轴键与键槽：机械联接中的类型与应用

什么是键与键槽？

键与键槽组成键联接，用于固定轮毂与轴，防止传动轴与连接部件（如齿轮、带轮、链轮）之间的相对移动（图 1）。键联接是机械动力传递中轴与联轴器的重要组成部分，确保在设计精度要求下传递载荷、动力与旋转而不打滑。

键通常由钢制成，沿轴向插入轴与轮毂之间以防止相对移动。轴上的凹槽称键槽，轮毂上的凹槽称键槽（业内常统称键槽）（图 2）。

轴与轮毂键槽常用插床加工，也可用拉床、铣床、刨床、电火花加工。

保持元件还包括花键、柔性联轴器、锥度联接等。极低功率传递可用定位螺钉和销。若使用定位螺钉或键联接，必须有轴向限位装置（如挡圈、卡簧）。

键联接的优缺点

轴键有各种优缺点，设计时须综合评估其适用性。

优点

• 制造成本低
• 标准化程度高（ISO、BS、DIN、ANSI）
• 中高扭矩传递
• 安装拆卸容易，可重复使用

缺点

• 不适合交变向载荷与冲击
• 轮毂可能轴向位移，需额外部件（定位螺钉、挡圈）锁紧
• 长期使用后可能难以拆卸
• 键槽产生缺口效应应力集中，降低轴强度
• 引入轴不平衡
• 承载能力与公差叠加分析困难，导致设计过度保守
• 传递轴向力需挡块

键的类型

轴键种类繁多，可分为四大类及子类（图 3）：

1. 沉键
   • 矩形键与方键
   • 平键
   • 半圆键
   • 导键（与键槽有滑动间隙）
   • 半圆键
2. 鞍键
   • 平鞍键与凹鞍键
3. 切线键
4. 圆键

其中平键与半圆键因易用、低成本而应用最广。

双键——因制造公差避免双重配合，通常仅用单平键，但双键偶用于极高偶发载荷，仅限延性材料，计算按 1.5 个平键。

沉键

沉键嵌入轴深度为其厚度一半，测量基准为键侧面而非轴中心线（图 4、5）。

矩形/方键

矩形键宽大于高，又称扁键。用于直径 ≤ 500 mm（20″）轴。增加宽度可提高扭矩传递而不加深键槽，避免削弱轴截面。

方键截面为正方形，一般用于 ≤ 25 mm（1″）轴。需更深键槽时也可用于大轴，但会削弱轴强度。

矩形与方键长度方向可有 1:100 锥度（图 6）。

平行沉键

平行沉键为矩形或方形截面，无锥度。廉价、易得、安装最简便。理想情况下需通过轮毂上的定位螺钉固定，防止振动或反转将键推出。

通常键与轴键槽底及侧面紧配合，轮毂键槽顶部留有间隙。

半圆键

半圆键键头便于拆卸。如图 8 所示，半圆键通常为矩形或方键，顶面有锥度以确保紧配合。

导键

导键固定在轴或轮毂上，允许相对轴向移动。主要有双头、销式导键和导键三种。其平行对向面传递扭矩，同时允许滑动。

半圆键

半圆键为半圆盘状，嵌入轴上由半圆键刀加工的圆形凹槽。常用于机床与汽车轴（¼″–2½″，6–60 mm）。承载能力低于长平键。

优点：适应轮毂键槽锥度、自定位、深度防止翻转。

缺点：键槽深度削弱轴、不可作导键、安装困难、长度短、承载有限。

鞍键

鞍键不嵌入轴，仅嵌入轮毂，靠摩擦力传递动力。分平鞍键与凹鞍键，仅适用于轻载以防打滑。

平鞍键顶部锥度、底部平，嵌入锥形轮毂键槽压在轴平面上（图 13）。

凹鞍键顶部锥度、底部弧形，嵌入锥形轮毂键槽压在轴圆周面上（图 14）。

切线键

切线键成对呈直角安装（图 15），每个键仅承受单向扭矩，用于大型重载轴。

圆键

圆键截面圆形，嵌入轴与轮毂各自钻孔的一半。优点：配合后可钻铰键槽，制造简易。适用于低功率传动。

键槽设计与键尺寸选择

轴键选择对避免键联接早期失效至关重要。详见《轴键选择与键槽设计指南》，了解如何计算键的剪切与压应力，以及键材料、载荷类型、配合选择等详细设计因素。

标准与规范

可参阅 BS 4235-1:1972 中平键与半圆键的公制键槽尺寸公差表。部分标准还提供键尺寸、键槽深度随轴径变化的推荐值：

• ASME B17.1-1967、ASME B17.2-1967 推荐键尺寸、长度与键槽深度
• BS 4235-1:1972 公制平键与锥键规范
• DIN 6888 半圆键与轴径匹配
• DIN 268:1974 交变冲击载荷切线键与键槽规范
• DIN 271:1974 恒定载荷切线键与键槽规范

参考文献

• Collins, J. A., Busby, H., & Staab, G. (n.d.). Mechanical Design of Machine Elements and Machines. John Wiley & Sons.
• Hamrock, B. J., Schmid, S. R., & Jacobson, B. O. (2006). Fundamentals of machine elements. Boston: McGraw-Hill Higher Education.
• Kurt M. Marshek, Robert C. Juvinall (2021). Fundamentals of machine component design. John Wiley & Sons.