心形孔Hy-Vo齿形链产品设计优化

齿形链是一种应用广泛的重要机械基础件，通常齿形链分为两大类：即圆销式齿形链和滚销式齿形链，滚销式齿形链也常称Hy-Vo链。近年来，汽车变速器、分动箱、汽轮机传动装置，以及其他高速传动，越来越广泛地应用了各种形式的Hy-Vo齿形链。由于Hy-Vo齿形链的关键设计制造技术一直由国外极少数公司所掌控，因此国内相关主机厂目前主要依赖国外高价进口Hy-Vo齿形链。

5.3.2.1结构特点

随着众多主机厂的不同个性化实际需求的增长，Hy-Vo齿形链也在不断变异、创新和升级。一种适用于高速传动的基于心形孔的Hy-Vo齿形链的装配图如图5-130所示，其链板孔的形状类似于心形，组成异形销轴截面的各段圆弧均为外凸曲线，因而异形销轴与链板心形孔外侧曲线定位时，比其他孔形基准孔的定位更稳定，接触面积更大，更有利于提高其耐磨性能。同时，截面均为外凸曲线的异形销轴比其他形状的（如截面瓦形的）异形销轴更有利于异形销轴在拉丝成形时异形销轴的扭曲和变形，也更有利于保证异形销轴在加工制造时的精度。

图5-130 心形孔Hy-Vo齿形链装配图

为了实现从普通齿形链的链板与销轴的滑动摩擦副向Hy-Vo齿形链长销轴与短销轴的滚动摩擦副的转变，同时又兼具外啮合和内外复合啮合的两种啮合机制。所以通常情况下Hy-Vo齿形链是由内-外复合啮合链板、外啮合链板、导板、长销轴和短销轴等零件装配而成的（见图5-130）。

这种新型的Hy-Vo齿形链具有变节距功能，同时兼有上述的两种啮合机制，并且可以通过优化调整其有序排列规律来满足不同主机的个性化需求。由于变节距和内外复合啮合机制的双重效应，实现了这种新型Hy-Vo齿形链的准共轭传动，这种Hy-Vo齿形链是一种高效、低噪声、强耐磨的新型传动元件，必将得到广泛应用。5.3.2.2产品设计

齿形链传动既不同于齿轮传动，也不同于滚子链传动，它是一种典型的兼容齿轮传动和链传动特征的刚柔体传动系统。如果不从齿形链-链轮-刀具齿条的啮合原理入手、不建立齿形链的啮合体系并提出齿形链的啮合设计理论与方法，而是单独地研究齿形链及其链轮的设计是不可行的。

在分析研究链轮滚刀与链轮滚切原理的基础上，根据齿形链与链轮的啮合原理，将齿形链工作链板齿形视作滚刀法向齿形，建立以链轮中心为坐标原点，过链轮轮齿的对称中心线为纵坐标，过链轮中心且垂直于链轮轮齿对称中心线的直线为横坐标的齿形链-链轮-刀具齿条的啮合设计直角坐标系。将以链轮分度圆与链轮轮齿齿槽对称中心线的交点为极点，齿槽对称中心线为极轴的极坐标系连接在上述直角坐标系上，从而构建了齿形链的啮合设计体系。该体系可以用于Hy-Vo齿形链的啮合设计（详见本书第4章）。

以图5-130所示的节距为9.525mm的心形孔Hy-Vo齿形链为例，简述各零件的参数设计方法。

1.内-外复合啮合链板参数设计

如图5-131所示，心形孔Hy-Vo齿形链链板的主要设计参数包括：基准孔心距A、基准边心距f、齿形半角α、两销轴相互滚动表面的曲率半径r、定位偏置角γ、伸出量δ，链板内侧工作齿廓曲率半径r₁及其曲率中心坐标x₁、y₁，链板孔基准圆圆心至异形销轴滚动面的距离S_m等。

图5-131 内-外复合啮合链板主要设计参数

1）基准孔心距A。心形孔Hy-Vo齿形链内-外复合啮合链板的基准孔为链板异型孔的外侧圆孤。基准孔心距为链板两个外侧圆弧曲率中心的距离。基准孔心距A>p′，并应满足A=p′+2B₁。p′为拉直状态下心形孔Hy-Vo齿形链的节距，B₁为基准孔心至销轴大端面投影到x轴的距离。B₁=r-（r-S_m）cosγ，心形孔Hy-Vo齿形链基准孔心距A=9.68mm，则p′=（9.68-0.155）mm=9.525mm符合设计要求。

2）基准边心距f。即基准孔孔心至工作链板外侧直线齿廓的距离。取f=0.446p′=4.25mm。

3）齿形角2α。即内-外复合啮合链板齿形外侧齿廓两直线的夹角。心形孔Hy-Vo齿形链内-外复合啮合链板与外啮合链板的齿形角2a=60°（见图5-132）。

4）销轴滚动面的曲率半径r。心形孔Hy-Vo齿形链销轴滚动面的曲率半径取r=0.693p′=6.6mm。

5）定位偏置角γ。心形孔Hy-Vo齿形链链板的定位偏置角γ=4°。

6）伸出量δ。伸出量δ值应该在一个合理的范围内优选。通常δ随着节距增大而增大，随着链轮齿数的增加而减小。通常可取0.15～0.30mm。节距较小且链轮齿数较多时取较小值，节距较大且链轮齿数较少时取较大值。心形孔Hy-Vo齿形链伸出量取δ=0.28mm。

7）链板内侧工作齿廓曲率半径r₁。心形孔Hy-Vo齿形链链板为宽腰形，其内侧工作齿廓曲率半径r₁=r_btanα_x。其中r_b为渐开线基圆半径；α_x为压力角即α_x=30°。则心形孔Hy-Vo齿形链链板内侧工作齿廓曲率半径r₁=r_btanα_x=14.5mm。

8）链板内侧工作齿廓曲率中心坐标（x₁，y₁）。已知边心距f、内侧工作齿廓曲率半径r₁、伸出量δ，当齿形半角α=30°时，以链板外侧基准孔心为坐标原点，链板内侧工作齿廓曲率中心坐标为x₁=-10.070mm，y₁=2.227mm。

9）链板孔基准圆圆心至异形销轴滚动面的距离。S_m=0.06mm。

内-外复合啮合链板的产品图样如图5-132所示。

图5-132 内-外复合啮合链板的产品图样

2.外啮合链板参数设计

外啮合链板顾名思义，只在链板的外侧直线齿廓参与啮合。所以外啮合链板参与啮合部分的外侧与内-外复合啮合链板相同。即基准孔心距A、基准边心距f、齿形半角α、定位偏置角γ、链板孔形等都与内-外复合链板相同。由于外啮合链板不参与内啮合，所以外啮合链板的内侧齿廓就不是外凸的曲线，而是简化为直线或内凹曲线。所以外啮合链板没有伸出量δ，或伸出量δ为负值。在设计时只需在外啮合链板内侧齿廓做出让位，在保证外啮合链板强度的同时与链轮啮合时不发生干涉即可。外啮合链板如图5-133所示。

图5-133 外啮合链板

3.导板参数设计

如图5-134所示，心形孔Hy-Vo齿形链导板为蝴蝶状导板，其主要参数包括：孔边距、齿形半角、导板高度、导板有效工作高度等。

1）孔边距a。心形孔Hy-Vo齿形链导板的孔边距a=p，即为Hy-Vo齿形链的名义节距9.525mm。

2）齿形半角α。心形孔Hy-Vo齿形链导板的齿形角与链板的齿形角相同2α=60°。(www.xing528.com)

3）定位偏置角γ。导板异形孔的定位偏置角与链板异形孔的定位偏置角一致，即为γ=4°。

4）导板高度H。导板高度与链板高度采用等高设计，H=12.1mm。导板高度略小于链板高度（0.05～0.10mm）是为了在有张紧机构的情况下，保证张紧机构只与链板接触而不与导板接触。

5）导板有效工作高度H₁。H₁取值越大导板强度越高、弹性越小。H₁取值越小导板强度越低、弹性越大。为此导板有效工作高度的设计原则是保证强度的情况下使导板具有最大的弹性。在满足整链装配时所必须的链板孔与异形销轴的装配间隙前提下，使导板在使用状态下，由于工作张力的作用，可产生弹性变形伸长，这种弹性变形可以减小或消除异形销轴和工作链板孔定位对应面之间的间隙，减小异形销轴的变形，改善异形销轴的应力状态，提高各工作链板的承载均匀性。经有限元分析和测试研究H₁=5.2mm，导板的弹性伸长量和最大应力满足要求。

图5-134 心形孔Hy-Vo导板

4.销轴设计

Hy-Vo齿形链的销轴分为长销轴和短销轴。安装在内-外复合啮合链板和外啮合链板内的较短销轴命名为短销轴。露出导板与导板过盈连接的较长销轴命名为长销轴。其截面尺寸相同。心形孔Hy-Vo齿形链销轴的截面是由四段外凸的圆弧组成。如图5-135所示。R₁圆弧是与链板心形孔外侧圆弧相配合的定位圆弧，是销轴在装配和工作时与链板心形孔外侧基准孔小间隙配合的基准圆弧。一般销轴R₁圆弧取值是等于或略小于链板心形孔外侧基准圆弧，取R₁=2.1mm。R₂=6.6mm是两销轴相互对滚的工作面圆弧。两段R₃是销轴的过渡圆弧。

图5-135 心形孔Hy-Vo齿形链销轴

必须指出，异形销轴截面设计与链板孔形设计是紧密相关的。所以销轴截面与链板孔形是关联设计。

1）设计时必须根据心形孔Hy-Vo齿形链工作的最小齿数确定两相邻链节的最大转角，并保证最大转角时，销轴与链板心形孔的任何部位不能发生干涉。

2）应保证在装配时，长销轴与链板外侧基准孔之间有一定的间隙，方便安装，不宜发生切边。

5.3.2.3压出力设计计算

顾名思义，压出力即为销轴从导板孔内压出时所测到的最大力。是衡量导板与销轴连接牢固度的一种检验方法。由于心形孔Hy-Vo齿形链的销轴是异形销轴，不适合采用松动转矩来检验导板与销轴的连接牢固度，应采用压出力这一方法来检验。考虑到销轴的铆头增大量会对压出力的检测产生影响，所以一般销轴压出力应在铆头前对其进行抽样检测，测量的压出力应不小于理论计算得出的最小压出力或相关标准的规定。最小压出力可按式（5-89）计算：

F_min=p_iπdsf（5-89）式中：p_i为最小比压（N/mm²）；s为导板厚度（mm）；f为摩擦因数（f≈0.15）；πd为异形销轴周长（mm）。其中式中：δ_m′_in为理论上的最小有效过盈量（mm）；δ_m′_in=δ_min-1.2（h₁+h₂）；δ_min为实际最小过盈量（mm）；h₁、h₂分别为包容件与被包容件的表面粗糙度（R_Z）（mm）；E₁、E₂为材料的弹性模量，对于钢，一般取E₁=E₂=2×10⁵N/mm²；，，因为销轴的内径d₀=0，所以c₁计算公式可以简化为c₁=1-μ。式中：d为被包容件外径（异形销轴的当量外径）；d₀为被包容件内径（异形销轴的内径d₀=0）；D为包容件外径（导板高度）；μ为波桑比（一般取μ=0.3）。

在计算异形销轴与导板的压出力时，必须引入一个当量直径的概念。由于异形销轴是非圆形的，不像圆形销轴可以用直径d乘以圆周率π来计算周长。对于异形销轴当其截面形

状确定后，可以按[r_i为各段圆弧的曲率半径（mm）；α_i为各段圆弧所对应的圆心角（rad）]来计算各段圆弧的长度，再分别相加得到整个异形销轴截面的周长。也可以在异形销轴截面形状设计完成后通过制图软件查询到截面的周长。已知异形销轴截面周长l，除以圆周率π即等于当量直径，这个当量直径可以理解为异形销轴的直径d。

以心形孔Hy-Vo齿形链导板与异形销轴的压出力为例，已知导板高度D=12.1mm，异形销轴截面周长l=9.67mm，可计算求得异形销轴当量直径d=3.08mm，所以c₁=0.7，c₂=1.44。已知销轴和链板孔的粗糙度Ra=1.6，取理论上的最小有效过盈量δ′_min=0.01，根据比压的计算公式，

已知导板厚s=1.0mm，摩擦系数f=0.15，根据压出力的计算公式F_min=p_iπdsf可计算求出其最小压出力为F_min=303×9.67×1×0.15N=440N。

则实际最小过盈量δ_min=δ′_min+1.2（h₁+h₂）=[0.01+1.2（0.0016+0.0016）]mm=0.01384mm。对于心形孔Hy-Vo齿形链，计算求得的实际最小过盈量δ_min可视为异形销轴的最小厚度减去导板孔的最大宽度。

链条实际过盈量一般都控制在公差带的中值。所以，实际平均过盈量δ_平均为0.02～0.03mm。其平均压出力可通过上式求得。当实际平均过盈量为0.02mm时，其理论平均有效过盈量δ′=0.01616mm，则p_i=490N/mm²，计算求得的平均压出力F_平均=711N，当实际平均过盈量为0.03mm时，其理论平均有效过盈量δ′=0.02616mm，则p_i=794N/mm²，计算求得的平均压出力F_平均=1152N。

通过压出力测量仪对心形孔Hy-Vo齿形链国内外样品的导板与异形销轴的压出力进行了实际检测，实测的结果对比见表5-41。

表5-41 心形孔Hy-Vo齿形链导板与异形销轴压出力检测数据（单位：N）

通过相关试验我们得出，当实际平均过盈量δ_平均为0.02～0.03mm时，压出力的计算结果与实测结果比较吻合。

5.3.2.4磨损伸长率的性能实验

为了验证基于心形孔Hy-Vo齿形链的啮合分析及其设计方法，进一步验证产品的抗磨损性能。在封闭力流式齿形链高速磨损试验台上进行了171h的高速磨损试验。

1）试验规范。选用封闭力流式高速磨损试验台，采用压力喷油方式润滑，试验功率P=7.77kW。主、从动轮为自主设计准共轭啮合链轮，主、从动链轮齿数为z₁=z₂=35。试验转速n₁=5000r/min，试验链条节数L_p=84。在试验过程中每隔一定时间在链长测量仪上进行一次磨损伸长的测量，并按照ε=ΔL/L（其中ΔL为链条磨损伸长量，L为初始链长）计算求出心形孔Hy-Vo齿形链在不同阶段的磨损伸长率。

2）试验结果。试验过程中，心形孔Hy-Vo齿形链与链轮的啮合传动平稳，如图5-136所示，试验171h后的磨损伸长率仅为ε=0.264%，表明基于心形孔Hy-Vo齿形链的设计及制造工艺是切实可行的。

图5-136 心形孔Hy-Vo齿形链磨损伸长率折线图