一种花键轴检测工装的创新设计分析与应用

一种花键轴检测工装的创新设计分析与应用

刘鹏志 贾 辉 张洪明

（中国一拖集团有限公司）

摘要：花键轴的表面硬度检测是关系到控制花键轴可靠性质量的主要手段之一，本文依据TRIZ创新理论，结合将花键轴硬度检测现状，采用物质-场分析和矛盾分析，得到改进检测花键轴硬度控制薄弱环节的解决方案，设计制作出一种方便快捷的检测工装，并进行了实际的应用验证，有效解决了花键轴底部表面硬度无法检测的问题，为同类技术问题提供了有效的参考解决方案。

关键词： 花键轴 创新理论 硬度检测

0 引言

花键轴在旋耕机产品中是一个重要的零部件，它的主要作用是在拖拉机带动旋耕机进行耕作时，发动机的输出动力经旋耕机变速箱的传动系统传递至花键轴，进而带动作业部件作高速旋转，进行旋转式耕地作业。因花键轴在整体系统中是承上启下的重要传动部件，也可以称之其为旋耕机产品关键核心件，见图1。

1
.动力输入万向节传动器；2.传动系总成；3.花键轴；4.作业部件总成

图1 旋耕机传动原理示意图

另一方面，在旋耕机的作业过程中会经常出现的各类故障如：花键轴损坏、齿轮传动箱开裂、刀片断裂、刀座损坏脱落、润滑油泄露等，经过多年的三包故障跟踪分析发现，排名首位的故障为花键轴损坏，占总体故障比例约为20%，同时也给企业造成了不少的外赔经济损失。而花键轴损坏的主要的故障形式有磨损、漏油、间隙过大、打齿、断裂等。在花键轴的主要故障形式中花键的磨损占很大的比例，以往年的三包旧件故障统计比例来看，花键轴的磨损故障占花键轴总故障类型的比例约为75%，见图2。

图
2 花键轴磨损故障图

一直以来，技术人员为提高花键轴的品质，通过加强花键轴的强度设计如提高花键材质的表面硬度要求、加大花键规格尺寸等手段来满足花键轴更高的可靠性要求。而如何保障落实改进后的花键轴实物质量达标，就显得尤为重要。因为产品设计的再好，而零件的实物品质状态没有被落实，这无疑就像是空中楼阁，空有好的愿望，而没有有效地落实和保障手段。最终也无法实现产品品质的提升和让用户更满意的理想效果要求。

1.现状分析

花键轴磨损的故障与花键表面硬度是否符合技术要求有很大的关系。为保障花键轴的实物品质达到设计要求，尤其是如何控制好花键轴的表面硬度质量成为检测技术人员的首要任务。在实际工作中，检测人员需要委托专业的检测机构进行破坏性的理化检测试验来验证零件的硬度等技术指标是否符合技术要求。这样的专门的委托检测存在检测周期时间长（一次检测需要3-5天），费用高的问题。这无疑增加了检测的经济和时间成本。并且花键轴存在生产用量大，生产时间紧迫的现实情况。

根据检测现场现有的技术手段，加上由于花键轴特有的构造，检测人员利用现场标准配置的检测工具，其只能检测花键顶部的硬度，而花键底部硬度，由于在上硬度计检测时，花键底部下面悬空，导致硬度计无法压实，从而无法检测出花键底部的硬度值（见图3）。但如果只检测花键顶部硬度，这将可能造成出现花键齿的侧面和底面硬度不合格而未被检测出来的状况，这样的结果也就导致花键齿可能存在侧面和底部硬度不合格，容易磨损的重大质量隐患。而如果能够检测到花键底部的硬度合格的话，就可以基本确保花键的表面硬度是合格的，所以能够检测花键的底部硬度是控制花键表面硬度的关键。

1. 洛氏硬度计；2.花键轴；3.试验平台

图3 花键底部硬度检测不稳定状态示意图

综合以上分析可知为更好的控制花键轴表面硬度，如何检测花键顶部和底部硬度，重点把控其花键表面硬度是否达标，是控制花键表面强度合格，进而降低磨损故障率的主要技术保障要素。

2.创新设计分析

2.1 运用TRIZ理论分析检测系统

为实现检测花键表面硬度，尤其是底部硬度。现有检测状态可分为三种情况：一是取样切割送检，测量结果精准，但是存在耗时费力，不经济的问题；二是利用现场硬度计检测花键顶部硬度，来估计花键轴表面硬度质量状态，这种检测方便、快捷，但存在花键侧面和底部硬度不合格的质量隐患。三是利用现场硬度计检测花键底部硬度，但由于花键无法有效的得到支撑，使得无法测量，或者测量结果不准确。

进一步提炼问题可描述为如何利用现有的检测技术系统条件洛氏硬度计，实现能够快速准确的检测花键底部的硬度值。接下来就是运用创新理论方法，寻找问题的解决方案。

2.2基于组件功能的物质—场分析

物质—场分析是从物质和场的角度分析建立的物质—场模型，是否存在缺陷（缺少物质或场），是否存在有不足、过度或有害作用。是将特殊的技术系统的问题标准化的过程。结合问题现状分析可知

花键轴的底部硬度检测不准确状况属于不足完整模型（有用但不足作用），既试验平台支撑花键轴，硬度计压头压紧花键轴得出检测结果数值。将本系统的功能模型分析结果建立系统的功能模型图，见图4。

硬度计（压头）

压紧

花键轴

支撑

不足

试验平台

图4 花键轴硬度检测功能模型

经分析可知试验平台对花键轴的支撑作用不足，只能支撑花键实现检测花键顶部硬度，无法实现硬度计检测底部硬度的系统功能要求。从而得出当前系统为“完善一个不完整的物场模型”。根据标准解“如果系统中仅有一种物质，那么就可以增加第二种物质和一个相互作用的场，从而实现系统具备的必要功能”。由此考虑可增强花键轴轴齿底部的支撑作用以解决问题。

2.3运用矛盾理论分析的解决方案

采用矛盾分析来解决问题，首先把问题现状抽象为TRIZ问题。为了控制花键表面硬度，需要对花键顶部和花键底部硬度进行检测，但是当前的花键轴检测系统，存在花键的底部在硬度机上检测时下部悬空，硬度机无法压实，而无法检测底部的硬度的问题。如果想要实现花键硬度测量准确，那么花键轴的品质好、可靠性提升，但是委托检测费力、费时、检测成本也增加不少。

运用TIZE矛盾矩阵来解决问题，经分析得出该系统改善的参数：28“测量精度”；恶化的参数：37“控制和测量的复杂性”。通过查找矛盾矩阵得对应的发明原理26“复制原理”、24“借助中介物原理”、32“颜色改变原理”、28“机械系统替代原理”。经分析可知，发明原理26、24、32不适合解决该问题。根据24借助中介物原理：“把一个物体与另外一个容易去除的物体暂时结合”，较为可行，并且与物质-场分析得出的方案较为相似，因而得出解决方案。

3.创新设计方案的运用与验证

3.1 检测工装的设计制作与试验验证

结合以上分析提出的解决方案，设计制作一个能够快速安装使用的检测工装以支撑固定花键轴，使得检测花键底部硬度的过程时花键

键齿底部不悬空，从而可以有效的测量花键底部硬度，见图6。

1
.花键套；2.支撑底座

图6 工装设计图

该工装根据花键轴工作部位花键的特点，以实现能够使用现有的硬度计检测花键的底部硬度为目的。利用废旧的花键套降低了工装制作的成本，并设计了专用的检测底座，通过二者的结合，避免了在硬度机上检测花键底部硬度时花键底部悬空的情况。从而可以很好的实现了在硬度机上检测花键底部硬度的功能，见图7。

图
7 工装实物图

3.2 检测工装的应用

该检测工装经过5个月的高产月生产检测工作中的实际使用。方便快捷，经济高效的解决了花键底部硬度难以检测的问题，效果极佳。又经后期跟踪三包旧件花键轴的故障统计发现花键轴的故障率和质量损失也有了明显的下降，达到了增强现场检测技术手段，提高检测工作效率，有效地实现控制花键轴硬度品质提升的目标要求。根据花键空间尺寸检测的繁琐与费力的现状，结合此次创新分析设计的经验，考虑设计制作出一款花键尺寸的综合检测量规，以实现提高花键整体检测的准确、高效、便捷的工作目标。

参考文献：

1. 邱宣怀.《机械设计》 [B].高等教育出版社，2007,8

2. 林 岳.《创新方法教程》[B].高等教育出版社，2012,5

3. 陈宏钧.《机械加工工艺手册》[B].机械工业出版社，2009,3