切向键连接--pxzl.doc

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。 图6-3导向平键 图6-2滑键612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（键宽 b 和键高 h ）按键所在的轴径 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) MPa (6-1) 或允许传递的扭矩： Nmm 或允许传递的功率: kW式中， 6-7平键连接受力分析是许用挤压应力 Mpa ，见表6-2； 是扭矩，Nmm；是键的工作高度 ，；是键的工作长度 ， A型键： B型键：， C型键：； 是公称长度mm；轴径mm。普通平键剪切强度条件为： MPa （6-2）式中，是键的许用剪应力MPa；是键宽mm；导向平键连接、滑键连接的强度条件为：（动连接） Mpa式中,是许用压力，见表6 -2，=minP键，P轴，P毂表6-1普通平键和键槽的尺寸轴的直径d键的尺寸键槽bhC 或 rLtt1半径r自6881010121217172222303038384444505058586565757585220.160.256201.210.080.16336361.81.4448452.51.8550.250.410563.02.30.160.256614703.52.88718904.03.31080.40.6221105.03.30.250.4128281405.03.3149361605.53.81610451806.04.31811502007.04.420120.50.8562207.54.90.40.62214632509.05.4注：L系列为6，8，10，12，14，18，20，22，25，28，32，36，40，45，50，56，63，70，80，90，100，110，125，140，160，180，200，250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 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许用应力零件材料载荷性质静载荷轻微冲击载荷冲击载荷p 钢铸铁1251507080100120506060903045P钢504030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。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= 60 mm,齿轮轮毂宽度为110 mm。要求传递的转矩,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，从表6-1查得键宽,键高。键长。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 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。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。（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、配合等均应按标准选取。2、花键类型按齿形不同分为矩形花键连接,见图6-9，渐开线花键连接,见图6-10。（1）矩形花键在矩形花键的标准中，按齿高不同分成两个系列，即轻系列和中系列。轻系列的承载能力较低，多用于静连接，而中系列多用于中等载荷的连接。国标规定，矩形花键采用小径定心方式，即外花键和内花键的小径作为配合表面。其特点是定心精度高，定心的稳定性好，可以利用磨削的方法消除热处理产生的变形。矩形花键连接广泛应用于飞机、汽车、拖拉机、机床等领域。 （2）渐开线花键图6-9矩形花键连接 渐开线花键的齿廓是渐开线，分度圆压力角有30及45两种。齿高分别为0.5m和0.4m,这里m为模数。di为渐开线花键的分度圆直径。 （a） (b)图6-9渐开线花键连接渐开线花键的特点是渐开线花键的制造工艺与齿轮完全相同，加工工艺成熟，制造精度高，花键齿根强度高，应力集中小，易于定心，用于载荷较大、轴径也大且定心精度高时的连接。压力角45的渐开线花键如图6-9a，与压力角30的渐开线花键相比如图6-9b，多用于轻载、小直径和薄壁零件的静连接。 国标规定渐开线花键采用齿形定心方式。当传递载荷时花键齿上的径向力能够起到自动定新作用，有利于各齿均匀受力。622花键连接的设计计算花键连接的的强度计算，一般先确定花键连接的类型和花键尺寸，然后验算花键连接的强度。花键连接的受力分析如图6-10。其主要失效形式为：键齿面的压溃（静连接）和键齿面的磨损（动连接）。所以对静连接一般进行挤压强度计算，动连接进行耐磨性计算。假设工作载荷沿键的工作长度均匀分布，且各齿面上压力的合力F作用在平均半径dm处，则强度条件为 静连接 Mpa （6-3）动连接 式中，是传递扭矩，Nmm；是花键齿数；是键齿工作长度，mm；是键齿侧面工作高度，mm； 图 6-10花键连接的受力分析矩形花键：,是花键大径mm, 是花键小径mm, 是齿顶倒圆半径mm；渐开线：,时，,为模数；是花键的平均直径mm，矩形花键：，渐开线花键：是分度圆直径mm；是花键各键齿受力不均匀系数 ，；,是许用挤压应力和许用压力，MPa见表6-3（动连接时用）花键材料：高强度钢（Mpa），滑动花键要经淬火或化学处理，以便有足够的硬度与耐磨性。表6-3花键连接的许用挤压应力P 、许用压力P许用挤压应力、许用压力连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 静连接不良35504070中等60100100140良好80120120200P空载下移动的动连接不良15202035中等20303060良好25404070在载荷下移动的动连接不良310中等515良好1020注：1使用和制造情况不良系指受变载荷、双向冲击载荷、振动频率高和振幅大、润滑不良（对滑动连接）、材料硬度不高或精度不高等； 2相同情况下， p或P的较小值用于工作时间长和较重要的场合； 3花键材料的抗拉强度极限不低于600 MPa。63成型连接用非圆剖面的轴与相应的毂孔构成的连接称成型连接如图6-10。631型面连接 轴和毂孔可设计成柱形的见图6-10 a，和圆锥形的见图6-10 b 。型面连接特点是连接面上没有应力集中源，对中性好，承载能力强，装拆方便，但加工不方便，需用专用设备，应用较少。另外成形面还有方形、六边形及切边圆形等，但对中性较差。（a） （b）图6-10成型连接632胀紧连接胀紧连接是在毂孔与轴之间装入胀紧连接套（简称胀套），在轴向力作用下，同时胀紧轴与毂而构成的一种静连接。胀套的尺寸选择：各型胀套已标准化，选用时可根据轴、毂尺寸及传递载荷大小，从标准中选择合适的型号和尺寸。GB/T5867-1986规定了五种胀紧连接型号（Z1Z5型），图6-11所示采用Z1型胀套的胀紧连接，在毂孔和轴的光滑圆柱面间，装一个胀套，如图6-11a或两个胀套如图6-11b,在轴向力的作用下，内外胀套相互楔紧，工作时利用接触面间压紧力引起的摩擦力来传递转矩或轴向力。（a）一个胀套 （b）两个胀套图6-11用Z1胀套的胀紧连接胀套的选择根据轴和轮毂尺寸及传递载荷，查阅相关资料确定其型号和尺寸。同时应满足以下条件：传递轴向力时 (6-4)传递转矩时 (6-5)传递联合作用的转矩和轴向力时 (6-6)式中， 是传递的转矩，Nm；是单个胀套的额定转矩，Nm；是传递的轴向力，N；是单个胀套的额定轴向力，N；是胀套内径，mm。当一个胀套不满足要求时，可用两个以上的胀套串联使用，此时总的额定载荷为 (6-7)式中，是额定载荷系数，对Z1型：n=1时，m=1；n=2时，m=1.56；n=3时，m=1.86；是个胀套的总额定转矩Nm。胀紧连接特点，可传递较大扭矩和轴向力，无应力集中，定心性好，有过载保护作用。但加工要求较高，应用受限制。有关胀套的其他参数可查阅有关资料。64销连接销连接一般有两个作用，用于确定零件之间的相互位置，并可传递不大载荷的，一般称之定位销见图6-12a、b、c。作为安全保护装置中的过载剪断元件的，一般称之安全销，见图6-12d。 销的材料应为35、45号钢，开口销为低碳钢。销连接的类型按外形分主要有圆柱销、圆锥销、槽销、开口销等，它们均已标准化了。（a）圆柱销 （b）圆锥销 （c）连接销 （d）安全销图6-12销连接圆柱销见图6-12 a ，靠销和孔过盈配合固定在孔中，圆柱销直径偏差有四种：u8、m16、h8和h11。经多次拆装以后会降低定位精度。圆锥销见图6-12 b ，锥度1：50，受横向载荷时可自锁。多次拆装不影响精度。对于受冲击基、振动的场合采用开尾圆锥销连接图6-13。对于盲孔可采用端部带螺纹的圆锥销如图6-14。图6-13开尾圆锥销 图6-14用于盲孔的圆锥销65过盈连接651过盈连接的特点及应用过盈连接是利用被联件间的过盈配合直接把被连接件连接在一起实现连接的。这种连接又称紧配合连接。过盈连接常用于轴与轮毂连接，轮圈与轮芯的连接以及滚动轴承与轴及座孔的连接。这种连接的优点是结构简单，定心性好，承载能力高，能承受冲击载荷，对轴的强度削弱小。缺点是装配困难，对配合尺寸精度要求较高。由于拆开过盈连接需要很大的外力，往往要损坏连接中零件的配合表面，所以一般过盈连接属于不可拆连接。限于篇幅这里只介绍圆柱面的过盈连接。652过盈连接的工作原理与装配方法过盈连接的原理：利用包容件与被包容件的径向变形使配合面间产生很大的径向压力，从而靠摩擦力来传递载荷，该载荷可以是轴向力、转矩或弯矩等。对于配合面为圆柱面过盈连接的装配方法，时常采用以下两种。压入法。利用压力机将被包容件压入包容件中，由于压入过程中表面微观不平度的峰尖被擦伤或压平，因而降低了连接的紧固性。温差法。加热包容件，冷却被包容件。当其他条件相同时，用温差法能获得较高的摩擦力或力矩，因为它不像压入法那样会擦伤配合表面。6.5.3圆柱面过盈连接设计圆柱面过盈连接时，见图6-15，被连接件的材料、构造和尺寸一般都已初步确定，连接的载荷也已求得。因此，设计的主要问题是： 选择具有所需要的承载能力的配合； 安排合理的结构； 确定对零件配合表面的工艺要求； 决定装配方法和提出装配要求等。过盈连接的承载能力取决于连接的摩擦力或力矩和连接中各零件的强度。选择配合时， (a)曲轴过盈连接组装件 (b)轴毂过盈连接及拆卸用注油口图6-15圆柱面过盈连接既要使连接具有足够的固持力以保证在载荷作用下不发生相对滑动，又要注意到零件在装配应力下不致损坏。6.5.4圆柱面过盈连接的设计计算过盈连接主要用以承受轴向力、传递转矩，或者同时承受以上两种载荷。为了保证过盈连接的工作能力，须作以下两方面的分析计算：在已知载荷的条件下，计算配合面间所需产生的压力和产生这个压力所需的最小过盈量；在选定的标准过盈配合下，校核连接诸零件在最大过盈量时的强度。过盈连接的可能的失效形式为：在载荷作用下，连接松动，和由于过盈量过大二导致配合面被压溃。所以在连接计算中，主要是这两个方面满足要求。过盈连接的承载能力取决于连接的摩擦力或力矩和连接中各零件的强度。选择配合时，既要使连接具有足够的固持力以保证在载荷作用下不发生相对滑动，又要注意到零件在装配应力下不致损坏。设计原则：保证配合面间有足够的压力（外载荷作用下不松动）以满足受力要求。保证零件间在装配应力作用下不致被压溃，以满足强度要求。圆柱面过盈连接的计算方法及步骤参阅有关设计手册。思考题与习题6-1 平键连接的工作原理是什么？主要失效形式有哪些？平键的剖面尺寸bh和键的长度L是如何确定的？举例说明平键连接的标注方法。6-2 圆头（A型）、方头（B型）及单圆头（C型）普通平键各有何优缺点？它们分别用在什么场合？轴上的键槽是如何加工出来的？轮毂上的键槽是如何加工出来的？6-3 导向平键连接和滑键连接有什么不同，各适用于何种场合？6-4 试推导出普通平键的强度计算用公式。如果在进行普通平键连接强度计算时，强度条件下不能满足，可采用哪些措施？6-5 花键连接的强度计算基础主要取决于何种强度。6-6 应用较广的