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1、1 第6章 键、花键、成型连接和销连接 内容提要 本章主要讲述键、花键、销连接及过盈连接。讨论这些连接的类型、工作 原理、结构形式和类型的选择方法及应用，重点研究键连接截面尺寸的确定方法、失效形 式、强度计算方法。 键和花键连接广泛应用于轴和轮毂零件之间的周向固定并且传递转矩。其中，有的还 能实现轴向固定以传递轴向力；有的则能实现轴向滑动连接。销连接主要用来固定零件的 相互位置，销连接通常只传递较小载荷。销还可用作安全装置。成形连接和弹性环连接则 是轴毂连接的其他形式，后者只能构成静连接。成形连接又称无键连接，用于轴毂连接时 一般采用为非圆形截面。 61键连接 键是标准件，主要类型有平键、半圆
2、键、楔键和切向键。设计者的任务是如何进行选 择。 611平键连接 1.平键连接 平键的工作原理：平键的两侧面是工作面，见图6-1，上表面与轮毂上的键槽底部之 间留有间隙。工作时，靠键与键槽侧面的挤压来传递扭矩。 平键连接的优点是结构简单，对 中性好，装拆、维护方便。缺点是不 能承受轴向力。 平键的分类：普通平键，导向平 键，滑键和薄型平键。普通平键属静 连接。导向平键和滑键与轮毂的键槽 配合较松，属动连接。 普通平键又分成A型（双圆头） 见图6-2a、B型（方头）见图6- 2b、C型 （单圆头）见图6-2c三种。 图6-1普通平键连接 A型键：轴上的键槽用圆柱铣刀加工，轮毂上的键槽用插削、拉削
3、或线切割等方法加 工。键在键槽中固定良好，但是键的工作长度小于它的总长度，所以圆头部分并未被充分 利用；再有轴上键槽端部产生应力集中。 B型键：轴上的键槽用圆盘铣刀加工，避免了A型键的缺点。必要时用螺钉紧固。 C型键：常用于轴端与轮毂配合键连接，装配时简单方便。 当轮毂为薄壁零件建议采用键高较小的薄型平键。它与普通平键的区别在于，高度约 为普通平键的60%70%，因此薄型平键所传递的载荷也比普通平键低。 （a）A型键 (b) B型键 (c) C型键 图6-2普通平键的型号 同一轴上不同轴段的键槽要设计在一条母线上，以方便加工。 导向平键如图6-3和滑键如图6-2，能够满足轮毂与轴间需要有相对滑
4、动的动连接。 导向平键用螺钉固定在轴上的键槽中，轮毂沿键可作轴向滑动。为了便于拆卸，键上 有起键螺孔，需要拆卸时拧入螺钉使键退出键槽。导向平键应设计成双圆头，以保证其导 向性能。导向平键用于轮毂沿轴向移动距离较小的场合，当轮毂的轴向移动距离较大时宜 采用滑键。 滑键是将键固定在轮毂上，随轮毂一起沿轴槽移动。 2 图6-3导向平键 图6-2滑键 6 12半 圆键连 接半 圆键的 工作面 是两侧面，用于静连接。轴上键槽用与半 圆键半 径相同的盘状铣刀铣出，因此半圆键在槽 中可绕 其几何中心摆动以适应轮毂中键槽的斜度见图 6-4 。半圆键连接的优点是结构简单，制造 和装拆方便，但由于轴上键槽较深，对
5、轴的强度削弱较大，故一般多用于轻载，尤其是锥 形轴端与轮毂的连接中。613楔键连接 图6-4半圆键连接楔键的上下表面是工作面，键的上表面和轮毂键槽底面均具有 1:100 的斜度。装配后， 键楔紧于轴槽和毂槽之间。工作时，靠键、轴、毂之间的摩擦力及键受到的偏压来传递转 矩，同时能承受单方向的轴向载荷，如图 6-5 所示。楔键连接楔紧以后轴和轮毂产生偏心， 因此主要用于定心精度不高的轴毂连接。（a）圆头 (b)方头 (c) 钩头 图6-5楔键614切向键连接 切向键由两个斜度为 1:100 的普通楔键组成，见图 6-6 。装配时两个楔键分别从轮 毂一端打入，使其两个斜面相对，共同楔紧在轴与轮毂的键
6、槽内。其上、下两面为工作面， 其中一个工作面在通过轴心线的平面内，工作时工作面上的挤压力沿轴的切线作用。因此， 切向键的工作原理是靠工作面的挤压来传递转矩。一个切向键只能传递单向转矩，若要传 递双向转矩，必须用两 个切向键，并错开 120135 反向安装。 切向键主要用于轴径大 于 100mm 、对中性要 求不高且载荷较大的重 型机械中。 图6-6切向键615 键的选择和强度计算 1 键的选择 键的选择包括类型选择和尺寸选择两个方面。选择键类型时，一般需考虑传递转矩大 小，轴上零件沿轴向是否有移动及移动距离大小，对中性要求和键在轴上的位置等因素， 并结合各种键的特点加以分析选择。键的截面尺寸（
7、键宽 b 和键高 h ）按键所在的轴径 3 d 查标准选定。键的长度 L 可根据轮毂的长度确定，可取键长略短于轮毂的宽度。导向平 键应按轮毂的长度及滑动距离而定。键的长度还须符合标准规定的长度系列。普通平键和 键槽的尺寸见表6-1。 2 平键的强度计算 平键连接传递转矩时的受力分析见图6-7。平键连接的失效形式有：较弱零件工作面 压溃（静连接）、磨损（动连接）、键的剪断（一般极少出现）。因此，对于普通平键只 需进行挤压强度计算；而对于导向平键或滑键通常只进行耐磨性计算。 设载荷沿键长度与高度方向均匀分布，不计摩擦。 普通平键挤压强度条件为：(静联接) 2 2 P P kld T kl d T
8、kl F MPa (6-1) 或允许传递的扭矩： 2 1 P kld T Nmm 或允许传递的功率: n T P 9550 1kW 式中， 轴 毂 键 , , min P P P P ， 6-7平键连接受力分析 P 是许用挤压应力 Mpa ，见表6-2； T 是扭矩，Nmm； k 是键的工作高度 ， 2 h k ； l 是键的工作长度 ， A型键： b L l B型键： L l ， C型键： 2 b L l ； L是公称长度mm； d 轴径mm。 普通平键剪切强度条件为： 2 bld T bl d T bl FMPa （6-2） 式中， 是键的许用剪应力MPa； b 是键宽mm； 导向平键连接
9、、滑键连接的强度条件为：（动连接） 2 P kld T P Mpa 式中, P 是许用压力，见表6 -2， P =minP 键 ，P 轴 ，P 毂 表6-1普通平键和键槽的尺寸 键的尺 寸 键 槽 轴的直径 d b h C 或 r L t t 1 半径r 2 2 620 1.2 1 3 3 636 1.8 1.4 4 4 0.160.25 845 2.5 1.8 0.080.16 5 5 1056 3.0 2.3 6 6 1470 3.5 2.8 8 7 0.250.4 1890 4.0 3.3 0.160.25 10 8 22110 5.0 3.3 12 8 28140 5.0 3.3 自6
10、8 810 1012 1217 1722 2230 3038 3844 4450 5058 5865 6575 7585 14 9 0.40.6 36160 5.5 3.8 0.250.44 注：L系列为 6，8，10，12，14，18，20，22，25，28，32，36，40，45，50，56，63，70，80，90，100，110，125，140，160，180，20 0，250 标记示例: 圆头普通平键(A型),b = 16、h =10、L =100的标记为：键16100 GB/T 1096-2003 方头普通平键(B型),b = 16、h =10、L =100的标记为：键B16100
11、GB/T 1096-2003 单圆头普通平键(C型),b = 16、h =10、L =100的标记为：键C16100 GB/T 1096-2003 表6-2键连接的许用挤压应力 p 许用压力P 载荷性质 许用应力 零件材料 静载荷 轻微冲击载荷 冲击载荷 p 钢 铸铁 125150 7080 100120 5060 6090 3045 P 钢 50 40 30 注：1）p 值与该零件材料的机械性能有关，b 值较高的材料可取偏上限值，反之取偏下限值； 2）与键有相对滑动的被连接件表面若经过淬火，则p值可提高2-3倍。 国家标准规定，键的材料采用抗拉强度不低于600MPa的钢制造，常用45号钢。
12、当1个普通平键连接不能满足强度要求时，采用两个平键，相隔180布置，考虑到载 荷分布不均匀，按1.5倍单键键长计算连接的强度。 若强度仍不满足，则应考虑设计花键连接。 【例6-1】已知某减速器中的齿轮安装在轴的两支点之间，构成静连接。齿轮与轴的 材料均为锻钢，齿轮精度为7级，安装齿轮处的轴径 d = 60 mm,齿轮轮毂宽度为110 mm。 要求传递的转矩 m N 2000 T ,载荷有轻微冲击。试设计此连接。 解 1.由于8级精度以上的齿轮要求一定的定心精度，故该轴毂连接应选择普通平键 连接。又因为该齿轮位于两支点之间所以选择A型键（圆头） 。 根据键所在的轴径选择键的截面尺寸。轴径 mm
13、60 d ，从表6-1查得键宽 mm 18 b ,键高 mm 11 h 。键长 mm 100 l 。 2.键连接的强度计算 因为键、轴和毂的材料均为钢，查表6-2得许用应力 P = 100120 MPa , 取 P = 110 MPa。 键的工作长度l =L b = 10018 = 82 mm , 键与轮毂的接触高度 k = 0.5 h = 0.511 =5.5 mm 。由式（6-1）得 MPa 110 8 . 147 60 82 5 . 5 10 2000 2 2 3 P P MPa kld T 可见强度不足，应修改设计。改用2个键按180 布置。强度计算时按 1.5个键进行。 MPa 11
14、0 MPa 5 . 98 5 . 1 60 82 5 . 5 10 2000 2 2 3 P P kld T 结论：强度满足。 键的标记：键18100 GB/T1096-2003(A 型键不用标出 A,而 B 或 C 则应标明) 6.2花键连接 花键连接是由多个键齿与键槽在轴和轮毂孔的周向均布而成，见图6-8。 花键齿侧面为工作面，适用于动连接和静连接。 16 10 45180 6.0 4.3 18 11 50200 7.0 4.4 20 12 56220 7.5 4.9 22 14 0.50.8 63250 9.0 5.4 0.40.65 （a）外花键 （b）内花键 图6-8花键连接 621花键连接特点、类型和应用 1.花键连接的特点 优点主要有花键齿较多、工作面积大、承载能力较高；键均匀分布，各键齿受力较均 匀；齿轴一体且齿槽浅、齿根应力集中小，强度高且对轴的强度削弱减少；轴上零件对中 性好；导向性较好；可采用滚齿技术加工花键，但是加工需专用设备、制造成本高。花键 连接主要用于定心精度高、载荷大或经常滑移的连接。花键连接的齿数、尺寸、配合
