第十三章 键、花键及销联接

1、第十三章 键、花键及销联接本章要点： 键、花键和销联接的基本类型及应用 平键联接的强度计算键、花键主要用于联接轴和轮毂零件(如齿轮、蜗轮等)，实现周向固定以传递转矩的轴毂联接。其中，有些还能实现轴向固定以传递轴向力；有些则能构成轴向动联接。销主要用来固定零件的相互位置。销联接通常只传递很小的载荷，常用作零件的定位和安全装置中的过载剪断元件。成形联接和弹性环联接是轴毂联接的其他型式。成形联接又称无键联接，轴毂联接段为非圆形。13.1键联接的类型和特点键是标准件，可分为平键、半圆键、楔键、切向键等多种类型。现将其主要型式及应用特性简介如下。 平键联接平键的两侧面是工作面，与键槽配合，工作时靠键与槽

2、侧面互相挤压传递扭矩。平键联接结构简单、工作可靠、装拆方便、对中性好，但不能实现轴上零件的轴向固定。按用途可分为普通平键、导向平键、滑键三种。普通平键(图13.1)用于静联接，即轴与轮毂间无相对轴向移动的联接。按平键端部形状可分为A型(圆头)、B型(方头)、C型(单圆头)三种。圆头平键的轴槽用指状铣刀加工，键在槽中固定良好，但槽在轴上引起的应力集中较大。方头平键的键槽是用盘铣刀加工的，轴的应力集中较小，但不利于键的固定，尺寸大的键要用紧定螺钉压紧在键槽中。单圆头平键用于轴端与毂的联接。普通平键应用最广，它也适用于高精度、高速、冲击、变载情况下的静联接。a)平键联接 b)圆头 c)方头 d)单圆

3、头图13.1 普通平键联接导向平键（见图13.2，简称导键）和滑键（见图13.3）都用于动联接，即轴与轮毂间有相对轴向移动的联接。导键用螺钉固定在轴槽中，键与毂槽之间的配合为间隙配合，轴上轮毂零件能沿导键作轴向滑移。适用于轴向移动距离不大的场合，如机床变速箱中的滑移齿轮。导键端部形状有方头、圆头两种。滑键与轴上轮毂零件固定在一起，轮毂零件与滑键沿着键槽作轴向移动。键与轴槽之间的配合为间隙配合。键与键槽的滑动面应具有较低的粗糙度值，以减少移动时的摩擦阻力。滑键多用于轴上零件在轴上移动距离较大的场合，以免使用长导键。 图13.2 导键联接 图13.3 滑键联接 半圆键联接 半圆键（见图13.4）用

4、于静联接，键的两侧面为工作面。半圆键用圆钢切制或冲压后磨制，轴上键槽用半径与键相同的盘形铣刀铣出，故键能在轴槽中绕其几何中心摆动，以适应毂槽底面的倾斜。其优点为工艺性较好，易于定心，装配方便。缺点是键槽较深，对轴的强度削弱较大,且不能实现轴上零件的轴向固定，所以不能承受轴向力。主要用于轻载荷和锥形轴端。 楔键联接与切向键联接楔键和切向键只能用于静联接。楔键（见图13.5）的上下两面是工作面，分别与毂和轴上键槽的底面贴合。键的上表面具有1：100的斜度。装配后，键楔紧于轴毂之间。工作时，靠键与轴、毂之间的摩擦力传递转矩；也能传递单向的轴向力。当过载而轴与毂发生相对转动时，键的两个侧面能象平键侧面

5、那样地参加工作，不过这一特点只有在单向且无冲击的载荷条件下才 图13.5 楔键联接能利用。键在楔入过程中破坏了轴毂之间的对中性。在冲击、振动和承受变载荷时易松动。仅适用于传动精度要求不高，载荷平稳和低速的场合。切向键（见图13.6）由两个斜度为1：100的单边倾斜楔键组成。装配后，两键以其斜面相互贴合，共同楔紧在轴毂之间。切向键的上下两个相互平行的窄面为工作面，键在联接中必须有一个工作面处于包含轴心线的平面之内，当切向键联接工作时，工作面上的挤压力沿轴的切向作用，靠挤压力传递扭矩。一对切向键只能传递一个方向的扭矩。若传递双向扭矩，须用两对切向键，一般两个键槽互隔120°布置。切向键承

6、载能力很大，但对中性差，键槽对轴的削弱较大。适用于对中要求不严，载荷很大，大直径轴的联接。 图13.6切向键联接13.2平键联接的尺寸选择和强度验算 平键联接的尺寸选择 平键的主要尺寸为键宽b、键高h和长度L。设计时，键的剖面尺寸可根据轴的直径d按手册推荐选取。键的长度一般略短于轮毂长度，但所选定的键长应符合标准中规定的长度系列。 平键的强度验算 对于平键联接，可能的失效形式有：较弱零件(通常为毂)的工作面被压溃(静联接)或磨损(动联接)和键的剪断等。对于实际采用的材料组合和标准尺寸来说，压溃常是主要失效形式。因此，通常只作键联接的挤压强度计算。如果忽略摩擦，键联接传递转矩时键轴一体的受力如图

7、13.7所示。在计算中，假设载荷沿键的长度和高度均布。则其强度条件为： 图13.7 平键联接的受力情况 13.1式中 T为传递的转矩(N·mm)；d为轴的直径（mm）；为键的工作长度(mm)，圆头平键= L b，方头平键= L，单圆头平键= L b/2，L为键的公称长度(mm)，b为键的宽度(mm)； p为键联接中挤压强度最低的零件(一般为轮毂)的许用挤压应力(对于动联接则以许用压强p代替式中的p，(Nmm2)，查表13.1。 如果验算结果强度不够时，可采取以下措施： 1) 适当增加键和轮毂的长度，但键的长度一般不应超过2.5d，否则，挤压应力沿键的长度方向分布将很不均匀；2) 可在

8、同一轴毂联接处相隔180°布置两个平键。考虑到载荷分布不均匀性，且对轴的削弱很大，双键联接的强度只按15个计算。表13.1 键联接的许用挤压应力p和压强p （N/mm2）联接的工作方式联接中较弱零件的材料p或p静载荷轻微冲击冲击载荷静联接，用碳钢、铸钢铸 铁1251507080100120506060903045动联接，用p锻钢、铸钢504030例题一8级精度的铸铁直齿圆柱齿轮与一钢轴用键构成静联接。装齿轮处的轴径为60mm，齿轮轮毂长95mm。联接传递的转矩为840N·m，载荷平稳。试选择此键联接。 解 8级精度的齿轮要求一定的定心性，因此选用平键。由于是静联接，选用普通

9、平键，圆头。由手册可查得当d=58mm65mm时，键的截面尺寸为：宽b=18mm，高h=11mm。参考毂长选键长L=80mm。键的接触长度= L b=80 18=62mm。由表13.1取铸铁轮毂键槽的许用挤压应力p=80MPa(载荷平稳，故取大值)。由式13.1得联接所能传递的转矩=82.11 MPa >p可见联接的挤压强度不够；考虑到相差有限，适当增大键长或改用方头键(键的全长都与毂上键槽接触)就能满足要求。为了不改动齿轮轮毂和轴的径向尺寸，并考虑到圆头键在槽中固定较牢，决定改选L=90mm的圆头普通平键。取键的材料为45钢。表13.2 花键联接的类型、特点和应用类型简 图特 点应 用

10、矩形 花键加工方便，可用磨削法获得较高的精度，但齿根应力集中较大广泛应用渐开线花键根部强度高，应力集中小，对中性好，加工工艺同齿轮，易获得较高精度，但需专用设备用于重载，尺寸较大，定心精度要求较高的场合三角形花键内花键齿形为三角形，外花键齿形为压力角等45°渐开线，加工方便，齿细小而多，对轴削弱小用于轻载，尺寸较小的静联接，尤其是轴与薄壁零件联接13.3花键联接花键联接由多个键齿构成，键齿沿轴和毂孔的周向均布。齿侧面为工作面，适用于静、动联接。与平键联接比较，花键联接有以下优点：1)齿对称布置，使轴毂受力匀称；2)齿轴一体而且齿槽较浅，齿根的应力集中较小，被联接件的强度削弱较小；3)

11、齿数多，总接触面积大，压力分布较均匀；4）轴上零件能得到较好的定心性和沿轴向移动的导向性。以上特点使花键联接的应用日益广泛，特别是作为轴毂的动联接更具有其独特的优越性。表13.3 矩形花键定心方式类型简 图特 点应 用外径定心 定心精度高，加工方便，轴外径磨削，孔外径拉削 用于定心精度高的场合,应用广泛内径定心 定心精度高，加工较不便，轴与孔的花健齿均要磨削用于定心精度要求高，且花键毂孔表面HRC40以上或孔粗糙度要求较高，单件或大尺寸的场合齿侧定心定心精度不高，但有利于各齿均匀载荷用于载荷较大，而定心精度要求不高的重系列，多用于静联接。 花键联接的类型、特点和应用花键联接按齿形分为矩形花键、

12、渐开线花键、三角形花键。花键齿形已标准化，各类型的特点和应用见表13.2。矩形花键应用最广。矩形花键定心方式见表13.3。 花键联接的计算设计花键联接和设计键联接相似，通常先选联接类型和方式，查出标准尺寸，然后再作强度验算。联接的可能失效有：齿面的压溃或磨损，齿根的剪断或弯断等。对于实际采用的材料组合和标准尺寸来说，齿面的压溃或磨损常是主要的失效形式，因此，一般只作联接的挤压强度或耐磨性计算。 图13.8 花键的受力简图计算时，假定载荷沿键的工作长度均匀分布，各齿面上压力的合力作用在平均直径m处(图13.8)，则其挤压强度条件为 13.2 式中为转矩（N·mm）； 为各齿间载荷分布不

13、均匀系数, =0.70.8； 为齿数； 为齿的工作长度(mm)； 为齿的工作高度(mm)； m为花键的平均直径(mm)； p为许用挤压应力(对于动联接则用许用压强p代替式中的p(Nmm2)，其值见表13.4。对于矩形花键：m=，=，为齿顶的倒角尺寸；对于渐开线花键：m=，为分度圆直径，为模数。花键联接的轴和轮毂通常用抗拉强度不低于600Nmm2的钢制造。常需经过热处理，使齿面获得足够的硬度。尤其对在载荷作用下频繁移动的花键，齿面要求耐磨，更需经热处理。表13.4花键联接许用应力许用应力联接工作方式使用和制造情况齿面未经热处理齿面经热处理p静联接不良中等良好3550601008012040701

14、00140120200 空载下移动的动联接不良中等良好152020302540203530604070 在载荷用下移动的动联接不良中等良好310515102013.4销联接销的重要用途是固定零件间的相互位置，它是装配时的重要辅助零件。销还可用于轴与轴上零件的联接，以传递不大的载荷，或者作为安全装置。销的材料一般用强度极限不低于500MPa600MPa的碳素结构钢。圆柱销(图13.9)配合精度高，但多次装拆将有损于联接的紧固性和定位的精确性。圆锥销(图13.9)有1：50的锥度，可自锁；可多次装拆。内螺纹圆锥销(图13.10)可用于销孔没有开通（盲孔）或拆卸困难的场合。外螺纹圆锥销（图13.11

15、）可保证销在冲击、振动或变载下不致松脱。开尾圆锥销主要用于受冲击或振动载荷的情况下，可以防止被联接件松脱。（图13.12）定位销通常不受载荷或受很小的载荷，其尺寸根据经验从标准中选取。承受载荷的销(如承受剪切和挤压等)，一般先根据使用和结构要求选择其类型和尺寸，然后校核其强度。（略） 图13.12 开尾圆锥销13.5 成形联接成形联接是利用非圆截面的轴与相应的毂孔构成的联接（图13.13），又称作无键联接。轴和毂孔可做成柱形或锥形，前者只能传递转矩，但可用作无载荷下作轴向移动的动联接，后者还能传递轴向力。成形联接没有产生应力集中的键槽和尖角，承载能力强，对中性好，装拆方便，但制造工艺复杂，故目前应用仍不普遍。 图13.13 成形联接习题13.1 键联接有哪些主要类型？各有何主要特点？13.2 平键联接的工作原理是什么？主要失效形式有哪些？平键的尺寸bh和键的长度L是如何确定的？13.3普通平键的强度条件怎样（用公式表示）？如果在进行普通平键联接强度计算时，强度条件不满足，可采取哪些措施？13.4 平键和楔键在结构和使用性能上有何区别？为什么平键应用