须在满足承载能力、结构及功能要 求的前提下确定这些参数。必要时，可根据 DIN5466验 算花键联结的承载能力。考虑到在结合长度方向上齿面 载荷分布是不均匀的，增加长度并不能起到增大承载能 力的作用，在仅传递转矩的情况下，结合长度与花键大径 之比取 0.5较为合适［2］。 在 DIN5480标准中，参考直径 dB比外花键齿顶圆直 径 da1大 0.2m，与标准的滚动轴承内径系列相等，不仅可 以保证花键轴能够顺利地穿过轴承内孔安装到位，而且 可以尽可能地提高花键轴断面的承载能力［1］。这一特点对 于一些结构要求紧凑之处的设计尤为方便。 3.2 确定定心方式和配合类型 DIN5480标准的花键副定心方式有齿侧定心、大径 定心和小径定心三种。采取大径定心或小径定心，对定心 直径的公差和同轴度要求较高，而且为了避免内、外花键 的齿顶与齿根产生干涉，需要进行二次加工，因而给花键 及刀具的设计、制造过程带来许多困难，所以 DIN5480标 准将齿侧定心置于优先位置，允许在个别情况下采用大 径定心和小径定心。 齿侧定心的花键联结通过选择齿槽宽和齿厚的基本 偏差和公差，可以组成不同的齿侧配合。在 DIN5480标准 中，内花键有 6个基本偏差，外花键有 18个基本偏差，公 差等级则均为 8个。DIN5480-1的表 9给出了推荐的配 合类型。 在径向力较大的场合下，采用齿侧定心的内、外花键 之间偏心严重，齿间作用力分布在较少的齿对上，增大了 齿面压力，将加速键齿磨损，所以此时宜采用大径定心或 小径定心，使径向力由定心配合面承受，以改善齿面磨损 情况［2］。 需要注意的是：采取大径定心或小径定心时，应保证 足够的齿侧间隙，以避免形成过定位。DIN5480-1的表 5 给出了这种情况下齿顶圆直径和齿根圆直径的推荐公差 带以及相应的齿侧配合。 3.3 确定基本尺寸及其公差 在零件图样上应给出制造花键所需的基本尺寸及其 公差。这些项目依次包括： 外、内花键齿高变位量 x1·m和 x2·m； 外、内花键齿顶圆直径 da1、da2及其公差； 外、内花键齿根圆直径 df1、df2及其公差； 外、内花键渐开线终止圆直径 dFf1、dFf2； 外花键齿厚 s及其偏差； 内花键齿槽宽 e及其偏差。 在计算时需要注意： （1）标准中所有规格的齿形均为变位齿，对参考直径、 齿数和模数一定的花键都给出了规定的变位量 x·m。因 此，上述项目的计算必须根据标准给定的变位量来进行。 （2）如果直接引用 DIN5480-1表 3中的公式计算内 花键各直径尺寸，齿数 z2应取负值，齿高变位量 x2·m应 取-x1·m，这样所得到的结果也应该是负值———之所以这 样规定，是为了与 DIN 3960-1987《渐开线圆柱齿轮和齿 轮副的定义、参数和公式》取得一致［1］。最后在图纸上标注 这些尺寸时则应取它们的绝对值。 （3）大径定心时，外花键齿顶圆直径 da1与内花键齿 根圆直径 df2均等于参考直径 dB，即：da1=df2=dB；小径定心 时，应使外花键齿根圆直径 df1等于内花键齿顶圆直径 da2，即：df1=da2。 （4）齿根圆直径的大小与键齿的加工方式有关。DIN5480 标准将键齿的加工分拉削、滚切、插削和冷轧共四种方 式，每种方式的齿根高度 hfP是不同的（详见 DIN5480-1 表 3），应根据不同情况按公式计算齿根圆直径。 21机械工程师 2011年第 5期 学术交流 理论 / 研发 / 设计 / 制造 ACADEMIC COMMUNICATION 说明：因本例内、外花键公差等级相同，故单项偏差也相同；否则，内、外花键的单项偏差应分别查表确定。 表 2 查表及计算过程 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 项目 参考直径 模数 齿数 压力角 分度圆直径 定心方式 内花键 齿高变位量 齿顶圆直径 渐开线终止圆直径 齿槽宽偏差 作用齿槽宽公差 齿槽宽总公差 实际齿槽宽 作用齿槽宽最小值 量棒直径 棒间距 外花键 齿高变位量 齿顶圆直径 渐开线终止圆直径 齿根圆直径 齿厚偏差 作用齿厚公差 齿厚总公差 实际齿厚 作用齿厚最大值 量棒直径 跨棒距 跨齿数 跨 k齿公法线长度 齿形公差 齿向公差 齿距累积公差 节距公差 齿圈径向跳动 符号/单位 dB/mm m/mm z α/（°） d/mm - x2·m/mm da2 /mm dFf2 /mm Ae /μm Teff /μm TG/μm e/mm eVmin /mm DM/mm M2 /mm x1·m/mm da1 /mm dFf1 /mm df1 /mm As /μm Teff /μm TG/μm s/mm SVmax /mm DM/mm M1/mm k Wk /mm Fα /μm Fβ /μm Fp /μm fp /μm Fr /μm 查表及计算过程 应符合 DIN5480-1表 1、表 2 应符合 DIN5480-1表 1、表 2 查 DIN5480-2表 30 ——— d=m·z 齿侧定心，配合类型：8H8f 规格：DIN5480-N360×8×44×8H；加工方式：插削 查 DIN5480-2表 30 查 DIN5480-2表 30，公差带查 DIN5480-1表 5 按 DIN5480-1表 3公式计算；查 DIN5480-1表 4，最小齿形裕度 CFmin=55μm 查 DIN5480-1表 7 查 DIN5480-1表 7 查 DIN5480-1表 7 查 DIN5480-2表 30；偏差根据 DIN5480-1中表 6公式计算 偏差根据 DIN5480-1中表 6公式计算 查 DIN5480-2表 31 查 DIN5480-2表 31，按本文表 1公式计算偏差 规格：DIN5480-W360×8×44×8f；加工方式：滚切 查 DIN5480-2表 30 查 DIN5480-2表 30，公差带查 DIN5480-1表 5 按 DIN5480-1表 3公式计算；查 DIN5480-1表 4，最小齿形裕度 CFmin=55μm 滚切，齿根高 hfP=0.60m，按 DIN5480-1表 3公式计算；偏差按 DIN5480-1表 5计算 查 DIN5480-1表 7 查 DIN5480-1表 7 查 DIN5480-1表 7 查 DIN5480-2表 30；偏差根据 DIN5480-1中表 6公式计算 偏差根据 DIN5480-1中表 6公式计算 查 DIN5480-2表 31 查 DIN5480-2表 31，按本文表 1公式计算偏差 查 DIN5480-2表 31 查 DIN5480-2表 31；偏差按本文表 1公式确定，偏差系数 AW*=0.866 查 DIN5480-1表 7 查 DIN5480-1表 7 查 DIN5480-1表 7 查 DIN5480-1表 7 查 DIN5480-1表 8 结果 360 8 44 30 352 - +0.4 准344 H11 min．准358.51 0 30 80 12.104＋0.080+0.030 12.104 准14 330.731+0.148+0.056 -0.4 准358.4 h11 max．准343.89 准341.6 0－1.801 -36 30 80 12.104-0.066-0.116 12.068 准16 377.099-0.107-0.188 8 179.228-0.057-0.100 25 22 50 21 80 说明：1.AW*、AM1*和 AM2*为偏差系数，可从 DIN5480-2中查出； 2.AS-齿厚偏差，Ae-齿槽宽偏差，从 DIN5480-1 中表 7查出；3. Teff-作用齿厚/齿槽宽公差，TG-齿厚/齿槽宽总公差，从 DIN5480-1 中表 7查出。 表 1 公法线长度及跨棒距/棒间距偏差 项目 外花键跨 k齿公法线长度 外花键跨棒距 内花键棒间距 符号 Wk M1 M2 上偏差 （AS－Teff）×AW* （AS－Teff）×AM1* （Ae＋Teff）×AM2* 下偏差 （AS－TG）×AW* （AS－TG）×AM1* （Ae＋TG）×AM2* （5）DIN5480-2中第 4节至第 19节中的数据是 在齿侧定心、拉削加工的条件下给出的。否则，需要修改 相应的数据。盲目地直接引用将造成错误的结果。 3.4 确定检验方法、检验尺寸及偏差 DIN5480标准优先使用量规进行检验，保证花键的齿 侧配合性质；只是在无法使用量规时，例如单件、小批量生 产或花键尺寸过大等情况下，才允许进行单项检验［3］。 （1）花键量规 DIN5480标准中用于检验工件花键的量规（塞规和 环规）包括两类：全齿的通端量规和非全齿的止端量规 ［3］ ———前者用于检验最大实体尺寸，后者用于检验最小实 体尺寸。应根据工件花键的参考直径 dB、模数 m、齿数 z 和公差确定量规的规格。 渐开线花键量规对公差等级、材料及加工的要求较 高，所以量规的制造成本也是较高的，一般应用于批量生 产工件花键的场合。 此外，因成本和使用条件（重量将超过 10kg）所限，不 推荐使用参考直径超过 240mm的量规［3］。 （2）公法线长度和跨棒距、棒间距 外花键齿厚和内花键齿槽宽可以通过跨 k齿公法线 ACADEMIC COMMUNICATION 学术交流 理论 / 研发 / 设计 / 制造 机械工程师 2011年第 5期22 2222222222 长度Wk或外花键跨棒距 M1和内花键棒间距 M2检验。这 些尺寸的名义值可以从 DIN5480-2直接查出。极限偏差 值可以按以表 1中的公式计算。 （3）单项偏差 单项偏差包括齿形公差 Fα、齿向公差 Fβ、齿距累积公 差 Fp和单个齿距偏差 fp。这些数据都可以从 DIN5480-1 表 7中直接查到。 3.5 标注尺寸并编制参数表 在零件图纸中，应给出制造花键所需的全部参数、尺 寸和公差以及与所选检验方法有关的项目。由于这些内 容较多，无法全部标注在图形上，有些数据需要用参数表 的形式附在图中。 DIN5480系列标准没有像 GB/T 3478那样规定具体 的检验方法以供选择。设计花键时，应根据产品的功能要 求和制造条件，选择合适的检验项目予以保证。 4 设计实例 某厂引进轧机的轧辊轴与联轴器之间采用了渐开线 花键联结，装配图标注的规格为： DIN5480-360×8×44×8H 8f 现根据 DIN5480计算该花键联结的几何尺寸。 4.1 查表与计算 完整的步骤和过程见表 2。 4.2 选择检验方法 零件的工况特点是高温、重载、有间断性的冲击载 荷；零件尺寸、重量较大，装配不易；制造批量小（每批最 多 3件），备件消耗周期长。这些条件要求内、外花键齿面 之间应保证良好的接触；控制配合侧隙并适当控制制造 成本。 出于上述考虑，采用了单项检验法：不用花键量规， 用检验 M 或 W值等方法来控制花键的实际齿槽宽和齿 厚，用检验齿距累积公差、齿形误差和齿向误差的方法间 接控制花键的综合误差［2］。 4.3 填写参数表 根据表 2的结果以及所选的检验方法，填写内、外花键 的参数表（详见表 3和表 4），并附在各自的零件图中。 这里应注意的是：确定 M值所选的量棒直径应尽量 与标准所规定的一致；当不能一致时，应按实际选用的量 棒直径计算 M值及其偏差。 5 结 语 以上通过实例，详细讨论了利用德国 2006 年版 DIN5480标准进行花键设计计算的过程。从中可以看到， 要正确使用该标准必须注意： （1）引用标准中的公式或图表中的数据时，一定要明 确其前提条件，实际情况与之不同时应按照标准作相应 修改。 （2）应根据产品的结构特点、功能要求、工艺条件和 检验手段等因素来选择合适的检验方法。检验方法的不 同，应在参数表中反映出来。 生产实践：按照上述过程设计的花键可以与引 进产品实现互换，完全符合标准要求。 ［参考文献］ ［1］ DIN Deutsches Institut für Normung e.V. DIN 5480-1 Involute splines based on reference diameters - Part 1: Generalities ［S］. Berlin：Normen durch Beuth Verlag GmbH, 2006． ［2］ DIETZ P, et al. 花键轴联接-应力和磨损特性［J］．工程设计学 报，1996（1）：31-38． ［3］ DIN Deutsches Institut für Normung e.V. DIN 5480-15 Involute splines based on reference diameters -Part 15: Inspection［S］． Berlin：Normen durch Beuth Verlag GmbH, 2006． ［4］ 詹昭平,常宝印,明翠新. 渐开线花键标准应用手册［M］．北京：中 国标准出版社，1997． （编辑毕 胜） 作者简介：张轶蔚（1970-），男，硕士，讲师，主要研究方向为机械设 计及结构强度分析。 收稿日期：2011-01-17 表 3 内花键参数表 内花键：DIN5480- N360×8×44×8H 参考直径 模数 齿数 压力角 齿高变位量 公差等级和配合类别 齿顶圆直径 渐开线终止圆直径 齿根圆直径 实际齿槽宽 作用齿槽宽最小值（参考） 量棒直径 棒间距 齿形公差 齿向公差 齿距累积公差 配对花键轴图号 dB/mm m/mm z α/（°） x2·m/mm - da2 /mm dFf2 /mm df2 /mm e/mm eVmin /mm DM/mm M2 /mm Fα /μm Fβ /μm Fp /μm - 360 8 44 30 +0.4 DIN5480-8H 准344H11（+0.3600 ） min．准358.51 准361.6+1.7380 12.104+0.080+0.030 （12.104） 准14 330.731+0.148+0.056 25 22 50 XYZ 表 4 外花键参数表 外花键：DIN5480-W360×8×44×8f 参考直径 模数 齿数 压力角 齿高变位量 公差等级和配合类别 齿顶圆直径 渐开线终止圆直径 齿根圆直径 实际齿厚 作用齿厚最大值（参考） 量棒直径 跨棒距 齿形公差 齿向公差 齿距累积公差 配对花键套图号 dB/mm m/mm z α/（°） x2·m/mm - da2 /mm dFf2 /mm df2 /mm s/mm sVmin /mm DM/mm M1 /mm Fα/μm Fβ/μm Fp /μm - 360 8 44 30 -0.4 DIN5480-8f 准358.4h11 min．准343.89 准341.6 0-1.801 12.104-0.066-0.116 （12.068） 准16 377.099-0.107-0.188 25 22 50 ABC 23机械工程师 2011年第 5期 学术交流 理论 / 研发 / 设计 / 制造 ACADEMIC COMMUNICATION