第10章軸和軸轂聯(lián)接10.1軸的類型及其材料10.2軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)10.3軸的計(jì)算10.4軸轂聯(lián)接習(xí)題

10.1軸的類型及其材料10.1.1軸的類型

軸是機(jī)器中的重要零件之一，其使用非常廣泛。因?yàn)樗凶骰剞D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的零件，都必須由軸來(lái)支撐才能傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力，所以，軸能否安全可靠的工作，直接影響到機(jī)器的正常工作。軸按其功用和承載情況，可分為三類：

(1)心軸。只承受彎矩而不傳遞轉(zhuǎn)矩的軸稱為心軸。心軸按其工作時(shí)是否轉(zhuǎn)動(dòng)又分為轉(zhuǎn)動(dòng)心軸(如圖10-1(a)所示)和固定心軸(如圖10-1(b)所示)。圖10-1支撐滑輪的心軸(a)轉(zhuǎn)動(dòng)心軸；(b)固定心軸

(2)傳動(dòng)軸。只傳遞轉(zhuǎn)矩而不承受彎矩(或承受很小的彎矩)的軸稱為傳動(dòng)軸，如汽車變速箱與后橋之間的傳動(dòng)軸(如圖10-2所示)。

(3)轉(zhuǎn)軸。既傳遞轉(zhuǎn)矩又承受彎矩的軸稱為轉(zhuǎn)軸，如齒輪軸(見(jiàn)圖10-3)、帶輪軸等。機(jī)器中的大多數(shù)軸都屬于轉(zhuǎn)軸。按照軸線幾何形狀的不同，軸又分為直軸(如圖10-1~圖10-4所示)、曲軸(如圖10-5所示)和撓性軸(如圖10-6所示)。曲軸為專用零件，一般用于內(nèi)燃機(jī)中；撓性軸是由鋼絲分層纏繞而成(如圖10-6(a)所示)，具有良好的撓性，可繞過(guò)障礙將運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)矩靈活地傳遞到所需的位置(如圖10-6(b)所示)；機(jī)械中使用最為廣泛的是直軸。直軸又分實(shí)心軸和空心軸(如圖10-4所示)，其中實(shí)心軸使用較廣。圖10-2汽車傳動(dòng)軸圖10-3齒輪軸圖10-4空心軸圖10-5曲軸圖10-6撓性軸(a)鋼絲軟軸的繞制；(b)鋼絲軟軸的應(yīng)用另外，按其結(jié)構(gòu)形狀的不同，直軸又分光軸(如圖10-1所示)和階梯軸(如圖10-3所示)。光軸形狀簡(jiǎn)單，容易加工，應(yīng)力集中源少，但軸上的零件不易裝配和定位，主要用于心軸和傳動(dòng)軸；階梯軸則與光軸相反，常用于轉(zhuǎn)軸。本章主要介紹實(shí)心階梯形直軸及其設(shè)計(jì)。10.1.2軸的常用材料及其選擇

軸在工作時(shí)，受到的應(yīng)力多為變應(yīng)力，故軸的失效形式多為疲勞破壞。因此，軸的材料要求具有一定的疲勞強(qiáng)度，而且對(duì)應(yīng)力集中的敏感性低。若軸上有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的零件時(shí)，還要求軸的材料具有足夠的耐磨性。軸的材料還應(yīng)具有良好的加工工藝性，使制造成本較低。能滿足這些要求的軸的材料主要有碳素鋼和合金鋼。碳素鋼比合金鋼價(jià)廉，對(duì)應(yīng)力集中的敏感性較低，并且經(jīng)過(guò)熱處理后可提高其耐磨性和疲勞強(qiáng)度，故采用碳素鋼來(lái)制作軸非常廣泛。常用的碳素鋼有35、40、45鋼等，其中45鋼應(yīng)用最普遍。合金鋼比碳素鋼具有更高的力學(xué)性能和更好的淬火性能，但對(duì)應(yīng)力集中比較敏感，且價(jià)格比較貴，因此合金鋼一般多用于傳遞動(dòng)力大、要求尺寸和重量小、耐磨性高以及在低溫或高溫條件下工作的軸。另外，在一般工作溫度下(低于200℃)，合金鋼與碳素鋼的彈性模量相差很小，所以用合金鋼代替碳素鋼并不能提高軸的剛度。因此選擇軸的材料是根據(jù)強(qiáng)度和耐磨性要求，而不是軸的剛度要求。為了提高軸的剛度，在一定條件下，可采用強(qiáng)度較低的鋼材，通過(guò)適當(dāng)加大軸的直徑的辦法來(lái)實(shí)現(xiàn)。另外，各種熱處理以及表面強(qiáng)化處理，都可提高軸的抗疲勞強(qiáng)度。鋼軸的毛坯多數(shù)用軋制圓鋼或鍛鋼，有的直接用圓鋼。鍛鋼的內(nèi)部組織較均勻，強(qiáng)度較高，對(duì)于重要的軸以及尺寸較大的階梯軸，應(yīng)采用鍛鋼制作毛坯。高強(qiáng)度的鑄鐵和球墨鑄鐵價(jià)格低廉，且具有良好的吸振性和耐磨性，強(qiáng)度較高，對(duì)應(yīng)力集中的敏感性較低，故可代替鋼制作形狀復(fù)雜的軸，例如內(nèi)燃機(jī)中的曲軸、凸輪軸等。軸的常用材料及其力學(xué)性能見(jiàn)表10-1。表10-1軸的常用材料及其力學(xué)性能10.2軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是指確定出軸的合理外形以及全部的結(jié)構(gòu)尺寸。影響軸結(jié)構(gòu)的因素很多，主要有：軸在機(jī)器中的安裝位置及形式；安裝在軸上的零件類型、尺寸、數(shù)量、安裝順序和方向以及和軸的連接方式；載荷的性質(zhì)、大小、方向及分布情況；軸的加工工藝等。由于影響軸的結(jié)構(gòu)的因素較多，且其結(jié)構(gòu)形式又隨具體情況的不同而不同，所以軸沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)形式。設(shè)計(jì)時(shí)，必須根據(jù)不同的情況進(jìn)行具體分析。但是，不論具體情況如何不同，軸的結(jié)構(gòu)都應(yīng)滿足以下要求：要有足夠的強(qiáng)度；軸和軸上零件要有準(zhǔn)確而可靠的工作位置；軸上的零件應(yīng)便于裝拆和調(diào)整；軸應(yīng)具有良好的制造工藝性等。軸的形狀從滿足強(qiáng)度的角度考慮，最好是等強(qiáng)度的拋物線回轉(zhuǎn)體。但這種形狀的軸既不便于加工，也不便于軸上零件的定位；從加工考慮，最好是直徑不變的光軸，但光軸不便于軸上零件的裝拆和定位要求，所以，機(jī)械中的軸一般都是階梯形的。在討論軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之前，先介紹軸的各部分的名稱。如圖10-7所示的齒輪減速器的輸入軸中：與軸承配合的軸段稱為軸頸；與傳動(dòng)零件配合的軸段稱為軸頭；連接軸頸與軸頭的非配合軸段稱為軸身；軸的兩端稱為軸端。下面以圖10-7所示的軸為例，討論軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要解決的主要問(wèn)題。圖10-7齒輪減速器軸的結(jié)構(gòu)組成10.2.1確定軸上零件的裝配方案

軸上零件的裝配方案是指零件的安裝方向、順序和相互關(guān)系，它決定著軸的結(jié)構(gòu)形狀。如圖10-7所示，其上零件的安裝順序是：齒輪、套筒、左端軸承、軸承端蓋、帶輪依次從軸的左端向右安裝；右端軸承、軸承端蓋從軸的右端向左依次安裝，從而形成了各段軸的粗細(xì)和結(jié)構(gòu)形式的初步方案。零件的裝配方案不同，軸的結(jié)構(gòu)形狀也不同。在擬定方案時(shí)，應(yīng)同時(shí)考慮幾個(gè)方案，以供比較和選擇。10.2.2軸上零件的定位

為了防止軸上零件工作時(shí)發(fā)生沿軸向或周向的相對(duì)運(yùn)動(dòng)(除了有運(yùn)動(dòng)要求的)，都必須進(jìn)行軸向和周向的定位，以保證零件有準(zhǔn)確、可靠的工作位置。

1．零件的軸向定位零件在軸上的軸向定位方式很多，各有特點(diǎn)，常用的有以下幾種：

1)軸肩和軸環(huán)軸肩和軸環(huán)指軸上相鄰兩軸段直徑變化而形成的結(jié)構(gòu)，如圖10-8(a)所示為軸肩，圖10-8(b)所示為軸環(huán)。軸肩和軸環(huán)對(duì)軸上零件起單向定位的作用，可承受較大的軸向力。為了使零件的端面與軸肩定位面貼緊而達(dá)到定位準(zhǔn)確、可靠的目的，軸肩圓角半徑r必須小于零件輪轂孔的圓角半徑R或倒角C，圖10-8(c)、(d)所示為錯(cuò)誤結(jié)構(gòu)。軸肩或軸環(huán)的高度h必須大于R或C，通?？扇＝(0.07~0.1)d(d為與零件相配處的軸的直徑，mm)。與滾動(dòng)軸承配合處的軸肩尺寸，可查軸承的裝配尺寸。軸環(huán)的寬度b≈1.4h。零件輪轂孔端的圓角半徑與倒角的數(shù)值可查工程手冊(cè)。圖10-8軸肩和軸環(huán)(a)軸肩；(b)軸環(huán)；(c)、(d)錯(cuò)誤結(jié)構(gòu)

2)套筒與圓螺母當(dāng)兩零件之間不能用軸肩或軸環(huán)定位時(shí)，可用套筒(如圖10-7中左端軸承與齒輪間的定位套筒)或圓螺母(如圖10-9所示)定位。用套筒定位的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、定位可靠，且軸上不需開(kāi)槽、鉆孔和切制螺紋，故不影響軸的疲勞強(qiáng)度，適用于兩零件間的距離較小的場(chǎng)合，可避免增加軸系結(jié)構(gòu)質(zhì)量。此外，套筒與軸的配合較松，故軸的轉(zhuǎn)速很高時(shí)不宜采用套筒。用圓螺母定位的特點(diǎn)是裝拆方便、工作可靠，但需要在軸上切制螺紋，從而引起應(yīng)力集中，使軸的疲勞強(qiáng)度有所降低，故適用于軸端零件的定位。當(dāng)兩零件之間的距離較遠(yuǎn)時(shí)，用圓螺母代替套筒定位可減小軸系結(jié)構(gòu)的重量。套筒與圓螺母都可承受較大的軸向力。圖10-9雙圓螺母定位

3)軸端擋圈和圓錐面如圖10-10所示，用軸端擋圈定位，裝拆較方便，可用于固定軸端零件，可承受劇烈的振動(dòng)和沖擊載荷。軸端擋圈和圓錐面結(jié)合起來(lái)使用，能消除軸與輪轂孔之間的徑向間隙，適用于同心度要求高的零件，并可實(shí)現(xiàn)雙向的軸向定位。

4)彈性擋圈如圖10-11所示，用彈性擋圈進(jìn)行軸上零件的定位和固定，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，但其只能承受很小的軸向力。

5)緊定螺釘如圖10-12所示，緊定螺釘常用于光軸上零件的定位，適用于軸向力很小、軸的轉(zhuǎn)速很低的場(chǎng)合。圖10-10軸端擋圈及圓錐面定位圖10-11彈性擋圈定位圖10-12緊定螺釘定位

2．零件的周向定位

零件在軸上的周向定位的目的是為了使零件與軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)并傳遞轉(zhuǎn)矩。周向定位的方法也很多，常用的方法有鍵連接、花鍵連接、銷連接、型面連接和過(guò)盈配合連接等，如圖10-13所示。此外，緊定螺釘和圓錐面也有周向定位的作用，但只用在轉(zhuǎn)矩不大的場(chǎng)合。圖10-13周向定位和固定方法(a)平鍵連接；(b)花鍵連接；(c)圓錐銷連接；(d)型面連接；(e)過(guò)盈配合連接10.2.3軸的結(jié)構(gòu)工藝性

軸的結(jié)構(gòu)應(yīng)具有良好的結(jié)構(gòu)工藝性，即軸的結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量簡(jiǎn)單、便于加工、便于軸上零件的裝拆，有利于減少應(yīng)力集中，提高軸的疲勞強(qiáng)度。按照?qǐng)D10-7所示的軸上零件的安裝方案，軸的各段直徑由兩端向中間逐漸增大。有配合要求的部位(如裝滾動(dòng)軸承、齒輪等處)，為了裝拆方便和減少配合表面的擦傷，配合軸段前的直徑應(yīng)減小1~3mm。如圖10-7中，將安裝軸承和齒輪之前的軸段②、③的直徑縮小。為了保證零件的軸向定位準(zhǔn)確、可靠，安裝傳動(dòng)零件的軸頭長(zhǎng)度應(yīng)較相配零件輪轂的長(zhǎng)度短2~3mm，如圖中安裝齒輪和帶輪的軸頭長(zhǎng)度比零件輪轂的長(zhǎng)度短。安裝滾動(dòng)軸承的軸肩高度應(yīng)低于軸承的內(nèi)圈,以便拆卸軸承。確定軸的各段直徑時(shí)，有配合要求的軸頭應(yīng)采用標(biāo)準(zhǔn)直徑。安裝滾動(dòng)軸承、密封圈部位的軸頸，應(yīng)與相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)件的內(nèi)徑一致。為了便于加工，需要磨削加工的軸端，應(yīng)留有砂輪的越程槽，如圖10-14(a)和圖10-7中軸段⑦的砂輪越程槽；需要切制螺紋的軸段，應(yīng)留有退刀槽，如圖10-14(b)和圖10-9所示；為了便于裝配零件并去除毛刺和銳邊，軸端應(yīng)切制出45°倒角；為了減小應(yīng)力集中，不同直徑的軸段連接處應(yīng)有圓角過(guò)渡。這些尺寸可參閱有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)或手冊(cè)。為了減少夾裝工件的時(shí)間，同一軸上不同軸段的鍵槽應(yīng)布置在軸的同一母線上。為了減少加工刀具的種類和提高生產(chǎn)率，軸上直徑相近處的圓角、倒角、鍵槽寬度、砂輪越程槽和退刀槽寬度等應(yīng)盡可能采用相同尺寸。圖10-14砂輪越程槽和螺紋退刀槽(a)越程槽；(b)退刀槽10.3軸的計(jì)算

軸的計(jì)算通常是在初步完成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之后進(jìn)行，計(jì)算的內(nèi)容是由軸的失效形式確定的。軸的失效，主要是因強(qiáng)度不足而發(fā)生斷裂或產(chǎn)生過(guò)大的塑性變形，或者是因剛度不足而產(chǎn)生過(guò)大的彈性變形。所以，對(duì)于一般的軸主要是進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算和剛度計(jì)算。此外，對(duì)于高速軸必要時(shí)還應(yīng)進(jìn)行振動(dòng)穩(wěn)定性計(jì)算。10.3.1軸的強(qiáng)度計(jì)算

軸的強(qiáng)度計(jì)算一般可分三種：①按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件計(jì)算；②按彎扭合成強(qiáng)度計(jì)算；③精確強(qiáng)度校核計(jì)算。下面介紹常用的計(jì)算方法。

1．按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件計(jì)算

這種計(jì)算方法是只按軸所受扭矩計(jì)算軸的強(qiáng)度。如果軸還受彎矩的作用時(shí)，可用降低許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力的辦法考慮彎矩影響。在設(shè)計(jì)軸時(shí)，一般按這種計(jì)算方法估算軸的直徑，然后進(jìn)行軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。對(duì)于實(shí)心圓軸，其扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件為式中：τp——扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力(MPa)；

T——軸所受的扭矩(N·mm)；

Wp——軸的抗扭截面系數(shù)，；(10-1)

P——軸傳遞的功率(kW)；

n——軸的轉(zhuǎn)速(r/min)；

d——計(jì)算截面處軸的直徑(mm)；［τp］——許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力(MPa)，其值見(jiàn)表10-2。由式(10-1)可得軸的直徑式中，，其值可查表10-2。對(duì)于空心軸，其外徑可由下式計(jì)算：(10-2)(10-3)式中，α為空心軸的內(nèi)徑d1與外徑d之比，即，通常取α=0.5~0.6。需要注意的是：當(dāng)軸的截面開(kāi)有鍵槽時(shí)，應(yīng)將求得的直徑增大，以考慮鍵槽對(duì)軸的強(qiáng)度的削弱。對(duì)于直徑d≤100mm的軸，有一個(gè)鍵槽時(shí)，軸徑增大5%～7%；有兩個(gè)鍵槽時(shí)，軸徑增大10%～15%。對(duì)于直徑d＞100mm的軸，有一個(gè)鍵槽時(shí)，軸徑增大3%；有兩個(gè)鍵槽時(shí)，軸徑增大7%。然后將計(jì)算直徑圓整為標(biāo)準(zhǔn)值。這樣確定的軸徑，在軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，一般作為軸的最小直徑dmin。表10-2軸常用材料的［τp］和A0值

2.按彎扭合成強(qiáng)度計(jì)算經(jīng)過(guò)扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度計(jì)算確定出轉(zhuǎn)軸的最小直徑后，就可進(jìn)行軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可確定出軸的主要尺寸、零件的工作位置以及外載荷和支反力的位置，進(jìn)而可求得支反力和彎矩。這時(shí)，可按彎扭合成強(qiáng)度條件校核軸的強(qiáng)度?，F(xiàn)以圖10-15(a)所示的斜齒圓柱齒輪減速器中的轉(zhuǎn)軸為例，介紹軸的彎扭合成強(qiáng)度校核的步驟。

(1)繪出軸的計(jì)算簡(jiǎn)圖受力圖(如圖10-15(b)所示)。將作用在軸上的力分解到水平面和垂直平面內(nèi)，并分別求出各平面內(nèi)的支反力。

(2)繪出水平面的彎矩MH圖(如圖10-15(c)所示)。

(3)繪出垂直平面的彎矩MV圖(如圖10-15(d)所示)。圖10-15軸的結(jié)構(gòu)及計(jì)算簡(jiǎn)圖

(4)計(jì)算合成彎矩，繪出合成彎矩M圖(如圖10-15(e)所示)。

(5)繪出扭矩T圖(如圖10-15(f)所示)。

(6)校核軸的強(qiáng)度。按第三強(qiáng)度理論，求出危險(xiǎn)截面(即彎矩和扭矩大而軸的直徑可能不足的截面)的計(jì)算應(yīng)力為

通常由彎矩產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力σ是對(duì)稱循環(huán)變應(yīng)力，而由扭矩產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力τp常常是非對(duì)稱循環(huán)變應(yīng)力?？紤]到兩種應(yīng)力循環(huán)特征不同的影響，引入應(yīng)力折算系數(shù)k，則計(jì)算應(yīng)力為(10-4)式中的彎曲應(yīng)力為對(duì)稱循環(huán)變應(yīng)力。當(dāng)扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為對(duì)稱循環(huán)變應(yīng)力時(shí)，取k=1；當(dāng)扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為脈動(dòng)循環(huán)變應(yīng)力時(shí)，取k=0.6；當(dāng)扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為靜應(yīng)力時(shí)，取k=0.3。對(duì)于實(shí)心圓軸，彎曲應(yīng)力，其中抗彎截面系數(shù)，即Wp=2Wz，則軸的彎扭合成強(qiáng)度條件為(10-5)式中：σr3——軸的計(jì)算應(yīng)力(MPa)；

M——軸所受的彎矩(N·mm)；

T——軸所受的扭矩(N·mm)；

Wz——軸的抗彎截面系數(shù)(mm3)；

d——計(jì)算截面處軸的直徑(mm);［σ－1］——對(duì)稱循環(huán)變應(yīng)力時(shí)軸的許用彎曲應(yīng)力(MPa)，其值按表10-1選取。10.3.2軸的剛度計(jì)算

軸在載荷作用下，會(huì)產(chǎn)生彎曲或扭轉(zhuǎn)變形。當(dāng)軸的剛度不足時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生過(guò)大的變形量，影響機(jī)器的正常工作。因此，機(jī)器的工作性能對(duì)軸的剛度要求較高時(shí)，還應(yīng)對(duì)軸的剛度進(jìn)行校核計(jì)算。軸的剛度校核計(jì)算包括彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度計(jì)算。彎曲剛度以撓度和偏轉(zhuǎn)角度量，扭轉(zhuǎn)剛度以扭轉(zhuǎn)角度量。軸的剛度條件為撓度：y≤［y］偏轉(zhuǎn)角：θ≤［θ］扭轉(zhuǎn)角：φ≤［φ］式中，軸的撓度y、偏轉(zhuǎn)角θ、扭轉(zhuǎn)角φ可按材料力學(xué)中的計(jì)算方法求得，其許用值［y］、［θ］、［φ］可在相關(guān)設(shè)計(jì)手冊(cè)中查得。10.4軸轂聯(lián)接

軸轂聯(lián)接是指軸與軸上零件之間的聯(lián)接，其作用是實(shí)現(xiàn)周向固定以傳遞轉(zhuǎn)矩。常用的有鍵連接、花鍵連接、過(guò)盈配合連接、型面連接等。10.4.1鍵聯(lián)接

1．鍵聯(lián)接的類型、特點(diǎn)及應(yīng)用

鍵聯(lián)接的主要類型有：平鍵聯(lián)接、半圓鍵聯(lián)接、楔鍵聯(lián)接和切向鍵聯(lián)接。鍵已標(biāo)準(zhǔn)化。現(xiàn)將鍵聯(lián)接的各種類型介紹如下。

1)平鍵聯(lián)接常用的平鍵聯(lián)接分普通平鍵聯(lián)接、導(dǎo)向平鍵聯(lián)接和滑鍵聯(lián)接。普通平鍵聯(lián)接如圖10-16(a)所示。鍵的兩側(cè)面是工作面，工作時(shí)，靠鍵與鍵槽側(cè)面的擠壓來(lái)傳遞轉(zhuǎn)矩。平鍵聯(lián)接結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、對(duì)中性好、裝拆方便，但不能實(shí)現(xiàn)軸上零件的軸向固定。

(1)普通平鍵，按端部形狀的不同又分圓頭(A型)、方頭(B型)及單圓頭(C型)三種。圓頭平鍵(如圖10-16(b)所示)在軸上的鍵槽是用指狀鍵槽銑刀在立式銑床上加工的，故鍵槽兩端具有與鍵相同的形狀，鍵在鍵槽中軸向固定良好，但鍵槽端部的應(yīng)力集中較大；方頭平鍵(如圖10-16(c)所示)在軸上的鍵槽是用盤銑刀在臥式銑床上加工的，鍵槽端部的應(yīng)力集中較??；單圓頭平鍵(如圖10-16(d)所示)常用于軸端與軸上零件的聯(lián)接。圖10-16普通平鍵聯(lián)接

(2)導(dǎo)向平鍵聯(lián)接，用于連接在工作時(shí)必須在軸上沿軸向移動(dòng)的零件(如變速箱中的滑移齒輪)。導(dǎo)向平鍵(如圖10-17所示)是一種較長(zhǎng)的平鍵，用螺釘固定在軸上的鍵槽中，為了拆卸方便，鍵上制有起鍵螺紋孔。鍵與軸上的鍵槽是間隙配合，用于軸上的零件沿軸向移動(dòng)距離不大的場(chǎng)合。

(3)滑鍵聯(lián)接。當(dāng)零件移動(dòng)的距離較大時(shí)，宜采用滑鍵(如圖10-18所示)?；I固定在輪轂上，輪轂帶動(dòng)滑鍵在軸上的鍵槽中作軸向滑移。

2)半圓鍵聯(lián)接半圓鍵聯(lián)接如圖10-19所示，與平鍵一樣，鍵的兩側(cè)面為工作面，定心性好。軸上鍵槽用尺寸與半圓鍵相同的半圓鍵槽銑刀銑出，因而鍵在槽中能繞其幾何中心擺動(dòng)，以適應(yīng)輪轂鍵槽的斜度，尤其適用于錐形軸端與輪轂的連接。其缺點(diǎn)是軸上鍵槽較深，對(duì)軸的強(qiáng)度削弱較大，故一般適用于輕載聯(lián)接。圖10-17導(dǎo)向平鍵聯(lián)接圖10-18滑鍵聯(lián)接圖10-19半圓鍵聯(lián)接

3)楔鍵聯(lián)接楔鍵聯(lián)接如圖10-20所示。楔鍵的工作面是上、下兩面，其上表面和輪轂鍵槽底面均具有1∶100的斜度，裝配時(shí)需沿鍵的軸向楔緊。楔緊后上、下兩面分別與輪轂和軸上鍵槽的底面貼合，并產(chǎn)生很大的壓緊力。工作時(shí)，依靠此壓緊力所產(chǎn)生的摩擦力來(lái)傳遞轉(zhuǎn)矩，同時(shí)還可以承受單向的軸向載荷，對(duì)輪轂起到單向的軸向固定作用。由于楔緊后會(huì)使軸和輪轂的配合產(chǎn)生偏心和偏斜，并在沖擊、變載荷下容易松脫，因而楔鍵僅適用于對(duì)定心精度要求不高、載荷平穩(wěn)的低速場(chǎng)合。楔鍵分為普通楔鍵和鉤頭楔鍵(如圖10-20(c)所示)兩種，普通楔鍵有圓頭(如圖10-20(a)所示)、平頭(如圖10-20(b)所示)和單圓頭三種型式。鉤頭楔鍵的鉤頭供拆卸用，安裝在軸端時(shí)，應(yīng)注意加裝防護(hù)罩。圖10-20楔鍵聯(lián)接(a)圓頭楔鍵；(b)平頭楔鍵；(c)鉤頭楔鍵

4)切向鍵聯(lián)接切向鍵聯(lián)接如圖10-21所示。切向鍵是由一對(duì)斜度為1∶100的楔鍵組成。裝配時(shí)，兩鍵的斜面互相貼合，分別從輪轂的兩端打入，沿軸的切線方向共同楔緊在軸、轂之間。兩鍵拼合后，相互平行的兩個(gè)窄面是其工作面。切向鍵裝配后，必須使其一個(gè)工作面通過(guò)軸心線，靠上、下兩面擠壓力和軸與輪轂間的摩擦力來(lái)傳遞轉(zhuǎn)矩。用一個(gè)切向鍵時(shí)，只能傳遞單向轉(zhuǎn)矩；當(dāng)傳遞雙向轉(zhuǎn)矩時(shí)，必須用兩對(duì)切向鍵，兩鍵槽按120°~135°布置。其優(yōu)點(diǎn)是承載能力很大，缺點(diǎn)是裝配后軸和轂的對(duì)中性差，鍵槽對(duì)軸的削弱較大，因此常用于直徑大于100mm、低速、重載、定心精度要求不高的場(chǎng)合，例如重型機(jī)械和礦山機(jī)械的軸轂連接。圖10-21切向鍵聯(lián)接(a)單向傳動(dòng)；(b)雙向傳動(dòng)

2．鍵聯(lián)接的強(qiáng)度計(jì)算

平鍵為標(biāo)準(zhǔn)件，設(shè)計(jì)鍵聯(lián)接時(shí)，應(yīng)先根據(jù)鍵聯(lián)接的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、使用要求和工作條件來(lái)選擇鍵的類型，然后按鍵的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格和強(qiáng)度要求來(lái)確定鍵的尺寸。

1)鍵的尺寸選擇鍵的主要尺寸為鍵寬b、鍵高h(yuǎn)與長(zhǎng)度L。鍵的截面尺寸b×h按軸的直徑d由標(biāo)準(zhǔn)中選定。鍵的長(zhǎng)度L一般應(yīng)略短于輪轂的長(zhǎng)度；而導(dǎo)向平鍵則按輪轂的長(zhǎng)度及其滑動(dòng)距離確定。一般輪轂的長(zhǎng)度可取為L(zhǎng)′≈(1.5~2)d，這里d為軸的直徑。所選定的鍵長(zhǎng)亦應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的長(zhǎng)度系列。普通平鍵和普通楔鍵的主要尺寸見(jiàn)表10-3。重要的鍵聯(lián)接在選出鍵的類型和尺寸后，還應(yīng)進(jìn)行強(qiáng)度校核計(jì)算。表10-3普通平鍵和普通楔鍵的主要尺寸

2)鍵聯(lián)接強(qiáng)度計(jì)算

(1)平鍵聯(lián)接強(qiáng)度計(jì)算。平鍵連接工作時(shí)的受力情況見(jiàn)圖10-22。用于靜聯(lián)接的普通平鍵聯(lián)接，其主要失效形式是工作面被壓潰。除非有嚴(yán)重過(guò)載，一般不會(huì)出現(xiàn)鍵的剪斷(如圖10-22中沿a-a面剪斷)。因此，對(duì)于普通平鍵聯(lián)接通常只按工作面上的擠壓應(yīng)力進(jìn)行強(qiáng)度校核計(jì)算。用于動(dòng)聯(lián)接的導(dǎo)向平鍵聯(lián)接和滑鍵聯(lián)接，其主要失效形式是工作面的過(guò)度磨損。因此，通常只按工作面上的壓力進(jìn)行條件性的強(qiáng)度校核計(jì)算。假定載荷在鍵的工作面上均勻分布，普通平鍵聯(lián)接的強(qiáng)度條件為(10-6)圖10-22平鍵聯(lián)接受力情況導(dǎo)向平鍵聯(lián)接和滑鍵聯(lián)接的強(qiáng)度條件為式中：T——傳遞的轉(zhuǎn)矩，T=F·y≈F

(N·mm)；

k——鍵與輪轂鍵槽的接觸高度，k＝0.5h，此處h為鍵的高度(mm)；

l——鍵的工作長(zhǎng)度(mm)。圓頭平鍵l＝L－b，平頭平鍵l＝L，這里L(fēng)為鍵的公稱長(zhǎng)度(mm)；b為鍵的寬度(mm)；

d——軸的直徑(mm)；［σbs］——鍵、軸、輪轂三者中最弱材料的許用擠壓應(yīng)力(MPa)，見(jiàn)表10-4;［p］——鍵、軸、輪轂三者中最弱材料的許用壓力(MPa)，見(jiàn)表10-4。(10-7)表10-4鍵聯(lián)接的許用擠壓應(yīng)力、許用壓力

(2)半圓鍵聯(lián)接強(qiáng)度計(jì)算。半圓鍵聯(lián)接的受力情況(圖10-23)與普通平鍵聯(lián)接的受力情況相同，其主要失效形式是工作面被壓潰。因此，只按工作面的擠壓應(yīng)力進(jìn)行強(qiáng)度校核計(jì)算，強(qiáng)度條件同式(10-6)。應(yīng)注意的是：半圓鍵的接觸高度k應(yīng)根據(jù)鍵的尺寸從標(biāo)準(zhǔn)中查??；半圓鍵的工作長(zhǎng)度l近似地取鍵的公稱長(zhǎng)度L。圖10-23半圓鍵聯(lián)接的受力情況10.4.2花鍵聯(lián)接

花鍵聯(lián)接是由鍵與軸做成一體的外花鍵(如圖10-24(a)所示)和具有相應(yīng)凹槽的內(nèi)花鍵(如圖10-24(b)所示)組成，多個(gè)鍵齒在軸和輪轂孔周向均布。但是，由于結(jié)構(gòu)形式和制造工藝的不同，與平鍵聯(lián)接比較，花鍵聯(lián)接在強(qiáng)度、工藝和使用方面具有諸多優(yōu)點(diǎn)：①齒數(shù)較多，總接觸面積較大，因而可承受較大的載荷；②因槽較淺，齒根處應(yīng)力集中較小，軸與轂的強(qiáng)度削弱較少；③軸上零件與軸的對(duì)中性(這對(duì)高速及精密機(jī)器很重要)和導(dǎo)向性較好(這對(duì)動(dòng)聯(lián)接很重要)；④可用磨削的方法提高加工精度及聯(lián)接質(zhì)量。其缺點(diǎn)是齒根仍有應(yīng)力集中；需用專門設(shè)備加工，成本較高。因此，花鍵聯(lián)接適用于定心精度要求高、載荷大的靜聯(lián)接或動(dòng)聯(lián)接。花鍵聯(lián)接按鍵齒形不同可分矩形花鍵聯(lián)接(如圖10-25(a)所示)和漸開(kāi)線花鍵聯(lián)接(如圖10-25(b)所示)兩種。圖10-24花鍵聯(lián)接(a)外花鍵；(b)內(nèi)花鍵圖10-25花鍵聯(lián)接的類型(a)矩形花鍵聯(lián)接；(b)漸開(kāi)線花鍵聯(lián)接10.4.3過(guò)盈聯(lián)接

過(guò)盈聯(lián)接是利用互相配合的零件間的裝配過(guò)盈量來(lái)實(shí)現(xiàn)聯(lián)接的。如圖10-26所示為兩光滑圓柱面的過(guò)盈配合聯(lián)接，包容件的配合尺寸制造得小于被包容件的配合尺寸。裝配后的配合面上產(chǎn)生了很大的徑向壓力，工作時(shí)靠此壓力所產(chǎn)生的摩擦力來(lái)傳遞轉(zhuǎn)矩或軸向力。過(guò)盈聯(lián)接的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、對(duì)中性好、承載能力較大、承受沖擊性能好、對(duì)軸削弱少，但配合面加工精度要求高、裝拆不便。過(guò)盈聯(lián)接主要用于軸與轂的聯(lián)接、輪圈與輪芯的聯(lián)接以及滾動(dòng)軸承與軸或座孔的聯(lián)接等。圖10-26過(guò)盈配合聯(lián)接10.4.4脹套聯(lián)接

如圖10-27所示，脹套聯(lián)接是利用在軸和轂孔之間裝入的一對(duì)或幾對(duì)脹緊聯(lián)接套，在軸向力的作用下，同時(shí)脹緊軸和轂孔而形成的一種軸轂聯(lián)接。當(dāng)擰緊螺母或螺釘時(shí)，在軸向力的作用下，內(nèi)、外脹套相互楔緊，使內(nèi)套縮小而箍緊軸，外套長(zhǎng)大而擠緊轂孔，從而使接觸面之間產(chǎn)生壓緊力。工作時(shí)，利用壓緊力產(chǎn)生的摩擦力來(lái)傳遞轉(zhuǎn)矩或軸向力。圖10-27脹套聯(lián)