第十三章 鍵、花鍵及銷聯(lián)接

1、第十三章 鍵、花鍵及銷聯(lián)接本章要點(diǎn)： 鍵、花鍵和銷聯(lián)接的基本類型及應(yīng)用 平鍵聯(lián)接的強(qiáng)度計(jì)算鍵、花鍵主要用于聯(lián)接軸和輪轂零件(如齒輪、蝸輪等)，實(shí)現(xiàn)周向固定以傳遞轉(zhuǎn)矩的軸轂聯(lián)接。其中，有些還能實(shí)現(xiàn)軸向固定以傳遞軸向力；有些則能構(gòu)成軸向動(dòng)聯(lián)接。銷主要用來固定零件的相互位置。銷聯(lián)接通常只傳遞很小的載荷，常用作零件的定位和安全裝置中的過載剪斷元件。成形聯(lián)接和彈性環(huán)聯(lián)接是軸轂聯(lián)接的其他型式。成形聯(lián)接又稱無鍵聯(lián)接，軸轂聯(lián)接段為非圓形。13.1鍵聯(lián)接的類型和特點(diǎn)鍵是標(biāo)準(zhǔn)件，可分為平鍵、半圓鍵、楔鍵、切向鍵等多種類型。現(xiàn)將其主要型式及應(yīng)用特性簡介如下。 平鍵聯(lián)接平鍵的兩側(cè)面是工作面，與鍵槽配合，工作時(shí)靠鍵與槽

2、側(cè)面互相擠壓傳遞扭矩。平鍵聯(lián)接結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、裝拆方便、對中性好，但不能實(shí)現(xiàn)軸上零件的軸向固定。按用途可分為普通平鍵、導(dǎo)向平鍵、滑鍵三種。普通平鍵(圖13.1)用于靜聯(lián)接，即軸與輪轂間無相對軸向移動(dòng)的聯(lián)接。按平鍵端部形狀可分為A型(圓頭)、B型(方頭)、C型(單圓頭)三種。圓頭平鍵的軸槽用指狀銑刀加工，鍵在槽中固定良好，但槽在軸上引起的應(yīng)力集中較大。方頭平鍵的鍵槽是用盤銑刀加工的，軸的應(yīng)力集中較小，但不利于鍵的固定，尺寸大的鍵要用緊定螺釘壓緊在鍵槽中。單圓頭平鍵用于軸端與轂的聯(lián)接。普通平鍵應(yīng)用最廣，它也適用于高精度、高速、沖擊、變載情況下的靜聯(lián)接。a)平鍵聯(lián)接 b)圓頭 c)方頭 d)單圓

3、頭圖13.1 普通平鍵聯(lián)接導(dǎo)向平鍵（見圖13.2，簡稱導(dǎo)鍵）和滑鍵（見圖13.3）都用于動(dòng)聯(lián)接，即軸與輪轂間有相對軸向移動(dòng)的聯(lián)接。導(dǎo)鍵用螺釘固定在軸槽中，鍵與轂槽之間的配合為間隙配合，軸上輪轂零件能沿導(dǎo)鍵作軸向滑移。適用于軸向移動(dòng)距離不大的場合，如機(jī)床變速箱中的滑移齒輪。導(dǎo)鍵端部形狀有方頭、圓頭兩種?；I與軸上輪轂零件固定在一起，輪轂零件與滑鍵沿著鍵槽作軸向移動(dòng)。鍵與軸槽之間的配合為間隙配合。鍵與鍵槽的滑動(dòng)面應(yīng)具有較低的粗糙度值，以減少移動(dòng)時(shí)的摩擦阻力?；I多用于軸上零件在軸上移動(dòng)距離較大的場合，以免使用長導(dǎo)鍵。 圖13.2 導(dǎo)鍵聯(lián)接 圖13.3 滑鍵聯(lián)接 半圓鍵聯(lián)接 半圓鍵（見圖13.4）用

4、于靜聯(lián)接，鍵的兩側(cè)面為工作面。半圓鍵用圓鋼切制或沖壓后磨制，軸上鍵槽用半徑與鍵相同的盤形銑刀銑出，故鍵能在軸槽中繞其幾何中心擺動(dòng)，以適應(yīng)轂槽底面的傾斜。其優(yōu)點(diǎn)為工藝性較好，易于定心，裝配方便。缺點(diǎn)是鍵槽較深，對軸的強(qiáng)度削弱較大,且不能實(shí)現(xiàn)軸上零件的軸向固定，所以不能承受軸向力。主要用于輕載荷和錐形軸端。 楔鍵聯(lián)接與切向鍵聯(lián)接楔鍵和切向鍵只能用于靜聯(lián)接。楔鍵（見圖13.5）的上下兩面是工作面，分別與轂和軸上鍵槽的底面貼合。鍵的上表面具有1：100的斜度。裝配后，鍵楔緊于軸轂之間。工作時(shí)，靠鍵與軸、轂之間的摩擦力傳遞轉(zhuǎn)矩；也能傳遞單向的軸向力。當(dāng)過載而軸與轂發(fā)生相對轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，鍵的兩個(gè)側(cè)面能象平鍵側(cè)面

5、那樣地參加工作，不過這一特點(diǎn)只有在單向且無沖擊的載荷條件下才 圖13.5 楔鍵聯(lián)接能利用。鍵在楔入過程中破壞了軸轂之間的對中性。在沖擊、振動(dòng)和承受變載荷時(shí)易松動(dòng)。僅適用于傳動(dòng)精度要求不高，載荷平穩(wěn)和低速的場合。切向鍵（見圖13.6）由兩個(gè)斜度為1：100的單邊傾斜楔鍵組成。裝配后，兩鍵以其斜面相互貼合，共同楔緊在軸轂之間。切向鍵的上下兩個(gè)相互平行的窄面為工作面，鍵在聯(lián)接中必須有一個(gè)工作面處于包含軸心線的平面之內(nèi)，當(dāng)切向鍵聯(lián)接工作時(shí)，工作面上的擠壓力沿軸的切向作用，靠擠壓力傳遞扭矩。一對切向鍵只能傳遞一個(gè)方向的扭矩。若傳遞雙向扭矩，須用兩對切向鍵，一般兩個(gè)鍵槽互隔120°布置。切向鍵承

6、載能力很大，但對中性差，鍵槽對軸的削弱較大。適用于對中要求不嚴(yán)，載荷很大，大直徑軸的聯(lián)接。 圖13.6切向鍵聯(lián)接13.2平鍵聯(lián)接的尺寸選擇和強(qiáng)度驗(yàn)算 平鍵聯(lián)接的尺寸選擇 平鍵的主要尺寸為鍵寬b、鍵高h(yuǎn)和長度L。設(shè)計(jì)時(shí)，鍵的剖面尺寸可根據(jù)軸的直徑d按手冊推薦選取。鍵的長度一般略短于輪轂長度，但所選定的鍵長應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的長度系列。 平鍵的強(qiáng)度驗(yàn)算 對于平鍵聯(lián)接，可能的失效形式有：較弱零件(通常為轂)的工作面被壓潰(靜聯(lián)接)或磨損(動(dòng)聯(lián)接)和鍵的剪斷等。對于實(shí)際采用的材料組合和標(biāo)準(zhǔn)尺寸來說，壓潰常是主要失效形式。因此，通常只作鍵聯(lián)接的擠壓強(qiáng)度計(jì)算。如果忽略摩擦，鍵聯(lián)接傳遞轉(zhuǎn)矩時(shí)鍵軸一體的受力如圖

7、13.7所示。在計(jì)算中，假設(shè)載荷沿鍵的長度和高度均布。則其強(qiáng)度條件為： 圖13.7 平鍵聯(lián)接的受力情況 13.1式中 T為傳遞的轉(zhuǎn)矩(N·mm)；d為軸的直徑（mm）；為鍵的工作長度(mm)，圓頭平鍵= L b，方頭平鍵= L，單圓頭平鍵= L b/2，L為鍵的公稱長度(mm)，b為鍵的寬度(mm)； p為鍵聯(lián)接中擠壓強(qiáng)度最低的零件(一般為輪轂)的許用擠壓應(yīng)力(對于動(dòng)聯(lián)接則以許用壓強(qiáng)p代替式中的p，(Nmm2)，查表13.1。 如果驗(yàn)算結(jié)果強(qiáng)度不夠時(shí)，可采取以下措施： 1) 適當(dāng)增加鍵和輪轂的長度，但鍵的長度一般不應(yīng)超過2.5d，否則，擠壓應(yīng)力沿鍵的長度方向分布將很不均勻；2) 可在

8、同一軸轂聯(lián)接處相隔180°布置兩個(gè)平鍵?？紤]到載荷分布不均勻性，且對軸的削弱很大，雙鍵聯(lián)接的強(qiáng)度只按15個(gè)計(jì)算。表13.1 鍵聯(lián)接的許用擠壓應(yīng)力p和壓強(qiáng)p （N/mm2）聯(lián)接的工作方式聯(lián)接中較弱零件的材料p或p靜載荷輕微沖擊沖擊載荷靜聯(lián)接，用碳鋼、鑄鋼鑄 鐵1251507080100120506060903045動(dòng)聯(lián)接，用p鍛鋼、鑄鋼504030例題一8級精度的鑄鐵直齒圓柱齒輪與一鋼軸用鍵構(gòu)成靜聯(lián)接。裝齒輪處的軸徑為60mm，齒輪輪轂長95mm。聯(lián)接傳遞的轉(zhuǎn)矩為840N·m，載荷平穩(wěn)。試選擇此鍵聯(lián)接。 解 8級精度的齒輪要求一定的定心性，因此選用平鍵。由于是靜聯(lián)接，選用普通

9、平鍵，圓頭。由手冊可查得當(dāng)d=58mm65mm時(shí)，鍵的截面尺寸為：寬b=18mm，高h(yuǎn)=11mm。參考轂長選鍵長L=80mm。鍵的接觸長度= L b=80 18=62mm。由表13.1取鑄鐵輪轂鍵槽的許用擠壓應(yīng)力p=80MPa(載荷平穩(wěn)，故取大值)。由式13.1得聯(lián)接所能傳遞的轉(zhuǎn)矩=82.11 MPa >p可見聯(lián)接的擠壓強(qiáng)度不夠；考慮到相差有限，適當(dāng)增大鍵長或改用方頭鍵(鍵的全長都與轂上鍵槽接觸)就能滿足要求。為了不改動(dòng)齒輪輪轂和軸的徑向尺寸，并考慮到圓頭鍵在槽中固定較牢，決定改選L=90mm的圓頭普通平鍵。取鍵的材料為45鋼。表13.2 花鍵聯(lián)接的類型、特點(diǎn)和應(yīng)用類型簡 圖特 點(diǎn)應(yīng) 用

10、矩形 花鍵加工方便，可用磨削法獲得較高的精度，但齒根應(yīng)力集中較大廣泛應(yīng)用漸開線花鍵根部強(qiáng)度高，應(yīng)力集中小，對中性好，加工工藝同齒輪，易獲得較高精度，但需專用設(shè)備用于重載，尺寸較大，定心精度要求較高的場合三角形花鍵內(nèi)花鍵齒形為三角形，外花鍵齒形為壓力角等45°漸開線，加工方便，齒細(xì)小而多，對軸削弱小用于輕載，尺寸較小的靜聯(lián)接，尤其是軸與薄壁零件聯(lián)接13.3花鍵聯(lián)接花鍵聯(lián)接由多個(gè)鍵齒構(gòu)成，鍵齒沿軸和轂孔的周向均布。齒側(cè)面為工作面，適用于靜、動(dòng)聯(lián)接。與平鍵聯(lián)接比較，花鍵聯(lián)接有以下優(yōu)點(diǎn)：1)齒對稱布置，使軸轂受力勻稱；2)齒軸一體而且齒槽較淺，齒根的應(yīng)力集中較小，被聯(lián)接件的強(qiáng)度削弱較?。?)

11、齒數(shù)多，總接觸面積大，壓力分布較均勻；4）軸上零件能得到較好的定心性和沿軸向移動(dòng)的導(dǎo)向性。以上特點(diǎn)使花鍵聯(lián)接的應(yīng)用日益廣泛，特別是作為軸轂的動(dòng)聯(lián)接更具有其獨(dú)特的優(yōu)越性。表13.3 矩形花鍵定心方式類型簡 圖特 點(diǎn)應(yīng) 用外徑定心 定心精度高，加工方便，軸外徑磨削，孔外徑拉削 用于定心精度高的場合,應(yīng)用廣泛內(nèi)徑定心 定心精度高，加工較不便，軸與孔的花健齒均要磨削用于定心精度要求高，且花鍵轂孔表面HRC40以上或孔粗糙度要求較高，單件或大尺寸的場合齒側(cè)定心定心精度不高，但有利于各齒均勻載荷用于載荷較大，而定心精度要求不高的重系列，多用于靜聯(lián)接。 花鍵聯(lián)接的類型、特點(diǎn)和應(yīng)用花鍵聯(lián)接按齒形分為矩形花鍵、

12、漸開線花鍵、三角形花鍵?；ㄦI齒形已標(biāo)準(zhǔn)化，各類型的特點(diǎn)和應(yīng)用見表13.2。矩形花鍵應(yīng)用最廣。矩形花鍵定心方式見表13.3。 花鍵聯(lián)接的計(jì)算設(shè)計(jì)花鍵聯(lián)接和設(shè)計(jì)鍵聯(lián)接相似，通常先選聯(lián)接類型和方式，查出標(biāo)準(zhǔn)尺寸，然后再作強(qiáng)度驗(yàn)算。聯(lián)接的可能失效有：齒面的壓潰或磨損，齒根的剪斷或彎斷等。對于實(shí)際采用的材料組合和標(biāo)準(zhǔn)尺寸來說，齒面的壓潰或磨損常是主要的失效形式，因此，一般只作聯(lián)接的擠壓強(qiáng)度或耐磨性計(jì)算。 圖13.8 花鍵的受力簡圖計(jì)算時(shí)，假定載荷沿鍵的工作長度均勻分布，各齒面上壓力的合力作用在平均直徑m處(圖13.8)，則其擠壓強(qiáng)度條件為 13.2 式中為轉(zhuǎn)矩（N·mm）； 為各齒間載荷分布不

13、均勻系數(shù), =0.70.8； 為齒數(shù)； 為齒的工作長度(mm)； 為齒的工作高度(mm)； m為花鍵的平均直徑(mm)； p為許用擠壓應(yīng)力(對于動(dòng)聯(lián)接則用許用壓強(qiáng)p代替式中的p(Nmm2)，其值見表13.4。對于矩形花鍵：m=，=，為齒頂?shù)牡菇浅叽?；對于漸開線花鍵：m=，為分度圓直徑，為模數(shù)。花鍵聯(lián)接的軸和輪轂通常用抗拉強(qiáng)度不低于600Nmm2的鋼制造。常需經(jīng)過熱處理，使齒面獲得足夠的硬度。尤其對在載荷作用下頻繁移動(dòng)的花鍵，齒面要求耐磨，更需經(jīng)熱處理。表13.4花鍵聯(lián)接許用應(yīng)力許用應(yīng)力聯(lián)接工作方式使用和制造情況齒面未經(jīng)熱處理齒面經(jīng)熱處理p靜聯(lián)接不良中等良好3550601008012040701

14、00140120200 空載下移動(dòng)的動(dòng)聯(lián)接不良中等良好152020302540203530604070 在載荷用下移動(dòng)的動(dòng)聯(lián)接不良中等良好310515102013.4銷聯(lián)接銷的重要用途是固定零件間的相互位置，它是裝配時(shí)的重要輔助零件。銷還可用于軸與軸上零件的聯(lián)接，以傳遞不大的載荷，或者作為安全裝置。銷的材料一般用強(qiáng)度極限不低于500MPa600MPa的碳素結(jié)構(gòu)鋼。圓柱銷(圖13.9)配合精度高，但多次裝拆將有損于聯(lián)接的緊固性和定位的精確性。圓錐銷(圖13.9)有1：50的錐度，可自鎖；可多次裝拆。內(nèi)螺紋圓錐銷(圖13.10)可用于銷孔沒有開通（盲孔）或拆卸困難的場合。外螺紋圓錐銷（圖13.11

15、）可保證銷在沖擊、振動(dòng)或變載下不致松脫。開尾圓錐銷主要用于受沖擊或振動(dòng)載荷的情況下，可以防止被聯(lián)接件松脫。（圖13.12）定位銷通常不受載荷或受很小的載荷，其尺寸根據(jù)經(jīng)驗(yàn)從標(biāo)準(zhǔn)中選取。承受載荷的銷(如承受剪切和擠壓等)，一般先根據(jù)使用和結(jié)構(gòu)要求選擇其類型和尺寸，然后校核其強(qiáng)度。（略） 圖13.12 開尾圓錐銷13.5 成形聯(lián)接成形聯(lián)接是利用非圓截面的軸與相應(yīng)的轂孔構(gòu)成的聯(lián)接（圖13.13），又稱作無鍵聯(lián)接。軸和轂孔可做成柱形或錐形，前者只能傳遞轉(zhuǎn)矩，但可用作無載荷下作軸向移動(dòng)的動(dòng)聯(lián)接，后者還能傳遞軸向力。成形聯(lián)接沒有產(chǎn)生應(yīng)力集中的鍵槽和尖角，承載能力強(qiáng)，對中性好，裝拆方便，但制造工藝復(fù)雜，故目前應(yīng)用仍不普遍。 圖13.13 成形聯(lián)接習(xí)題13.1 鍵聯(lián)接有哪些主要類型？各有何主要特點(diǎn)？13.2 平鍵聯(lián)接的工作原理是什么？主要失效形式有哪些？平鍵的尺寸bh和鍵的長度L是如何確定的？13.3普通平鍵的強(qiáng)度條件怎樣（用公式表示）？如果在進(jìn)行普通平鍵聯(lián)接強(qiáng)度計(jì)算時(shí)，強(qiáng)度條件不滿足，可采取哪些措施？13.4 平鍵和楔鍵在結(jié)構(gòu)和使用性能上有何區(qū)別？為什么平鍵應(yīng)用