轴键详解：类型、尺寸、材料、设计公式与计算
键连接通过在轴和轮毂上加工键槽，并插入称为“键”的元件来实现。虽然体积小，但轴键在机械传动中起着关键作用。键是一种用于固定旋转轴和齿轮的机械元件，主要用于通过将部件在轴上周向固定来传递扭矩。某些键还能提供轴向固定或允许轴向移动，例如减速机中齿轮与轴的连接。虽非显眼部件，但键在动力传递中至关重要。今天我们将深入探讨轴键，涵盖其类型、尺寸、材料及设计要点。
什么是轴键？
轴键，又称电机键，是连接两个旋转部件（通常为轴和轮毂）的短棒，由高强度材料制成以传递扭矩。其功能是将两部分结合成单一旋转主体，允许绕轴线旋转而不打滑或错位，确保传动精度和可靠性。轴键广泛应用于汽车、摩托车、农业机械和工程设备等机械系统中。
轴键类型（图示、特点与用途）
在各类机械传动中，不同类型的键在机器设计和应用中发挥重要作用。键连接的基本形式包括平键、半圆键、锥键和切向键，各有特点和适用范围。下面通过图示、特点和应用详细介绍各类轴键：
1. 平键（平行沉键）
标准平键，即平行键，属于沉键，用于固定连接，轴与轮毂间无相对轴向移动。其两侧面为工作面，顶面与轮毂键槽底面有间隙。工作时通过轴键槽、键和轮毂键槽侧面的挤压传递扭矩。这是一种无锥度的矩形或方形键，适用于轮毂需沿轴滑动的场合。平键制造简单、装拆方便、轴与轴上零件对中性好，但不能固定轴上零件的轴向移动。
标准平键按端部形状分为圆头（A型）、方头（B型）、矩形头、单圆头（C型）三类：
- 矩形平沉键
- 方形沉键
- 圆头沉键（双圆头或单圆头）
2. 半圆键（Woodruff键）
半圆键呈半月形，能适应轮毂内的锥度。其在轴中的额外深度防止键在键槽内翻转，但键槽深度会削弱轴强度。半圆键通常与锥形轴颈配合传递扭矩。键槽用与半月键同形状的铣刀加工，使键能在槽内绕几何中心摆动。键的侧面为工作面，通过侧向挤压传递扭矩。键槽用盘形铣刀加工，键本身为半圆形。半圆键工艺性好、装配方便，特别适合锥形轴端连接，但轴槽显著降低轴强度，仅适用于轻载连接。
3. 鞍键（锥键）
锥键的工作面在其上下表面。顶面呈1:100锥度，轮毂键槽底面也设计成该锥度。锥键插入轴和轮毂键槽后，其工作面产生较大预紧力。工作时锥键主要靠摩擦力传递扭矩，可承受单向轴向力。但可能导致轴与轮毂偏心，适合对中精度要求不高、载荷平稳、转速较低的连接。
锥键可进一步分为标准锥键、空心鞍键和勾头锥键。
- 平鞍键——平放在轴上
- 空心鞍键——键底面适配轴圆柱面
- 勾头鞍键——带钩便于拆卸
4. 勾头键（沉键）
勾头锥键是特种锥键，带钩形键头设计以更牢固地固定在轴和轮毂键槽中。勾头便于键的拆卸。该设计不仅增强连接稳定性，还在一定程度上减少轴与轮毂偏心，提高连接精度。因此勾头锥键特别适用于要求高对中精度和牢固连接的场合，如高速重载机械装配。
5. 导键（花键键）
导键固定在轴或轮毂上，允许轴向移动。键的侧面为工作面，通过侧面传力，对中性好、装拆方便，不提供轴向固定。键通过螺栓固定在轴上，中心螺纹孔用于拆卸。用于轴上零件需沿轴轻微移动的场合，如变速箱中的滑动齿轮。
6. 销键（圆柱键）
销键为圆柱体，装入轮毂和轴上钻制的孔中，最适合低功率传动。圆柱键是常见电机轴键形式，圆柱形与电机轴和传动部件的槽配合。安装简便，能承受较大扭矩。销键也可设计为直销或锥销以满足不同需求。
- 直销销键
- 锥销销键
7. 切向键
切向键成对装入轮毂和轴的键槽中，两键互成直角。每个键仅承受单向扭矩，用于大型重载轴。由两个1:100锥度的楔键组成，上下表面共同构成工作面，可传递大扭矩。单对切向键只能单向传递扭矩，双向传递时需按120°–135°布置两对。用于对中精度要求不高的重载场合。切向键通过切向压力产生扭矩，也能承受小的单向轴向力。
主要用于仅需单向扭矩传递，或双向时按一定距离布置两对切向键。因能传递大扭矩，常用于重型机械。
8. 花键
轴+集成键=花键轴，允许轴向移动（常用于滑动齿轮传动）。花键连接由轴和轮毂孔上均匀分布的多个键齿组成，齿侧为工作面。此连接承载能力高、对中和导向性能好、对轴和轮毂强度削弱小。特别适合需频繁滑动的大载荷、高精度对中连接，如变速箱滑动齿轮。按齿形分为矩形花键、三角形花键和渐开线花键。
- 矩形花键：用铣、滚、拉、刨等加工，磨削后精度高。标准定轻载系列（低载荷）和中载系列（中等载荷）。广泛用于航空、汽车、拖拉机、机床、农机及通用机械传动装置。
- 渐开线花键：齿廓为渐开线。受力时径向力提供自动对中，齿面应力均匀、强度高、寿命长。加工同齿轮，精度高、互换性好。标准压力角αD为30°、37.5°、45°，用于大载荷、高精度对中、大尺寸连接。
轴键与键槽尺寸表（尺寸、公差）
为保证轴键与其他部件紧密配合，必须符合标准尺寸：
- 直径：应等于或略小于对应孔径，通常小0.01–0.05 mm
- 长度：应略长于连接件间距离。一般键长=连接件厚度+1–2 mm
- 倒角半径：为防止尖角损伤或开裂，两端倒角半径取0.5–1 mm
- 公差：为保证紧密配合，制造公差控制在h6、h7或h8级
为帮助理解轴键尺寸、快速获取常用规格，下列常用轴键类型尺寸表：
平键尺寸表（平行轴键与键槽尺寸）
| 轴径 d | 公称键尺寸 b×h | 轴槽深 t₁ | 键槽深 t₂ | 倒角半径 c或r | 键长 L (h14) | ||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 6–8 | 2×2 | 1.2 | +0.1/0 | 1.0 | +0.1/0 | 0.08–0.16 | 6–20 |
| >8–10 | 3×3 | 1.8 | +0.1/0 | 1.4 | +0.1/0 | 0.08–0.16 | 6–36 |
| >10–12 | 4×4 | 2.0 | +0.1/0 | 1.8 | +0.1/0 | 0.16–0.25 | 6–36 |
| >12–17 | 5×5 | 2.8 | +0.1/0 | 2.3 | +0.1/0 | 0.16–0.25 | 14–56 |
| >17–22 | 6×6 | 3.5 | +0.2/0 | 2.8 | +0.2/0 | 0.16–0.25 | 14–70 |
| >22–30 | 8×7 | 4.0 | +0.2/0 | 3.3 | +0.2/0 | 0.25–0.4 | 18–90 |
| >30–38 | 10×8 | 5.0 | +0.2/0 | 3.9 | +0.2/0 | 0.25–0.4 | 22–100 |
| >38–44 | 12×8 | 5.0 | +0.2/0 | 3.3 | +0.2/0 | 0.25–0.4 | 28–140 |
| >44–50 | 14×9 | 5.5 | +0.2/0 | 3.8 | +0.2/0 | 0.25–0.4 | 36–160 |
| >50–58 | 16×10 | 6.3 | +0.2/0 | 4.3 | +0.2/0 | 0.4–0.6 | 45–180 |
| >58–65 | 18×11 | 7.0 | +0.2/0 | 4.4 | +0.2/0 | 0.4–0.6 | 50–200 |
| >65–75 | 20×12 | 7.5 | +0.3/0 | 5.4 | +0.3/0 | 0.4–0.6 | 56–250 |
| >75–85 | 22×14 | 9.0 | +0.3/0 | 5.4 | +0.3/0 | 0.4–0.6 | 63–250 |
| >85–95 | 25×14 | 9.0 | +0.3/0 | 5.4 | +0.3/0 | 0.4–0.6 | 70–280 |
| >95–110 | 28×16 | 10.0 | +0.3/0 | 6.4 | +0.3/0 | 0.6–0.8 | 80–320 |
| >110–130 | 32×18 | 11.0 | +0.3/0 | 7.4 | +0.3/0 | 0.6–0.8 | 90–360 |
| >130–150 | 36×20 | 12.0 | +0.3/0 | 8.4 | +0.3/0 | 0.7–1.0 | 100–400 |
| >150–170 | 40×22 | 13.0 | +0.3/0 | 9.4 | +0.3/0 | 0.7–1.0 | 100–400 |
| >170–200 | 45×25 | 15.0 | +0.3/0 | 10.4 | +0.3/0 | 1.0–1.2 | 110–450 |
| >200–230 | 50×28 | 17.0 | +0.3/0 | 11.4 | +0.3/0 | 1.0–1.2 | 125–500 |
| >230–260 | 56×32 | 20.0 | +0.4/0 | 12.4 | +0.4/0 | 1.2–1.6 | 140–500 |
| >260–290 | 63×32 | 20.0 | +0.4/0 | 12.4 | +0.4/0 | 1.2–1.6 | 160–500 |
| >290–330 | 70×36 | 22.0 | +0.4/0 | 14.4 | +0.4/0 | 1.6–2.0 | 180–500 |
| >330–380 | 80×40 | 25.0 | +0.4/0 | 15.4 | +0.4/0 | 2.0–2.5 | 200–500 |
| >380–440 | 90×45 | 28.0 | +0.4/0 | 17.4 | +0.4/0 | 2.0–2.5 | 220–500 |
| >440–500 | 100×50 | 31.0 | +0.5/0 | 19.5 | +0.5/0 | 2.5–3.0 | 250–500 |
L系列标准长度： 6, 8, 10, 12, 14, 16, 18, 20, 22, 25, 28, 32, 36, 40, 45, 50, 56, 63, 70, 80, 90, 100, 125, 140, 160, 180, 200, 220, 250, 280, 320, 360, 400, 450, 500
半圆键尺寸表（Woodruff键与键槽尺寸）
| 键规格 b×h×D | 宽度 b | 高度 h | 直径 D | 倒角或圆角 s |
|---|---|---|---|---|
| 1×1.4×4 | 1 | 1.4 | 4 | — |
| 1.5×2.6×7 | 1.5 | 2.6 | 7 | — |
| 2×2.6×7 | 2 | 2.6 | 7 | — |
| 2×3.7×10 | 2 | 3.7 | 10 | — |
| 2.5×3.7×10 | 2.5 | 3.7 | 10 | — |
| 3×5×13 | 3 | 5 | 13 | — |
| 3×6.5×16 | 3 | 6.5 | 16 | — |
| 4×6.5×16 | 4 | 6.5 | 16 | 0.16–0.25 |
| 4×7.5×19 | 4 | 7.5 | 19 | 0.25–0.4 |
| 5×6.5×16 | 5 | 6.5 | 16 | 0.25–0.4 |
| 5×7.5×19 | 5 | 7.5 | 19 | 0.25–0.4 |
| 5×9×22 | 5 | 9 | 22 | 0.25–0.4 |
| 6×9×22 | 6 | 9 | 22 | 0.25–0.4 |
| 6×10×25 | 6 | 10 | 25 | 0.4–0.6 |
| 8×11×28 | 8 | 11 | 28 | 0.4–0.6 |
| 10×13×32 | 10 | 13 | 32 | 0.6–0.9 |
鞍键尺寸表（标准平锥键与键槽尺寸）
| 宽度 b | b公差 (h8) | 高度 h | h公差 (h11) | 倒角或圆角 c或r |
|---|---|---|---|---|
| 2 | 0/-0.014 | 2 | 0/-0.090 | 0.16–0.25 |
| 3 | 0/-0.014 | 3 | 0/-0.090 | 0.16–0.25 |
| 4 | 0/-0.018 | 4 | 0/-0.090 | 0.16–0.25 |
| 5 | 0/-0.018 | 5 | 0/-0.090 | 0.25–0.4 |
| 6 | 0/-0.018 | 6 | 0/-0.090 | 0.25–0.4 |
| 8 | 0/-0.022 | 7 | 0/-0.090 | 0.25–0.4 |
| 10 | 0/-0.022 | 8 | 0/-0.090 | 0.4–0.6 |
| 12 | 0/-0.027 | 8 | 0/-0.090 | 0.4–0.6 |
| 14 | 0/-0.027 | 9 | 0/-0.090 | 0.4–0.6 |
| 16 | 0/-0.027 | 10 | 0/-0.090 | 0.6–0.8 |
| 18 | 0/-0.027 | 11 | 0/-0.090 | 0.6–0.8 |
| 20 | 0/-0.033 | 12 | 0/-0.110 | 0.6–0.8 |
| 22 | 0/-0.033 | 14 | 0/-0.110 | 1.6–2.0 |
| 25 | 0/-0.033 | 14 | 0/-0.110 | 1.6–2.0 |
| 28 | 0/-0.033 | 16 | 0/-0.130 | 2.5–3.0 |
| 30 | 0/-0.033 | 18 | 0/-0.130 | 2.5–3.0 |
| 32 | 0/-0.039 | 20 | 0/-0.130 | 2.5–3.0 |
| 36 | 0/-0.039 | 22 | 0/-0.130 | 2.5–3.0 |
| 40 | 0/-0.039 | 25 | 0/-0.160 | 2.5–3.0 |
| 45 | 0/-0.039 | 28 | 0/-0.160 | 2.5–3.0 |
| 50 | 0/-0.039 | 32 | 0/-0.160 | 2.5–3.0 |
长度 L (h14公差)： 18, 20, 22, 25, 28, 32, 36, 40, 45, 50, 56, 63, 70, 80, 90, 100, 110, 125, 140, 160, 180, 200, 220, 250, 280, 315, 355, 400, 450, 500
勾头键尺寸表（勾头锥键与键槽尺寸）
| 宽度 b | b公差 (h8) | 高度 h | h公差 (h11) | 键头高 h₁ | 倒角或圆角 c或r |
|---|---|---|---|---|---|
| 4 | 0/-0.018 | 4 | 0/-0.075 | 10 | 0.16–0.25 |
| 5 | 0/-0.018 | 5 | 0/-0.075 | 12 | 0.16–0.25 |
| 6 | 0/-0.022 | 6 | 0/-0.090 | 14 | 0.25–0.4 |
| 8 | 0/-0.022 | 7 | 0/-0.090 | 16 | 0.25–0.4 |
| 10 | 0/-0.027 | 8 | 0/-0.090 | 18 | 0.4–0.6 |
| 12 | 0/-0.027 | 8 | 0/-0.090 | 20 | 0.4–0.6 |
| 14 | 0/-0.027 | 9 | 0/-0.090 | 22 | 0.4–0.6 |
| 16 | 0/-0.033 | 10 | 0/-0.110 | 25 | 0.6–0.8 |
| 18 | 0/-0.033 | 11 | 0/-0.110 | 28 | 0.6–0.8 |
| 20 | 0/-0.033 | 12 | 0/-0.110 | 32 | 0.6–0.8 |
| 22 | 0/-0.033 | 14 | 0/-0.110 | 36 | 1.6–2.0 |
| 25 | 0/-0.040 | 14 | 0/-0.130 | 40 | 1.6–2.0 |
| 28 | 0/-0.040 | 16 | 0/-0.130 | 45 | 2.5–3.0 |
| 30 | 0/-0.040 | 18 | 0/-0.130 | 50 | 2.5–3.0 |
| 32 | 0/-0.046 | 20 | 0/-0.130 | 56 | 2.5–3.0 |
| 36 | 0/-0.046 | 22 | 0/-0.130 | 63 | 2.5–3.0 |
| 40 | 0/-0.054 | 25 | 0/-0.160 | 70 | 2.5–3.0 |
| 45 | 0/-0.054 | 28 | 0/-0.160 | 80 | 2.5–3.0 |
标准长度 L (h14)： 18, 20, 22, 25, 28, 32, 36, 40, 45, 50, 56, 63, 70, 80, 90, 100, 125, 140, 160, 180, 200, 220, 250, 280, 320, 360, 400, 450, 500
切向键尺寸表（标准切向键与键槽尺寸）
| 轴径 d | 键厚 h | 键宽 b (±h11) | 键槽深 轴t1/轮毂t2 | 键槽宽 轴b1/轮毂b2 | 倒角 C | 圆角 r |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 60 | 18 | 7.0 | 7.3/19.3 | 19.6 | 0.6–0.8 | — |
| 65 | 20 | 8.0 | 8.3/20.1 | 20.4 | 0.6–0.8 | — |
| 70 | 22 | 8.0 | 8.3/21.0 | 21.3 | 0.6–0.8 | — |
| 75 | 25 | 9.0 | 9.3/23.2 | 23.5 | 0.6–0.8 | — |
| 80 | 28 | 10.0 | 10.3/24.0 | 24.4 | 0.8–1.0 | — |
| 85 | 28 | 10.0 | 10.3/24.8 | 25.2 | 0.8–1.0 | — |
| 90 | 30 | 10.0 | 10.3/26.7 | 27.0 | 0.8–1.0 | — |
| 100 | 32 | 11.0 | 11.4/28.0 | 28.4 | 1.0–1.2 | — |
| 110 | 36 | 12.0 | 12.4/31.0 | 31.4 | 1.0–1.2 | — |
| 120 | 40 | 14.0 | 14.4/34.6 | 35.1 | 1.6–2.0 | 1.0–1.2 |
| 140 | 45 | 16.0 | 16.4/37.7 | 38.3 | 1.6–2.0 | 1.0–1.2 |
| 160 | 50 | 18.0 | 18.4/42.0 | 42.8 | 1.6–2.0 | 1.0–1.2 |
| 200 | 56 | 20.0 | 20.4/49.6 | 50.3 | 2.0–2.5 | 1.6–2.0 |
| 250 | 63 | 22.0 | 22.4/59.9 | 60.6 | 2.5–3.0 | 2.0–2.5 |
| 315 | 70 | 28.0 | 28.4/72.1 | 72.8 | 3.0–4.0 | — |
| 400 | 80 | 36.0 | 36.4/93.2 | 94.0 | 3.0–4.0 | 3.0–4.0 |
| 500 | 100 | 50.0 | 50.5/125.9 | 126.6 | 5.0–7.0 | — |
| 630 | 140 | 63.0 | 63.5/189.0 | 189.7 | 5.0–7.0 | 3.0–4.0 |
| 800 | 180 | 80.0 | 80.5/240.0 | 240.7 | 7.0–9.0 | — |
| 1000 | 200 | 100.0 | 100.5/300.0 | 300.7 | 7.0–9.0 | — |
矩形花键尺寸表（矩形花键与键槽尺寸）
| 轴径 d | 轻载系列 | 中载系列 | ||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 规格 N×d×D×B | 倒角 c | 圆角 r | d₁min | αmin | 规格 N×d×D×B | 倒角 c | 圆角 r | d₁min | αmin | |
| 11 | 6×11×14×3 | 0.2 | 0.1 | — | — | — | — | — | — | |
| 13 | 6×13×16×3.5 | — | — | 14.4 | 1.0 | — | — | — | — | |
| 16 | 6×16×20×4 | — | — | 16.6 | 1.0 | — | — | — | — | |
| 18 | 6×18×22×5 | 0.3 | 0.2 | 19.5 | 2.0 | — | — | — | — | |
| 21 | 6×21×25×5 | — | — | 21.2 | 2.0 | — | — | — | — | |
| 23 | 6×23×26×6 | 0.2 | 0.1 | 22.5 | — | 6×23×28×6 | — | — | 21.2 | 1.2 |
| 26 | 6×26×30×6 | — | — | 24.5 | 3.8 | 6×26×32×6 | — | — | 23.6 | 1.2 |
| 28 | 6×28×32×7 | — | — | 26.6 | 4.0 | 6×28×34×7 | — | — | 25.8 | 1.4 |
| 32 | 6×32×36×6 | 0.3 | 0.2 | 30.2 | 2.7 | 8×32×38×6 | — | — | 29.4 | 1.0 |
| 36 | 8×36×40×7 | — | — | 34.4 | 3.5 | 8×36×42×7 | 0.4 | 0.3 | 33.4 | 1.0 |
| 42 | 8×42×46×8 | — | — | 40.5 | 5.0 | 8×42×48×8 | — | — | 39.4 | 2.5 |
| 46 | 8×46×50×9 | — | — | 44.6 | 5.7 | 8×46×54×9 | — | — | 42.6 | 1.4 |
| 52 | 8×52×58×10 | — | — | 49.6 | 4.8 | 8×52×60×10 | — | — | 48.6 | 2.5 |
| 56 | 8×56×62×10 | 0.4 | 0.3 | 53.6 | 6.5 | 8×56×65×10 | — | — | 52.0 | 2.5 |
| 62 | 8×62×68×12 | — | — | 59.7 | 7.3 | 8×62×72×12 | 0.5 | 0.4 | 57.7 | 2.4 |
| 72 | 10×72×78×12 | — | — | 69.6 | 7.3 | 10×72×82×12 | — | — | 67.7 | 1.0 |
| 82 | 10×82×98×12 | — | — | 79.3 | 8.5 | 10×82×92×12 | — | — | 77.0 | 2.9 |
| 92 | 10×92×98×11 | 0.5 | 0.4 | 89.6 | 9.9 | 10×92×102×14 | — | — | 87.3 | 4.5 |
| 102 | 10×102×108×16 | — | — | 99.6 | 11.3 | 10×102×112×16 | 0.6 | 0.5 | 97.7 | 6.2 |
| 112 | 10×112×120×16 | — | — | 108.8 | 10.5 | 10×112×125×18 | — | — | 106.2 | 4.1 |
轴键材料
作为机械传动的重要部件，轴键材料选择直接关系到机械系统的性能和可靠性。常用轴键材料如下：
1. 碳钢键
碳钢是最常用的轴键材料之一，具有高强度和耐磨性，能承受大载荷和冲击力。在重型机械和高载荷场合是首选。此外碳钢成本较低，具经济优势。
2. 不锈钢键
不锈钢键在潮湿或腐蚀性环境表现优异，耐腐蚀性强，能在恶劣条件下长期保持稳定性能。虽成本高于碳钢，但长期稳定性和耐腐蚀要求高的应用中更合适。
3. 有色金属键
有色金属键如铜键、铝键在特定应用有优势。需导电场合用铜键；追求轻量化设计时因密度小选用铝键。
轴键材料牌号
- 45#钢：常用轴键材料，强度高、耐磨、性价比高。
- 40Cr钢：强度硬度高，适合承受高强度扭矩和摩擦。
- 42CrMo钢：高强度高韧性，承受高强度时综合力学性能好。
- 不锈钢：耐腐蚀防锈，适用于潮湿或腐蚀环境下的轴键。
- 橡胶或聚氨酯等材料：用于需密封或减震的轴键。
轴键选材原则
轴键选材应基于传动功率、转速、扭矩、工作环境和使用寿命等因素：
- 高强度要求：通常选用高强度材料如45#钢、40Cr、42CrMo等。
- 高耐磨要求：高速旋转下耐摩擦磨损，要求材料硬度和强度高，如40Cr。
- 高耐腐蚀要求：潮湿腐蚀环境多选不锈钢。
- 高密封要求：需在旋转中起密封作用，常用橡胶或聚氨酯。
轴键设计（关键因素、公式与计算）
轴键设计需综合考虑多因素，并通过特定公式计算，确保键在运行中保持良好工作状态和寿命。设计主要涉及尺寸设计和形状设计。尺寸设计由轴和键槽尺寸决定，形状设计需考虑工况、环境和载荷。下面从理论公式、计算步骤、设计要点和注意事项详细说明。
轴键设计需考虑的关键因素
键的结构设计
- 载荷分析：分析键承受的载荷类型，包括轴向载荷和扭矩载荷，确定设计载荷。
- 材料选择：根据设计载荷、工况和成本选材，常用钢、铝、铜等。
- 尺寸设计：根据选材和设计载荷确定键几何尺寸，包括宽度、高度、长度。
- 键槽设计：考虑键与配合件配合，包括键槽形状、尺寸和间隙。
强度计算
- 键上载荷分析：根据载荷和结构设计分析键受力，包括轴向力和剪切力。
- 应力分析：计算键上应力分布，考虑静载和动载。
- 变形分析：计算载荷下键的变形，包括轴向变形和弯曲变形。
强度校核
- 强度评价：评价计算应力和变形是否满足设计要求和安全系数。
- 疲劳寿命评估：考虑疲劳裂纹萌生和扩展，评估循环载荷下疲劳寿命。
- 验证优化：根据强度和疲劳评价进行结构验证优化，确保使用安全可靠。
轴键尺寸计算公式
a. 已知键宽时：
可用以下公式计算深度(h)、高度(t)和顶宽(b)：
h = d / 2t = d / 2b = S × d
其中：d=轴直径，S=键宽与轴径比，通常0.1–0.3。
b. 已知键高时：
可计算宽度、深度和顶宽：
b = S × dh = 2 × tB = S × d + k
其中：k=安全系数，一般取0.1左右。
轴键强度公式与计算
键连接是机械系统扭矩传递的重要方式，设计须考虑剪切强度和挤压强度两大核心方面。
弯曲强度公式
轴运行时键承受弯曲载荷，须考虑弯曲强度。
- 弯矩：
M = F × b / 2其中：F=键受力，b=键宽 - 弯曲应力：
σ_b = 4M / (π × d³)其中：d=轴直径，π=3.1416
剪切强度公式
键剪切强度须满足工况要求：
τ = F / (b × h)
其中：F=键受力，b=键宽，h=键高。
强度校核核心公式
剪切强度校核
- τ = F / A ≤ [τ]
其中：τ=实际剪切应力(MPa)，F=剪切力=2×M/d，A=剪切面积=b×l，[τ]=许用剪切应力(MPa)。
挤压强度校核
- σ_jy = F / A_jy ≤ [σ_jy]
其中：σ_jy=实际挤压应力(MPa)，A_jy=挤压面积=l×(h/2)，[σ_jy]=许用挤压应力(MPa)。
计算步骤与案例分析
案例1：现有键强度校核
已知：轴径d=70mm，扭矩M=600N·m，键尺寸：b=16mm，h=10mm，l=50mm，许用应力：[τ]=60MPa，[σ_jy]=100MPa。
步骤1：计算剪切力(F)
F = 2 × M / d = 2 × 600 × 1000 / 70 = 17142.86 N
步骤2：剪切应力(τ)
τ = 17142.86 / (16 × 50) = 21.43 MPa < 60 MPa → 通过
步骤3：挤压应力(σ_jy)
σ_jy = 17142.86 / (50 × 5) = 68.57 MPa < 100 MPa → 通过
案例2：最小键长设计
已知：轴径d=50mm，扭矩M=1600N·m，许用应力：[τ]=80MPa，[σ_jy]=240MPa。
步骤1：剪切力(F)
F = 2 × 1600 × 1000 / 50 = 64000 N
步骤2：剪切条件下键长
l ≥ 64000 / (16 × 80) = 50 mm
步骤3：挤压条件下键长
l ≥ 64000 / (5 × 240) ≈ 53.3 mm
最终选取：按标准系列选 l = 56 mm
设计指南与注意事项
键类型选择
- 松配合键（如平键、半圆键）：通过侧面传递扭矩；适用于高精度、无轴向力场合。
- 紧配合键（如锥键、切向键）：通过上下表面摩擦传递扭矩；适用于重载、精度要求较低场合。
键长与轮毂长度关系
- 键长通常比轮毂长5–10mm以避免装配干涉。
- 标准键长应按《机械设计手册》取值（如50、56、63、70mm等）。
公式适用性与争议
对于锥键等紧配合键，不同手册对摩擦系数(μ)处理不同。有的公式用6μd，有的用bμd。建议遵循权威教材（如成大先版或秦大同版）公式，并通过量纲分析验证。
工业技术