《机械设计》-第四章 轴毂连接

第一节键连接一、键连接的类型、特点和应用键是标准零件，分为两大类:①平键和半圆键，构成松连接;②楔键和切向键，构成紧连接。1.平键连接平键的横截面是矩形或正方形，键的两个侧面是工作面，键的顶面与轮毅上键槽的底面则留有间隙，工作时靠键与键槽侧面的相互挤压传递转矩(图4一1(a))。平键连接具有结构简单、装拆方便、轴与轴上零件对中较好等优点，应用十分广泛，但不能承受轴向力。平键连接按用途分为普通平键、薄型平键、导向平键和滑键。下一页返回第一节键连接(1)普通平键。普通平键用于轴毅间无轴向相对滑动的静连接。按其端部形状分为圆头(A型)、平头(B型)和单圆头(C型)三种(图4一1(h)、O),W))。采用圆头或单圆头平键时，轴上的键槽用端铣刀铣出(图4一2(a))，轴上键槽端部的应力集中较大，但键的安装比较牢固。采用平头平键时，轴上的键槽用盘铣刀铣出(图4一2(b)),轴的应力集中较小，但键的安装不牢固，需用螺钉紧固。单圆头平键用于轴伸处，应用较少。轮毅上的键槽一般用插刀或拉刀加工而成。(2)薄型平键。薄型平键也有圆头、平头和单圆头三种。标准薄型平键的高度约为普通平键的60%一70%，因而传递转矩的能力较小，适用于空心轴、薄壁轮毅或只传递运动的轴毅连接。(3)导向平键和滑键。导向平键和滑键都用于轮毅需做轴向移动的动连接。按端部形状，导向平键分为圆头(A型)和平头(B型)两种。导向平键一般用螺钉固定在轴槽中，与轮毅的键槽采用间隙配合，轮毅可沿导向平键做轴向移动。上一页下一页返回第一节键连接导向平键适用于轮毅移动距离不大的场合(图4-3)。当轮毅轴向移动距离较大时，宜采用滑键，因为如用导向平键，键将很长，增加制造的困难。而滑键固定在轮毅上，随轮毅一起沿轴上的键槽移动，故只需在轴上铣出较长的键槽即可(图4-4)。滑键在轮毅上固定可采用不同的方式，图4-4所示是两种典型的结构。2.半圆键连接半圆键连接的工作原理与平键的相同，也是以两个侧面为工作面，即工作时靠键与键槽侧面的挤压传递转矩。轴上键槽用半径与键相同的盘状铣刀铣出，因而键在槽中能绕其几何中心摆动，可以自动适应轮毅上键槽的斜度。半圆键连接也有制造简单、装拆方便的优点，缺点是轴上键槽较深，对轴削弱较大。适用于载荷较小的连接或锥形轴端与轮毅的连接(图4一5)。上一页下一页返回第一节键连接3.楔键连接楔键连接用于静连接。楔键的上表面与轮毅键槽的底面各有1:100的斜度，装配时将键打入槽中，键楔紧在轴与轮毅之间，因此键的上下两面是工作面并受挤压，工作时主要靠键和键槽之间及轴与轮毅之间的摩擦力来传递转矩。而键与键槽两侧面并不接触，如图4-6所示。楔键还能轴向固定零件和承受单方向的轴向力。当键需从毅的一端打入时，轴上键槽要长一些，如图4-6(o)所示。由于楔键连接在装配后会使轴上零件对轴偏心(图4-7)，在冲击振动或变载荷下容易松动，因此仅用于对中精度要求不高、不受冲击振动或变载荷的较低速度场合的轴毅连接中。楔键分为普通楔键和钩头楔键。普通楔键有圆头(A型)、平头(B型)和单圆头(C型)三种。钩头楔键如图4一6(d)所示，用于不能从轮毅的另一端将键打出的场合，拆卸时可将楔形工具送入钩头与轮毅之间的空隙处，将键挤出。上一页下一页返回第一节键连接4.切向键连接切向键连接用于静连接。切向键连接是由两个具有单面1:100斜度的楔键组成(图4一8)。装配后，两楔键以其斜面相互贴合，共同楔紧在轴毅之间。切向键的上下两面是工作面，其中一个面在通过轴心线的平面内。工作面上的压力沿轴的切向方向作用，能传递很大的转矩。采用一组切向键只能传递单方向的转矩，传递双方向转矩时，须用两组切向键，为了不至于严重地削弱轴与轮毅的强度，两键应相隔1200~1350。切向键也能承受单向的轴向力。切向键连接适用于载荷很大，对中性要求不严的场合。上一页下一页返回第一节键连接二、键的选择和键连接的强度计算1.键的选择(1)类型选择。设计键连接时，通常被连接件的材料、构造和尺寸已初步确定，所传递的转矩也已求得。因此，可根据连接的结构特点、使用要求和工作条件来选择键的类型。例如，键连接的对中性要求;键是否需要具有轴向固定的作用;键在轴上的位置(在轴的中部还是端部);连接于轴上的零件是否需要沿轴滑动与滑动距离的长短等。(2)尺寸选择。键是标准件。键的剖面尺寸bxh按轴的直径d由标准选定(b为键宽，h为键高)。键的长度L值一般可按轮毅的长度而定，普通平键和薄型平键的长度一般略短于轮毅的长度，而导向平键则按其滑动距离而定。所选长度L应符合键的标准长度系列值。上一页下一页返回第一节键连接2.平键连接的强度计算键的类型和尺寸选定以后，还要根据键连接的失效形式用适当的校核计算公式进行强度验算。对于普通平键和薄型平键连接(静连接)，键与键槽的两个侧面受挤压应力，同时键也受切应力(图4-9)。但主要失效形式是较弱零件的工作面被压溃，键被剪断的情况很少见。因此，通常只按工作面上的挤压应力进行强度校核计算(注意，键、轴、轮毅三者的材料往往不同，强度计算时要按三者中最弱材料的强度进行校核)。对于导向平键和滑键连接(动连接)，主要失效形式是工作面的过度磨损，因此通常只作耐磨性的条件性计算。假定载荷在键的工作面上均匀分布，则根据挤压强度计算，普通平键连接的挤压强度条件为上一页下一页返回第一节键连接导向平键和滑键连接的耐磨性条件为式中，T为键传递的转矩(N·m);h为键的高度(mm);L为键的工作长度(mm),L值的计算见图4一9;d为轴的直径(mm);[σp]为许用挤压应力(MPa)，查表4一1;[p]为许用压强(MPa)，查表4一1。3.半圆键连接的强度计算半圆键的宽度b较小，而挤压面积较大(图4一10)，故这种连接的失效形式是被剪断。键的剪切强度条件为上一页返回第二节花键连接一、花键连接的类型、特点和应用花键连接是由外花键(图4一11(a)和内花键(图4一11(b))构成。齿的侧面是工作面。可用于静连接或动连接。与平键连接比较，花键连接的优点是:键齿数较多且受载均匀，故可承受很大的载荷;因键槽较浅，对轴、毅的强度削弱较轻;轴上零件与轴的对中性好、导向性好。缺点是:需用专门的设备加工，成本较高。花键连接常用于汽车、拖拉和机床中需换挡的轴毅连接。1.矩形花键在矩形花键连接中，按齿数和齿高的不同，标准中规定了两个系列:轻系列和中系列。轻系列承载能力较小，多用于静连接和轻载连接。中系列用于中等载荷的连接。下一页返回第二节花键连接矩形花键连接的定心方式有三种，即大径定心、小径定心和齿宽定心。小径定心(图4一12),即外花键和内花键的小径是配合面，内、外花键经热处理后，均可用磨削方法提高定心面的精度，故定心精度高、定心稳定性好、承载能力较大，是口前国际、国内标准中采用的定心方式。矩形花键连接应用广泛。2.渐开线花键渐开线花键的齿廓为渐开线，渐开线的制造工艺与齿轮制造相同，但压力角有300和450两种。与矩形花键相比，齿根较厚，应力集中较小，连接强度较高，寿命长。渐开线花键连接的定心方式为渐开线齿形定心(图4-13)。齿形定心具有自动定心的特点，受载时因齿上有径向分力使其自动定心，能获得多数齿同时接触，有利于各齿均匀承载。常用于载荷较大、定心精度要求较高及尺寸较大的连接。上一页下一页返回第二节花键连接二、花键连接的强度计算花键连接的设计与键连接相似，首先根据使用条件、工作要求等选定花键的类型，查出标准尺寸，然后进行必要的强度验算。花键的侧面是工作面，主要失效形式是齿面的压溃(静连接)或磨损(动连接)，故通常进行挤压强度或耐磨性计算。计算时，假设载荷沿齿侧接触面上均匀分布，各齿所受压力的合力作用在平均直径dm处，并引入各齿间载荷分布不均匀系数ψ来估计实际压力分布不均匀对计算值的影响，因此，连接的强度条件为上一页下一页返回第二节花键连接[σp]为花键连接的许用挤压应力(MPa)，查表4一2;[p]为花键连接的许用压强(MPa)，查表4一2。花键连接的零件多用抗拉强度不低于600MPa的钢材制造，多数要经过热处理(特别是在载荷作用下频繁移动的花键齿)以便获得足够的表面硬度。上一页返回第三节销连接销主要用来固定零件之间的相对位置，称为定位销(图4一14)，它是组合加工和装配时的重要辅助零件。销也可用于连接，称为连接销(图4一15)，但只可传递不大的载荷。销还可作为安全装置中的过载剪断元件，称为安全销(图4一16)。销有多种类型，如圆柱销、圆锥销、槽销等(图4一17)，这些销均已标准化。圆柱销(图4一17(a))利用微量过盈配合固定在铰制孔中，多次装拆将会降低连接的牢固性和定位的精确性。圆锥销具有1:50的锥度，在受横向力时可以自锁。销孔需铰制，安装比圆柱销方便，多次装拆对定位精度的影响也较小，所以应用比较广泛。普通圆锥销用于通孔定位时(图4一14(b))，拆卸时可打击小头。对于销孔不能开通(盲孔)或装拆困难的场合，可采用螺尾圆锥销(图4一18(a))或内螺纹圆锥销(图4一18(b)。下一页返回第三节销连接开尾圆锥销装配后可将尾口分开(图4一18(c))，可保证在冲击、振动或变载下不致松脱。小端螺尾销装配后拧紧螺母(图4一18(d))，可防止销松脱。槽销(图4-17(c),(d))用弹簧钢滚压或模锻而成，有纵向凹槽。由于材料的弹性，销挤紧在销孔中，销孔无须铰光。槽销制造比较简单，可多次装拆，多用于传递载荷。弹性圆柱销(图4一17(e))用弹簧钢带卷制而成，具有很好的弹性，可以均匀地挤紧在孔中，即使在有冲击和振动的条件下，也能保持连接的紧固可靠。销孔无需铰光，可多次装拆。但其刚性较差，不适用于高精度定位。开口销(图4一17(f))具有结构简单、工作可靠、装拆方便的特点，主要用于螺纹连接的防松，不能用于定位。上一页下一页返回第三节销连接销的常用材料为35,45钢。定位销通常不受载荷，故不作强度校核计算，其直径可按结构确定，同一面上的定位销数口一般不少于两个。连接销在工作时通常受到挤压和剪切，设计时，可先根据连接的结构特点和工作要求选择销的类型、材料和尺寸，必要时再按剪切和挤压强度条件进行验算。安全销在机器过载时应被剪断，因此，销的直径应按过载时被剪断的条件确定。上一页返回第四节过盈连接过盈连接是利用零件间的过盈配合形成的连接。图4一19(a)是蜗轮的轮芯与齿圈的过盈连接，图4一19(b)是滚动轴承内孔与轴的过盈连接，图4一19(c)是圆锥面过盈连接，这种连接多用于轴端连接。过盈连接使配合面产生一定的压力，工作时靠此压力产生的摩擦力传递转矩或轴向力。过盈连接的特点是结构简单，定心性好，轴上不开槽，对轴削弱小，承载能力高，承受变载荷的性能好。但这种连接对配合表面加工精度要求较高，装配不便。过盈连接装配时可采用压入法或温差法。压入法是将轴强行压入毅孔中，这难免要损伤配合表面，降低连接的紧固性。因此，压入法通常应用在轴径尺寸不是很大和过盈量较小的连接中。温差法是将毅孔加热使其胀大，或将轴低温冷缩，以实现顺利装配且不损伤配合表面，装配后的紧固性比压入法的好，所以承载能力高。通常轴径尺寸较大和过盈量较大的过盈连接采用温差法装配。返回第五节型面连接型面连接是利用非圆截面的轴与相应轮廓的毅孔相配合而构成的连接(图4一20)。因这种连接不用键或花键，故又称为无键连接。型面连接的横截面轮廓有:用圆弧过渡的三角形、方形、六边形以及两面铣平的圆柱形等。轴的毅孔可以是柱形的(图4-20(a))，也可以是锥形的(图4-20(b))。前者只能传递转矩，后者除可传递转矩外，还能传递轴向力，但制造较为复杂。型面连接对中性好，又没有键槽及尖角引起的应力集中，故可传递较大的转矩，装拆也方便，但加工比较复杂，应用不普遍。返回第六节胀套连接胀套连接的结构如图4-21所示。胀套连接是在毅孔与轴之间装入胀紧连接套(简称胀套)的连接方法，可装一个或多个。当拧紧螺母(或螺钉)时，在轴向力的作用下，内、外环相互压紧，受内、外环的锥面作用，内环缩小而箍紧轴，外环胀大而撑紧毅，使接触面间产生压紧力。工作时，利用此压紧力产生的摩擦力来传递转矩和(或)轴向力。胀套连接的定心性好，装拆方便，没有