《机械工程基础》-第5章

第１节键连接键是一种标准零件，在机械中应用极为广泛。轴与轴上的轮毂用键装配起来，称为键连接。键连接通常用来实现轴和轴上零件（如带轮、齿轮、凸轮等）之间的周向固定以传递运动和转矩。有的还可以实现轴上零件的轴向固定或轴向移动。一、键连接的类型及应用键连接按键在连接中的松紧程度可分为松键连接和紧键连接两类。１.松键连接（１）平键连接。平键的两侧面为工作面，上表面与轮毂键槽底面间有间隙。工作时靠键的两侧面与轴及轮毂上键槽侧面的挤压来传递运动和转矩。平键连接结构简单、装拆方便、对中性好，但不能承受轴向力，对轴上的零件不能起到轴向固定的作用。下一页返回第１节键连接

平键连接按用途不同又可分为普通平键、薄平键、导向平键和滑键四种。普通平键如图５－１所示，这种键用于静连接，其端部形状可分为圆头（Ａ型）、平头（Ｂ型）和单圆头（Ｃ型）３种。Ａ型和Ｃ型键的轴上键槽用键槽铣刀铣出，键在键槽中能实现较好的轴向定位，应用最广泛。缺点是键的端部圆头与轮毂键槽不接触，使键的圆头部分不能充分利用，同时轴槽端部的弯曲应力集中较大。Ｂ型键的轴槽用盘铣刀铣出，轴上的应力集中较小，但键在轴上的轴向定位不好，对于尺寸较大的键，需用紧定螺钉把键固定在键槽中，以防松动。Ｃ型键则适用于轴端与轮毂的连接。上一页下一页返回第１节键连接

薄型平键与普通平键结构相似，也有圆头、平头和单圆头３种。但其厚度只有普通平键的６０％～７０％，因而传递转矩的能力较低，常用于薄壁轮毂、空心轴及一些径向尺寸受限制的场合，或只传递运动的轴与轮毂连接。导向平键和滑键都用于动连接。当被连接的轮毂类零件在工作中必须在轴上作轴向移动时则应采用导向平键连接或滑键连接。当相对移动距离较小时可采用导向平键连接，如图５－２（ａ）所示。导向平键是一种较长的平键，用螺钉固定在轴上的键槽中，为了方便拆卸，常在键中间留有起键螺钉孔。导向键和轮毂键槽采用间隙配合，轮毂可沿导向键轴向移动。上一页下一页返回第１节键连接

当移动距离较大时应采用滑键连。滑键固定在轮毂上，轮毂带动滑键在轴上的键槽中作轴向移动。（２）半圆键连接。半圆键连接如图５－３所示。半圆键的两侧面为半圆形，能在键槽内摆动以适应键槽的斜度。键的上表面与轮毂键槽底面间有间隙，工作时靠键的侧面受挤压来传递运动和转矩。这种连接的优点是工艺性较好，装配方便；缺点是轴上的键槽窄而深，对轴的强度削弱较大，主要用于传递转矩不大的连接，尤其适用于锥形轴端与轮毂的连接。上一页下一页返回第１节键连接

２.紧键连接（１）楔键连接。楔键连接用于静连接，如图５－４所示。楔键的上表面与轮毂键槽底面都有１∶１００的斜度。键的上下表面是工作面，装配后，上下表面楔入轮毂和轴上的键槽之间，产生很大的压紧力。工作时，靠工作表面之间的摩擦力来传递运动和转矩，并可承受单方向的轴向载荷，起单向的轴向固定作用。这类键的缺点是装配楔紧时使轴与轮毂的配合产生偏心和偏斜，定心精度不高。因此主要用于定心精度要求不高、载荷平稳、速度较低的场合。楔键按形状分普通楔键和钩头楔键两种，普通楔键按其端部形状又分圆头楔键和方头楔键两类，钩头楔键的钩头是为了便于装拆用的。上一页下一页返回第１节键连接

（２）切向键连接。切向键由一对普通的楔键组成，如图５－５所示。上下两个平行的窄面为工作面，工作时依靠工作面间的挤压来传递运动和转矩。装配时两键分别从轮毂两端打入，拼合后沿轴的切线方向楔紧。一个切向键只能传递单向转矩；若需要传递双向转矩，必须两个切向键组合使用，并互成１２０°～１３５°布置。切向键的键槽对轴的强度削弱较大，定心精度低，常用于重型机械。二、花键连接花键连接是由具有多个沿周向均布的键齿的外花键和有对应齿槽的轮毂构成的连接，如图５－６所示。工作时靠键齿侧面与键槽侧面的挤压传递转矩。上一页下一页返回第１节键连接

从结构上看，花键连接是平键连接在数目上的发展。花键与平键连接相比，其齿数较多而且均匀分布，故受力均匀，承载能力高；齿槽较浅，应力集中较小，对轴和轮毂的强度削弱较少；轴上零件与轴的对中性、导向性好。缺点是齿根仍有应力集中，加工精度要求高，需要有专门的加工设备，制造成本高。因此花键连接适用于载荷较大和对定心精度要求高的静连接和动连接中，如汽车、飞机、工装设备和农业机械中应用较为广泛。花键按剖面齿形分为矩形花键和渐开线花键两种，均已标准化。上一页返回第２节键的选择和平键强度校核一、键的选择键的选择包括类型选择和尺寸选择两个方面。键的类型应根据键连接的结构特点、使用要求和工作条件来选择。需要综合考虑定心精度、传递转矩、是否轴向固定或轴向移动距离和键在轴上位置等因素。键的主要尺寸为其剖面尺寸，包括宽度ｂ，高度ｈ和长度Ｌ。键尺寸ｂ×ｈ可根据轴的公称直径从标准中选取。键的长度Ｌ则需根据齿轮轮毂的宽度确定，一般要略小于轮毂宽度５～１０ｍｍ，并符合键的标准长度系列值；对于导向键和滑键，其键长Ｌ则按轮毂宽度和移动距离而定。下一页返回第２节键的选择和平键强度校核二、平键的强度校核１.剪切的概念和剪切强度平键在工作时，键的左右两个侧面受到力的作用［见图５－９（ａ）、（ｂ）］，将使键的上下两部分沿截面发生相对错动，这种现象叫做剪切，发生相对错动的截面ｍ－ｍ称为剪切面。机器中许多连接件，如键、螺栓、销和铆钉等工作时主要发生的都是剪切变形。剪切变形的外力特点是：构件受到与其轴线相垂直的、大小相等、方向相反且作用线相距很近的两个力作用；变形特征是：横截面将产生相对错动的变形。上一页下一页返回第２节键的选择和平键强度校核应用截面法假想将平键沿剪切面ｍ－ｍ截为两段，任取一段作为研究对象。由平衡条件可知，剪切面上必有一个与外力Ｆ大小相等、方向相反的内力，这个与截面相切的内力称为剪力，用ＦＱ表示。剪切面上单位截面积的剪力称为剪应力，方向和截面相切，用符号τ表示。剪应力在剪切面上的分布规律比较复杂，工程上通常采用实用计算法，即假设剪力在剪切面上是均匀分布的。于是，剪应力可按下式计算上一页下一页返回第２节键的选择和平键强度校核式中，τ———剪应力，单位ＭＰａ；ＦＱ———剪力，单位Ｎ；Ａ———剪切面面积，单位ｍｍ２。为了保证构件在工作时不发生剪切破坏，必须使构件剪切面上的工作剪应力不超过材料的许用剪应力，即剪切适用的强度条件为式中，［τ］———材料的许用剪应力，单位ＭＰａ。上一页下一页返回第２节键的选择和平键强度校核工程上常用材料的许用剪应力，可从相关设计手册中查得。２.挤压的概念和挤压强度螺纹、键、销等连接件在工作中受到剪切变形的同时必然伴随有挤压变形。在连接件和被连接件的接触面上互相压紧，产生局部塑性变形，这种现象称为挤压，接触面上的作用力称为挤压力。如图５－１０所示为螺纹连接时的挤压变形情况。接触面上单位面积的挤压力称为挤压应力，方向和接触面垂直，用σＰ表示。挤压应力在接触面上的分布很不均匀，但工程上仍使用实用计算法。挤压的强度条件是上一页下一页返回第２节键的选择和平键强度校核式中，σＰ———挤压应力，单位ＭＰａ；Ｆ———挤压力，单位Ｎ；ＡＦ———挤压面积，单位ｍｍ２；［σＰ］———材料的许用挤压应力，单位ＭＰａ３.平键的强度校核对于采用常用材料和按标准选择尺寸的普通平键连接，其主要失效形式是键、轴槽和轮毂槽三者中强度最弱的工作面被压溃。除非严重过载，一般情况下其剪切强度足够，不会发生剪切破坏。因此，平键连接通常只按工作面的最大挤压应力σｐ进行强度计算。上一页下一页返回第２节键的选择和平键强度校核设键上载荷均匀分布，由图５－１１可得平键连接的挤压强度条件对于导向键连接和滑键连接等动连接，其主要失效形式是工作面的磨损。应按工作面上的最大压强ｐ进行强度计算，即上一页下一页返回第２节键的选择和平键强度校核式中，Ｔ———转矩，Ｎ·ｍｍ；ｄ———轴径，ｍｍ；ｈ———键的高度，ｍｍ；ｌ———键的工作长度，ｍｍ；［σｐ］———许用挤压应力，ＭＰａ；［ｐ］———许用压强，ＭＰａ，见表５－２。计算后如强度不足，在结构允许时可适当增加轮毂宽度和键的长度。如强度仍不足，可采用相隔１８０°的双键连接，如图５－１２所示。考虑到制造误差和键上载荷分布的不均匀，强度计算时，双键按1.5个计算。上一页返回第３节销连接销连接是一种常见的可拆连接，主要用于轴和轮毂类零件的连接，也可用于其他零件间的连接。装配时，先在两被连接件上配制销孔，然后将销置于销孔中形成连接，如图５－１４所示。销在连接中的作用有三个：主要用于固定零件之间的相对位置（定位作用），称为定位销；也可用于轴和轮毂的连接，以传递不大的转矩（连接作用），称为连接销；还可以防止剪切力过大，起过载保护作用，称为安全销。销也是一种标准零件，按其外形可以分为圆柱销、圆锥销和异形销等。圆柱销和销孔之间采用过盈配合，经多次拆装会降低其定位精度和连接的可靠性，常用于传递转矩不大、不经常拆装的场合。下一页返回第３节销连接圆锥销及其销孔制成１∶５０的锥度，其小端直径为公称直径。圆锥销装拆较圆柱销方便，定位精度高，在受横向力时可以自锁，主要用于定位，也可作为连接销使用，适用于需要经常拆装的场合。大端带有外螺纹的圆锥销，便于拆装，可用于盲孔或拆卸困难的场合；上一页返回第４节螺纹连接螺纹连接是用带有螺纹的零件将需要相对固定的零（部）件连接在一起的一种可拆连接。由于其具有结构简单、装拆方便、工作可靠、成本低廉和互换性强等特点，广泛应用于各种机械设备中。一、螺纹的类型及其主要参数１.螺纹的类型将一倾斜角为Ψ的直线绕在圆柱体上使其形成一条螺旋线（见图５－１５）。在圆柱或圆锥表面上，沿螺旋线用刀具切制出特定形状的沟槽称为螺纹（见图５－１６）。根据螺纹的形状、结构要素和用途可以分为以下几种类型：下一页返回第４节螺纹连接

（１）根据螺旋线绕行的方向螺纹可分为左旋螺纹和右旋螺纹，如图５－１７所示。在机械中，常用右旋螺纹，在有特殊需要时才用左旋螺纹，如煤气管道阀门。（２）按螺旋线的数目（又称线数或头数），可分为单线（头）螺纹、双线（头）螺纹和多线（头）螺纹。由于制造原因，螺纹线数一般不超过４。单线螺纹主要用于连接，也可用于传动；双线、三线螺纹等主要用于传动。上一页下一页返回第４节螺纹连接

（３）按母体形状可分为圆柱螺纹和圆锥螺纹，前者在圆柱体表面切出，后者在圆锥体表面切出。螺纹又有内外之分：在圆柱（或圆锥）外表面切出的螺纹称为外螺纹，如螺栓的螺纹；在圆柱（或圆锥）内表面切出的螺纹称内螺纹，如螺母的螺纹。常用的是圆柱的螺纹，圆锥螺纹多在管件连接中使用。（４）根据牙型，螺纹可分为三角形螺纹、矩形螺纹、梯形螺纹和锯齿形螺纹等，如图５－１８所示。同一直径下的普通三角形螺纹，按螺距不同又可分为粗牙螺纹和细牙螺纹。不同的牙型有不同的用途，三角形螺纹主要用于连接，矩形、梯形螺纹主要用于传动。目前，大部分螺纹已标准化，应根据国家标准选用。上一页下一页返回第４节螺纹连接

（５）按用途不同可分为连接螺纹、传动螺纹和专用螺纹（如灯头、灯座的圆螺纹）。（６）根据使用的单位不同可分为米制螺纹和英制螺纹。我国采用的是米制，国际标准也采用米制。２.螺纹的主要参数螺纹的主要参数如图５－１９所示。３.螺纹标记及公差一般完整的螺纹标记由螺纹代号、螺纹公差代号和螺纹旋合长度代号３部分组成，中间用“—”隔开。具体如图５－２０所示。上一页下一页返回第４节螺纹连接

二、普通螺纹连接１.螺纹连接的基本类型螺纹连接有四种基本类型。（１）螺栓连接。常见的螺栓连接如图５－２１（ａ）所示。结构特点是用螺栓穿过被连接件的光孔后，拧紧螺母固定在一起，用于连接两连接件较薄，并能从连接件两边进行装配的场合。根据连接要求的不同，螺栓连接可分为普通螺栓连接和铰制孔螺栓连接两种。普通螺栓连接的特点是被连接件上的通孔和螺纹杆之间留有间隙，通孔的加工精度要求低，结构简单，装拆方便，使用时不受被连接件材料的限制，因此应用最为广泛。上一页下一页返回第４节螺纹连接

图５－２１（ｂ）是铰制孔螺栓连接，孔与螺纹杆间多采用基孔制过渡配合（Ｈ７／ｍ６、Ｈ７／ｎ６），杆与孔的精度要求高（孔要铰孔）。这种连接能精确固定被连接件的相对位置，并能承受与螺栓轴线垂直方向的横向载荷。（２）双头螺柱连接。双头螺柱两端都有螺纹，连接时将螺纹较短的一端旋入并紧定在较厚被连接件的螺纹孔中，另一端穿过其余被连接件的通孔，然后再拧紧螺母；拆卸时只需拧下螺母而不拧下螺柱，如图５－２２所示。这种连接适用于结构上不能采用螺栓连接，被连接件之一太厚而不宜制成通孔，且需要经常拆装，或结构受限制不能用螺栓连接的场合。上一页下一页返回第４节螺纹连接

（３）螺钉连接。如图５－２３所示，螺钉穿过较薄被连接件的通孔，直接旋入较厚被连接件的螺纹孔中，不用螺母。这种连接结构简单、紧凑，能有光整的外露表面。其用途和双头螺柱连接相似，但如经常拆装，易使螺纹孔磨损，严重时可导致被连接件报废，故多用于被连接件较厚、受力不大且不需要经常拆装的场合。（４）紧定螺钉连接。紧定螺钉旋入被连接件之一的螺纹孔中，其末端顶住另一被连接件的表面［见图５－２４（ａ）］或顶入相应的坑槽中［见图５－２４（ｂ）］。这种连接通常用来固定两个零件的相对位置，并可传递不大的力或力矩。上一页下一页返回第４节螺纹连接

除上述４种基本连接形式外，还有一些特殊结构的连接。如专门用于将机座或机架固定在地基上的地脚螺栓连接，装在机器或大型零、部件的顶盖或外壳上便于起吊用的吊环螺栓连接，用于工装设备中的Ｔ形槽螺栓连接等。２.螺纹连接件螺纹连接件的类型很多，常用的螺纹连接件有螺栓、双头螺柱、螺钉、螺母、垫圈等，其结构形式和尺寸都已标准化，使用时可按标准选择。螺纹连接件的制造精度分为Ａ、Ｂ、Ｃ三级，Ａ级精度最高，用于要求装配精度高及受振动、变载荷等重要连接，Ｂ级多用于受载较大且经常拆卸、调整或承受变载的连接。Ｃ级用于一般的螺纹连接（如常用螺栓、螺钉等连接件）。上一页返回第５节螺纹连接的预紧和防松一、螺纹连接的预紧在生产实践中，大多数螺纹连接在装配时都必须拧紧，使其在承受工作载荷前，预先受到力的作用，这一过程称为预紧，预加的作用力称为预紧力，用Ｆ０表示。预紧的目的在于增强连接的可靠性和密封性，防止受载后被连接件间出现缝隙或发生相对滑移。对于重要的螺纹连接，如果预紧力不足，将导致被连接件在工作时产生松动；若预紧力过大，则会使连接件损坏。所以，为了保证螺纹连接的可靠性、强度和密封性，在装配时应控制其预紧力。下一页返回第５节螺纹连接的预紧和防松

根据螺纹连接件的材料强度要求，对于一般连接用的钢制螺栓连接的预紧力，推荐按下列关系确定：式中，σＳ———螺栓材料的屈服极限；Ａ１———螺栓危险截面的面积，单位ｍｍ２。控制预紧力的方法很多，通常是借助测力矩扳手或定力矩扳手，利用控制拧紧力矩的方法来控制预紧力的大小。对于Ｍ１０～Ｍ６４粗牙钢制普通螺纹，预紧力矩可按以下经验公式计算：上一页下一页返回第５节螺纹连接的预紧和防松

Ｔ≈０.２Ｆ０ｄ