机械设计简答题系列——键、花键、无键连接和销连接知识汇总
机械设计简答题系列——键、花键、无键连接和销连接知识汇总
键、花键、无键连接，这些机械设计中的常见元素，各有其独特的应用与特点。在机械设计中，它们扮演着不可或缺的角色，相互补充，共同构建出高效、稳定的机械系统。对于这些连接方式的理解与掌握，是每一个机械设计师的必备技能。
近期，不少读者通过私信咨询机械设计中的相关简答题，本期我们将继续为大家汇总解答，聚焦于键、花键、无键连接以及销连接这四大核心要点。
花键联接的特点
花键联接由具有多个沿周向均布的凸键齿的轴和有对应凹槽的毂孔组成，其工作面位于齿的侧面。这种联接方式特别适用于需要高定心精度、承受大载荷或经常滑移的场合。花键联接具有多个优点，包括均匀的联接受力、较小的齿根应力集中、能够承受较大的载荷、良好的轴与毂对中性以及出色的导向性。此外，通过磨削方法可以进一步提高加工精度和联接质量，尽管齿根仍可能存在应力集中，且有时需要专用设备进行加工，导致成本相对较高。
花键的分类及其特点与适用场合
花键按其齿形可分为矩形花键和渐开线花键。矩形花键的齿形尺寸分为轻系列和中系列，分别适用于静联接或轻载联接以及中等载荷的联接。其定心方式为小径定心，具有高定心精度和稳定性。而渐开线花键的齿廓为渐开线，标准压力角有30°和45°两种。与矩形花键相比，其齿根更厚，应力集中更小，强度更高。此外，花键轴可采用加工齿轮的方法进行加工，工艺性好。但需注意，加工内花键的渐开线花键拉刀成本较高，因此常用于载荷大、定心要求高且尺寸较大的联接场合。
销联接的类型、作用及特点
销主要用于固定零件之间的相对位置，是组合加工和装配时的重要辅助零件。它也可用于轴与毂的联接，传递不大的载荷，并可作安全装置的过载剪断元件。销有多种类型，如圆柱销、圆锥销、槽销、开口销和弹性圆柱销等。圆柱销利用微量过盈固定在销孔中，但多次装拆会降低定位精度。圆锥销具有1:50的锥度，靠锥面挤压作用固定在销孔中，具有自锁功能和高定位精度，安装也较方便，可多次装拆。槽销则靠材料的弹性使销挤紧在销孔中，安装简便且可多次装拆，多用于传递变载荷的情况。
平键联接与楔键联接的工作原理
平键联接的工作原理基于其两侧面作为工作面，通过键与键槽侧面的挤压来传递转矩。而楔键联接则利用其上、下面为工作面，借助1:100的斜度在装配时打入槽中，从而在轴与轮毂之间产生楔紧作用，依靠此压力产生的摩擦力来传递扭矩，同时还能传递单向轴向力。
普通平键的工作面及可能失效形式
普通平键的工作面位于其两侧面。这种联接方式可能出现的失效形式包括较弱零件（通常是轮毂）的工作面被压溃，或者键本身被剪断，其中以工作面压溃失效为主。在确定平键的剖面尺寸bxh时，通常需要参考轴径d，从标准中查得相应的尺寸。
键联接的主要用途
键联接的主要功能是实现轴与轮毂之间的周向定位和固定，同时传递转矩。此外，某些键联接还能用于轴上零件的轴向固定。平键联接以其结构简单、装拆方便和对中性好而著称，其工作面位于两侧面，通过挤压传递转矩。而楔键联接则利用其上、下面的工作面产生摩擦力来传递扭矩，并能传递单向轴向力，但其中性可能稍差。
普通平键的失效形式及强度校核方法
普通平键的主要失效形式是工作面被压溃。为了进行强度校核，需要分别校核其挤压强度和剪切强度。当发现强度不足时，可以采取在同一联接处错开180度布置两个平键的方法来增强强度，此时强度可以按照5个平键来计算。
两个平键的布置方式
当采用两个平键时，为了确保均匀受力并避免相互干扰，它们通常会被布置在沿周向相隔180度的位置。这是为了最大化利用轴与轮毂之间的空间，并确保每个平键都能有效地传递扭矩。而对于楔键和半圆键的布置，虽然也有一定的要求，但具体的布置方式可能因应用场景而异。
楔键和半圆键的特别布置要求
当采用两个楔键时，它们的布置角度通常介于90°至120°之间。如果夹角设置得过小，会导致对轴的局部削弱过于集中；而夹角过大则会影响两个楔键的总承载能力。特别地，当夹角为180°时，两个楔键的承载能力实际上只相当于一个楔键，这显然是不利的。
对于两个半圆键的布置，则有所不同。由于半圆键对轴的削弱程度较大，因此它们不能放置在同一个截面上，而只能沿同一母线分布。