第11章-键链接、销连接及其他常用连接

第11章键连接、销连接及其他常用连接11.1键连接键连接由键、轴和轮毂组成，它主要用以实现轴和轮毂的周向固定和传递转矩。键连接的主要类型有：平键连接、半圆键连接、楔键连接和切向键连接。它们均已标准化。11.1.1平键连接如图11.1a)所示，平键的两侧面是工作面，平键的上表面与轮毂槽底之间留有间隙。这种键的定心性好，装拆方便，应用广泛。常用的平键有普通平键和导向平键。普通平键按其结构可分为圆头（称为A型）、方头（称为B型）和单圆头（称为C型）三种。图11.1b)为A型键，A型键在键槽中固定良好，但轴上键槽引起的应力集中较大。图11.1c)为B型键，B型键克服了A型键的缺点，当键尺寸较大时，宜用紧定螺钉将键固定在键槽中，以防松动。图11.1d)为C型键，C型键主要用于轴端与轮毂的连接。图11.1e)为导向平键，该键较长，键用螺钉固定在键槽中，键与轮毂之间采用间隙配合，轴上零件可沿键作轴向滑移。a)b)c)d)e)图11.1平键连接11.1.2半圆键连接图11.2所示为半圆键，半圆键的工作面也是键的两个侧面。轴上键槽用与半圆键尺寸相同的键槽铣刀铣出，半圆键可在槽中绕其几何中心摆动以适应毂槽底面的倾斜。这种键连接的特点是工艺性好，装配方便，尤其适用于锥形轴端与轮毂的连接；但键槽较深，对轴的强度削弱较大，一般用于轻载静连接。图11.2半圆键连接11.1.3楔键连接和切向键连接图11.3所示为楔键连接，楔键的上、下两面为工作面。楔键的上表面和与它相配合的轮毂键槽底面均有1:100的斜度。装配时将楔键打入，使楔键楔紧在轴和轮毂的键槽中，楔键的上、下表面受挤压，工作时靠这个挤压作用产生的摩擦力传递转矩。如图11.3所示，楔键分为普通楔键和钩头楔键两种，钩头楔键的钩头是为了方便拆卸而设计的。图11.3楔键连接楔键连接的主要缺点是键楔紧后，轴和轮毂的配合产生偏心和偏斜，因此楔键连接一般用于定心精度要求不高和低转速的场合。图11.4a)所示为切向键。切向键是由一对楔键组成的，装配时将切向键沿轴的切线方向楔紧在轴与轮毂之间。切向键的上、下面为工作面，工作面上的压力沿轴的切线方向作用，能传递很大的转矩。用一对切向键时，只能单向传递转矩，当要双向传递转矩时，须采用两对互成120°分布的切向键图11.4b）。由于切向键对轴的强度削弱较大，因此常用于直径大于100mm的轴上。a）b）图11.4切向键连接11.1.4花键连接如图11.5所示，花键连接是由周向均布多个键齿的花键轴与带有相应键齿槽的轮毂孔相配而成。花键齿的侧面为工作面，工作时有多个键齿同时传递转矩，所以花键连接的承载能力比平键连接高得多。花键连接的导向性好，齿根处的应力集中较小，适用于传递载荷大、定心精度要求高或者经常需要滑移的连接。花键按齿形可分为矩形花键，如图11.5a）所示；渐开线花键，如图11.5b所示；以及三角形花键，如图11.5c）所示。花键可用于静连接和动连接。花键已经标准化，例如矩形花键的齿数z、小径d、大径D、键宽B等可以根据轴径查标准选定，其强度计算方法与平键相似。花键的加工需要专用设备。a) b) c)图11.5花键连接11.1.5平键连接的选择与计算设计键连接时，先根据工作要求选择键的类型，再根据装键处的轴径d查取键的宽度b和高度h,如表11.1所示，并参照轮毂长度选取键的长度L，最后进行键连接的强度校核。表11.1普通平键和键槽的尺寸（摘自GB/T1095-2003、GB/T1096-2003）mm轴的直径d键的尺寸键槽轴的直径d键的尺寸键槽bhLtt1bhLtt1>8~10>10~12>12~17>17~22>22~30>30~3834568103456786~368~4510~5614~7018~9022~1101.82.53.03.54.05.01.41.82.32.83.33.3>38~44>44~50>50~58>58~65>65~75>75~85121416182022891011121428~14036~16045~18050~20056~22063~2505.05.56.07.07.59.03.33.84.34.44.95.4L系列6、8、10、12、14、16、18、20、22、25、28、32、36、40、45、50、56、63、70、80、90、100、110、125、140、160、180、200、250……注：在工作图中，轴槽深用（d-t）或t标注，毂槽深用（d+t1）或t1标注。键的材料一般采用抗拉强度不低于600N/mm2的碳素钢。平键连接的主要失效形式是工作面的压溃，除非有严重的过载，一般不会出现键的剪断。因此，通常只按工作面上挤压应力进行强度校核计算。导向平键连接的主要失效形式是过度磨损，因此，一般按工作面上的压强进行条件性强度校核计算。如图11.6所示，假定载荷在键的工作面上均匀分布，并假设。则普通平键连接的挤压强度条件为N/mm2 （11.1）式中，T为传递的转矩，Nmm；d为轴径，mm；h为键的高度，mm；Lc为键的计算长度（对A型键，Lc=L-b；对B型键，Lc=L；对C型键，Lc=L-b/2；），mm；[p]为键连接的许用挤压应力，N/mm2，见表11.2。对导向平键连接应限制压强p以避免过度磨损，即N/mm2 （11.2）式中，[p]为键连接的许用压强，N/mm2，见表11.2。图11.6平键上的受力表11.2键连接的许用挤压应力和许用压强MPa许用值轮毂材料载荷性质静载荷轻微冲击冲击[p]钢125~150100~12060~90铸铁70~8050~6030~45[p]钢504030在设计计算中若单个键的强度不够，可采用双键按180°对称布置。考虑载荷分布不均匀性，在键强度校核计算中应按1.5个键进行计算。例11.1根据例6.1设计的大齿轮结构、例8.1设计的大带轮结构，分别选择这些轮毂与轴连接的键，并进行强度校核。解：（1）齿轮与轴的键连接选用圆头普通平键（A型）按齿轮孔径d=55mm、齿宽B2=66mm，查表11.1可得键的尺寸：b=16mm、h=10mm、L=63mm。键的标记为：键161063GB/T1096-2003强度校核键的材料选用45号钢，例6.1齿轮材料为45号钢，查表11.2可得许用挤压应力[]p=100~120MPa。键的工作长度Lc=L-b=63-16=47mm，h=10mm，键所受的挤压应力为安全（2）V带轮与轴的键连接选用单圆头普通平键（C型）按带轮孔径d=30mm，带轮宽B=65mm，查表11.1可得键的尺寸：b=8mm、h=7mm、L=63mm。键的标记为：键C8763GB/T1096-2003强度校核键的材料选用45号钢，V带轮材料为铸铁，查表11.2可得许用挤压应力[]p=50~60MPa。键的工作长度Lc=L-b/2=63-8/2=59mm，h=7mm，键所受的挤压应力为，安全。解毕。11.2销连接及其它常用连接11.2.1销连接销连接主要用于固定零件之间的相对位置，并能传递较小的载荷，它还可以用于过载保护。按形状的不同，销可分为圆柱销、圆锥销和槽销等。圆柱销如图11.8（a）所示，靠过盈配合固定在销孔中，如果多次装拆，其定位精度会降低。圆锥销和销孔均有150的锥度，如图11.8（b）所示。因此安装方便，定位精度高，多次装拆不影响定位精度。如图11.8（c）所示为端部带螺纹的圆锥销，它可用于盲孔或装拆困难的场合。如图11.8（d）所示为开尾圆锥销，它适用于有冲击、振动的场合。如图11.8（e）所示为槽销，槽销上有三条纵向沟槽，槽销压入销孔后，它的凹槽即产生收缩变形，借助材料的弹性而固定在销孔中。多用于传递载荷，也适用于受振动载荷的连接。销孔无需铰制，加工方便，可多次装拆。如图11.8（f）所示为圆管型弹簧圆柱销，在销打入销孔后，销由于弹性变形而挤紧在销孔中，可以承受冲击和变载荷。图11.7销连接11.2.2成型连接如图11.7所示，成型连接是由非圆剖面的轴与相应的轮毂孔构成的可拆连接。成型连接应力集中小，能传递大扭矩，装拆方便，但是加工工艺复杂，需要专用设备。（a） （b） （c） 图11.7成型连接11.2.3铆接如图11.9所示，铆钉连接（简称铆接）是将铆钉穿过被连接件的预制孔经铆合后形成的不可拆连接。铆接的工艺简单、耐冲击、连接牢固可靠，但结构较笨重，被连接件上有钉孔使其强度削弱，铆接时噪声很大。目前，铆接主要用于桥梁、造船、重型机械及飞机制造等部门。图11.9铆钉连接11.2.4焊接焊接是利用局部加热方法使两个金属元件在连接处熔融而构成的不可拆连接。常用的焊接方法有电弧焊、气焊和电渣焊等，其中电弧焊应用最为广泛。电弧焊是利用电焊机的低压电流通过焊条（一个电极）与被焊接件（另一个电极）形成的电路，在两极之间产生电弧来熔化被连接件的部分金属和焊条，使熔化金属混合并填充接缝而形成焊缝。常用的焊缝形式有对接焊缝和填角焊缝。如图11.10（a）所示为对接焊缝，它用来连接在同一平面内的焊接件，焊缝传力较均匀。当被焊接件厚度不大时，用平头型对接焊缝，如图11.10（b）所示；当被连接件厚度较大时，为了保证焊透，需要预制各种形式的坡口，如图11.10（c）~（g）所示。图11.10焊缝与各种形式的坡口对接焊缝的主要失效形式是连接沿焊缝断裂。当焊缝受拉或者受压时，其强度条件为 （11.3）式中，F为作用力；为被焊接件厚度；L为焊缝长度；[]’和[y]’分别为焊缝的抗拉、抗压许用应力。如图11.11所示，填角焊缝主要用来连接不在同一平面上的被焊接件，焊缝剖面通常是等腰直角三角形。垂直于载荷方向的焊缝称为横向焊缝，如图11.11（a）所示；平行于载荷方向的焊缝称为纵向焊缝，如图11.11（b）所示；兼有横向、纵向或者斜向的焊缝称为混合焊缝，如图11.11（c）所示。（a） （b） （c）图11.11 各种焊接形式填角焊缝的应力情况复杂，其主要失效形式是焊缝沿计算截面a-a被剪断。因此，通常按焊缝危险截面高度来计算焊缝总截面积S，即，对焊缝强度作抗剪切条件性计算。受拉力或者压力时填角焊缝的强度条件为N/mm2 (11.4)式中，F为拉力或压力，N；K为焊缝腰长，mm；L为焊缝总长度，mm；[τ]’为焊缝的许用剪切应力，N/mm2。焊接的许用应力取决于焊接工艺、焊条、被焊接件的材料、载荷性质和焊接品质。承受静载荷时，焊缝的许用应力如表11.3所示。特别地，对建筑结构、船舶和压力容器制造等行业，应按专门的行业性焊接设计规范选取焊缝的许用应力。表11.3焊缝的许用应力应力种类被焊接材料/MPaQ215Q235、Q255压应力[y]’拉应力[]’切应力[]’200180（200）140210180（210）140注：1.本表适用于常用的手工电弧焊条T42，也适用于熔剂层下表面材料的自动焊接。2．括号中数值用于精确方法检查焊接质量。3．对于单面焊接的角钢元件，上述许用值均降低25%。焊接一般用于低碳钢、低碳合金钢和中碳钢。一般地，低碳钢无淬硬倾向，对焊接热过程不敏感，焊接性好。焊条的材料一般应选取与被焊接件相同或接近的材料。焊接强度高、工艺简单、重量轻，在单件生产、新产品试制及复杂零件结构情况下，采用焊接替代铸造，可以提高生产效率，减少成本。但焊接后常常有残余应力和变形存在，不能承受严重的冲击和振动；此外轻金属的焊接技术还有待进一步完善，因此焊接还不能完全替代铆接。11.2.5胶接胶接是利用直接涂在被连接件表面上的胶粘剂凝固粘结而形成的连接。常用的胶粘剂有酚醛乙烯、聚氨脂、环氧树脂等。如图11.12所示，胶接接头的基本形式有对接、搭接和正交。胶接接头设计时应尽可能使粘结层受剪或者受压，避免受拉。图11.12胶接胶接工艺简单、便于不同材料及极薄金属间的连接，胶接的重量轻、耐腐蚀、密封性能好；但是，胶接接头一般不宜在高温及冲击、振动条件下工作，胶接剂对胶接表面的清洁度有较高要求，结合速度慢，胶接的可靠性和稳定性易受环境影响。11.2.6过盈连接过盈连接利用零件间的过盈配合实现连接。如图11.13（a）所示，过盈配合连接件装配后，包容件和被包容件的径向变形使配合面间产生压力；工作时靠此压紧力产生的摩擦力（也称固持力）来传递载荷，如图11.13（b）所示；为了便于压入，毂孔和轴端的倒角尺寸均有一定要求，如图11.13（c）所示。图11.13过盈连接过盈连接的装配方法有压入法和温差法两种。压入法是在常温下用压力机等将被包容件直接压入包容件中。压入过程中，配合表面易被擦伤，从而降低连接的可靠性。过盈量不大时，一般采用压入法装配。温差法就是加热包容件或者冷却被包容件，以形成装配间隙进行装配。采用温差法，不易擦伤配合表面，连接可靠。过盈量较大或者对连接质量要求较高时，宜采用温差法装配。过盈连接的过盈量不大时，允许拆卸，但