机械设计 课件 第六章 轴毂连接

第六章 轴毂连接
轴毂连接的功能，主要是实现轴与轴上零件（如齿轮、带轮等）的轴向固定并传递转矩，有些还能实现轴上零件的轴向固定或轴向移动。

轴毂连接形式很多，如键连接、花键连接、过盈连接、销钉连接等。

本章主要讨论键连结和花键连接的类型，选择和计算，对其他形式的轴毂连接只作简单介绍。

§6-1 键连接
一、 类型及特点： 1、 键的作用
键是种标准零件，通常用来实现轴与轴毂之间的轴向固定以传递转矩，有时也作导向零件用。

2、 分类及结构、特征：
键连接的主要类型有：⎪⎪⎩
⎪⎪
⎨⎧切向键联结。

楔键联结；半圆键联结；
平键联结；
（1）、平键连接：
平键是应用最广的键。

其横截面是正方形或矩形，键的两侧面是工作面，其顶面与轮毂上键槽的底面留有间隙。

工作时，靠键与键槽侧面的挤压来传递转矩。

见P100图6-1 a)所示。

按用途。

平键分为：⎪⎪⎩
⎪⎪
⎨⎧滑键。

薄型平键；导向平键；
普通平键；
①、普通平键：
用于静连接，特点是：对中性好，安装方便。

按端部形状，普通平键有三种。

型）单圆头（型）平头（型）圆头（⎪⎩
⎪
⎨⎧C B A 见图6-1 b) ,c) ,d) 所示。

采用圆头或单圆头平键，轴上的键槽用端铣刀铣出，轴上键槽端部的应立集中较大；圆头平键在键槽中轴向固定良好，但键的头部侧面与轮毂上的键槽不接触，故键的圆头部分不能充分利用。

采用平头键时，轴上键槽用盘铣刀铣出，轴的应力集中较小。

对于尺寸大的键，用紧钉螺钉把键固定在轴上键槽中。

轮毂上的键槽一般用插刀或拉刀加工。

单圆头平键常用于轴端与轮毂的连接。

②、薄型平键
薄型平键也有圆头、平头和半圆头之分。

标准薄型平键的高度约为普通平键的60%～70%，所以传递转矩能力较低，适用空心轴、薄壁轮毂或只传递运动的轴毂连接。

③、导向平键（简称导键）
导键是一种较长的平键，一般用螺钉固定在轴上，导键与轮毂的键槽采用间隙配合，轮毂可沿导键轴向移动，用于轮毂移动距离不大的场合，为便于拆卸，键上制有起键螺孔，以便使入螺钉使键退出键槽。

④、滑键
当轮毂轴向移动距离较大时，用滑键固定在轮毂上，随轮毂一道可沿轴上的键槽移动，所以轴上应铣出较长的键槽。

（2）、半圆键连接
其结构见P10图6-3所示。

轴上键槽用盘铣刀铣出，键在槽中能绕键的几何中心摆动，以适应轮毂键槽底面的斜度。

半圆键的两侧面为工作面，工作时，靠键与键槽侧面的挤压传递转矩。

半圆键制造简单，拆装方便，但轴上键槽较深，对轴削弱较大。

它适用于轻载连接或锥形轴端与轮毂的连接。

（3）、楔键连接
楔键分为：⎩⎨⎧勾头楔键。

普通楔键；。

而普通楔键有：三种型式。

型）方头（型）
圆头（⎪⎪
⎨⎧B A
楔键连接如P102图6-4100在轴与轮毂之间；
两侧面并不接触；
作用；
⑤、楔键最好用于轴端，⑦、当键需从轮毂的一段打入时，轴上键槽要长一些。

如普通楔键中的平头、单圆头及勾头
③、因键槽对轴的削弱较大，所以切向键常用于直径mm 100>的重型能够机械
传动的轴上；
④、用一个切向键时，只传递单向转矩；当要传递双向转矩时，必须用两个切向
键，两个切向键的夹角为120°～130°。

二、 键的选择及强度计算 1、键的选择 （1）、类型选择：根据键连接的结构特点，使用要求和工作条件来选择。

①、按传递载荷的大小：如承重载，采用切向键；承轻载或锥形轴端与轮毂的连接，则采用半圆键。

②、按轴上零件是否沿轴向移动和滑动距离长短：若轮毂可沿轴向移动，但移动距离不大，可采用平键中的导向平键；但轴向移动距离较大时，采用滑键。

③、若对中性要求好，则采用平键连接。

④、按键是否具有轴向固定作用：有，则选楔键或切向键。

⑤、按键装在轴上的位置，是中部还是端部。

若是锥形轴端，则采用半圆键连接；在轴端，还可采用勾头楔键连接。

（2）、尺寸选择：
键的主要尺寸为键的截面尺寸与长度。

截面尺寸一般以键宽⨯b 键高h 表示。

选取时，按轴的直径d 由标准选定。

键长L 一般按轮毂长度来选：键长略短语或等于轮毂长度。

而导向平键的长则轮箍长及滑动距离而定。

一般轮毂的长度(5.1'≈L ～)d 2，应符合标准规定的长度系列。

选出键的类型及尺寸后，还应进行强度校核计算。

2、键连接强度计算：
（1）、平键连接的强度计算
①、见P103图6-6所示，由平键组成的静连接受转矩作用。

此时，键的侧面及工作面受挤压，截面a-a 受剪接，设作用力为,作用在a-a 面的两工作面的上、下部分。

②、失效形式：
对静连接，可能的失效形式是工作面被压溃或键被剪断。

对常见的材料组合和按标准选取尺寸的普通平键连接来说，主要失效形式是工作面被压溃；对导向平键、滑键组成的动连接，主要失效形式工作面的磨损。

③、材质：
键是标准件，一般采用抗压强度a B MP 600≥σ的碳钢制造，常用材料为键用精拔中的碳钢，如#
45钢。

当轮毂用非铁金属或非金属时，如铝合金等，键的材料经常采用3A 或20号钢。

④、强度计算：
因压溃是键的主要是失效形式，所以通常按工作面上的挤压力进行计算。

在作用力作用下，键的两侧面受力沿高度受力不均，并且由于轴扭转变形，也会引起键上载荷向两头集中，使载荷沿轴向分布不均。

由于许多不定因素，很难准确计算实际的最大应力。

计算时，假定挤压应力在键长上和高度上均匀分布，这是普通平建连接的强度条件为：[]P P A
F
σσ≤=
导向平建连接和滑键连接的强度条件为：[]p A
F
p ≤= 式中：A ——受力面积，l h
l k A 2
=
⋅=,h 为键的高度，mm ； l ——键的工作长度，mm ；对圆头平键，b L l -=；对平头平键，L l =； L 为键的公称长度，mm ；b 为键宽，mm 。

而T ——传递的转矩，mm N d
F y F T ⋅⋅≈⋅=,2
；d ——轴的直径，mm ；
[]P σ——键、轴、轮毂三者中最弱材料的许用挤压应力，a MP ；
[]p ——键、轴、轮毂三者中最弱材料的许用应力，a MP 。

值看P102表6-2。

则：[]P P hdl T l h d T
A F σσ≤⨯=⋅⨯==33
1042
102
则平键连接所能传递的转矩为：[][]m N kld hdl
T P P ⋅==
,40004000σσ k ——键与轮毂的接触高度，mm h
k ,2
≈。

若一个平键不能满足轴所传递转矩的要求时，可在轴与轮毂连接处的
180方向上，再布置一个平键，即两个平键对称分布。

考虑到在和分布的不均匀性，进行强度计算时，紧按1.5个键计算。

（2）、半圆键的强度计算
半圆键连接的受力情况与平键连接相似，键P104图6-7所示，但半圆键的宽度b 较小，故其主要失效形式是键被剪断或工作面被压溃。

①、键的剪切强度条件为：[]ττ≤⨯=
dbl
T 3
102 式中：l ——键的工作长度，mm 。

计算时，取L l ≈，L 为键的公称长度；
[]τ——键的许用剪切应力，a NP ，其值的选取，可按表6-2中静连接，键材料
为钢来选，一般取小值。

则，半圆键连接所传递的转矩为：[]τ3
10
2⨯=
bld
T ②、若按工作面的挤压应力进行强度校核计算。

强度条件仍沿用平键连接公式：[]P P kld
T σσ≤⨯=
3
102 所传递的转矩公式为：[]m m N kld T P ⋅⨯=
,1023
σ
（3）、楔键的强度计算
其受力情况见P104图6-8所示。

其主要失效形式是：相互楔紧的工作面积上、下两面被压溃。

当传递转矩时，把键与轴看成一体，并将下方分布在半个圆柱面上的径向压力用集中力F 代替。

这时因轴与轮毂有相对转动的趋势，所以轴与轮毂也产生了微小的扭转变形，沿键的工作长度l 及沿宽度b 上的压力分布情况均较以前发生了变化，压力的合力F 不在通过轴心。

设压力沿键长均匀分布，沿键宽三角形分布，取2/,6/d y b x ≈≈，由键与轴对轴心的受力平衡条件：d
f b T
d f y f x T F ⋅+≈
⋅
+⋅+=
62
则楔键连接的挤压强度条件，为：()
[]P P fd b bl T bl F σσ≤+⨯==6101223
因此，我们可得到允许传递转矩的近似计算公式为：
()[]m N bl b bl T P ⋅⋅+⨯=
,610
121
3
σ 式中:T ——传递的转矩，mm ； d ——轴的直径，mm ； b ——键的宽度，mm ； l ——键的工作长度，mm ；
f ——摩擦系数，一般取0.12～0.17；
[]P σ——键、轴及轮毂三者当中最弱材料的许用挤压应力，a MP ，按表6-2取。

（4）、切向键连接简化强度计算
其主要失效形式是：工作面被压溃。

把键与轴看成一体，当键连接传递转矩时，其受力情况见P105图6-9。

由切向键连接的挤压强度条件，可得出允许传递转矩的计算公式：
()()[]m N c t dl f T P ⋅-+⨯=
,45.05.010
11
3
σ 式中：c ——键的倒角，；值查有关手册； t ——键槽深度，mm ；取10/d t ≈。

取用键连接时，须注意：
①、当强度不够时，可用两个键来进行连接； ②、键的长度不易过长，一般应6.1(<～d )8.1；
③、用双键时，最好轴向相隔180°，这是平键；两个半圆键布置在轴的同一条母线上；两个楔键应布置在沿轴现相隔90°～120°；考虑两键上载荷分配不均匀性，在强度校核中只按1.5个键算。

第16课
§6-2 花键连接
花键连接由具有多的键齿的轴和有向凹槽的毂孔组成。

可以说，花键连接时平键连接在数目上的发展。

一、花键连接的特点
1、优点：
（1）、因键齿和键槽呈均匀分布，故连接受力均匀；
（2）、轮毂上各齿间凹槽较浅，因此齿根应力集中较小，对轴、轮毂的强度削弱较小；（3）、齿数多，总接触面积大，故可承受较大载荷；
（4）、对中性好，这一点对高速和精密机床很重要；
（5）、导向性好，这对于动连接有好处；
（6）、可用研磨方法来提高加工精度。

2、缺点：
（1）、齿根处，仍有应力集中；
（2）、成本高，需用专门设备加工。

3、用途：
花键连接适用载荷较大，定心要求较高的静连接和动连接，如飞机、汽车、拖拉机、机床等行业中，由广泛应用。

二、花键连接的类型：
对于花键连接的定心，当轮毂的硬度不高（低于350HB 时），按外径定心最经济。

因为轮毂上的孔D 的表面精度靠热处理后用拉刀拉削来保证，而花键轴外径表面的表面精度只需在普通外圆磨床上磨削就可保证；
当轮毂的硬度很高（超过350HB 时），轮毂上的花键孔在热处理后难以拉削，这是要按内径定心，花键轴和轮毂的定心表面热处理后要磨削。

内径定心的花键连接加工较复杂，但定心精度较高；
齿侧定心不能保证轴与轮毂的精确同心，但有利于各齿均匀承载，主要用于载荷较大的重系列连接。

2、渐开线花键 （1）、特点： ①、渐开线花键已标准化，其齿廓为分度圆压力角
30=α或
45的渐开线。

我们知道，直齿轮的分度圆压力角
20=α，因压力角α增大，使得齿定高系数下降，渐开线花键的齿高
仅为m 5.0（m 为模数）。

②、与矩形花键比，渐开线花键的齿根较厚，应力集中较小，故连接强度较高； ③、有一定的自动定心作用，因受载时，齿上有径向分力使其自动定心；
④、渐开线花键轴用加工齿轮的方法加工，但加工花键孔的拉刀制造成本较高； ⑤、常用于载荷较大，定心要求较高及尺寸较大的连接。

（2）、定心方式：
键开线花键的定心方式也三种： ①、按渐开线齿形定心
具有自动定心特点，能获得多数齿同时接触，有利用与各齿均匀承载，，所以应优先采用。

②、按外径定心
这种定心方式限制了花键自动定心作用。

加工花键所用的滚刀或插刀需特殊制造，因而只有在特殊需要时才采用，如用于传动机构中径向载荷较大的动连接。

③、按分度圆的同心圆定心
定心的圆柱表面应与花键的分度圆同心。

适用于受径向载荷较小、又要求传动平稳的连接。

3、三角花键
（1）、特点：
①、三角花键的齿数较多，而齿较细，故三角花键的强度较高；
②、三角花键孔的齿形为三角形，而花键轴的齿形为分度圆压力角等于45
的键开线。

（2）、定心方式：
（1）、受力情况见P107图3-13所示。

（2）、花键连接可能的失效形式有：齿面压溃或磨损，齿根剪断或弯断。

实践证明，齿面压溃或磨损是主要的失效形式，因此，通常按工作面的平均压强进行挤压强度或耐磨性的条件性计算。

（3）、强度计算
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处。

用各齿间载荷分布不均匀系数 来估计实际压力分布不均匀的影响，则花键连接的强度条件：
静连接中：[]
p m
p zhld T σψσ≤⨯=3
102
则花键所能传递的扭矩为：[]
p m zhld T σψ3
10
21
⨯=
式中：ψ——载荷分布不均匀系数，视齿数多少，取值，范围为，齿数多时，取小值；
z ——花键齿数；
l ——齿的工作长度；
h ——花键齿侧面的工作高度，；
矩形花键：C d
D h 22
--=， D ——外花键大径；d ——内花键小径；c ——倒角尺寸。

渐开线花键：m h =，压力角
30=α，m ——模数；
m h 8.0=，压力角 45=α。

m d ——花键的平均直径，矩形花键：2
d
D d m +=
； 键开线花键：i m d d =，i d ——分度圆直径。

[]p
σ——花键连接的需用挤压应力，a
MP ，其值见P108表6-3；
[]p ——花键连接的许用压力，，见表6-3。

§6-3 无键连接
一、 定义：
凡轮毂与轴的连接，不用键或花键时，统称为无键连接。

二、 分类： 1、型面连接 （1）、定义：
型面连接时利用非圆截面的轴与相应轮廓的毂孔相配合而构成的连接。

（2）、分类：
键P108图6-14，轴与毂孔可以是柱形的，也可以是锥形的。

前者只能传递转矩，后者除了可以传递转矩以外，还能传递轴向力，但是制造起来较为复杂。

此外，型面连接也采用方形、六方形等截面形状。

（3）、特点：
优点：①、装拆方便；
②、传递转矩时，对中良好；
③、因连接面上没有键槽及尖角引起的应力集中，所以可传递较大的转矩。

缺点：加工比较复杂，为了保证配合精度，最后工序大多要在专用机床上进行磨削加工，所以型面连接应用目前还不十分广泛。

2、过盈连接
（1）、定义：
过盈连接是利用零件间的过盈配合形成的连接。

过盈连接的配合表面多为圆柱面，如轴与轮毂，轴与滚动轴承内圈及轮芯与轴圈等零件的连接。

过盈连接可用压入、温差或液压等方法装配，装配后等由于零件的装配过盈使配合面产生一定的压力，工作是靠这个压力产生的摩擦力传递转矩或轴向力。

（2）、特点：
①、这种连接的优点是：结构简单；定心好；承载能力高；承载变载和冲击的性能好；可避免零件因开键槽而被削弱。

②、缺点：配合面加工精度要求较高，装配不便。

为了便于装配，通常可在被连接零件上加工出倒角或锥面。

3、弹性环连接（又叫胀紧连接）
（1）、定义：
胀紧连接是利用轴、毂孔和锥形弹性环之间接触面上产生的摩擦力来传递转矩和轴向力。

看P109图6-16，轴和毂孔间放有一对或几对内、外锥面贴合的弹性钢环（又叫胀套）。

当拧紧螺母或螺钉时，在轴向力作用下使内、外径相互压紧，因而，内环缩小并夹紧在轴上，而外环胀大并紧压在毂上。

（2）、特点：
①、弹性环连接的定心性好；
②、装拆方便；
③、承载能力高；
④、可避免零件因键槽等原因而削弱；
⑤、有密封作用和安全保护作用；
⑥、配合表面的制造精度要求较高。

（3）、用途：胀紧连接在船用螺旋桨中常用。

§6-4 销连接
一、定义：
销是标准件，常用材料是钢。

销可用作连接，还可用作定位零件和安全保险装置的零件。

（1）、定位销：用来固定零件之间的相对位置，称为定位销；
（2）、连接销：指用于连接的销，可传递不大的载荷；
（3）、安全销：指作为安全装置中的过载剪断元件的销。

二、类型
销的类型很多，我们先来看：
（1）、圆柱销
这种销靠过盈配合固定在销孔中。

多次拆装后，销的定位精度及可靠性会降低。

（2）、圆锥销：
这种销具有1：50的锥度，当受横向力时，可以自锁。

圆锥销安装方便，定位精度高，能经多次拆装，而不影响定位精度。

①、开尾圆锥销：
见P111图6-22。

将开口撑开，保证销不会松脱，适用于有冲击、振动场合。

②、槽销：
见图6-23。

销面上沿母线方向开有三条沟槽，将销压入孔后，沟槽产生收缩，借助材料的弹性变形，销被挤进在销孔中。

这种销能承受振动和变载荷。

③、销轴：
见图6-24。

销轴用于两零件铰接处，构成铰链连接。

销轴通常用于开口销锁定，工作
可靠，拆卸方便。

④、开口销：
见图6-25。

开口销装配时，尾部的开口分开，以防脱出。

开口销除与销轴配用外，还常用于螺纹连接的防松装置中。

其材料为低碳钢。

⑤、定位销：
定位销通常不受载荷或只受很小的载荷，所以不作强度校核计算。

定位销的直径按结构确定，数目一般不少于2个。

销装入没一被连接件的长度，约为销直径的12倍。

⑥、安全销：
在机器过载时，安全销应被剪断。

所以，安全销的直径应按过载时被剪断的条件确定。

11。