学习情境11 轴毂连接.doc

机械设计基础教案
学习情境11 轴毂连接
主讲教师
吴明清
指导教师

授课日期

授课班级
12
学习情境
任务13 轴毂连接
学时
2
能力目标
1、熟悉轴毂联接的基本类型及其特点与应用；
2、掌握平键联接的尺寸选择和强度校核方法。
训练项目
设计减速器中齿轮与轴的键联接
知识点
键连接的类型及应用，平键连接的选用和强度校核，花键联接，销连接，过盈配合连接，销连接的选择和计算。
教学重点与难点
掌握平键联接的尺寸选择和强度校核方法。
教学方法
任务驱动教学与典型案例讲解相结合
教学准备
课件，黑板，多媒体设备等。
检测与评价
职业能力(占70%)、职业素质(30%)； 评价成绩采用百分制。
教案设计
工作过程
工作内容
课前组织
（5min）
1． 清点学生人数；
2． 检查授课环境；
3． 链接多媒体课件。
任务导入
（5min）
轴毂联接是指轴与轮状零件（如齿轮、带轮等）的轮毂间的联接，其作用是实现周向及轴向固定或轴向移动导向，传递运动和动力。轴只有和轴上零件以合适的方式联接起来，才能实现其功用。轴—毂联接的结构形式多种多样，以满足不同机械传动的要求。本任务学习键联接、花键联接、过盈配合联接和销联接等常用的轴毂联接方式。
布置任务：设计减速器中齿轮与轴的键联接
任务要求：1．分析减速器中键联接的类型；
2．搞清普通平键的选择依据；
3．分析平键的失效形式及强度计算；
4．选择减速器中键联接类型和尺寸；

任务要求：1．分析减速器中的高速轴和低速轴, 区分它们的
结构，学生归纳轴的功用、类型和特点；
2．掌握轴的材料及选择依据；
3．明确轴的结构设计要求；
4. 分析轴的受力情况
5．计算轴的强度和刚度；
6．绘制轴的零件图。
资讯
（25min）

2.1键联接
2.1.1键联接的类型和应用
键是一种标准零件，通常用来实现轴与轮毂之间的周向固定并传递转矩，有的还能实现轴上零件的轴向固定或轴向滑动的导向。键联接主要有松键联接和紧键联接两大类，松键联接即在工作之前不存在预紧力，而紧键联接在工作之前就存在预紧力。松键联接有平键联接、半圆键联接，紧键联接有楔键联接和切向键联接。
1）平键联接
平键按用途不同可分为普通平键、导向平键和滑键。平键一半安装在轴的键槽内，另一半安装在轮毂的键槽内，键的上表面和轮毂的键槽底面间留有间隙。平键的两侧面是工作面，工作时，靠键同键槽侧面的挤压传递转矩。平键联接结构简单、装拆方便、加工容易、对中性较好，但不能承受轴向力，适用于传动精度要求较高的场合。
（1）普通平键联接
工作面

（a） （b） （c） （d）
图11-18 普通平键联接
普通平键用于静联接，即轴与轮毂之间无相对轴向移动的联接。按端部形状不同，普通平键分为A型(圆头)、B型(方头)和C型(单圆头)三种，如图11-18所示。A型键的键槽用指状铣刀加工，键在槽中固定较好，但键槽对轴的应力集中影响较大；B型键的键槽用盘形铣刀加工，轴的应力集中较小；C型键常用于轴端。
（2）导向平键和滑键联接
导向平键和滑键用于动联接，即轴与轮毂之间有相对轴向移动的联接。

图11-19 导键联接 图11-20 滑键联接
导键用螺钉固定在轴的键槽内，轮毂键槽与键是间隙配合，轴上零件能沿轴作轴向移动，如图11-19所示。为方便拆卸，在键的中部设有起键螺钉。导键联接适应于轴上零件作轴向移动量不大的场合。
滑键固定在轮毂上，轴上的键槽与键是间隙配合，轴上零件带着键沿轴上的键槽作轴向移动，如图11-20所示。滑键适应于轴上零件作轴向移动量较大的场合。
2）半圆键联接
工作面
工作面
工作面
半圆键用于静联接，与平键一样，两侧面为工作面。如图11-21所示，半圆键可以在轴的键槽内摆动，自动适应轮毂键槽底部的倾斜，转拆方便，特别适合于锥形轴端的联接。但轴上键槽过深，对轴的强度削弱较大，故常用于轻载场合。

图11-21 半圆键联接 图11-22 楔键联接
3）楔键联接
楔键的工作面是上下底面，楔键的上底面和轮毂键槽的底面都有1:100的斜度，装配后，键即楔紧在轴和轮毂的键槽里，其上下工作面就会产生很大的径向预紧力。工作时主要是靠摩擦力来传递转矩，且能承受单向的轴向力，但对中性较差，在冲击、振动或变载荷下，联接容易松动，适用于定心精度要求不高、载荷平稳、低速的场合。
楔键分普通楔键和钩头楔键，普通楔键有圆头、平头和单圆头三种型式，如图11-22所示。装配时，圆头楔键要先放入轴上键槽中，然后打紧轮毂；平头、单圆头和钩头楔键则在轮毂装好后才将键放入键槽并打紧。钩头楔键的钩头供拆卸用，安装在轴端时，应注意加装防护罩。
4）切向键联接
切向键由一对斜度为1︰100的楔键组成，其工作面是一对楔键沿斜面拼合后的上、下两个平行平面，被联接的轴和轮毂上都有相应的键槽，装配时，把一对楔键分别从轮毂两端打人，拼合而成的切向键就沿轴的切线方向楔紧在轴与轮毂之间，如图11-23所示。
工作时，靠工作面上的挤压力来传递转矩。用一个切向键时，只能传递单向转矩；当要传递双向转矩时，必须用两个切向键，两者间的夹角为120°~130°。由于切向键的键槽对轴的削弱较大，且定心性差，因此常用于轴径大于100mm、对中性要求不高而载荷很大的重型机械，例如大型带轮、大型飞轮、矿山用大型绞车的卷简等。

（a）单向传递转矩 （b）双向传递转矩
图11-23 切向键联接
2.1.2平键联接的选用和强度校核
1）平键的选择
键的选择包括类型选择和尺寸选择两个方面。键的类型应根据键联接的结构特点、使用要求和工作条件来选择；键的截面尺寸b×h按轴的直径d由标准中选定。键的长度L略短于轮毂的长度，并按标准规定的长度系列圆整。
2）平键的强度校核
用于静联接的普通平键联接主要失效形式是工作面被压溃，用于动联接的导向平键联接和滑键联接主要失效形式是工作面磨损。
假定载荷在键的工作面上均匀分布，普通平键联接的强度条件为
（11-7）
导向平键联接和滑键联接的限压条件为
（11-8）
式中：T—传递的转矩(T=F×d/2)，N·m；
k一键与轮毂键槽的接触高度，k=0.5h，h为键的高度，mm；
l—键的工作长度，mm。对A型平键l=L-b，B型平键l=L，C型平键l=L-b/2，这里L为键的公称长度，单位为mm；b为键的宽度，单位为mm；
d—轴的直径，mm；
[σp]—键、轴、轮毂三者中最弱材料的许用挤压应力，MPa，
[p]—键、轴、轮毂三者中最弱材料的许用压强，MPa，
键的材料采用抗拉强度不小于600MPa的碳素钢，通常为45钢。
如果键强度不够，可适当加长轮毂和键的长度，但键长不宜大于2.5d。如强度仍不够，可采用双键周向相隔180°布置，考虑到两键上载荷分配的不均匀性，在强度校核中只按l.5个键计算。

计划与决策（5min）

1.进行自愿分组。
2.学习相关知识。
3.明确工作思路。
4.讨论任务实施注意事项。
5.完成任务。
6.检查评价。
实施
（25min）

1．选择键联接的类型
一般 8 级以上精度的齿轮有定心精度的要求，齿轮与轴的联接应选用（A 型）平键。学生可以自己考虑在轴与联轴器联
接应采用什么型普通平键。
2．初选键的尺寸
键的截面尺寸应根据轴的直径确定，键的长度应根据齿轮
轮毂的长度确定，原则是键的长度比轮毂的长度稍短，并且要
符合键的长度系列。
3．校核键的强度
挤压强度校核
[
]导向平键联接和滑键联接的限压条件为

式中：T—传递的转矩(T=F×d/2)，N·m；
k一键与轮毂键槽的接触高度，k=0.5h，h为键的高度，mm；
l—键的工作长度，mm。对A型平键l=L-b，B型平键l=L，C型平键l=L-b/2，这里L为键的公称长度，单位为mm；b为键的宽度，单位为mm；
d—轴的直径，mm；
[σp]—键、轴、轮毂三者中最弱材料的许用挤压应力，MPa，
[p]—键、轴、轮毂三者中最弱材料的许用压强，MPa，
键的材料采用抗拉强度不小于600MPa的碳素钢，通常为45钢。
如果键强度不够，可适当加长轮毂和键的长度，但键长不宜大于2.5d。如强度仍不够，可采用双键周向相隔180°布置，考虑到两键上载荷分配的不均匀性，在强度校核中只按l.5个键计算。
检查与评价
（10min）

巡回指导检查，及时解答学生疑问。
评价有教师评价与学生自评与互评相结合。
评定形式
比例
评定内容
评定标准
得分
自我评定
20%
1.学习工作态度 5分
2.完成任务情况 5分
3.出勤情况 5分
4.独立工作能力 5分
积极【5】；一般【3】；不积极【0】
全部【5】；一半【3】；没有【1】
全勤【5】；缺两次【3】；30%【0】
强【5】；一般【3】；不强【1】

小组评定
30%
1.学习工作责任意识 5分
2.收集材料、调研能力 5分
3.汇报、交流、沟通能力 10分
4.团队协作精神 10分
强【5】；一般【3】；不强【0】
强【5】；一般【3】；不强【1】
强【10】；一般【6】；不强【2】
强【10】；一般【6】；不强【2】

教师评定
50%

1.集体学习工作过程状态 10分
2.计划制定、执行情况 10分
3.任务完成情况 15分
4.项目学习、实训报告 15分
积极【10】；一般【6】；较差【2】
好【10】；一般【6】；较差【2】
好【15】；一般【10】；较差【5】
【0】-【15】

任务拓展
（15min）
2.2花键联接
花键联接是轴和轮毂孔周向均匀分布多个纵向键齿构成的联接，如图11-24所示，工作时靠键齿和键槽的侧面互相挤压传递转矩。花键联接可用于静联接或动联接。
花键联接的优点是：（1）齿数较多，总接触面积较大，可承受较大的载荷；（2）键槽较浅，齿根处应力集中较小，轴与毂的强度削弱较少；（3）轴上零件与轴的对中性好和定向性较好。花键联接的缺点是齿根处仍有应力集中；需用专门设备加工，成本较高。花键联接适用于定心精度要求高、载荷大或经常滑移的联接。
花键联接按其齿形不同，有矩形花键、渐开线花键和三角形花键等三种。矩形花键的定心方式有小径定心、大径定心和齿侧定心三种方式，应用较广；渐开线花键键齿的根部强度高，应力集中小，齿上的径向力能起到自动定心作用，有利于各齿均匀承载，适宜于传递转矩较大且轴径也较大的场合；三角形花键齿细小而多，适用于薄壁零件的联接。

图11-24 花键联接

图11-25 销联接 图11-26 过盈配合联接
2.3销联接
销的主要用途是固定零件之间的相对位置，也用于轴和轮毂的联接或其他零件的联接，既起轴向定位和固定作用，同时又起周向定位和固定作用，通常只传递不大的载荷。销还可以用于安全装置中作为过载剪断元件，称为安全销。
销联接对轴引起较大的应力集中，通常用于轴端零件的定位。为保证销与轴及轮毂上的销孔配合良好，应对轴及轮毂上的销孔配钻并配铰。
销的型式较多，有圆柱销、圆锥销及其他特殊形式的销等。圆柱销用于不常拆卸的场合，圆锥销用于经常拆卸的场合。图11-25所示即为轴毂联接中的圆锥销。
销的材料常用35、45钢。
2.4过盈配合联接
如图11-26所示，过盈联接是利用轴与轮毂孔两配合零件间的过盈而形成的紧联接。轴的尺寸大于轮毂孔的尺寸，装配后，由于轮毂和轴的弹性变形，在配合面间产生很大的径向压力，工作时靠此压力产生的摩擦力来传递转矩或轴向力。
过盈配合联接结构简单、定向性好、对轴的削弱小、承载能力较大并能承受振动和冲击，但由于联接的承受能力直接取决于过盈量的大小，故对配合面加工精度要求较高，装拆比较困难。
过盈配合联接的装配方法有压入法和温差法。当过盈量和配合尺寸较小时，采用在常温下直接压入法装配；当过盈量和配合尺寸较大时，采用温差法进行装配。
3.1 销联接的选择和计算
销也是标准件。在设计销联接的时候，可先根据联接的结构特点和工作要求来选择销的类型和尺寸，必要时再作强度校核。
定位销通常不做强度校核，其直径按结构确定。联接销的直径可按结构特点按经验确定，必要时应校核其挤压和剪切强度。
3.2 销孔的配作
当用销进行联接或定位的时候，两个零件上的销孔必须是在装配时一起加工出来的，即同时钻孔和铰孔。在工艺上，称为配作。因此，在各自零件图的销孔尺寸上，应当注明“与件××配作”。图11 - 27(a)所示为圆柱销的销孔尺寸， 图11 - 27(b)所示为圆锥销的销孔尺寸。

图11 - 27 销孔的尺寸