新型平键起键器的研制

张颖利， 罗华安， 吴长华

（南京信息职业技术学院，南京210046）

0 引言

键联接如图1所示，是一种典型的机械联接方式，通常用来连接轴上零件，对它们起周向固定作用并实现转矩传递。键联接可分为平键连接、半圆键联接、楔键联接和切向键联接，其中平键联接因为结构简单、对中性好、制造方便，在实际工程中得到广泛应用[1-3]。在工作时，通过键的侧面与轴槽和轮毂槽的侧面相互接触来传递转矩。为保证传动精度，平键结构一般采用过渡配合，因其结构特点及使用工作条件，维修过程中采用普通机械工具难以起拔。如果强行拆卸，会破坏键及相配的轴，如图2所示。

图1 键连接

图2 键的拆卸

利用机械原理取出平键的装置市场上虽然有,但没有相关的文献报道，例如TURNUS平键拔出器T139-1（如图3所示），适用于3～35 mm键宽，重量2 kg，利用两侧手轮的夹持力，垂直拔出，应用前需要在键的表面喷涂液体增加摩擦力，而且价格也比较高。

研制的新型平键起键器，在结构上力求达到简洁、轻便的特点，携带方便；其主体拟采用机械结构，通过机械杠杆结构实现增力，保证夹持牢靠，能够快速实现键与轴的分离，并使零件不受破坏。

1 研制过程

1.1 选题背景及意义

图3 T139-1平键拔出器

维修设备时，在轴和轮毂类零件（例如齿轮、蜗轮等零件）相配的地方会遇到平键联接，如果平键没有磨损，可以直接用手拿下来；但是，长时间在恶劣的环境下工作和材料本身的问题，难免会出现磨损或者“焊死”现象。高级技师会用橡胶锤或者钢锤加铝棒，选择正确的角度，并用适度的力敲击平键的两侧，以保证平键与轴不会被破坏。工人通常会利用钢锤直接敲击平键或者用虎钳夹着平键往外拽，或者用錾子取出平键；有的采用焊接一根钢筋在平键上，再用虎钳夹住向外拽；有的在平键上钻出一个螺纹孔，通过旋转螺钉将平键从键槽中“顶出”。

在实际情况中起拔平键时，使用传统方法和工具，不仅费时费力，还会破坏平键与轴，要想做到平键与轴轻松分离而且不被破坏还是非常困难的。

针对以上原因研制新型平键起键器，其主体拟采用机械结构，并通过机械杠杆结构实现增力，保证夹持牢靠。提供一种适用范围比较广，适用不同规格的平键，通过调整一侧定位块的位置来实现，为了保证取出过程中夹爪与平键始终接触，采用了偏心凸轮机构。通过Pro/Mechanica的有限元分析，对夹爪和偏心轮做静态的受力分析，验证结构是否合理，还对偏心轮的结构进行了优化设计。

1.2 设计思路

新型起键器主要由支架和起拔装置两大部分组成，如图4所示。支架支撑在轴颈表面上，其中左侧定位块用来确定位置，右侧的定位块用来调整方向；起拔装置用于平键夹紧，其中偏心轮机构的设计具有自锁功能；螺旋机构用来实现平键起拔。

低位杆1、左拉杆4、上连杆13和右拉杆18组成平行四边形支撑机构；左定位块7和右定位块17是轴的定位块，为了适用不同尺寸的轴，夹紧螺钉19长度可以调整；通过一对夹爪8夹持平键的2个侧面，为了保证夹持中夹爪与平键在取出过程中始终接触，采用了偏心轮机构，为了增加摩擦力接触端面做成齿状；通过蝶形螺母14的旋转螺杆15向上垂直运动，夹爪收紧，把平键从键槽中拔出；防止拔出力不垂直，上连杆13中螺杆的通过孔为腰型孔，左右可调整。

研制的平键起键器的实物如图5所示，而Pro/Engineer 5.0野火版完成的三维造型图如图6所示。

图4 平键起键器

图5 起键器的实物

图6 起键器的三维造型

1.3 研制过程

1.3.1 机构的工作过程

1）固定支架在轴面。打开低位杆，把支架套到轴上，再合上低位杆，并通过左右定位块定位、调整起拔方向。2）夹紧平键侧面。松开蝶形螺母并转动偏心轮，调整夹爪的位置使其与平键侧面接触。3）拔出平键。拧紧蝶形螺母以实现螺杆向上移动，从而实现平键垂直起拔。为了降低成本，机构中所有的加工零件采用45钢，并进行热处理和表面发蓝处理。

该机构结构简单、紧凑、轻便，能满足不同类型平键的取出，而且不破坏相关零件。

1.3.2 机构设计

1）支架。支架采用封闭的框架结构，也可以是支脚式结构，如图7所示。封闭式的支脚用左右V型块与轴的外表面进行定位，相对比较稳定；而支脚式的结构简单些，采用左右拉杆下端的V型面与轴接触进行定位，但稳定性稍差。因此采用封闭式的支架。

图7 支架

2）起拔装置。起拔装置主要包括偏心轮、夹爪、夹爪连杆、连接片、螺杆和蝶形螺母。它的功能主要是用于平键的夹紧和拔起；随着蝶形螺母的拧紧，使得螺杆垂直向上移动，带动夹爪上移来实现平键的起拔，它的工作原理类似于倒置的螺旋千斤顶如图4所示。采用了偏心轮机构对平键进行夹紧，因此具有自锁功能，这样的设计保证了夹紧机构夹持的可靠性。

偏心轮在任何位置都具有自锁性能的条件是：2e/D≤f。式中：D为偏心轮的直径（D=2R）；f为偏心轮与零部件表面的摩擦因数，通常情况下取f=0.1～0.15。设计时，常采用f=0.15，此时偏心轮的偏心距应该是e<0.075D。综上所述，结合实际情况，本课题中采用的偏心轮的偏心距为0.5 mm。

图8 偏心轮

图9 夹爪

外围的两个半圆槽是为起拔初期，增加预紧力所用，将其成对配置，并且与中心轴呈46°，这样设计的目的是为了方便使用普通工具，轻轻转动偏心轮，就可以提供足够的夹紧力。以φ48轴为例设计偏心轮结构如图8所示。

夹爪的结构如图9所示，端面采用距离为0.8 mm的锯齿状的夹持槽，这样能增大夹持端面的正压力；中间的长型槽与夹持部分的结构，可以保证夹爪夹持平键时形成一个自夹紧的角度。

1.3.3 有限元分析

首先完成零件的三维造型，然后进入到有限元分析模块，对夹爪和偏心轮进行静态的力学分析，以验证夹爪和偏心轮结构设计的合理性。

1）夹爪的静态分析。静态分析主要是用来模拟模型结构的刚度和强度，根据约束和载荷条件计算模型的应力和应变，所以它的作用包括计算模拟模型上的变形、应力和应变，这样就可以响应指定的载荷和约束。在夹爪端部设置一个垂直向上的力约束[5-11]，设置固定曲面和壳体对应曲面，最后进行有限元分析，应力分析云图和最大变形云图如图10所示。从夹爪的静态有限元分析的应力云图可以看出，最大应力发生在其中部的槽和夹持端面。根据选择的材料和安生系数校核夹爪的强度，使夹爪工作时处于一个比较安全的状态。还可以在最大应力处进行倒圆角处理，这样就避免应力过于集中在一个位置。

图10 夹爪有限元分析

2）偏心轮的优化。按照同样的步骤，对偏心轮做受力分析计算，其有限元分析云图如图11所示。从偏心轮静态有限元分析的应力云图可以看出，偏心轮的最大应力发生在偏心轮的内部。根据材料力学的计算公式，经过论证，发现偏心轮在受到静态载荷作用时，应力值不但超出设计要求，还接近材料的最大屈服强度值，需要对其进行结构优化设计。

图11 偏心轮有限元分析云图

从最大应力和角度曲线可以知道，随着角度的逐渐增大，最大应力也会随之逐渐减小。根据这一结论，可以改变偏心轮的外缘曲槽轮廓的形状，间接地改善偏心轮内部轮廓应力过于集中的问题，而不是直接改变偏心轮内部轮廓。这样做的原因是，在施加预夹紧力时，需要转动这2个槽，因为偏心距的原因，就会将平键夹持住，所以，这一处是施加力的位置，通过改变其轮廓曲度，可以间接地影响到偏心槽的受力状态。通过使用Pro/E的优化分析模块，共进行了9次迭代，最终形成了如图12所示的优化后的模型。

图12 偏心轮优化

2 研究结果

研制的平键起键器主要用于快速取出轴上不同规格的平键，并且不破坏相关零件的结构。通过实验验证可以快速取出轴上磨损的平键，

通过这次的平键起键器的研制，能够将机械设计理论知识与机械加工实践过程相结合，尤其是杠杆原理和偏心轮机构方面；而且还应用三维软件的有限元对零件进行受力分析和结构优化。

[参 考 文 献]

[1] 濮良贵,陈国定,吴立言.机械设计[M].北京：高等教育出版社,2013.

[2] 曹助家.平键联接中键槽尺寸的选取[J].机械制造,1984(6)：19-20.

[3] 钟贤栋.平键联接的可靠性设计[J].装备制造技术,2002(1)：5-7.

[4] 唐剑兵.机械基础与结构设计[M].重庆：重庆大学出版社,2006.

[5] 詹友刚.Pro/ENGINEER工程图教程[M].北京：机械工业出版社,2007.

[6] 张健,李林泽,起雪梅.基于Pro/E的弧面分度凸轮参数化设计及有限元分析[J].组合机床与自动化加工技术,2013(7)：41-43.

[7] 焦杰.浅析Pro/E软件在机械的设计制造中的综合性应用[J].山东工业技术,2015(2)：153.

[8] 张洪武.有限元分析与CAE技术基础[M].北京：清华大学出版社,2004.

[9] 乔建军,王保平,胡仁喜.Pro/Engineer Wildfire5.0动力学与有限元分析从入门到精通[M].北京：机械工业出版社,2010.

[10]赵金才,刘书桂.Pro/E零件模型几何信息的自动提取[J].机床与液压,2005(12)：118-120,142.

[11] 李剑.大型立磨机身立柱的有限元分析[D].重庆：重庆大学,2008.