键连接的尺寸选择和强度计算

键连接的种类较多，根据键的形状，可分为平键连接、半圆键连接、楔键连接等。

1.平键连接

图10.26　平键连接

平键的两侧面是工作面，上面与轮毂槽底之间有间隙，如图10.26所示。平键连接具有结构简单、装拆方便、轴与轴上零件对中性较好等优点，应用较为广泛，但不能承受轴向力。常用平键有普通平键、导向平键和滑键3种。

普通平键用于轴、毂间无相对轴向移动的静连接。根据键的端部形状不同，普通平键可分为圆头（A型）、方头（B型）和单圆头（C型）3种，如图10.27所示。采用圆头或单圆头平键时，轴上的键槽用指状铣刀铣出，这种键槽的特点是键在槽中固定较好，但轴上键槽端部的应力集中较大；采用方头平键时，轴上的键槽用盘铣刀铣出，键在键槽中固定较差，但轴的应力集中较小；单圆头平键用于轴端与轮毂的连接。

图10.27　普通平键

（a）圆头；（b）平头；（c）单圆头

图10.28　导向平键

导向平键和滑键用于轮毂相对轴作轴向移动的动连接，如齿轮变速箱中的齿轮轴毂连接。导向平键适用于轴上零件轴向位移量不大的场合，如图10.28所示，因导向平键较长，常用螺钉固定在槽中，为了便于装拆，在键上制出相应的螺纹孔。滑键用于轴上零件轴向位移量较大的场合，如图10.29所示，滑键在轴上的键槽较长。

图10.29　滑键

2.半圆键连接

半圆键也是以两侧面为工作面，定心较好，如图10.30所示。半圆键能在轴槽中摆动，以自动适应轮毂中键槽的斜度，装配较方便。半圆键连接的缺点是轴槽较深，对轴的强度削弱较大，主要用于轻载连接和锥形轴与轮毂的连接。

图10.30　半圆键连接

3.楔键连接

楔键连接用于静连接。楔键以上下表面为工作面，如图10.31所示，其上表面具有1∶100的斜度。装配后，楔键紧压在轴毂之间；工作时，靠键、轴、毂之间的摩擦力和由于轴、毂间有相对转动的趋势而使键受到的偏压来传递转矩，也能传递单向的轴向力。

由于楔键打入时，将迫使轴和毂产生偏心距e，因此楔键仅适用于定心精度要求不高、载荷平稳和低速的场合。

图10.31　楔键连接

4.平键的尺寸选择和强度计算

1）平键的选择

平键的主要尺寸为宽度b、高度h与长度L，键的剖面尺寸b×h以轴的直径d为依据按标准选定。键的长度L应略小于轮毂宽度B，一般L=B-（5～10）mm，并要符合国家标准中规定的长度系列。

2）平键连接的强度校核

平键连接工作时的受力情况如图10.32所示。用于静连接的普通平键，其主要失效形式是键、轴槽和轮毂槽三者中最弱的工作面被压溃；用于动连接的导向平键，其主要失效形式是工作面的过度磨损。故对于采用常用材料和按标准选取尺寸的平键连接，通常只需按工作面上的挤压应力（对于动连接常按压力）进行条件性强度计算。

图10.32　平键连接工作时的受力情况

因为压溃或磨损是平键连接的主要失效形式，所以键的材料要有足够的硬度。根据标准规定，键采用强度极限不低于600 MPa的碳钢和精拔钢制造，常用的材料为45号钢。

假设载荷均匀分布，可列出如下静连接（普通平键）的抗压强度条件，即

对于动连接（导向平键），计算依据是磨损，应限制压强p，即

表10.5　键连接的许用挤压应力和许用压强　单位：MPa

当一个键不能满足要求时，可改用双键，两个键应相隔180 °布置。但由于两键的载荷分布不均匀，其承载能力只能按一个键的1.5倍计算。另外，两键槽对轴的强度削弱较大，使用时要将此点考虑在内。

例10.3　试选择一个8级精度的直齿圆柱齿轮与轴静连接所用的键。已知轴与轮毂材料均为钢，装齿轮处的轴径d为60 mm，轮毂长100 mm，转矩T为92×104 N·mm，载荷有轻微冲击。(www.xing528.com)

解：8级精度齿轮有一定的对中性要求，故选用普通平键（A型）。从标准中查得，当d=60 mm时，键宽b=18 mm，键高h=11 mm，取键长L=90 mm，则键的工作长度

l=L-b=(90-18)mm=72 mm

由式（10.25）得

查表10.5得[σp]=100 MPa，则σp＜[σp]，所选键满足要求。

5.花键连接

花键由轴和毂孔上的多个键齿组成，工作时依靠齿侧的挤压传递转矩。因花键连接键齿多，所以承载能力大；由于齿槽浅，故应力集中小，对轴的强度削弱少，且对中性和导向性均较好，但需要专用设备加工，所以成本较高。

花键连接适用于载荷较大、定心精度要求较高的静连接或动连接中。花键连接的齿数、尺寸、配合等均应按标准选取。

根据齿形不同，花键连接分为矩形花键连接和渐开线花键连接两种，如图10.33（a）所示。

图10.33　花键连接

1）矩形花键

按齿高的不同，矩形花键的齿形尺寸在国家标准中规定了两个系列，即轻系列和中系列。轻系列的承载能力较小，多用于静连接或轻载连接；中系列用于中等载荷的连接。

矩形花键的定心方式为小径定心（亦称内径定心），如图10.33（b）所示。外花键和内花键的小径为配合面，其特点是定心精度高，且定心稳定性好，能用磨削方法消除热处理引起的变形，故此种花键连接应用广泛。

2）渐开线花键

渐开线花键的制造和齿轮轮齿的制造完全相同，压力角有30 °和45 °两种。齿根有平齿根和圆齿根两种。为便于加工，一般选用平齿根，但圆齿根有利于降低应力集中和减少产生淬火裂纹的可能性。渐开线花键连接具有承载能力大、使用寿命长、定心精度高等特点，宜用于载荷较大，尺寸也较大的连接。

渐开线花键的定心方式为齿形定心，如图10.32（c）所示。当花键受载时，各齿上的径向力能起到自动定心的作用，有利于各齿均匀承载。

花键连接的强度计算与平键连接相似。根据使用条件和工作要求，首先选定花键的类型、尺寸及定心方式。其主要失效形式是工作面被压溃（静连接）或工作面过度磨损（动连接），故静连接通常按工作面上的挤压应力进行强度计算（挤压强度）；动连接则按工作面上的压力进行强度计算（耐磨性）。