返回导轨与工作导轨不同，施加到导轨上的载荷几乎是固定的，梯级自重载荷Ws均等分布在4个梯级滚轮上，一个梯级距的梯级链重量的载荷Wc均匀分布在梯级主轮上。因返回主轮导轨和副轮导轨是分离设置的，下面以受力较大的主轮返回导轨为例讲解强度校核。要注意的是返回导轨的上曲线段与工作导轨上曲线段类似的法线张力，因此有必要对其进行强度和磨损分析，方法与工作导轨上曲线区段相同。......
2023-06-15
优化键销联接的选择与强度校核
【摘要】：归纳总结4.2.1键联接通过实践可发现，当有键时，轴与齿轮可一起转动，而当把键撤掉后，轴与齿轮之间会产生相对滑动。平键联接如图4.13所示为普通平键联接的结构。图4.13平键联接图4.14半圆键联接平键按用途可分为普通平键、导向平键和滑键。图4.19切向键联接2）平键联接的选择和强度校核键是标准件，通常用中碳钢Q235，45钢制造。平键联接的类型应根据联接特点使用要求和工作条件选定。
活动情境
任务要求
理解键的功能，会正确安装齿轮与轴；掌握键的分类和标准；能校核普通平键的强度。
任务引领
通过观察与讨论回答以下问题：
1.轴在转动的过程中，键起什么作用？
2.轴上各处所用键的形状有什么特征？为什么？
归纳总结
4.2.1 键联接
通过实践可发现，当有键时，轴与齿轮可一起转动，而当把键撤掉后，轴与齿轮之间会产生相对滑动。这时，轴与齿轮互不固定，不能传递力矩，即键可实现轴上零件与轴之间的周向固定并传递转矩，有的兼作轴上零件的轴向固定，还有的在轴上零件沿轴向移动时，起导向作用。通过操作还可发现，键联接结构简单、装拆方便。
1）键联接的类型和应用
键已标准化，按照结构特点和工作原理，键联接可分为平键联接（见图4.13）、半圆键联接（见图4.14）、楔键联接和切向键联接等。
（1）平键联接
如图4.13所示为普通平键联接的结构。键的两侧面靠键与键槽侧面的挤压传递运动和转矩，键的顶面为非工作面，与轮毂键槽表面留有间隙。因此，这种联接只能用于轴上零件的周向固定。平键联接结构简单，装拆方便，对中性好，故应用广泛。
图4.13 平键联接
图4.14 半圆键联接
平键按用途可分为普通平键、导向平键和滑键。
①普通平键用于静联接。
按其端部形状不同，可分为圆头（A型）、方头（B型）和单圆头（C型）3种，如图4.15所示。采用圆头平键时，轴上的键槽用指状铣刀加工而成，键在槽中固定较好，但键槽两端的应力集中较大；方头平键的键槽由盘铣刀加工而成，轴的应力集中较小。单圆头平键主要用于轴端。
图4.15 普通平键
②导向平键和滑键。
当轮毂在轴上需沿轴向移动而构成动联接时，可采用导向平键或滑键。如图4.16所示的导向平键常用螺钉固定在轴上的键槽中，而轮毂可沿键作轴向滑动，如变速箱中的滑移齿轮等。
当被联接件的滑移距离较大时，宜采用滑键，如图4.17所示。滑键固定在轮毂上，与轮毂同时在轴上的键槽中作轴向滑移，如车床中光杆与溜板箱中零件的联接。
图4.16 导向平键
图4.17 滑键
（2）半圆键联接
如图4.14所示为半圆键联接。其工作面也是键的两侧面。轴槽呈半圆形，键能在轴槽内自由摆动，以适应轴线偏转引起的位置变化，装拆方便。但轴上的键槽较深，对轴的强度削弱较大，故一般用于轻载，尤其适用于锥形轴端部。
（3）楔键联接
楔键其上下表面为工作面，两侧面与轮毂槽侧有间隙。键的上表面和与之相配合的轮毂键槽底部表面，均具有1∶100的斜度，装配时将键打入轴与轴上零件之间的键槽内，使工作面上产生很大的挤压力。工作时，靠接触面之间的摩擦力来传递转矩。
楔键联接的对中性差，当受到冲击或载荷作用时，容易造成联接的松动。因此，楔键仅适用于要求不高、转速较低的场合，如农业机械和建筑机械中。
图4.18 楔键联接
楔键分为普通楔键（见图4.18（a））和钩头楔键（见图4.18（b））。为便于拆卸，楔键最好用于轴端，钩头楔键应加装安全罩。
（4）切向键联接
切向键有两个斜度为1∶100的楔键组成，如图4.19所示。装配时，把一对楔键分别从轮毂的两端打入，其斜面相互贴合，共同楔紧在轮毂之间。切向键的上下两面是工作面，工作时依靠其与轴和轮毂的挤压传递转矩。一对切向键只能传递单向转矩，而需传递双向转矩时，必须用两队切向键，且按120°~135°分布，切向键传递转矩较大，但对中性差，对轴的削弱较大，常用于对中性要求不高的重型机械中。
图4.19 切向键联接
2）平键联接的选择和强度校核
键是标准件，通常用中碳钢Q235，45钢制造。平键联接的类型应根据联接特点使用要求和工作条件选定。
（1）尺寸选择
平键的主要尺寸为宽度b，高度h和长度L。平键的b×h按轴的直径d由标准中选定，见表4.5。其中，其长度L略短于轮毂长，一般L=L1-（5~10），从标准中选取。
（2）强度校核
对构成静联接的普通平键联接，其主要失效形式是工作面的压溃，通常只按工作面上的挤压应力进行强度校核计算。对构成动联接的导向平键和滑键联接，其主要失效形式是工作面的过度磨损，通常只作耐磨性计算。
静联接
动联接
式中 T——传递的转矩，N·mm；
d——轴的直径，mm；
h——键的高度，mm。键与轮毂的有效接触高度可近似计为0.5h；
l——键与轮毂的接触长度，对双圆头（A型）键，l=L-b；对方头（B型）键，l=L；对单圆头（C型）键，l=L-0.5b；
[σp]——键联接中较弱零件（一般为轮毂）的许用挤压应力，其值见表4.6。
[p]——键联接中较弱零件（一般为轮毂）的许用压强，其值见表4.6。
表4.5 平键联接和键槽的尺寸（GB/T1095—2003，GB/T1096—2003）/mm
表4.6 键联接的许用挤压应力[σp]/MPa
（3）验算强度不够时采取的措施
平键联接如验算强度不够时，可采取以下措施：
①适当增加键和轮毂的长度。当键的长度一般不应超过2.5d，否则挤压应力沿键的长度方向分布将很不均匀。
②在轴上相隔180°配置两个普通平键。但强度验算时，只按1.5个平键计算。
例4.2 如图4.20所示，某钢制输出轴与铸铁齿轮采用键联接，已知装齿轮处轴的直径d=45mm，齿轮轮毂长L1=80mm，该轴传递的转矩T=240kN·mm，载荷有轻微冲击，试选用该键联接。
解 （1）选择键联接的类型
为了保证齿轮传动啮合良好，要求轴毂对中性好，故选用A型普通平键联接。
（2）选择键的主要尺寸
按轴径d=45mm，由表4.5查得键宽b=14mm，键高h=9mm，键长L=80-（5~10）=（75~70）mm，取 L=70mm。故标记为
键 14×70 GB/T1096—2003
（3）校核键联接强度
由表4.6查得铸铁材料[σp]=50~60MPa，由式（4.11）计算键联接的挤压强度为
图4.20 键联接
因此，所选键联接强度足够。
（4）标注键联接公差
轴、毂公差的标注如图4.21所示。
4.2.2 花键联接
花键联接由内花键和外花键组成。工作时，靠键齿的侧面互相挤压传递转矩。在轴上加工出多个键齿，称为外花键；在轮毂内孔上加工出多个键槽，称为内花键，如图4.22所示。花键联接的优点是：键齿数多，承载能力强；键槽较浅，应力集中小，对轴和轮毂的强度削弱也小；键齿均布，受力均匀；轴上零件与轴的对中性好；导向性好。花键联接的缺点是需专门设备加工，成本较高。因此，花键联接用于载荷较大和定心精度要求高的动联接或静联接。
图4.21 轴、毂公差的标注
图4.22 花键联接
图4.23 矩形花键联接
外花键可用成形铣刀或滚刀加工；内花键可拉削或插削而成。有时，为了增加花键表面的硬度以减少磨损，内外花键还要经过热处理及磨削加工。
花键联接已标准化，按齿形的不同，可分为矩形花键和渐开线花键。
1）矩形花键
如图4.23所示，矩形花键的齿廓为直线，齿的宽度为b，外径为D，内径为d，齿数为z，标记为
z-D×d×b GB/T1144—2001
按键数和键高的不同，矩形花键分轻、中两个系列。对载荷较轻的静联接，可选用轻系列；对载荷较大的静联接或动联接，可选用中系列。
矩形花键联接通常采用小径定心，这种方式可采用热处理后磨内花键孔的工艺，从而提高定心精度，并在单件生产或花键孔直径较大时避免使用拉刀，以降低制造成本。
图4.24 渐开线花键联接
2）渐开线花键
如图4.24所示，渐开线花键的齿廓为渐开线，工作时齿面上有径向力，起自动定心作用，使各齿均匀承载，强度高。渐开线花键可用齿轮加工设备制造，工艺性好，加工精度高，互换性好。因此，渐开线花键联接常用于传递载荷较大、轴径较大、大批量及重要的场合。
渐开线花键的标准压力角有30°和45°两种。前者用于重载和尺寸较大的联接，后者用于轻载和小直径的静联接，特别适用于薄壁零件的联接。
4.2.3 销联接
销是一种常用的联接。根据销联接的用途，销可分为联接销、定位销、安全销等。联接销主要用于零件之间的联接，并且可传递不大的载荷或转矩（见图4.25）；定位销主要用于固定机器或部件上零件的相对位置，通常用圆锥销作定位销（见图4.26）；安全销主要用作安全装置中的剪切元件，起过载保护作用（见图4.27）。
按照销的形状，销可分为圆柱销、圆锥销和开口销等。圆柱销利用微小过盈固定在铰制孔中，可承受不大的载荷。如果多次拆装，过盈量减小，将会降低联接的紧密性和定位的精确性。普通圆柱销有A，B，C，D4种配合型号，以满足不同的使用要求。
圆锥销具有1∶50的锥度，安装方便，定位可靠，多次装拆对定位精度的影响较小，应用较为广泛。它有A，B两种型号，A型精度高。圆锥销的上端和尾部可根据使用要求不同，制造出不同的形状，圆锥销的小头直径为标准值。开口销是标准件，常用于联接的防松，它具有结构简单、装拆方便等特点。
图4.25 联接销
图4.26 定位销
图4.27 安全销
自测题
一、判断题
1.键联接的主要用途是使轴与轮毂之间有确定的相对运动。（ ）
2.平键中，导向平键联接适用于轮毂滑移距离不大的场合，滑键联接适用于轮毂滑移距较大的场合。（ ）
3.设计键联接时，键的截面尺寸通常根据传递转矩的大小来确定。（ ）
4.由于花键联接较平键联接的承载能力强，因此，花键联接主要用于载荷较大的场合。（ ）
5.普通平键的工作表面是键的两侧面。（ ）
二、选择题
1.普通平键联接的主要失效形式是（ ）。
A.工作面疲劳点蚀 B.工作面挤压破坏 C.压缩破裂
2.在轴的顶部加工C型键槽，一般常（ ）。
A.用盘铣刀铣削 B.在插床上用插刀加工 C.用端铣刀铣削
3.平键联接的主要优点是（ ）。
A.对中性好 B.强度高 C.不易磨损
4.不能经常装拆的销是（ ）。
A.开口销 B.圆锥销 C.圆柱销
三、综合题
1.如图4.28所示的轴头安装钢制直齿圆柱齿轮，工作时有轻微冲击，试确定键的尺寸及传递的最大转矩。
图4.28 键联接
2.查手册确定下列各螺纹联接的主要尺寸，并按1∶1比例画出各自的装配图：
（1）用M16六角头螺栓联接两块厚度各为28mm的钢板（加弹簧垫圈）；
（2）用M16双头螺柱联接厚度30mm的钢板和另一较厚的铸铁零件。
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