花键连接是由带有多个纵向键齿的轴(外花键)与毂孔(内花键)组成的,如图3-10所示。花键可视为由多个平键组成,键齿侧面为工作面,依靠内、外花键齿侧面的相互挤压传递转矩。花键可用于静连接,也可用于动连接。
1.花键连接的特点
花键与其他键连接相比有以下优点:键齿数多,总接触面积较大,因而可承受较大的载荷;花键齿槽浅、齿根应力集中小,对轴的强度削弱较小;键齿对称布置,受力均匀。轴上零件与轴的对中性好;导向性好,适合于载荷较大、对定心要求高的连接,可用于动、静连接。因此,在机械制造业中得到了非常广泛的应用。
花键连接的缺点是:与平键相比结构比较复杂,故需要专用的设备和刀具进行加工,成本较高。
图3-10 花键的组成
图3-11 矩形花键连接
2.花键连接的分类
按齿形花键可分为两类:矩形花键连接(图3-11)和渐开线花键连接(图3-12)。
(1)矩形花键 矩形花键制造容易、应用广泛,按齿高的不同分轻、中两个系列,已标准化。轻系列的承载能力较低,多用于静连接,而中系列多用于中等载荷的连接。
花键连接有三个结合面,即大径、小径和侧面,确定配合性质的结合面称为定心表面,国家标准规定矩形花键以小径的结合面为定心表面,即外花键和内花键的小径作为配合表面,称小径定心或内径定心。制造时,轴和毂上的结合面都要经过磨削,定心精度高,定心稳定性好,表面硬度一般高于40HRC。
用外径定心。如图3-13a所示,轴、孔加工简单,孔可拉削,但硬度过高时拉刀拉不动,一般用于硬度<40HRC的情况。当内花键定心表面质量要求高( Ra <0.63μm)时,用拉削工艺也难以保证;在单件、小批量生产以及大规格的花键中,内花键也难以用拉削工艺,因为该加工方法不经济。
侧面定心如图3-13b所示,精度不高,但载荷分布均匀;承载能力高,但零件易移动,侧面易磨损,使对中性变坏。适用于定心要求不高的重载连接(静连接)。
在目前的实际生产中,也还有使用外径定心和侧面定心的矩形花键连接。
(2)渐开线花键 渐开线花键齿廓为渐开线,分度圆压力角有 α =30°和 α =45°两种,如图3-12所示,后者也称细齿渐开线花键或三角形花键,齿高较小,多用于薄壁容器。渐开线花键齿顶高有两种,分别为0.5 m 和0.4 m ( m 为模数),可用齿轮机床进行加工,工艺性较好,制造精度高,齿根圆角大,应力集中小,易于对心。但加工花键孔用渐开线拉刀,制造复杂,成本高,适用于传递大转矩、大直径的轴。
渐开线花键的定心方式为齿形定心,当齿受力时,齿上的径向力能起到自动定心的作用,因此定心性优于矩形花键。
图3-12 渐开线花键
图3-13 矩形花键定心方式
图3-14 花键连接的受力情况
花键连接的强度计算与平键连接类似,根据使用要求和连接的结构特点,选定花键连接的类型和尺寸,再进行必要的强度校核计算。花键连接的受力情况以图3-14所示的矩形花键为例进行分析,其主要失效形式是键齿的压溃(静连接)或磨损(动连接),所以一般进行抗压强度(静连接)或耐磨性验算:
静连接
动连接
式中 T ——传递的转矩(N·mm);
ψ ——载荷分配不均系数,与齿数多少有关,一般取 ψ =0.7~0.8,齿数多时取偏小值;
Z ——花键的齿数;
h
——花键齿侧面的工作高度(mm),矩形花键:
,此处
D
为花键的大径,
d
为花键的小径,
C
为倒角尺寸(图3-14);渐开线花
键 : α =30 ° 时 h = m , α =45 ° 时 h =0.8 m , m 为模数;
l ——齿的工作长度(mm);
d
m
——花键的平均直径(mm),矩形花键:
;渐开线花键:
d
m
=
d
,
d
为分度圆直径;
[ σ p ]——花键连接的许用挤压应力(MPa),见表3-2;
[ p ]——花键连接的许用压强(MPa),见表3-2。
表 3-2 花键连接的许用挤压应力 [ σ p ] 和压强 [ p ] (单位:MPa)
注:1.工作条件不良是指受变载荷、有双向冲击、振动频率高和振幅大、润滑不良(动连接)、材料硬度不高或精度不高等。
2.同一情况下,[ σ p ]或[ p ]的较小值用于工作时间长和较重要的场合。