任务5.3 轴毂联接的分析与设计

《机械分析与设计基础》

情境5典型机械零件的分析与设计

任务5.3轴毂联接的分析与设计1.任务条件

已知单级圆柱齿轮减速器，其低速轴上的零件如图所示。根据前面任务的计算结果，单级圆柱齿轮减速器中直齿圆柱齿轮和低速轴的材料都是45#钢，大齿轮轮毂宽度为B=70mm，与齿轮配合的轴的直径d=60mm，传递的扭矩T=429.51N.mm，载荷稳定。2.任务要求分析和设计轴和齿轮之间联接的普通平键，并进行强度校核。【下达任务】减速器的低速轴系

【能力目标】

1.学会分析与设计键联接、销联2.学会平键的选择设计。4

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按是否可拆分为

一、联接：

将两个或两个以上的物体接合在一起的组合结构。按被联接件之间是否产生相对运动可分为

可拆联接不可拆联接动联接：静联接：即运动副被联接零件间不允许产生相对运动的联接,简称联接。

多次装拆时，不会破坏或损伤联接中的任何一个零件，如键联接、螺纹联接和销联接等。

在拆卸时，至少要毁坏联接中的某一部分才能将被联接件拆开，如焊接、铆接、粘接、过盈配合联接等。

5.3.0联接的概述与认知1.铆接铆接：利用铆钉将被联接件联接在一起的联接。二、常用不可拆联接简介铆接特点：（1）工艺设备简单；（2）抗震、耐冲击；（3）牢固可靠；（4）结构笨重；（5）对被联接件强度削弱较大；（6）工作环境差；2.胶接

胶接：利用胶粘剂在一定条件下把预制的元件联接在一起的联接。（1）不受材料限制；（2）接头应力分布均匀，避免了变形；（3）机械加工量少，重量轻；（4）密封性好，绝缘、耐腐蚀；（5）工艺过程易实现机械化和自动化；（6）强度较低，并随温度增高而降低；（7）耐老化、耐介质性能差，且不稳定。胶接特点：3.焊接焊接：用局部加热方法，将被联接件联成一体的联接（1）工艺简单，操作方便；（2）联接质量好，强度高；（3）联接灵活，重量轻；（4）用材广泛；（5）工人劳动条件好；（6）单件生产成本低，周期短，应用广泛。

焊接特点：4.过盈配合

过盈配合：利用零件间过盈配合形成的紧联接，工作时靠配合面上的摩擦力来传递载荷。过盈配合特点：（1）结构简单。（2）对中性好。（3）对轴削弱较少；在冲击振动载荷下工作可靠。（4）对配合尺寸的精度要求高，表面粗糙度【小结】联接的重点知识动联接静联接可拆联接：键联接销联接螺纹联接小过盈联接焊接铆接粘接大过盈联接不可拆联接：联接的组成

联接的类型机械联接一般由被联接件和联接件组成，有些时候被联接件之间进行直接联接，并无独立的联接件。静联接：

联接的目的动联接：各种运动副实现机械运动便于机械的制造、装配、运输、安装和维护，降低成本。下面重点学习键、销、螺纹联接和轴间联接等可拆联接。

键联接：用来实现轴和轮毂（如齿轮、带轮）之间的周向固定并用来传递运动和转矩的联接，有些还可以实现轴上零件的轴向固定或轴向位移。键联接的组成：轴上的键槽、轮上的键槽、键。键已标准化，为标准件，设计时先选择，再验算。5.3.1键连接的类型

松键联接依靠键与键槽侧面的挤压来传递转矩。键的上表面与轮毂上的键槽底部之间留有间隙，键不会影响轴与轮毂的同心精度。

键是一种标准零件。键联接根据装配时是否预紧，可分为松键联接和紧键联接。松键联接具有结构简单、装拆方便、定心性好等优点，因而应用广泛。这种键不能实现传动件的轴向固定。松键联接包括平键、半圆键和花键联接。

一、

松键联接（一）平键联接

※特点

结构简单、工作可靠、装拆方便，对中良好，因而得到广泛应用。但不能实现轴向固定※结构键主体为各面平行的长方体，轴、轮毂上分别开键槽，键宽=槽宽，键高<槽总深，侧面接触，顶面与轮毂键槽底有间隙

※工作面及工作原理两侧面是工作面，工作时靠键与槽侧面相互挤压传递扭矩

※平键分类

按用途不同，平键可分为普通平键、导向平键和滑键三种。1.普通平键普通平键用于静联接，应用最广。按端部形状分为A型（圆头）B型（方头）C型（单圆头）

圆头平键轴上的键槽用端铣刀加工，键在槽中固定良好，但轴上键槽端部的应力集中较大。

平头平键轴上的键槽用盘铣刀加工，应力集中较小，但键在轴上的轴向固定不好。

单圆头平键常用于轴的端部联接，轴上键槽常用端铣刀铣通。2.导向平键联接键用螺钉固定在轴槽中，键与毂槽为间隙配合，故轮毂件可在键上作轴向滑动，此时键起导向作用。为了拆卸方便，键上制有起键螺孔，拧入螺钉即可将键顶出。导向平键用于轴上零件移动量不大的场合，如变速箱中的滑移齿轮与轴的联接。若轴上零件滑移距离较大，则所需导向键的尺寸过大，制造困难。导向平键与普通平键结构相似，但比较长，其长度等于轮毂宽度与轮毂轴向移动距离之和。按端部形状分为A型（圆头）、B型（方头）。3.滑键联接当零件滑移的距离较大时，因所需导向平键的长度过大，制造困难，故宜采用滑键。滑键比较短，固定在轮毂上，而轴上的键槽比较长，键与轴槽为间隙配合，轴上零件可带键在轴槽中滑动。滑键主要用于轴上零件移动量较大的场合，如车床光杠与溜板箱之间的联接。（二）半圆键联接

１.结构

半圆键呈半圆形，在轴上铣出相应的键槽，轮毂槽开通。键宽=槽宽，键高>槽总深，侧面接触，顶面与轮毂键槽底有间隙。２.工作面及工作原理

两侧面是工作面，工作时靠键与槽侧面相互挤压传递扭矩。３.特点

能在轴槽中摆动，以适应毂槽底面的倾斜；定心性好，装配方便；键槽较深，对轴的强度削弱较大；用于静联接；适用轻载和锥形轴端。（三）花键联接

１.结构

花键联接由具有周向均匀分布的多个键齿的花键轴和具有同样数目键槽的轮毂组成，如图所示。２.工作原理

花键依靠键齿侧面的挤压传递转矩。

３.特点

承载能力强（多齿传递载荷）；对轴的削弱小（齿槽浅）；应力集中小；有良好的定心性和导向性；但需要专用设备加工，生产成本高。４.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中。花键按齿形可分为矩形花键和渐开线花键，其特性如下。５.分类类型特点应用

按齿高不同分为轻系列和中系列，轻系列用于静联接和轻载联接；中系列用于中等载荷。为小径定心，定心精度高，定心稳定性好，能用磨削的方法消除热处理后的变形。

广泛应用于飞机、汽车、拖拉机、机床、农业机械及一般传动装置中。

齿廓为渐开线，应力集中小，齿根强度高。可用制造齿轮的方法来加工，同一把滚刀或插刀可加工模数相同、齿数不同的内、外花键，精度高、互换性好。为齿形定心，受载时齿上有径向分力，能起自动定心作用，使各齿受载均匀，寿命长。

用于载荷较大、定心精度要求高以及尺寸较大的联接。二、紧键联接１．楔键联接键的上表面与轮毂上键槽的底面各有1:100的斜度，键楔入键槽后具有自锁性，可在轴、轮毂孔和键的接触表面上产生很大的楔紧力，工作时靠摩擦力实现轴上零件的周向固定并传递转矩，同时可实现轴上零件的单向轴向固定，传递单方向的轴向力。楔键联接会使轴上零件与轴的配合产生偏心，故适用于精度要求不高和转速较低的场合。常用的有普通楔键和钩头楔键。２.切向键联接切向键由一对普通楔键组成，装配时将两键楔紧，窄面为工作面，其中与轴槽接触的窄面过轴线，工作压力沿轴的切向作用，能传递很大的转矩。一对切向键只能传递单向转矩，传递双向转矩时，需用两对切向键，互成120°~135°分布。（图中未画出轮毂零件）切向键对中性较差，键槽对轴的削弱大，适用于载荷很大，对中性要求不高的场合，如重型及矿山机械。三、平键联接的尺寸选择和强度校核

1.先根据轴和轮毂联接的结构、使用条件和性能要求等选择键的类型。2.再根据轴的直径，从标准中选取键的尺寸。3.最后进行键联接的强度计算。

平键一般为自制标准件，其尺寸符合国家标准。标准尺寸由于平键是标准件，因此，设计时只需选择其尺寸再校核其强度。平键联接的设计步骤如下：1.平键的类型选择选择键的类型主要应考虑以下因素：（１）载荷的类型、传递转矩大小；（２）对中性要求；（３）键在轴的中部或端部等。（４）轮毂零件是否需要作轴向移动及滑移距离大小；（５）是否承受轴向力平键联接的性质和应用如表。２.键的尺寸选择

宽度b键槽

平键的主要尺寸为键宽、键高和键长，确定方法如下：键长L高度h根据轴的直径确定，查标准键的长度略小于轮毂的长度（一般比轮毂长度短5～10），并符合标准中规定的长度系列宽：同键深根据轴的直径确定，查标准

3.平键联接的失效形式和强度校核计算

普通平键联接属于静联接，其主要的失效形式是健和轴及轮毂上的键槽三者中最弱者的工作面被压溃。导向平键联接和滑键联接属于动联接，其主要失效形式为工作面过度磨损。（1）静联接（普通平键联接）的挤压强度条件为

（2）动联接（导向平键和滑键联接）的比压强度条件为表

键联接的许用挤压引力[σp]和许用比压[p]

如果校核后键联接的强度不够，在不超过轮毂宽度的条件下，可适当增加键的长度，单键的长度一般不应超过2.25d，否则载荷沿键长方向的分布将很不均匀；或者相隔180°安装2个平键，因考虑制造误差引起的载荷分布不均，只能按1.5个键作强度校核。5.3.2销联接销是标准的联接件，按结构可分为圆柱销和圆锥销等，按用途可分为定位销、联接销和安全销。被联接件上的销孔一般要进行配作，并进行铰削，销与孔多为过渡配合。圆柱销配合精度高，但不宜经常装拆，否则会降低定位精度或紧固性。圆锥销有1:50的锥度，定位精确，装拆方便，具有自锁性，可多次装拆。销的材料常用35钢和45钢，并进行淬火处理。定位销联接销安全销1.销联接简介根据销的结构形式有：圆柱销、圆锥销、槽销、销轴和开口销等。槽销销轴和开口销开尾圆锥销圆柱销圆锥销内螺纹圆锥销销的类型很多，且销均已标准化，销联接的类型取决于销的类型。

定位销一般都不受载荷或只受很小的载荷，定位销的类型和尺寸有联接的结构或根据经验从标准中选取即可，一般也不做强度校核。但要注意，同一接合面上适用的定位销数目不得少于2个，否则不能起定位作用。销埋入一个被联接件的长度应大于（1～2）d；两个小之间的距离应尽可能远些，以提高定位精度。联接销的直径可根据联接结构的特点、工作要求，按照经验或规范选定。联接销要承受载荷，一般先选择其类型和尺寸，必要时按照剪切强度条件和挤压强度条件进行校核计算。设计联接销的链接结构时，应当者注意安装后不易松脱和装拆方便。1.固定零件间的相互位置。2.可传递不大的转矩。3.可作为安全装置中的过载剪断元件。

二、作用

按销的形状不同，可分为圆柱销、圆锥销和异形销三类。２.圆锥销常用的锥度为1:50，装配方便，定位精度高，多次拆卸不会影响定位精度。１.圆柱销利用过盈配合固定，多次拆卸会降低定位精度和可靠性。圆柱销圆锥销三、类型４.开口销一种防松零件，具有工作可靠、拆卸方便等特点。开口销穿过螺杆的小孔和槽形螺母的槽，防止螺母松脱。３.内螺纹圆锥销和螺尾圆锥销

主要用于不能开通孔或拆卸困难的场合。

(a)螺尾圆锥销(b)内螺纹圆锥销端部带螺纹的圆锥销

(a)开口销(b)开口销应用实例开口销及其应用5.3.3成型联接如图所示，成型联接是由非圆剖面的轴与相应的轮毂孔构成的可拆联接。成型联接应力集中小，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）心形

（b）椭圆形

（c）方形

5.3.4过盈配合联接

过盈配合联接是利用轴和轮毂间的过盈配合形成的联接，能同时实现周向和轴向固定，工作时靠配合面间的径向压力所产生的摩擦力来传递载荷。过盈配合具有结构简单，对中性好，对轴强度削弱少，在冲击振动载荷下能可靠工作等优点，缺点是对配合尺寸的精度要求高且拆装困难。按配合面形状不同，过盈配合联接有圆柱面过盈联接和圆锥面过盈联接两种形式，装配时可采用压入法或温差法进行。过盈配合联接在前面几个任务中都有所介绍，其形式可参考前面的图样。

圆柱面过盈

圆锥面过盈

例:试选择某减速器中一钢制齿轮与钢轴的平键联接。已知传递的转矩T=600N·m，载荷有轻微冲击，与齿轮配合处的轴径d=75mm，轮毂长度L1=80mm。解:（1）选择键型：该联接为静联接，为了便于安装固