第4章 键、花键和销联接

第四章键、花键和销联接4-1 基础知识一、键联接1、平键、半圆键、楔键、切向键的功能及应用（1）平键联接 平键联接的定心精度较高，应用较广泛，其优点是结构简单、装拆方便、对中性较好。但由于这种键联接不能承受轴向力，因而对轴上的零件不能起到轴向固定的作用。图 4-1 为普通平键联接的结构型式。a)b） 圆头 c） 平头 d） 单圆头 图 4-1 普通平键联接从图中可看出键的上表面和轮毂的键槽底面间留有间隙，工作面是两侧面，工作时，靠 键同键槽侧面的挤压来传递转矩。平键分为普通平键、薄型平键、导向平键和滑键四种。前两种键用于静联接，后两种键 用于动联接。1）普通平键按构造分为圆头（A型），如图4-la、平头（B型），如图4-lb、单圆头（C型），如图4-1c。圆头平键宜放在轴上用键槽铣刀铣出的键槽中，键在键槽中轴向固定良好。平头平键是 放在用盘铣刀铣出的键槽中。单圆头平键则常用于轴端与毂类零件的联接。圆头平键的缺点是键的头部侧面与轮毂上的键槽不接触，因而键的圆头部分不能充分利 用，而且轴上键槽端部的应力集中较大。但平头平键避免了上述缺点。2）薄型平键薄型平键也分圆头、平头和单圆头三种型式，键的高度约为普通平键的60 /70 / ,0 0由于传递转矩的能力较低，常用于空心轴、薄壁结构及一些径向尺寸受限制的场合。3）导向平键采用导向平键或滑键均可满足被联接的毂类零件在工作过程中在轴上作轴向移动。由于 导向平键较长，需用螺钉固定在轴上的键槽中，同时键上制有起键螺孔，可拧入螺钉使键退 出键槽，以便于拆卸。导向平键适用于轴上传动零件滑移较小的情况下。4）滑键当零件需滑移的距离较大时，宜采用滑键而不采用导向平键。这是因为导向平键的长度 越大，制造越困难。当采用滑键时，滑键固定在轮毂上，轮毂带动滑键在轴上的键槽中作轴 向滑移。这样，可将键做得较短，只需在轴上铣出较长的键槽即可，从而降低加工难度。（2）半圆键联接 半圆键联接工艺性较好，装配方便，尤其适用于锥形轴端 与轮毂的联接。半圆键工作时，靠其侧面来传递转矩。由于其 轴上键槽较深，对轴的强度削弱较大，所以一般只用于轻载静 联接中。轴上键槽的加工方法是用尺寸与半圆键相同的半圆键槽铣 刀铣出。由图 4-2 可看出，键在槽中能绕其几何中心摆动以适应 轮毂中键槽的斜度。（3）楔键联接图 4-2 半圆键联接产生偏心和偏斜，因此楔键联接主要用于毂类零件的定心精度要求不高和低转速的场合。a） 用圆头楔键b） 用平头楔键c） 用钩头楔键楔键联接如图 4-3 所示。键是楔紧在轴和轮毂的键槽里的，键楔紧后，轴和轮毂的配合图 4-3楔键联接键的工作面是上下两面，工作时，靠键的楔紧作用来传递转矩，同时还能承受单向的轴 向载荷，对轮毂起到单向的轴向固定作用。楔键联接在传递有冲击和振动的较大转矩时，可 能会导致轴与轮毂发生相对转动，但由于楔键的侧面与键槽侧面间有很小的间隙，此时键的 侧面能像平键那样参加工作，以保证联接的可靠性。楔键分为普通楔键和钩头楔键，普通楔键有圆头、平头和单圆头三种型式。装配圆头楔 键时，要先将键放入轴上键槽中，然后打紧轮毂，而装配平头、单圆头和钩头楔键时，则是 在轮毂装好后才将键放入键槽并打紧。钩头楔键的钩头供拆卸用，安装在轴端时，应注意加 装防护罩。（4）切向键联接切向键联接如图 4-4 所示。将一对斜度为 l：100 的楔键分别从轮毂两端打入，从而得 到切向键，拼合而成的切向键就沿轴的切线方向楔紧在轴与轮毂之间。其工作面就是拼合后 相互平行的两个窄面，工作时就靠这两个窄面上的挤压力和轴与轮毂间的摩擦力来传递转 矩。须注意的是，用一个切向键只能递单向转矩，若用两个切向键则可传递传递双向转矩， 且两者间的夹角为120。 130。考虑到切向键的键槽对轴的削弱较大，因此常用于直径大 于 100 mm 的轴上。图 4-4 切向键联接2、键的选择 选择键时应考虑类型和尺寸两个方面。键的类型选择应考虑键联接的结构特点、使用要 求和工作条件；键的尺寸选择应考虑是否符合标准规格和强度要求。在尺寸选择中，考虑键 的主要尺寸，即键的截面尺寸（一般以键宽b X键高h表示）和键长L。键的截面尺寸按轴 的直径d由标准中选定;键的长度L 一般应等于或略短于轮毂的长度。通常轮毂的长度L 可 约取为1.5 - 2倍的轴的直径d。同时键长也应符合标准规定的长度系列。重要的键联接在 选出键的类型和尺寸后，还应进行强度校核计算。键的材料通常用 45钢，如果强度不够， 通常采用双键。3、平键联接强度计算图4-5为平键联接传递转矩时，联接中各零件的受力情况。普通平键联接（静联接）的主要失效形式是工作b面被压溃， 般不会出现键的剪断（图4-5中沿aa面剪断），因此，我们通常 进行强度校核计算。导向平键联接和滑键联接（动联接）的主要失 损，我们通常按工作面上的压力进行强度校核计算。CM2T x 103b = p p kld图4-5平键联接受力情况普通平键联接的强度条件为导向平键联接和滑键联接的强度条件为4-2)2T x 103P = P kld式中：T传递的转矩（T = F x y a F x ），单位为N m ；2k 键与轮毂键槽的接触高度，k = 0.5 h，此处h为键的高度，单位为mm ;l 键的工作长度，单位为mm，圆头平键l = L - b，平头平键l = L，单圆头b平键/ = 1 - 一，这里L为键的公称长度，单位为mm ; b为键的宽度，单位为2mm；d 轴的直径，单位为 mm；b 键、轴、轮毂三者中最弱材料的许用挤压应力，单位为MPa ；pP键、轴、轮毂三者中最弱材料的许用压力，单位为MPa。1、花键联接的类型、特点和应用 花键联接适用于定心精度要求高、载荷大或经常滑移的联接。由图4-6 可知，花键联接 是由外花键和内花键组成。花键联接在强度、工艺和使用方面有下述一些优点：a）联接受 力较为均匀；b）齿根处应力集中较小，轴与毂的强度削弱较少；c）可承受较大的载荷；d） 轴上零件与轴的对中性好；e）导向性较好；f）可用磨削的方法提高加工精度及联接质量。 缺点是齿根仍有应力集中；有时需用专门设备加工；成本较高。花键联接可用于静联接或动联接。按齿形不同，可分为矩形花键和渐开线花键两类，均 已标准化。a) a =30b） a =45渐开线花键联接图 4-6 矩形花键联接图 4-71）矩形花键 矩形花键的齿形尺寸有轻系列和中系列两个系列。轻系列多用于静联接或轻载联接；中系列多用于中等载荷的联接。短形花键的定心方式为小径定心（图 4-6），特点是定心精度 高，稳定性好。矩形花键联接应用较为广泛。2）渐开线花键渐开线花键的齿廓为渐开线，分度圆压力角有 30和 45两种（图 4-7），齿顶高分 别为 05 m 和 04m， （m 为模数）。与渐开线齿轮相比，渐开线花键齿较短，齿根较宽， 不发生根切的最小齿数较少。渐开线花键的定心方式为齿形定心。当齿受载时，齿上的径向力能起到自动定心作用。 其工艺性较好，制造精度也较高，花键齿的根部强度高，应力集中小，易于定心，当传递的 转矩较大且轴径也大时，宜选用渐开线花键联接。压力角为 45的渐开线花键，承载能力 较低，多用于载荷较轻，直径较小的静联接，特别适用于薄壁零件的轴毂联接。2、花键联接强度计算花键联接的受力情况如图4-8 所示。静联接主要失效形式是工作面被压溃，通常按工作 面上的挤压应力进行强度计算；动联接主要失效形式是工作面过度磨损，则按工作面上的压 力进行条件性的强度计算。假定载荷均匀分布在键的工作面上，每个齿工作面上压力的合力F作用在平均直径d 处（图4-8），此时传递的转矩T =丈m，考虑实际载荷在各花键齿上分配不均的影响,引入系数申，则花键联接的强度条件为图4-8花键联接受力情况静联接 Q = 2 2 X 10 c （4-3）p9 zhldpm动联接 p = 22 % 10 g p kld 6 x 105 x 70p可见联接的挤压强度不够。考虑到相差较大，因此改用双键，相隔180。布置。双键的工作 长度 l = 1.5 x 70 mm = 105m m。由式（4-1）可得2 T x 10 32 x 2200 x 10 3人、十Q = 99.8M Pa Q （合适）p kld 6 x 105 x 70p键的标记为：键20 x 90GB/T 1096-1979 （一般A型键可不标出“A”对于B型或C型键，须将“键”标为“键B”或“键C”）。例4-2已知某蜗轮传递的功率P = 5kW，转速n = 90r/min，载荷有轻微冲击；轴径 d = 60 mm ，轮毂长 L = 100m m ；轮毂材料为铸铁，轴材料为 45 号钢。试设计此蜗轮与 轴的键联接。解：（1）选择键的类型。考虑到蜗轮工作时有较高的对中性要求，故选用普通平键；蜗轮 安装在轴的中段（即在两轴颈之间），可选用A型平键。（2）确定键的尺寸。由轴的直径 d = 60m m ，从机械设计手册查得键的截面尺寸为 b x h = 18 x 11，即键宽b = 18m m，键高h = 11m m，由轮毂长L = 100m m，取较为接近 的标准键长 L = 90 mm 。（ 3）计算工作转矩。9.55x106P 9.55 x106x5T = 5.31 x 105 N - mmn904）校核挤压强度。轴和键为钢制，则联接中较弱的为铸铁轮毂，按照载荷有轻微冲击，查得铸铁的许用挤压应力Q = 50 60M Pa op键的工作长度l = L b = 90 18 = 72m m 挤压面的高度k =也=乂 = 5.5m m22挤压应力 Qp2T2 x 5.31 x 105kld 5.5 x 72 x 60= 44.66M pa505816X10+0.043t = 6 + 0.20+0.120t = 4.3 +0.201 00+0.050直径偏差毂 H7 + 0.030 ,0轴 h7 0-0.0304-49、题 4-49 图中所示为滑键联接,图中有哪些错误？题4-49图4-50、题4-50图示的两种键槽结构哪个合理，为什么？题 4-50 图五、计算题4-51、试校核A型普通平键联接铸铁轮毂的挤压强度。已知键宽b=18mm,键高h=llmm, 键（毂）长L=80mm，传递转矩T=840Nm，轴径d=60mm，铸铁轮毂的许用挤压应力 L = 80MPa。p4-52、题 4-52 图示转轴上直齿圆柱齿轮及锥齿轮两处分别采用平键联接和半圆键联接。 已知传递功率P=5.5kW，转速n=200r/min,联接处轴及轮毂尺寸如图所示，工作时有轻微 振动，齿轮用锻钢制造并经热处理。试分别确定两处键联接的尺寸，并校核其联接强度。提示：半圆键强度计算公式为：11T = bld t 及 T = Id b k22p式中：T-由传递的转矩，Nmm；k 半圆键与轮毂接触高度；d由径，mm；L 许用挤压应力，对减速箱中的键经热处理后工作于中等使用情况时, pL = (130180) MPa；pb圆键的宽度，mm；L圆键的长度,mm ；t许用切应力，取卜=90MPa。附：取平键 bxh=16x10,其长度系列(mm)56, 63, 70, 80；取半圆键10x13，其名义长度L=31.4mm, k=3mm。题 4-52 图