第四篇 轴系零件修改版.docx
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第四篇轴系零件修改版
第四篇轴系零件
单元一键、销及其连接
任务1认识键、销连接的特点
知识目标
1、键连接的类型及特点
2、平键的选择与标记
3、销连接的基本形式和应用特点
技能目标
1、了解键连接的常用类型及特点
2、掌握平键的选择方法与标记方法
3、了解销的基本形式，掌握销连接的应用特点
一、任务引入
如图4-1所示的减速器输出轴，轴与齿轮采用键连接方式。
已知装齿轮处轴的直径d=45mm，齿轮轮毂宽B=80mm，该轴传递的转矩T=200N·m，齿轮的材料为铸钢，载荷有轻微冲击。
试确定键连接的类型和尺寸。
图4-1减速器输出轴
二、任务分析
键连接、花键连接及销连接是常用的轴毂连接方式，要正确选用键连接的类型和尺寸，必须熟悉键连接的类型及特点，还应掌握有关键连接的强度计算方法，以便对轴进行强度校核。
三、相关知识
1.键连接的类型及特点
键连接主要用于轴和轴上零件的周向固定并传递转矩，有的键也兼有轴向固定作用或滑动作用。
键连接是一种可拆连接，其结构简单、工作可靠、装拆方便、应用广泛。
根据装配时的松紧状态不同，键连接可分为松键连接和紧键连接两类。
其中，松键连接的特点是工作时靠键的两侧面传递转矩，装配时不需打紧，键的上表面与轮毂键槽底面之间留有间隙，因而定心良好、装拆方便。
常用的松键连接有：
平键和半圆键连接两种。
紧键连接的特点是在键的上表面具有一定的斜度，装配时需将键打入轴与轴上零件的键槽内连接成一个整体，从而传递转矩。
紧键连接能够轴向固定零件，并能承受单方向轴向力，但定心较差。
常用的紧键连接有：
楔键连接和切向键连接两种。
键是标准件，设计时应根据各类键的结构和应用特点进行选择。
（1）平键连接
平键连接的特点是：
键的两侧面是工作面，靠键与键槽的侧面挤压来传递转矩。
平键连接不能承受轴向力，因而对轴上的零件不能起到轴向固定作用。
按键的用途不同，平键连接可分为普通平键、导向平键和滑键连接。
平键连接具有结构简单、装拆方便、对中良好等优点。
普通平键主要用于静连接，即轴与轮毂之间无轴向相对移动。
普通平键按端部形状不同分为A型（圆头〉、B型（平头〉和C型（单圆头）三种形式，如图4-2所示。
采用A、C型平键时，轴上的键槽用指状铣刀铣出，键在槽中固定良好，但当轴工作时，轴上键槽端部的应力集中较大。
采用B型平键时，轴上的键槽用盘铣刀铣出，键槽两端的应力集中较小。
C型平键常用于轴端的连接。
轮毂上的键槽一般用插刀或拉刀加工。
图4-2普通平键连接及普通平键的形
a）圆头b）单圆头c）方头
被连接的毂类零件在工作中必须在轴上作轴向移动时，可采用导向平键。
导向平键是一种较长的平键，用于键上零件轴向移动量不大的场合，如变速器中的滑移齿轮。
如图4-3a所示，由于轴上零件要沿轴向移动，且键又较长，因此要用螺钉固定在轴槽中，为了拆卸方便，在键的中间设有起键用的螺孔。
滑键连接是将键固定在轮毂上，随轮毂一起沿轴槽移动。
滑键连接的特点是：
当轴上零件滑移距离较大时，因过长的平键制造困难，故不宜采用导向平键连接，而宜采用滑键，且需要在轴上加工长的键槽；滑键固定在轮毂上时，轴上的键槽与键是间隙配合，当轮毂移动时，键随轮毂沿键槽滑动，轮毂带动滑键在轴槽中作轴向移动，如图4-3b所示。
图4-3导向平键连接和滑键连接
a）导向平键连接b）滑键连接
（2）半圆键连接
半圆键连接如图4-4所示。
半圆键的两个侧面为两个相互平行的半圆形，工作时靠两侧面传递转矩。
半圆键的特点是半圆键呈半圆形，能在轴的键槽内摆动，以适应轮毂底面的斜度，用于静连接，安装方便，尤其适用于锥形轴与轮毂的连接。
由于键槽较深，对轴强度影响较大，一般只用于轻载场合。
图4-4半圆键连接
（3）楔键连接
楔键连接如图4-5所示，楔键包括普通楔键和钩头楔键两种。
楔键的上表面有1：
100的斜度，轮毂槽的底面也有1：
100的斜度，两侧面互相平行，上下平面是工作面。
装配时需靠外力打入。
键楔打入轴和轮毂槽后，依靠上下表面的摩擦力传递转矩，并能承受单向轴向力而起轴向固定作用。
由于键楔打入时迫使轮毂与轴产生偏心，因此楔键仅适用于定心精度要求不高、载荷平稳和低速的连接。
钩头楔键的钩头是为了易于拆卸，只用于轴端连接。
为了安全，如在中间用键槽应比键长2倍，这样才能装入，且要罩安全罩加以防护。
图4-5楔键连接
（4）切向键连接
切向键是由一对斜度为1：
100的普通楔键组合而成的，装配时，两个楔键分别从轮毂的两端打入，使其两斜面相互贴合，两键拼合后上下两面互相平行，构成切向键的工作面，装配后应使其中一个面在通过轴线的平面内，从而使工作面上的压力沿轴的切线方向作用，最大限度地传递转矩。
若采用一个切向键连接，则只能传递单向的转矩；若需要传递双向转矩，应装两个互成120º~135º如图4-6所示。
图4-6切向键连接
2.平键连接的选择、标记与强度校核
（1）平键的选用原则
平键是标准件，设计时可根据具体条件选择键的类型和尺寸。
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。
键的主要尺寸为其截面尺寸（键宽b×键高h）与长度L。
键的截面尺寸按轴的直径d由标准中选定，见表4-1。
键的长度L一般应等于或略小于轮毂的长度，并符合标准规定的长度系列。
导向平键的长度则应按零件所需滑动的距离确定。
重要的键连接在选出键的类型和尺寸后，还应进行强度校核计算。
（2）平键的标记
按照GB/T1096-2003《普通型平键》的规定，平键标记为：
GB/T1096键类型b×h×L，对于圆头普通平键（A型），标记字母A可以省略不标。
例如：
键截面尺寸b×h=16×10，键长L=100mm的平头普通平键标记为
GB/T1096键B16×10×100
表4-1平键连接尺寸（摘自GB/T1096-2003）（mm）
轴
键
键槽
公称直径d
b
h9
h
h11
L
h14
宽度b
深度
半径r
极限偏差
轴t
毂t1
较松键连接
一般键连接
较紧键连接
轴H9
毂D10
轴N9
毂Js9
轴和毂P9
公称尺寸
极限偏差
公称尺寸
极限偏差
最小
最大
>10~12
4
4
8~45
+0.030
0
+0.078
+0.030
0
－0.030
±0.015
－0.012
－0.014
2.5
+0.1
0
1.8
+0.1
0
0.08
0.16
>12~17
5
5
10~56
3.0
2.3
0.16
0.25
>17~22
6
6
14~70
3.5
2.8
>22~30
8
7
18~90
+0.036
0
+0.098
+0.040
0
－0.036
±0.018
－0.015
－0.051
4.0
+0.2
0
3.3
+0.2
0
>30~38
10
8
22~110
5.0
3.3
0.25
0.40
>38~44
12
8
28~140
+0.043
0
+0.120
+0.050
0
－0.043
±0.0215
－0.018
－0.061
5.0
3.3
>44~50
14
9
36~160
5.5
3.8
>50~58
16
10
45~180
6.0
4.3
>58~65
18
11
50~200
7.0
4.4
>65~75
20
12
56~220
+0.052
0
+0.149
+0.065
0
－0.052
±0.026
－0.022
－0.074
7.5
4.9
0.40
0.60
>75~85
22
14
63~250
9.0
5.4
>85~95
25
14
70~280
9.0
5.4
95~110
28
16
80~320
10.0
6.4
L系列
6，8，10，12，14，16，18，20，22，25，28，32，36，40，45，50，56，63，70，80，90，100，110，125，140，160，180，200，220，250，280，320，360，400，450，500
注：
①在工作图中，轴槽深用t或（d-t）标注，但（d-t）的偏差应取负号；毂槽深用t1或（d+t1）标注；轴槽的长度公差H14。
②较松键连接用于导向平键；一般键连接用于载荷不大的场合；较紧键连接用于载荷较大、有冲击和双向转矩的场合。
（3）平键连接的强度校核
1）平键连接的失效形式
普通平键连接为静连接，其主要失效形式是工作面的压溃。
导向平键连接和滑键连接为动连接，其主要失效形式是工作面的磨损。
除非有严重过载，一般情况下，键不会被剪断。
2）平键连接的强度计算
平键连接的受力情况如图4-7所示。
图4-7平键连接的受力情况
对于静连接，应校核挤压强度：
（4-1）
对于动连接，应校核压强：
（4-2）
式中T—键所传递的转矩，N·mm；
d—轴径，mm；
h—键的高度，mm；
l—键的工作长度，mm（其中，A型键l=L-b，B型键l=L，C型键l=L-b/2，b为键的宽度）；
σP—许用挤压应力，MPa（见表4-2）；
[p]—许用压强，MPa（见表4-2）。
表4-2键的许用挤压应力和许用压强和需要剪应力（MPa）
许用值
连接方式
连接中较弱
零件的材料
载荷性质
静载荷
轻微冲击
冲击
[σP]/MPa
静连接
钢
120~150
100~120
60~90
铸铁
70~80
50~60
30~45
[p]/MPa
动连接
钢
50
40
30
[τ]/MPa
静连接
钢
120
100
65
在平键连接强度计算中，如强度不足时，可采用双键，并使双键相隔180°布置。
在强度计算中，考虑到键连接载荷分配的不均匀性，在强度校核中只按1.5个键计算。
3.销连接的类型、特点及应用
销是标准件，根据销连接的作用，销可分为连接销、定位销和安全销等。
（1）连接销：
主要用于零件间的连接或锁定，可传递不大的载荷。
（2）定位销：
用于确定零件之间的相对位置，常用作组合加工和装配时的主要辅助零件。
（3）安全销：
可作为安全装置中的被剪断零件，起过载保护作用，如图4-8所示。
图4-8安全联轴器
根据销的形状，销分为圆柱销、圆锥销和开口销等。
圆柱销（如图4-9a所示）主要用作定位销，也可作为连接销和安全销，利用微量过盈配合固定在销孔中，多次装拆后会降低定位精度和链接的可靠性，故只适用于不经常拆卸的场合。
圆锥销（如图4-9b所示）主要用于定位，圆锥销和销孔均有1:
50的锥度，装拆方便，有可靠的自锁性能，定位精度高，多次装拆不影响定位精度。
图4-9c所示为大端带外螺纹的圆锥销，便于装拆，可用于盲孔；图4-9d所示为小端带外螺纹的圆锥销，可用螺母锁紧，适用于有冲击的场合。
图4-9销连接
a）圆柱销b）圆锥销c）大端带螺纹的圆锥销d）小端带螺纹的圆锥销
四、任务实施
1.选择键的类型
为保证齿轮啮合良好，要求轴毂对中性好，故选用A型普通平键连接。
2.选择键的主要尺寸
按轴径d=45mm，由表4-1查得键宽b=14mm，键高h=9mm，键长L=80mm-（5~10）mm=75~70mm，根据键长标准值，取L=70mm。
3.校核键连接强度
由4-2查铸铁材料
=50～60MPa，由式（4-1）计算键连接的挤压强度
所选键连接强度足够。
4.键连接公差与标注
所选择的平键为
GB/T1096键14×9×70
轴、毂键槽公差的标注如图4-10所示
图4-10轴、毂键槽的公差标注
五、知识拓展（花键和无键连接）
1.花键连接
花键连接是由带多个纵向凸齿的轴和带有相应齿槽的轮毂孔组成的。
齿的侧面为工作面，依靠这些齿侧面的相互挤压来传递转矩。
与平键连接相比，花键链接由于键齿较多、齿槽较浅，因此能传递较大的转矩，对轴的强度削弱较小，且使轴上零件与轴的对中性和沿轴移动的导向性都较好，但其加工复杂、制造成本高。
花键连接一般用于定心精度要求高、载荷大或需要经常滑移的重要连接。
花键连接按其剖面形状不同可以分为矩形花键连接、渐开线花键连接和三角形花键连接等。
前者应用最广，因为它具有良好的导向性和定心精度，承载能力强，且加工方便。
矩形花键连接有三种定心方式（如图4-11所示）。
外径定心、内径定心及键的两侧面定心。
当毂孔表面硬度不高（<40HRC）而可用拉刀加工时，宜采用外径定心，这时轴的外表面可用普通磨床磨光，加工比较经济；当毂孔表面硬度较高（>40HRC）时，宜采用内径定心，这时轴和毂的齿在热处理后都要磨制，加工较复杂，但定心精度较高；按侧面定心不能保证轴毂的精确定心，但较易保证压力在各齿的接触长度内均匀分布，因此宜用于载荷较重而不要求严格定心的连接。
a）b）c）
图4-11矩形花键连接及其定心方式
a）按外径定心b）按内径定心c）按侧面定心
渐开线花键的连接的定心方式有两种。
按齿型定心具有自动定心作用，有利于各齿受力均匀，应用很广；按外径定心需要专用的滚刀和插刀切齿，常用于径向载荷较大的动连接。
与矩形花键相比较，渐开线花键具有以下优点：
第一，齿根较厚和齿根圆角较大，连接的强度较高；第二，可利用制造齿轮的各种加工方法，工艺性较好。
不过，尺寸较小时拉刀成本较高，限制了它的使用。
三角形花键的齿较细，是用于载荷很轻或薄壁零件的轴毂连接，也可用作锥形轴连接的辅助连接。
与平键连接比较，花键具有以下优点：
第一，齿对称分布，轴毂受力均匀；第二，齿轴一体而且齿槽较浅，齿根的应力集中较小，被连接件的强度削弱较少；第三，齿数多，总接触面积大，压力分布较均匀。
此外，齿可利用较完善的制造工艺，因而被连接件能得到较好的定心和轴上零件沿轴移动时能得到较好的导引，而且零件的互换性也容易保证。
不过，齿的制造要用专门的设备和工具，这就使花键连接的使用受到一定的限制。
2.无键连接
无键连接通常有过盈配合连接、膨胀连接和型面连接三种。
（1）过盈配合连接
利用两个被连接零件间的过盈配合来实现的连接称为过盈配合连接，如图4-l2所示。
组成连接的两个零件一个为包容件，另一个为被包容件。
它们装配后，在结合处由于过盈量δ的存在而使材料产生弹性变形，从而在配合表面间产生很大的正压力，工作时依靠正压力产生的摩擦力来传递载荷，载荷可以是轴向力、扭矩或弯矩。
过盈配合连接分为圆柱面过盈配合连接和圆锥面过盈配合连接两种，其配合表面分别为圆柱面和圆锥面。
图4-12过盈配合连接
过盈配合连接的优点是结构简单，定心性好，承载能力高，承受变载荷和冲击的性能。
主要缺点是配合面的加工精度要求较高，且装配困难。
过盈配合常用于机车车轮的轮毂与轮心的连接，齿轮、蜗轮的齿圈与轮心的连接等。
过盈配合连接的装配采用压入法和温差法等。
拆卸时一般因需要很大的外力而常常使零件被破坏，因此这种连接一般是不可拆连接，但圆锥面过盈连接、胀紧连接常常是可拆卸的。
对于功率大、过盈量大的圆锥面过盈连接，可利用液压的装拆方法。
过盈连接的承载能力取决于连接件配合表面间产生的正压力的大小。
在选择配合时，要使连接件配合表面间产生的正压力足够大以保证在载荷作用下不发生相对滑动，同时又要注意被连接件的强度，让零件在装配应力下不致被破坏。
（2）膨胀连接
膨胀连接又称弹性环连接，是利用装在轴、毂之间的以锥面贴合的一对内、外弹性钢环，在对钢环施加外力后从而使轴、毂被挤紧的一种连接，如图4-13所示。
当拧紧螺母时，在轴向压力作用下，两个弹性钢环压紧，内环缩小而箍紧轴，外环胀大而撑紧毂，于是轴与内环、内环与外环、外环与毂在接触面间产生很大的正压力，利用此压力所引起的摩擦力矩来传递载荷。
膨胀连接中的弹性钢环又称胀套，可以是一对，也可以是数对。
当采用多对弹性环时，由于摩擦力的作用，轴向压紧力传到后面的弹性环时会有所降低，从而使在接触面间产生的正压力降低，进而减小接触面的摩擦力。
所以，膨胀连接中的弹性钢环对数不宜太多，一般以3—4对为宜。
图4-13膨胀连接
膨胀连接主要特点是定心性能好、装拆方便、应力集中小、承载能力大等。
但由于要在轴与毂之间安装弹性环，受轴与毂之间的尺寸影响，其应用受到一定的限制。
（3）型面连接
型面连接是利用非圆截面的轴与非圆截面的毂孔构成的连接。
沿轴向方向看去，轴与轮毂孔可以做成柱面，也可以做成锥面，如图4-14所示。
这两种表面都能传递转矩。
除此之外，前者还可以形成沿轴向移动的动连接，后者则能承受单方向的轴向力。
型面连接的优点是装拆方便、定心性好、没有应力集中源、承载能力大。
但它的加工工艺比较复杂，特别是为了保证配合精度，非圆截面轴先经车削或铣削，毂孔先经钻镗或拉削，最后工序一般都要在专用机床上进行磨削加工，故目前型面连接的应用还不广泛。
型面连接常用的型面曲线有摆线和等距曲线两种。
另外，型面连接还有方形、正六边形及带切口的非圆形截面形状等。
图4-14型面连接
六、考证要点
1.填空题
（1）键联接，即可传递扭矩又可承受单向轴向载荷，但容易破坏轴与轮毂的对中性。
（2）在普通平键联结中，平键的工作面是，其最主要的失效是。
（3）销按用途可分为、和。
2.选择题
（1）普通平键的截面尺寸是根据（）按标准选取的。
A.传递扭矩的大小B.轮毂的长度C.轴的转速D.轴的直径
（2）（）键连接可以传递轴向力。
A.普通平键B.半圆键C.楔键D.切向键
（3）普通平键联结的主要用途是使轴与轮毂之间（）。
A.沿轴向固定并传递轴向力B.沿轴向可作相对滑动并具有导向作用
C.沿周向固定并传递转矩D.安装与装拆方便
（4）当键联接强度不足时，可采用双键。
使用两个平键时，要求键（）布置。
A.在同一直线上B.相隔90ºC.相隔120ºD.相隔180º
（5）当轮毂轴向移动距离较小时，可以采用（）联接，当轴向移动距离较大时，可以采用（）联接。
A.普通平键B.半圆键C.导向平键D.滑键
（6）半圆键联接具有（）特点。
A.对轴强度削弱小B.调心性好C.工艺性差，装配不方便D.承载能力大
3.简答题
（1）如何选用平键的主要尺寸？
（2）平键连接时如果采用单个键强度不够，应采取什么措施？
若采用双键，应该如何布置?
（3）销连接有哪些作用？
单元二轴
任务1认识轴的分类与结构
知识目标
1、轴的分类
2、轴的结构与要求
技能目标
1、了解轴的分类和对轴的结构的要求
2、了解轴的结构工艺性要求
3、了解轴上零件轴向、周向固定的方法
一、任务引入
已知减速器输出轴传递的功率P=17kW，转速n=600r/min，分析如图4-15所示减速器输出轴，轴采用了什么材料？
轴径是如何确定的？
（a）减速装置传动简图（b）减速器输出轴
1-电动机2、6-联轴器3-齿轮减速器4-高速级齿轮传动5-低速级齿轮传动7-工作机械
图4-15减速装置
二、任务分析
通过对减速装置的传动分析可知，轴在工作过程中，要承受一定力的作用，经过一段时间后，还会出现磨损或损坏等现象。
因此，在进行轴的设计时，要选用适宜的材料，确定合适的轴径。
三、相关知识
轴是组成机器的重要零件之一，轴的主要功能是支承传动件（如齿轮、带轮等）并通过轴承传递转矩和运动。
轴工作状况的好坏直接影响到整台机器的性能和质量。
轴的设计主要包括了轴的材料选择、轴的结构设计及强度计算等内容。
轴的材料选择是否合适，结构设计是否正确、合理，将直接影响轴的工作能力及各传动零件的工作可靠性,从而影响整台机器的工作性能。
1.轴的类型与材料
（1）轴的类型
按照所受载荷的不同，轴可分为三类：
1）心轴。
工作时只承受弯曲载荷而不传递转矩的轴称为心轴。
当心轴随轴上回转零件一起转动时称为转动心轴，如火车轮轴（如图4-16a所示），而相对机架固定不动的心轴称为固定心轴，如自行车的前轮轴（如图4-16b）等。
图4-16心轴
2）转轴。
工作时既受弯矩又受转矩的轴称为转轴，如减速器中的轴（如图4-17所示），转轴是机械中最为常见的轴。
图4-17转轴
3）传动轴。
工作时只传递转矩而不承受弯矩或所受弯矩很小的轴称为传动轴，如汽车的传动轴（如图4-18）等。
图4-18传动轴
根据轴的几何形状，轴一般分为直轴、曲轴和挠性钢丝轴（如图4-19所示）。
其中直轴又可分为等直径轴（光轴）和阶梯轴，光轴主要用于心轴和传动轴，而阶梯轴主要用于转轴。
在一般机械传动中，阶梯轴通常做成中间直径大、两端直径小的形状，能使轴上零件的定位可靠、装拆方便，又能使轴接近于等强度轴，因而得到了广泛应用。
（a）直轴（b）曲轴（c）挠性钢丝轴
图4-19轴的类型
（2）轴的材料
轴的失效多为疲劳破坏，所以轴的材料应满足强度、刚度、耐磨性等方面的要求，常用的材料有：
1）碳素钢
对较重要或传递载荷较大的轴，常用35、40、45和50号优质碳素钢，其中45钢应用最广泛。
这类材料的强度、塑性和韧性等都比较好。
进行调质或正火处理可提高其机械性能。
对不重要或传递载荷较小的轴，可用Q235、Q275等普通碳素钢。
2）合金钢
合金钢具有较好的机械性能和淬火性能。
但对应力集中比较敏感，价格较高，多用于有特殊要求的轴，如要求重量轻或传递转矩大而尺寸又受到限制的轴。
常用的低碳合金钢有20Cr、20CrMnTi等，一般采用渗碳淬火处理，使表面耐磨性和芯部韧性都较好。
合金钢与碳素钢的弹性模量相差不多，故不宜用合金钢来提高轴的刚度。
3）球墨铸铁
球墨铸铁具有价廉、吸振性好、耐磨，对应力集中不敏感，容易制成复杂形状的轴等特点。
但品质不易控制，可靠性差。
轴常用的金属材料及力学性能见表4-3。
选择材料时，应考虑载荷的大小和性质、轴的重要性、轴的结构和加工工艺等因索。
表4-3轴的常用金属材料及力学性能
材料牌号
热处理类型
毛坯直径
mm
硬度
HBS
抗拉强度
/MPa
屈服点
/MPa
应用说明
Q275~Q235
600~440
275~235
用于不重要的轴
35
正火
≤100
149~187
520
270
用于一般轴
调质
≤100
156~207
560
300
45
正火
≤100
170~217
600
300
用于强度高、韧性中等的较重要的轴
调质
≤200
217~255
650
360
40Cr
调质
25
≤207
1000
800
用于强度要求高、有强烈磨损而无很大冲击的重要轴
≤100
241~286
750
550
35SiMn
调质
25
≤229
900
750
可代替40Cr，用于中、小型轴
≤100
229~286
800
520
42SiMn
调质
25
≤220
900
750
与35SiMn相同，但专供表面淬火之用
≤100
229~286
800
520
>100~200
217~269
750
470
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