键连接和花键连接

键和花键连接主要用于轴与轴上零件（比如齿轮、带轮）的周向固定并传递转矩。其中还有些键可以实现轴上零件的轴向固定。

一、键连接的类型、特点及应用

1.平键连接

如图11-15（a）所示普通平键，键的两侧面为工作面，工作时依靠键的侧面与键槽接触传递转矩；而它的上面与键槽底之间有间隙。这种键连接对中性好，结构简单，拆装方便，因此应用最为广泛。但这种键连接对轴上零件无轴向固定作用，零件的轴向固定需其他件来完成。按用途可分为普通平键、导向平键和滑键。

图11-15 普通平键

（a）普通平键；（b）圆头（A型）；（c）方头（B型）；（d）半圆头（C型）

（1）普通平键。用于静连接，即轮毂与轴之间无相对移动的连接。按键的结构可分为圆头（A型）、方头（B型）、半圆头（C型）三类，分别见图11-15（b）、（c）、（d）。平键连接尺寸标准参见表11-2。

表11-2 平键连接尺寸（GB/T1096—1979）

参看图11-16，使用圆头平键时，轴上键槽是用指状铣刀加工的，键放置于与之形状相同的键槽中，因此键的轴向固定好，应用最广泛，但键槽对轴的应力集中较大。使用方头平键时，轴上键槽用圆盘铣刀加工，因而避免了圆头平键的缺点，但键在键槽中的固定不好，常用螺钉紧定。半圆头平键常用于轴端与轴上零件的连接。不论采用哪类键连接，由于轮毂上的键槽是用插刀或拉刀加工的，因此都是开通的。

（2）导向平键和滑键用于动连接，即轮毂与轴之间有轴向相对移动的连接。参看图11-17，导向平键是一种较长的平键，用螺钉固定在轴槽中，轮毂可沿键作轴向滑移。当轴上零件滑移距离较大时，宜采用滑键，因为滑移距离较大时，用导向平键就长，制造困难。滑键（图11-18）固定在轮毂上，轮毂带动滑键在轴槽中做轴向移动，因而需要在轴上加工长的键槽。

图11-16 键槽加工

图11-17 导向平键

2.半圆键连接

参看图11-19。使用半圆键连接时，轴上键槽用半径与键相同的盘状铣刀铣出，因而键在槽中能摆动以适应轮毂键槽的斜度。

图11-18 滑键

图11-19 半圆键连接

半圆键用于静连接，键的侧面为工作面。这种连接优点是工艺性较好，缺点是轴上键槽较深，对轴的削弱较大。主要用于轻载荷和锥形轴端的连接。

3.楔键连接

参看图11-20，楔键连接只用于静连接。楔键的上表面和轮毂槽底面均具有1∶100的斜度，装配后，键的上、下表面与毂和轴上键槽的底面压紧，因此键的上、下表面为工作面。工作时，靠键、轮毂、轴之间压紧面所产生的摩擦力传递转矩，也可以承受单方向的轴向力。这类键由于装配楔紧时破坏了轴与轮毂的对中性，因此主要用于对定心精度要求不高，载荷平稳，速度较低的场合，比如某些农业、建筑机械。

图11-20 楔键连接

楔键分为普通楔键和钩头楔键，普通楔键又分圆头和方头两类。钩头楔键便于拆装，用在轴端时，为了安全，应加防护罩。

4.切向键连接

切向键连接只用于静连接，切向键的连接结构如图11-21，它由两个普通的楔键组成。装配时，把两个键从轮毂的两端打入并楔紧，因此就会影响到轴与轮毂的对中性。工作时，靠工作面的挤压和轴与轮毂间的摩擦力传递较大的转矩，但只能传递单向转矩。当要传递双向转矩时，需两组切向键，并应错开120°～130°布置。切向键连接主要用于轴径d＞100mm，对中性要求不高而载荷很大的重型机械。比如矿山用大型绞车的卷筒、齿轮与轴的连接。

图11-21 切向键连接

二、平键连接尺寸选择和强度计算

1.键的选择

选择键的类型，应考虑以下因素：对中性的要求；传递转矩的大小；轮毂是否需要沿轴向滑移及滑移的距离大小；键在轴的中部或端部等。

2.键的尺寸选择

在标准中，根据轴的直径可查出键的面尺寸（b×h），键的长度L根据轮毂的宽度确定，一般键长略短于轮毂宽度并符合标准的规定。

3.平键的强度计算

键连接的失效形式有压溃、磨损和剪断。由于键为标准件，其剪切强度足够，因此用于静连接的普通平键主要失效形式是工作面的压溃；对于滑键、导向平键的动连接，主要失效形式是工作面的磨损。因此，通常只按工作面的挤压应力进行条件性强度计算。由平键连接受力情况分析图11-22可知：

静连接

动连接

式中，d为轴的直径，mm；h为键的高度，mm；l为键的工作长度，mm；T为转矩，N·mm；[σp]为许用挤压应力，MPa，见表4-3；[p]为许用强度，MPa，见表11-3。

图11-22 平键受力分析

表11-3 键连接的许用应力 MPa

图11-23 双平键

如果键连接计算不能满足强度要求，可采用以下措施来解决：①适当增加轮毂及键的长度；②采用相距180°的双平键，如图11-23。由于载荷分布不均匀性，强度计算时，应按1.5个键计；③可与过盈连接配合使用。

4.键槽尺寸及公差

轮毂键槽深度为t1，轴上键槽深度为t2，它们的宽度与键的宽度相同。键连接按配合情况分为：较松连接、一般连接和较紧连接。据此从表11-2中可查出相应的公差并标注在图中。图11-24是轴直径为45mm的普通平键连接的键槽尺寸及偏差。

图11-24 键槽尺寸及偏差举例

三、花键连接

花键连接是由周向均布多个键齿的花键轴和多个键槽的花键毂构成的连接。见图11-25。

图11-25 花键连接

（b）矩形花键；（c）渐开线花键

花键连接具有以下特点：由于其工作面为均布多齿的齿侧面，故承载能力高；轴上零件和轴的对中性好；导向性好；键槽浅、齿根应力集中小，对轴和毂的影响小；但加工时需要专用设备，精度要求高，成本较高。

1.花键连接的类型、特点

花键已标准化，按其剖面齿形分为矩形花键、渐开线花键等。

（1）矩形花键

矩形花键的齿侧为直线，加工方便。标准中规定，用热处理后磨削过的小径定心，定心精度高，稳定性好，因此应用广泛。

（2）渐开线花键

渐开线花键的齿廓为渐开线，因此具有以下特点：工艺性好，可利用加工齿轮的方法加工渐开线花键；连接强度高、寿命长；因为齿根较厚，齿根圆较大，应力集中较小；采用了渐开线齿侧自动定心，定心精度高；但加工小尺寸的花键拉刀成本较高。因此适用于载荷较大，定心精度要求高和尺寸较大的连接。

2.花键连接的工作分析

花键连接，与平键连接相类似，它的工作面受到挤压（静连接）、磨损（动连接），齿根受到剪切和弯曲。实践证明，挤压破坏、磨损是主要失效形式。因此，一般只进行挤压和耐磨性的条件性计算。