第4章 - 键、花键和销联接（公开课） - 图文

第四章

4-1 基础知识 一、键联接

键、花键和销联接

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4-1a、平头（B型），如图4-1b、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6000~7000，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接。半圆键工作时，靠其侧面来传递转矩。由于其轴上键槽较度削弱较大，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

图4-2 半圆键联接

与轮毂的联

深，对轴的强

刀铣出。由图

斜度。 （3）楔键联接

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

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100mm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×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，如果键没有严重过载，一般不会出现键的剪断（图4-5中沿a－a面剪断），因此，我们通常只按工作面上的挤压应力进行强度校核计算。导向平键联接和滑键联接（动联接）的主要失效形式是工作面的过度磨损，我们通常按工作面上的压力进行强度校核计算。

普通平键联接的强度条件为

\\

2T?103 ?p? 4-5 平键联接受力情况 （4-1） ?[p] 图kld导向平键联接和滑键联接的强度条件为

2T?103p??[p] （4-2）

kldd），单位为N?m； 2 k——键与轮毂键槽的接触高度，k?0.5h，此处 h为键的高度，单位为mm；

式中：T——传递的转矩（T?F?y?F?l——键的工作长度，单位为mm，圆头平键l?L?b，平头平键l?L，单圆头平键l?1?这里L为键的公称长度，单位为 mm；b为键的宽度，单位为mm； d——轴的直径，单位为mm；

[?p]——键、轴、轮毂三者中最弱材料的许用挤压应力，单位为MPa；

b,2[P]——键、轴、轮毂三者中最弱材料的许用压力，单位为MPa。

二、花键联接

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) α=30° b) α=45°

图4-6 矩形花键联接 图4-7 渐开线花键联接

1）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 0．5 m和0．4m，(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dm处（图4-8），此时传递的转矩T?zf?dm，考虑实际载荷在各花键齿上分配不均的影响，引入系数?，则花键联接的2强度条件为

图4-8 花键联接受力情况

32T?10?[?p] （4-3） 静联接 ?p??zhldm32T?10?[p] （4-4） 动联接 p??zhldm式中：?——载荷分配不均系数，通常取?=0．7－0．8，齿数多时取偏小值；

z——花键齿数；

l——齿的工作长度，单位为mm；

D?d?2C， D为外花键的大径，d为内花键的小2径，C为倒角尺寸，单位均为mm；渐开线花键，??30?，h?m；??45?，h?0.8m，m为模数；

D?d dm——花键的平均直径，矩形花键，dm=；渐开线花键，dm=di，di为分度圆直径单

2位为mm；

h——齿侧面工作高度，矩形花键，h? [?p]——花键联接的许用挤压应力，单位为MPa； [p]——花键联接的许用压力，单位为MPa。

三、销联接

销主要用来固定零件之间的相对位置，称为定位销（图4-9），它是组合加工和装配时的重要辅助零件；也可用于联接，称为联接销（图4-10），可传递不大的载荷；还可作为安全装置中的过载剪断元件，称为安全销（图4-11）。

销有圆柱销、圆锥销、槽销、销轴和开口销等多种类型，均已标准化。

。

图4-9定位销 图4-10 联接销

图4-11安全销 4-2 本章重点

（1）键和花键联接的结构形式、特点和应用。

（2）键和花键联接的选择、失效形式和强度校核计算。

4-3 例题精解

例4-1 已知减速器中某直齿圆柱齿轮安装在轴的两个支承点间，齿轮和轴的材料都是锻钢，用键构成静联接。齿轮的精度为 7级，装齿轮处的轴径 d?70mm，齿轮轮毂宽度为 100mm，需传递的转矩T?2 200N?m，载荷有轻微冲击。试设计此键联接。

解：

（1）选择键联接的类型和尺寸

一般8级以上精度的齿轮有定心精度要求，应选用平键联接。由于齿轮不在轴端，故选用圆头普通平键（A型）。

根据d?70mm查表得键的截面尺寸为：宽度b?20mm，高度h?12 mm。由轮毂宽度并参考键的长度系列，取键长l?90mm（比轮毂宽度小些）。 （2）校核键联接的强度

键、轴和轮毂的材料都是钢，查表得得许用挤压应力[?p]?100~120Mpa，取其平均值，

[?p]?100Mpa。键的工作长度l?L?b?90-20=70mm，键与轮毂键槽的接触高度

k?0.5h?0.5?12?6mm。由式（4-l）可得

2T?1032?2200?10?p???149.7MPa?[?p]

kld6?105?70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?70mm?105mm。由式（4-1）可得

2T?1032?2200?103?p???99.8MPa?[?p](合适)

kld6?105?70键的标记为：键20?90 GB／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?60mm，轮毂长L'?100mm；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?60mm，从机械设计手册查得键的截面尺寸为b?h?18?11，即键宽b?18mm，键高h?11mm，由轮毂长L'?100mm，取较为接近的标准键长L?90mm。

（3）计算工作转矩。

9.55?106P9.55?106?5T???5.31?105N?mm

n90（4）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[?p]?50~60MPa。

键的工作长度 l?L?b?90?18?72mm 挤压面的高度 k?h11??5.5mm 222T2?5.31?105挤压应力 ?p???44.66Mpa<[?p]

kld5.5?72?60由设计结果可见，此设计合用。

例4-3 已知某齿轮用一个A型平键（键尺寸b?h?l?16?10?80）与轴相联接，轴的直径

d?50mm，轴、键和轮毂材料的许用挤压应力?p分别为 120Mpa、100Mpa、80Mpa。试求此键联

接所能传递的最大转矩T(N?m)。若需传递转矩为900N?m，此联接应作如何改进？

解：

A型平键的工作长度 l?L?b?80?16?64mm 键与轮毂键槽的接触高度是 k?0.5h?5mm

按最弱的轮毂材料计算，即许用挤压应力[?p]?80Mpa 由挤压强度校核式有可传递的最大转矩为

Tmax?kld[?p]25?64?50?80?10?3?10??640N?m

2?3 若需传递的转矩为900N?m，已超过此单键联接所能传递的最大转矩，但小于采用双键联接的传动能力1.5Tmax，故最简单的改进措施是采用同尺寸的两个平键联接，两键在圆周上间隔180?布置。

4-4习题

一、判断题

4-1、普通平键的定心精度高于花键的定心精度。

4-2、切向键是由两个斜度为1：100的单边倾斜楔键组成的。 4-3、45°渐开线花键应用于薄壁零件的轴毂联接。 4-4、导键的失效形式主要是剪断。

4-5、滑键的主要失效形式不是磨损而是键槽侧面的压溃。

4-6、在一轴上开有双平键键槽（成180?布置），如此轴的直径等于一花键轴的外径（大径），则后者对轴

的削弱比较严重。

4-7、楔键因具有斜度所以能传递双向轴向力。 4-8、楔键联接不可以用于高速转动零件的联接。 4-9、切向键适用于高速轻载的轴毂联接。

4-10、平键联接中轴槽与键的配合分为松的和紧的，对于前者因工作面压强小，所以承载能力在相同条件

下就大一些。

4-11、45°渐开线花键只按齿侧定心。

4-12、斜键因带有斜度打入键槽的轴毂间有摩擦力，因此它只是靠轴与孔之间的摩擦传转矩的。 4-13、传递双向转矩时应选用两个对称布置的切向键。（即两键在轴上位置相隔180?）

4-14、虽然平键侧面分别置于轴槽和毂槽中，但因键的高度小于宽度且键不倾斜，所以键侧面上压力分布很均匀，计

算所用的公式不属于条件性计算式。 4-15、普通平键是标准件。

二、选择题

4-16、平键是（由A、B中选1）_______，其剖面尺寸一般是根据（由C、D、E、F中选1）_____按标准选取的。

A.标准件

B.非标准件

C.传递转矩大小 D.轴的直径 E.轮毂长度 F.轴的材料 4-17、在下列轴一级联接中，定心精度最高的是

A、 平键联接 B、半圆键联接 C、楔键联接 D、花键联接

4-18、平键长度主要根据______选择，然后按失效形式校核强度。

A传递转矩大小

B轴的直径

C轮毂长度

D传递功率大小

4-19、半圆键联接当采用双键时两键应______布置。

A.在周向相隔90? B.在周向相隔120? C.在周向相隔180? D.在轴向沿同一直线

4-20、对于采用常见的组合和按标准选取尺寸的平键静联接，主要失效形式是_____，动联接的主要失效形式则是_____。

A.工作面的压溃

B.工作面过度磨损

C.键被剪断

D.键被弯断

4-21、1.下图中图1是_______。

2.下图中图2是_______。 3.下图中图3是_______。 4.下图中图4是_______。 A.切向键

B.平键

C.楔键

D.半圆键

4-22、一般情况下平键联接的对中性精度______花键联接。

A.相同于 B.低于 C.高于 D.可能高于、低于或相同于 4-23、设平键联接原来传递的最大转矩为T，现欲增为1.5T，则应______。

A.安装一对平键 ??B.将轴直径增大到1.5倍 C.将键宽增大到1.5倍 D.将键高增大到1.5倍

4-24、设计键联接的几项主要内容是：1）按轮毂长度选择键长度；2）按使用要求选择键的类型；3）按轴的直径查标准选择键的剖面尺寸；4）对键进行必要的强度校核。具体设计时一般顺序是_______。

A. 2?1?3?4 B. 2?3?1?4 C. 1?3?2?4 D. 3?4?2?1

4-25、为了楔键装拆的方便，在______上制出______的斜度。

A.轴上键槽的底面 D.1：100

B.轮毂上键槽的底面 E.1：50

C.键的侧面 F.1：10

4-26、半圆键联接的主要优点是__________，其键槽多采用____________加工。

A.键对轴的削弱较小 B.工艺性好、键槽加工方便 C.指状铣刀（指形铣刀） D.圆盘铣刀 4-27、矩形花键联接常采用的定心方式是_________。

A.按大径定心 B.按侧面（齿宽）定心 C.按小径定心 D.按大径和小径共同定心

4-28、两级圆柱齿轮减速器的中间轴上有两个转矩方向相反的齿轮，这两个齿轮宜装在_________。

A.同一母线上的两个键上 C.周向间隔180?的两个键上

B.同一个键上

D.周向间隔120?的两个键上

4-29、1）机床刀架手轮轮毂与丝杠轴端之间宜用______；2）锥轴伸与小带轮联接宜选用_________；3）间歇工作的滑移齿轮与轴联接宜选用______；4）汽车的高速、中载传动轴宜选用_________。

A.渐开线花键联接 C.半圆键联接 是_______。

A. A型平键 D.矩形花键 三、填空题

4-31、平键分为_________、_________和_________三种。 4-32、按键头部形状普通平键分为_______、______和______。 4-33普通平键用于________联接，导键和滑键用于______联接。

4-34、考虑轮毂与轴之间是否有相对运动，半圆键用于_______联接，楔键用于_______联接。 4-35、花键联接按齿形不同可分为______和______两种。

4-36、一般情况下平键用于静联接其失效是工作面_____，用于动联接则失效于工作面_______________。 4-37、一组切向键能传递_______方向轴向力。

4-38、双向工作的轴应选用_____组切向键（每组由两个斜键组成）。 4-39、平键的工作面是_______，楔键的工作面是______。

4-40、普通平键联接当采用双键时，两键应在周向相隔________（度）布置。 4-41、楔键联接当采用双键时，两键应在周向相隔____________（度）布置。

4-42、普通平键联接当采用双键时两键在周向应相隔______（度）布置；用双楔键联接时两键在周向应相隔______（度）布置；半圆键联接采用双键时则布置在______________。 4-43、锥形薄壁零件的轴毂静联接宜选用______形花键。

4-44、切向键传递双向转矩时应安装______________________________的切向键。 4-45、C型平键的端部形状是___________________，适于在__________处使用。 四、结构设计题 4-46、如题4-46图所示，分别用箭头指出工作面，并在图下方标出键的名称。 B. 30?压力角渐开线花键 E. 45?压力角渐开线花键

C. B型平键

B.导向键联接 D.钩头楔键联接

4-30、由相同的材料组合，相同轴径，相同的毂长和工作条件下，下列的键或花键联接能传递转矩最小的

题4-46图 4-47、在题4-47图中画出轴的转动方向（轴主动） 题4-47图 4-48、题4-48图中轴径d=58mm，分别在图上注出有关尺寸及其极限偏差。 题4-48图

附：键槽尺寸及其极限偏差见下表。 公称直径 d >50~58 公称尺寸 b×h 16×10 轴上键宽 极限偏差 +0.043 0 轴上键深t及 其极限偏差 .2t?6?00 毂上键宽 极限偏差 +0.120 +0.050 毂上键深t1及 其极限偏差 0.20 t1?4.3?0直径偏差：毂H7?0.030，轴0h7?00.030

4-49、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=11mm，键（毂）长

L=80mm，传递转矩T=840N?m，轴径d=60mm，铸铁轮毂的许用挤压应力?p?80MPa。

4-52、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：

??T?11bld[?]及T?ld[?p]k 22式中：T——轴传递的转矩，N?mm； MPa；

b——半圆键的宽度，mm；

pk——半圆键与轮毂接触高度； d——轴径，mm；

???——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，???=（130～180）

p

L——半圆键的长度,mm；

???——许用切应力，取???=90MPa。

附：取平键b?h=16?10，其长度系列(mm)?56，63，70，80?； 取半圆键10?13，其名义长度L=31.4mm，k=3mm。 题4-52图

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