第11章-鍵鏈接、銷連接及其他常用連接

第11章鍵連接、銷連接及其他常用連接11.1鍵連接鍵連接由鍵、軸和輪轂組成，它主要用以實現(xiàn)軸和輪轂的周向固定和傳遞轉(zhuǎn)矩。鍵連接的主要類型有：平鍵連接、半圓鍵連接、楔鍵連接和切向鍵連接。它們均已標準化。11.1.1平鍵連接如圖11.1a)所示，平鍵的兩側(cè)面是工作面，平鍵的上表面與輪轂槽底之間留有間隙。這種鍵的定心性好，裝拆方便，應(yīng)用廣泛。常用的平鍵有普通平鍵和導(dǎo)向平鍵。普通平鍵按其結(jié)構(gòu)可分為圓頭（稱為A型）、方頭（稱為B型）和單圓頭（稱為C型）三種。圖11.1b)為A型鍵，A型鍵在鍵槽中固定良好，但軸上鍵槽引起的應(yīng)力集中較大。圖11.1c)為B型鍵，B型鍵克服了A型鍵的缺點，當(dāng)鍵尺寸較大時，宜用緊定螺釘將鍵固定在鍵槽中，以防松動。圖11.1d)為C型鍵，C型鍵主要用于軸端與輪轂的連接。圖11.1e)為導(dǎo)向平鍵，該鍵較長，鍵用螺釘固定在鍵槽中，鍵與輪轂之間采用間隙配合，軸上零件可沿鍵作軸向滑移。a)b)c)d)e)圖11.1平鍵連接11.1.2半圓鍵連接圖11.2所示為半圓鍵，半圓鍵的工作面也是鍵的兩個側(cè)面。軸上鍵槽用與半圓鍵尺寸相同的鍵槽銑刀銑出，半圓鍵可在槽中繞其幾何中心擺動以適應(yīng)轂槽底面的傾斜。這種鍵連接的特點是工藝性好，裝配方便，尤其適用于錐形軸端與輪轂的連接；但鍵槽較深，對軸的強度削弱較大，一般用于輕載靜連接。圖11.2半圓鍵連接11.1.3楔鍵連接和切向鍵連接圖11.3所示為楔鍵連接，楔鍵的上、下兩面為工作面。楔鍵的上表面和與它相配合的輪轂鍵槽底面均有1:100的斜度。裝配時將楔鍵打入，使楔鍵楔緊在軸和輪轂的鍵槽中，楔鍵的上、下表面受擠壓，工作時靠這個擠壓作用產(chǎn)生的摩擦力傳遞轉(zhuǎn)矩。如圖11.3所示，楔鍵分為普通楔鍵和鉤頭楔鍵兩種，鉤頭楔鍵的鉤頭是為了方便拆卸而設(shè)計的。圖11.3楔鍵連接楔鍵連接的主要缺點是鍵楔緊后，軸和輪轂的配合產(chǎn)生偏心和偏斜，因此楔鍵連接一般用于定心精度要求不高和低轉(zhuǎn)速的場合。圖11.4a)所示為切向鍵。切向鍵是由一對楔鍵組成的，裝配時將切向鍵沿軸的切線方向楔緊在軸與輪轂之間。切向鍵的上、下面為工作面，工作面上的壓力沿軸的切線方向作用，能傳遞很大的轉(zhuǎn)矩。用一對切向鍵時，只能單向傳遞轉(zhuǎn)矩，當(dāng)要雙向傳遞轉(zhuǎn)矩時，須采用兩對互成120°分布的切向鍵圖11.4b）。由于切向鍵對軸的強度削弱較大，因此常用于直徑大于100mm的軸上。a）b）圖11.4切向鍵連接11.1.4花鍵連接如圖11.5所示，花鍵連接是由周向均布多個鍵齒的花鍵軸與帶有相應(yīng)鍵齒槽的輪轂孔相配而成?；ㄦI齒的側(cè)面為工作面，工作時有多個鍵齒同時傳遞轉(zhuǎn)矩，所以花鍵連接的承載能力比平鍵連接高得多?；ㄦI連接的導(dǎo)向性好，齒根處的應(yīng)力集中較小，適用于傳遞載荷大、定心精度要求高或者經(jīng)常需要滑移的連接?；ㄦI按齒形可分為矩形花鍵，如圖11.5a）所示；漸開線花鍵，如圖11.5b所示；以及三角形花鍵，如圖11.5c）所示?；ㄦI可用于靜連接和動連接。花鍵已經(jīng)標準化，例如矩形花鍵的齒數(shù)z、小徑d、大徑D、鍵寬B等可以根據(jù)軸徑查標準選定，其強度計算方法與平鍵相似。花鍵的加工需要專用設(shè)備。a) b) c)圖11.5花鍵連接11.1.5平鍵連接的選擇與計算設(shè)計鍵連接時，先根據(jù)工作要求選擇鍵的類型，再根據(jù)裝鍵處的軸徑d查取鍵的寬度b和高度h,如表11.1所示，并參照輪轂長度選取鍵的長度L，最后進行鍵連接的強度校核。表11.1普通平鍵和鍵槽的尺寸（摘自GB/T1095-2003、GB/T1096-2003）mm軸的直徑d鍵的尺寸鍵槽軸的直徑d鍵的尺寸鍵槽bhLtt1bhLtt1>8~10>10~12>12~17>17~22>22~30>30~3834568103456786~368~4510~5614~7018~9022~1101.82.53.03.54.05.01.41.82.32.83.33.3>38~44>44~50>50~58>58~65>65~75>75~85121416182022891011121428~14036~16045~18050~20056~22063~2505.05.56.07.07.59.03.33.84.34.44.95.4L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、250……注：在工作圖中，軸槽深用（d-t）或t標注，轂槽深用（d+t1）或t1標注。鍵的材料一般采用抗拉強度不低于600N/mm2的碳素鋼。平鍵連接的主要失效形式是工作面的壓潰，除非有嚴重的過載，一般不會出現(xiàn)鍵的剪斷。因此，通常只按工作面上擠壓應(yīng)力進行強度校核計算。導(dǎo)向平鍵連接的主要失效形式是過度磨損，因此，一般按工作面上的壓強進行條件性強度校核計算。如圖11.6所示，假定載荷在鍵的工作面上均勻分布，并假設(shè)。則普通平鍵連接的擠壓強度條件為N/mm2 （11.1）式中，T為傳遞的轉(zhuǎn)矩，Nmm；d為軸徑，mm；h為鍵的高度，mm；Lc為鍵的計算長度（對A型鍵，Lc=L-b；對B型鍵，Lc=L；對C型鍵，Lc=L-b/2；），mm；[p]為鍵連接的許用擠壓應(yīng)力，N/mm2，見表11.2。對導(dǎo)向平鍵連接應(yīng)限制壓強p以避免過度磨損，即N/mm2 （11.2）式中，[p]為鍵連接的許用壓強，N/mm2，見表11.2。圖11.6平鍵上的受力表11.2鍵連接的許用擠壓應(yīng)力和許用壓強MPa許用值輪轂材料載荷性質(zhì)靜載荷輕微沖擊沖擊[p]鋼125~150100~12060~90鑄鐵70~8050~6030~45[p]鋼504030在設(shè)計計算中若單個鍵的強度不夠，可采用雙鍵按180°對稱布置?？紤]載荷分布不均勻性，在鍵強度校核計算中應(yīng)按1.5個鍵進行計算。例11.1根據(jù)例6.1設(shè)計的大齒輪結(jié)構(gòu)、例8.1設(shè)計的大帶輪結(jié)構(gòu)，分別選擇這些輪轂與軸連接的鍵，并進行強度校核。解：（1）齒輪與軸的鍵連接選用圓頭普通平鍵（A型）按齒輪孔徑d=55mm、齒寬B2=66mm，查表11.1可得鍵的尺寸：b=16mm、h=10mm、L=63mm。鍵的標記為：鍵161063GB/T1096-2003強度校核鍵的材料選用45號鋼，例6.1齒輪材料為45號鋼，查表11.2可得許用擠壓應(yīng)力[]p=100~120MPa。鍵的工作長度Lc=L-b=63-16=47mm，h=10mm，鍵所受的擠壓應(yīng)力為安全（2）V帶輪與軸的鍵連接選用單圓頭普通平鍵（C型）按帶輪孔徑d=30mm，帶輪寬B=65mm，查表11.1可得鍵的尺寸：b=8mm、h=7mm、L=63mm。鍵的標記為：鍵C8763GB/T1096-2003強度校核鍵的材料選用45號鋼，V帶輪材料為鑄鐵，查表11.2可得許用擠壓應(yīng)力[]p=50~60MPa。鍵的工作長度Lc=L-b/2=63-8/2=59mm，h=7mm，鍵所受的擠壓應(yīng)力為，安全。解畢。11.2銷連接及其它常用連接11.2.1銷連接銷連接主要用于固定零件之間的相對位置，并能傳遞較小的載荷，它還可以用于過載保護。按形狀的不同，銷可分為圓柱銷、圓錐銷和槽銷等。圓柱銷如圖11.8（a）所示，靠過盈配合固定在銷孔中，如果多次裝拆，其定位精度會降低。圓錐銷和銷孔均有150的錐度，如圖11.8（b）所示。因此安裝方便，定位精度高，多次裝拆不影響定位精度。如圖11.8（c）所示為端部帶螺紋的圓錐銷，它可用于盲孔或裝拆困難的場合。如圖11.8（d）所示為開尾圓錐銷，它適用于有沖擊、振動的場合。如圖11.8（e）所示為槽銷，槽銷上有三條縱向溝槽，槽銷壓入銷孔后，它的凹槽即產(chǎn)生收縮變形，借助材料的彈性而固定在銷孔中。多用于傳遞載荷，也適用于受振動載荷的連接。銷孔無需鉸制，加工方便，可多次裝拆。如圖11.8（f）所示為圓管型彈簧圓柱銷，在銷打入銷孔后，銷由于彈性變形而擠緊在銷孔中，可以承受沖擊和變載荷。圖11.7銷連接11.2.2成型連接如圖11.7所示，成型連接是由非圓剖面的軸與相應(yīng)的輪轂孔構(gòu)成的可拆連接。成型連接應(yīng)力集中小，能傳遞大扭矩，裝拆方便，但是加工工藝復(fù)雜，需要專用設(shè)備。（a） （b） （c） 圖11.7成型連接11.2.3鉚接如圖11.9所示，鉚釘連接（簡稱鉚接）是將鉚釘穿過被連接件的預(yù)制孔經(jīng)鉚合后形成的不可拆連接。鉚接的工藝簡單、耐沖擊、連接牢固可靠，但結(jié)構(gòu)較笨重，被連接件上有釘孔使其強度削弱，鉚接時噪聲很大。目前，鉚接主要用于橋梁、造船、重型機械及飛機制造等部門。圖11.9鉚釘連接11.2.4焊接焊接是利用局部加熱方法使兩個金屬元件在連接處熔融而構(gòu)成的不可拆連接。常用的焊接方法有電弧焊、氣焊和電渣焊等，其中電弧焊應(yīng)用最為廣泛。電弧焊是利用電焊機的低壓電流通過焊條（一個電極）與被焊接件（另一個電極）形成的電路，在兩極之間產(chǎn)生電弧來熔化被連接件的部分金屬和焊條，使熔化金屬混合并填充接縫而形成焊縫。常用的焊縫形式有對接焊縫和填角焊縫。如圖11.10（a）所示為對接焊縫，它用來連接在同一平面內(nèi)的焊接件，焊縫傳力較均勻。當(dāng)被焊接件厚度不大時，用平頭型對接焊縫，如圖11.10（b）所示；當(dāng)被連接件厚度較大時，為了保證焊透，需要預(yù)制各種形式的坡口，如圖11.10（c）~（g）所示。圖11.10焊縫與各種形式的坡口對接焊縫的主要失效形式是連接沿焊縫斷裂。當(dāng)焊縫受拉或者受壓時，其強度條件為 （11.3）式中，F(xiàn)為作用力；為被焊接件厚度；L為焊縫長度；[]’和[y]’分別為焊縫的抗拉、抗壓許用應(yīng)力。如圖11.11所示，填角焊縫主要用來連接不在同一平面上的被焊接件，焊縫剖面通常是等腰直角三角形。垂直于載荷方向的焊縫稱為橫向焊縫，如圖11.11（a）所示；平行于載荷方向的焊縫稱為縱向焊縫，如圖11.11（b）所示；兼有橫向、縱向或者斜向的焊縫稱為混合焊縫，如圖11.11（c）所示。（a） （b） （c）圖11.11 各種焊接形式填角焊縫的應(yīng)力情況復(fù)雜，其主要失效形式是焊縫沿計算截面a-a被剪斷。因此，通常按焊縫危險截面高度來計算焊縫總截面積S，即，對焊縫強度作抗剪切條件性計算。受拉力或者壓力時填角焊縫的強度條件為N/mm2 (11.4)式中，F(xiàn)為拉力或壓力，N；K為焊縫腰長，mm；L為焊縫總長度，mm；[τ]’為焊縫的許用剪切應(yīng)力，N/mm2。焊接的許用應(yīng)力取決于焊接工藝、焊條、被焊接件的材料、載荷性質(zhì)和焊接品質(zhì)。承受靜載荷時，焊縫的許用應(yīng)力如表11.3所示。特別地，對建筑結(jié)構(gòu)、船舶和壓力容器制造等行業(yè)，應(yīng)按專門的行業(yè)性焊接設(shè)計規(guī)范選取焊縫的許用應(yīng)力。表11.3焊縫的許用應(yīng)力應(yīng)力種類被焊接材料/MPaQ215Q235、Q255壓應(yīng)力[y]’拉應(yīng)力[]’切應(yīng)力[]’200180（200）140210180（210）140注：1.本表適用于常用的手工電弧焊條T42，也適用于熔劑層下表面材料的自動焊接。2．括號中數(shù)值用于精確方法檢查焊接質(zhì)量。3．對于單面焊接的角鋼元件，上述許用值均降低25%。焊接一般用于低碳鋼、低碳合金鋼和中碳鋼。一般地，低碳鋼無淬硬傾向，對焊接熱過程不敏感，焊接性好。焊條的材料一般應(yīng)選取與被焊接件相同或接近的材料。焊接強度高、工藝簡單、重量輕，在單件生產(chǎn)、新產(chǎn)品試制及復(fù)雜零件結(jié)構(gòu)情況下，采用焊接替代鑄造，可以提高生產(chǎn)效率，減少成本。但焊接后常常有殘余應(yīng)力和變形存在，不能承受嚴重的沖擊和振動；此外輕金屬的焊接技術(shù)還有待進一步完善，因此焊接還不能完全替代鉚接。11.2.5膠接膠接是利用直接涂在被連接件表面上的膠粘劑凝固粘結(jié)而形成的連接。常用的膠粘劑有酚醛乙烯、聚氨脂、環(huán)氧樹脂等。如圖11.12所示，膠接接頭的基本形式有對接、搭接和正交。膠接接頭設(shè)計時應(yīng)盡可能使粘結(jié)層受剪或者受壓，避免受拉。圖11.12膠接膠接工藝簡單、便于不同材料及極薄金屬間的連接，膠接的重量輕、耐腐蝕、密封性能好；但是，膠接接頭一般不宜在高溫及沖擊、振動條件下工作，膠接劑對膠接表面的清潔度有較高要求，結(jié)合速度慢，膠接的可靠性和穩(wěn)定性易受環(huán)境影響。11.2.6過盈連接過盈連接利用零件間的過盈配合實現(xiàn)連接。如圖11.13（a）所示，過盈配合連接件裝配后，包容件和被包容件的徑向變形使配合面間產(chǎn)生壓力；工作時靠此壓緊力產(chǎn)生的摩擦力（也稱固持力）來傳遞載荷，如圖11.13（b）所示；為了便于壓入，轂孔和軸端的倒角尺寸均有一定要求，如圖11.13（c）所示。圖11.13過盈連接過盈連接的裝配方法有壓入法和溫差法兩種。壓入法是在常溫下用壓力機等將被包容件直接壓入包容件中。壓入過程中，配合表面易被擦傷，從而降低連接的可靠性。過盈量不大時，一般采用壓入法裝配。溫差法就是加熱包容件或者冷卻被包容件，以形成裝配間隙進行裝配。采用溫差法，不易擦傷配合表面，連接可靠。過盈量較大或者對連接質(zhì)量要求較高時，宜采用溫差法裝配。過盈連接的過盈量不大時，允許拆卸，但