金 绍 兵
（宜昌长机科技有限责任公司 湖北 宜昌 ４４３３００）
摘 要：铣齿机是大型圆柱齿轮高效加工的一种主要设备，其刀架内部经多级齿轮减速增大扭矩，为获得足够强度，齿轮与轴采用花键传动。文章针对在花键连接中产生的问题，运用ＴＲＩＺ理论中的系统分析、资源分析、物场分析、矛盾矩阵和创新原理及知识库等方法和理论，找到多种解决问题的方案，并将这些方案加以整合，得到一种能够以用于实际的综合性方案。
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关键词 ：铣齿机；齿轮；花键副；间隙；刀架；ＴＲＩＺ
中图分类号：TG156 文献标识码：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６６５－２２７２．２０１5．10．０50
收稿日期：２０１5－03－16
铣齿是大型圆柱齿轮高效加工的一种重要工艺，花键作为一种刚性传动结构，能够传递非常大的扭矩，是铣齿机铣刀架内最主要的传动结构，为保证零件装配过程的顺利进行，花键孔和花键轴之间必然会存在间隙，这些间隙经多级传动后会逐渐增大，从而使得在加工零件过程中产生较大的噪音和振动。产生的噪音不仅污染环境，而且还会对工人的身体健康造成较大的伤害，而振动则会对零件的加工精度造成很大的影响，被加工齿面的光洁度较差，同时也会降低刀具的使用寿命，无形中就会提高企业的经营成本。
因此，为了控制花键副的传动在０．０３ ｍｍ左右，目前，采用的是花键孔和花键轴配磨的加工工艺，然而这种配磨工艺也会带来一定的问题，比如：由于工人的操作水平不一样，他们控制的间隙也会时大时小，非常不稳定。而且这种配磨工艺效率也非常低，无形之中就提高了企业成本。还有一个问题，就是这些相互配磨的花键孔和轴之间缺乏互换性，如果其中某一个零件出现问题需要更换的时候就只能将这一组零件全部换掉，造成了比较大的浪费。
为了减小振动，将花键的间隙控制在一个比较小的范围之内，这样给零件的装配带来了比较大的麻烦。因为间隙小，因此，花键孔与轴之间就要调整得非常准，稍微有一点错位就难以组装。而齿轮都比较重，内部组装的空间很小，手工操作起来非常困难，而行车又难以控制一些微小的移动，因而调整这些花键孔和轴就比较困难，耗费的时间和精力都很多。而且如果要重复性的拆装，比较费时费力。
根据传动结构上出现的技术难题，运用ＴＲＩＺ理论中的方法和理论，找到一种最适合企业目前状况的方案，从而解决传动过程中产生的问题。
1 ＴＲＩＺ理论及解题流程
ＴＲＩＺ理论即发明问题解决理论，是前苏联发明家根里奇·阿奇舒勒及其发明团队在研究大量专利的基础上，经过几十年不懈努力创建的发明与创新方法。ＴＲＩＺ方法不是针对某一具体的机构、机械或过程，而是建立思考问题、解决问题过程的科学化依据。经过几十多年的研究，ＴＲＩＺ已形成了一系列方法与工具，特别是提出了矛盾矩阵与创新原理、标准解、ＴＲＩＺ算法等。
运用ＴＲＩＺ理论解决问题的一般流程如图１所示，具体步骤：要对一个具体问题仔细的分析并加以定义、明确；根据ＴＲＩＺ理论提供的方法，将需要解决的实际问题转化为一个类似的ＴＲＩＺ标准问题模型；针对不同的标准问题模型，应用ＴＲＩＺ理论已总结、归纳出的标准解方法，找出对应的ＴＲＩＺ标准解决方案模型；将这些类似的标准解决方案模型应用到具体实际的问题之中，演绎得到问题最终解决方案。
2 ＴＲＩＺ理论解题
根据上述的解题流程，采用了如下的方法和顺序，并最终得出解决方案。
2．１ 待解决的实际问题
机床在切削加工零件的过程中花键会产生较大的噪音和振动，这些噪音不仅对操作工人的身体健康有危害，振动也会对加工零件的精度带来很大影响，同时也大大缩短了刀片的使用寿命。而且铣刀架内的所有齿轮和花键中的配磨工艺效率非常低，而且这些花键孔和轴之间缺乏互换性。
2．２ 问题模型
引起2．１中一系列问题的原因主要有：齿轮太重，而花键副的间隙太小；侧壁和箱体连在一起导致内部空间不足；箱体强度和刚性不足，从而无法将箱体侧壁从箱体中分离出来；刀架箱体是平躺着安装的，无法进行零件的竖直起落，使得零件的安装调整不便。
转化问题：如何减小齿轮的重量？如何控制花键副的间隙？如何增大箱体内部空间？如何增加箱体的强度和刚性？从生成的转化问题，明确了解题的思路方向。
2．３ 利用ＴＲＩＺ工具—创新原理生成解决方案
解决问题就是针对问题模型利用中间工具找到解决方案模型，再把解决方案模型转化为本领域问题解的过程。创新原理、标准解、进化模式、物场模型、Ｈｏｗ ｔｏ模型都是解决问题的工具，还有一个重要工具就是知识库。本部分主要阐述利用创新原理得到解决方案。
技术系统进化的过程就是不断解决其中存在矛盾的过程。创新问题的核心是矛盾的消解。不同时代，不同领域的不同问题往往重复采用相同的原理来解决。阿奇舒勒通过对大量专利的研究、分析、总结，提炼出了４０条创新原理，定义了３９个通用工程参数组成的近１５００对技术矛盾和物理矛盾，以及解决这些技术矛盾常用的创新原理。限于篇幅，仅通过定义以下矛盾及查找创新原理得出解决方案。
（１）针对转化问题“如何控制花键的间隙”的问题。初步构思：将花键连接改为较大过盈的光轴连接，装配过程中对齿轮加热，同时对轴冷却，这样装配时就说间隙配合，待回到常温后齿轮和轴就会涨紧。此方案改善了“操作流程的方便性”，但同时恶化了“可维修性”，即产生了技术矛盾。利用矛盾矩阵查找创新原理，得到方案。
利用等势原理：由于花键齿轮和花键轴始终存在间隙，现不用花键连接机构，直接用齿轮和轴过盈连接，带来的问题是连接后力量太大，不好拆卸，现将齿轮内孔上加工一圈油槽，并增加一个和油槽相通的油孔，同时将齿轮孔做成锥形，当需要拆装时，将高压油连在油孔上，高压油进入油槽后涨大齿轮孔，从而方便齿轮的装卸。
（２）针对转化问题“如何控制花键的间隙”的问题。初步构思：当在安装调整传动系统内部齿轮时，为了安装调整方便，要求花键间隙尽量大。为了减小机床加工零件过程中的振动，则要求花键间隙尽量小，甚至没有。此方案改善了“花键间隙”，但同时恶化了“花键间隙”，即产生了物理矛盾。利用矛盾矩阵查找创新原理，得到方案。
利用嵌套原理，去掉轴和齿轮的花键，采用涨紧套连接，调好相位后再预紧涨紧套，使其变形，从而连接夹紧轴和齿轮。这样去掉了花键结构，从而消除了花键间隙，如图２所示。
３．４ 最终解决方案
根据方案评价表可以得出：方案《将齿轮的轴做成一个整体来代替花键结构》、《齿轮和轴用胀紧套胀紧来代替花键结构》、《将左右侧壁从箱体中分离出来》和《改变齿轮的结构来减小齿轮的重量》方案评价综合得分较高，在实际工程中应用可能性比较大，具有很好的应用实施价值。将上述分析得出的方案结合公司的实际情况，得出如图３所示的实际应用方案：
该实际应用方案综合了项目中的部分生成方案，改变了铸件箱体的材料，将箱体的左右侧板从箱体中分离出来了，对齿轮也做了优化设计，同时尽量将齿轮和轴做成一个整体，大的传动齿轮就采用了胀套胀紧或者带锥度的过盈连接。
3 结论
宜昌长机科技有限责任公司铣齿机研发成功以来以来，花键传动效果一直没达到期望值，在联合技术攻关过程中，引用了多种先进方法的集成组合：创新方法（ＴＲＩＺ）培训＋先进技术手段（ＣＡＩ／ＣＡＤ／ＣＡＥ）引入＋技术指导，取得了良好的效果。通过发现问题、分析问题、解决问题、方案验证四个阶段的创新流程，利用ＴＲＩＺ工具得到了一系列技术方案，其中一部分方案代表了当今世界上较为先进的技术，比较适合企业的应用实施。
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参考文献
１ 植润华． 发明问题解决理论［Ｍ］． 北京：中国石化出版社，２０１０
２ 杨明． 基于ＴＲＩＺ的可拆卸联接结构设计研究［Ｄ］． 合肥：合肥工业大学， ２０１０
３ 舒瑞龙． 基于ＡＮＳＹＳ的行星齿轮传动设计分析［Ｄ］． 贵州：贵州大学，２００７
（责任编辑 亢婷婷）