如何确定平键与花键的公差与检测？

任务描述与要求

图6 - 13 所示为平键以及轮毂键槽、花键以及花键槽剖面图，试根据所学知识，确定平键的轴键槽以及轮毂键槽、花键以及花键槽的剖面尺寸及其公差带、形位公差和表面粗糙度，并在图样上进行标注。同时简述平键和矩形花键的检测方法及其合格条件。

图6-13　平键和花键轴或槽的剖面图　

（a）平键；（b）花键

任务知识准备

一、平键

键连接用于轴与轴上零件（齿轮、皮带轮、联轴器等）之间的连接，用以传递转矩和运动。它属于可拆卸连接，在机械结构上应用非常广泛。当轴与传动件之间有轴向相对运动要求时，键连接和花键连接还能起到导向作用，如变速箱中的变速齿轮花键孔与花键轴的连接。

键又称为单键，可以分为平键、半圆键、切向键和楔形键等。其中，平键又分为普通平键、薄型平键、导向平键和滑键，楔键分为普通楔键和钩头楔键。在机械工程中，以平键和半圆键应用最为广泛。

我国现行的国家标准有GB/T 1095—2003《平键 键槽的剖面尺寸》、GB/T 1096—2003《普通型平键》、GB/T 1097—2003《导向型 平键》、GB/T 1566—2003《薄型平键 键槽的剖面尺寸》、GB/T 1098—2003《半圆键 键槽的剖面尺寸》、GB/T 1568—2008《键 技术条件》等。

1. 普通平键连接的公差与配合

1）普通平键连接的结构参数

平键连接由键、轴键槽和轮毂键槽三部分组成，通过键的侧面与轴键槽及轮毂键槽的侧面相互接触来传递转矩，键的上表面和轮毂键槽间留有一定的间隙，图6 - 14 所示为单键连接的几何尺寸。在平键连接中，键和轴键槽、轮毂键槽的宽度b 是配合尺寸，应规定较严的公差；而键的高度h 和长度L 以及轴键槽的深度t1 皆是非配合尺寸，其精度要求较低。

图6-14　单键连接的几何尺寸　

2）普通平键和键槽配合尺寸的公差与配合种类

平键连接配合的选用主要是根据使用要求和应用场合确定其配合种类。平键连接中键由型钢制成，是标准件，因此键与键槽宽度的配合采用基轴制。国家标准规定，按轴径确定键和键槽尺寸。普通平键和键槽的剖面尺寸可在GB/T 1905—2003《平键 键槽的剖面尺寸》及GB/T 1096—2003《普通型 平键》中查取。对键的宽度规定一种公差带h9，对轴和轮毂键槽的宽度各规定三种公差带，以满足各种用途的需要。键宽度公差带分别与三种键槽宽度公差带形成三组配合，如图6 - 15 所示。

图6-15　平键连接键宽度与三种键槽宽度公差带示意图　

平键连接的配合及应用见表6 - 9。

表6-9　平键连接的三组配合及应用

3）普通平键和键槽非配合尺寸的公差带

平键高度h 的公差带一般采用h11；截面尺寸为2 mm × 2 mm～6 mm × 6 mm 的B 型平键，由于其宽度和高度不易区分，这种平键高度的公差带亦采用h9。平键长度L 的公差带采用h14，轴键槽长度上的公差带采用H14。轴键槽深度t1 和轮毂键槽深度t2 的极限偏差由国家标准专门规定。为了便于测量，在图样上对轴键槽深度和轮毂键槽深度分别标注“d - t1”和“d + t2”（d 为孔、轴的公称尺寸）。

小提醒　

在选用平键连接的配合时，应根据平键的公称尺寸由表6 - 10 查出轴槽深t 与轮毂槽深t1 的尺寸和公差带，然后再根据零件的使用性能要求参考表6 - 9 选取一组适宜的配合公差带，从而确定键宽与轴槽宽和轮毂槽宽配合的尺寸公差带。

表6-10　普通平键键槽剖面尺寸及键槽极限偏差（摘自GB/T 1095—2003）　mm

4）键槽的几何公差

键与键槽配合的松紧程度不仅取决于它们的配合尺寸公差带，还与它们配合表面的几何误差有关。为保证键与键槽之间有足够的接触面积和避免装配困难，应分别规定轴槽和轮毂槽的对称度公差。对称度公差值一般可按照GB/T 1182—2008《产品几何技术规范（GPS）几何公差形状、方向、位置和跳动公差标注》中对称度7～9 级选取。对称度公差的主参数是键宽b。

当键长L 和键宽b 之比大于或等于8 时，应对键的两工作侧面在长度方向上规定平行度公差，平行度公差按GB/T 1182—2008 选取；当b＜mm 时，平行度公差等级取7 级；当b≥8～36 mm 时，平行度公差等级取6 级；当b≥40 mm 时，平行度公差等级取5 级。

5）平键和键槽的表面粗糙度要求

键和键槽的表面粗糙度参数Ra 的上限值一般选取的范围是：键槽宽度b 两侧面的表面粗糙度Ra 值推荐为1.6～3.2 μm，键槽底面的Ra 值一般取6.3 μm，非配合表面取为12.5 μm。

2. 普通平键的检测

键和键槽尺寸可以用千分尺、游标卡尺等通用长度计量器具来测量。键槽宽度可以用量块或极限量规检验。图6 - 16（a）所示为检验键槽宽度的极限量规，图6 - 16（b）所示为轮毂槽深度极限量规。

轴槽和轮毂槽的对称度，在单件小批量生产时，可以采用分度头、V 形块和百分表来测量键槽的对称度，如图6 - 16（d）所示；大批量生产时，采用综合量规进行检测。图6 - 16（c）所示为轴槽对称度量规，该量规以其V 形表面作为定心表面来体现基准轴线（不受轴实际尺寸变化的影响），以检验键槽对称度误差，若V 形表面与轴表面接触且量杆能够进入被测键槽，则表示合格。图6 - 16（e）所示为轮毂槽对称度量规，该量规以圆柱面作为定位表面来体现基准轴线，以检验轮毂槽对称度误差，若它能够同时自由通过轮毂的基准孔和被测键槽，则表示合格。

检验键槽宽极限 尺寸量规

图6-16　普通平键用综合量规　

（a）键槽宽度极限量规；（b）轮毂槽深度极限量规；（c）轴槽对称度量规； （d）采用分度头、V 形块和百分表测量键槽对称度；（e）轮毂槽对称度量规

二、花键

花键连接是多键接合，是将键与轴或孔制成一个整体，由内花键（花键孔）和外花键（花键轴）组成。

与键连接相比，花键特点是定心精度高、稳定性好、导向性好、承载能力强、连接可靠，因而在机械中获得广泛的应用。

按齿形的不同，花键可以分为矩形花键、渐开线花键和三角形花键，如图6 - 17 所示。矩形花键的定心精度高，定心的稳定性好，承载能力强，加工工艺性良好，在航空、汽车、机床、农业机械及一般机械传动中应用最为广泛。

花键连接可作固定连接，也可作滑动连接。滑动连接要求导向精度及移动灵活性，固定连接要求可装配性。

图6-17　花键种类　

（a）矩形花键；（b）渐开线花键；（c）三角形花键

1. 矩形花键

1）矩形花键的主要尺寸参数

矩形花键连接有三个主要尺寸参数：小径d、大径D、键（或槽）宽B，如图6 - 18 所示。

为了便于加工和检测，键数N 规定为偶数，有6、8、10 三种。按承载能力，对公称尺寸规定了轻、中两个系列，同一小径的轻与中系列的键数、键宽（或槽宽）均相同，仅大径不相同，如表6 - 11 所示。中系列的键高尺寸较大，承载能力强；轻系列的键高尺寸较小、承载能力相对较低。

图6-18　矩形花键的主要尺寸参数　

（a）内花键；（b）外花键

表6-11　矩形花键的尺寸系列（摘自GB/T 1144—2001）　mm

2. 矩形花键的定心方式

矩形花键连接是靠内、外花键的大径D、小径d、键（或槽）宽B 同时参与配合，来保证内、外花键的同轴度（定心精度）、连接强度和传递转矩的可靠性。对要求轴向滑动的连接，还应保证导向精度。

在矩形花键连接中，若要使D、d 和B 三个尺寸同时达到高精度的配合很困难，也没有必要，所以在使用中只要选择其中一个尺寸的接合面作为主要配合面，来确定内、外花键的配合性质，这个接合面称为定心表面。每个接合面都可以作为定心表面，因此，花键连接可以有三种定心方式：小径d 定心、大径D 定心、键侧（键槽侧）B 定心，如图6 - 19 所示。前两种定心方式的定心精度比后一种方式高，而键和键槽的侧面无论是否作为定心表面，其宽度尺寸B 都应具有足够的精度，因为它们要传递转矩和导向。此外，非定心直径表面之间应该有足够的间隙。

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图6-19　矩形花键联结的定心方式　

（a）大径定心；（b）小径定心；（c）键宽定心

GB/T 1144—2001 规定矩形花键连接采用小径定心，这是因为在内、外花键制造过程中需要进行热处理（淬硬）来提高硬度和耐磨性。淬硬后应采用磨削来修正热处理变形，以保证定心表面的精度要求。如果采用大径定心，则内花键大径表面很难磨削，内花键定心表面的精度靠拉刀来保证，当内花键定心表面硬度要求较高时，很难用拉刀修正。采用小径定心，磨削内、外花键小径表面就很容易。此外，当内花键尺寸精度要求高时，如IT5 级和IT6 级精度齿轮的花键孔，定心表面尺寸的标准公差等级分别为1T5 和IT6，采用大径定心，则拉削内花键不能达到高精度大径要求，而采用小径定心就可以通过磨削达到高精度小径要求。

小提醒　

矩形花键连接采用小径定心就可以得到更高的定心精度，并能保证和提高花键的表面质量，标准规定内、外花键在大径处留有较大的间隙。

3. 矩形花键的公差与配合

GB/T 1144—2001 规定的矩形花键按装配形式分为滑动、紧滑动、固定三种。按精度高低，这三种装配形式各分为一般用途和精密传动使用两种。矩形花键的定心小径、非定心大径和键宽（键槽宽）的尺寸公差带与装配形式如表6 - 12 所示。

表6-12　矩形花键的定心小径、非定心大径和键宽（键槽宽）的尺寸 公差带与装配形式（摘自GB/T 1144—2001）

为了减少花键拉刀和花键塞规的品种、规格，花键连接采用基孔制配合。

对于拉削后不进行热处理和拉削后进行热处理的零件，因为所使用的拉刀不同，故采用不同的公差带。

一般传动用内花键拉削后再进行热处理，其键（键槽）宽的变形不易修正，故公差要降低要求（由H9 降为H11）。对于精密传动用内花键，当连接要求键侧配合间隙较高时，槽宽公差带选用H7，一般情况选用H9。

在一般情况下，定心直径d 的公差带，内、外花键取相同的公差等级。这个规定不同于普通光滑孔、轴的配合，主要是考虑到矩形花键采用小径定心，使加工难度由内花键转为外花键。但在有些情况下，内花键允许与提高一级的外花键配合，如公差带为H7 的内花键可以与公差带为f6、g6、h6 的外花键配合，公差带为H6 的内花键可以与公差带为f5、g5、h5的外花键配合，这主要是考虑矩形花键常用来作为齿轮的基准孔，在贯彻齿轮标准过程中，有可能出现外花键的定心直径公差等级高于内花键定心直径公差等级的情况，而大径只有一种配合，为H10/a11。

矩形花键连接的公差与配合选用主要是确定连接精度和装配形式。连接精度主要根据定心精度要求和传递扭矩的大小选择。精密级一般用于精密传动定心精度要求高或传递扭矩大而且平稳的场合；一般级适用于汽车、拖拉机的变速箱中。

花键的装配形式可根据使用条件来选取。若内、外花键在工作中只传递转矩，而无相对轴向移动要求，则一般选用配合间隙最小的固定连接。若除了传递转矩外，内、外花键之间还有相对轴向移动，则应选用滑动或紧滑动连接。若移动时定心精度要求高、传递转矩大或经常有反向转动的情况，则选用配合间隙较小的紧滑动连接，以减小冲击与空程，并使键侧表面应力分布均匀；而对于移动距离长、移动频率高的情况，应选用配合间隙较大的滑动连接，以保证运动灵活性及配合面间有足够的润滑层。

4. 矩形花键的几何公差

几何公差对花键配合的装配性能和传递转矩与运动的性能影响很大，必须加以控制。国家标准GB/T 1144—2001 对矩形花键的几何公差有以下规定。

（1） 为保证定心表面的配合性质，内、外花键小径定心表面的形状公差和尺寸公差的关系应遵守包容要求。

（2） 在大批量生产时，采用花键综合量规来检验矩形花键，因此键宽需要遵守最大实体要求。对键和键槽只需规定位置度公差。矩形花键的位置度公差见表 6 - 13，图样标注如图6 - 20 所示。

表6-13　矩形花键的位置度公差（摘自GB/T 1144—2001）　mm

图6-20　矩形花键位置度公差标注示例　

（a）内花键；（b）外花键

（3） 在单件、小批量生产时，采用单项测量，对键（键槽）宽应规定键（键槽）宽度对称度公差和等分度公差，并遵守独立原则，二者同值。对称度公差值见表6 - 14，图样标注如图6 - 21 所示。

对于较长的花键，可根据产品性能自行规定键（键槽）侧对小径d 轴线的平行度公差。

表6-14　矩形花键的对称度公差（摘自GB/T 1144—2001）　mm

图6-21　矩形花键对称度公差的标注示例　

（a）内花键；（b）外花键

5. 矩形花键的表面粗糙度

矩形花键的表面粗糙度参数一般是标注Ra 的上限值要求。矩形花键表面粗糙度Ra 参数的上限值一般这样选取：内花键的小径表面不大于0.8 μm，键侧面不大于3.2 μm，大径表面不大于6.3 μm；外花键的小径表面不大于0.8 μm，键侧面不大于0.8 μm，大径表面不大于3.2 μm。

6. 矩形花键的标注与检测

1）矩形花键的标注方法

矩形花键的规格按下列顺序表示：键数N × 小径d × 大径D × 键宽（键槽宽）B，即N × d × D × B。需要标注公差时，各自公差带代号紧跟其后，按此顺序在装配图上标注花键的配合代号，在零件图上标注花键的尺寸公差带代号。

7. 矩形花键的检测

花键检测的方式根据不同的生产规模而定。对单件、小批量生产的内、外花键，可用通用量具按独立原则分别对尺寸d、D 和B 进行尺寸误差单项测量，对键（键槽）宽的对称度及等分度分别进行几何误差测量。对大批量生产的内、外花键，可采用综合量规［内花键用综合塞规（见图6 - 22（a）、外花键用综合环规（见图6 - 22（b）］按包容原则检测花键的小径d，并按最大实体原则综合检测花键的大径D 及键（键槽）宽B，综合量规只有通端，故另需用单项量规（内花键用塞规、外花键用卡板）分别检测d、D 和B 的最小实体尺寸，单项量规只有止端。检测时，若综合量规不能通过则花键合格。

图6-22　花键综合量规　

（a）内花键用综合塞规；（b）外花键用综合环规

任务实施

任务回顾

图 6 - 13 所示为平键轴和花键轴或槽的剖面图，试根据所学知识，确定平键的轴键槽以及轮毂键槽、花键以及花键槽的剖面尺寸及其公差带、形位公差和表面粗糙度，并在图样上进行标注。同时简述平键和矩形花键的检测方法及其合格条件。

任务实施

1. 平键连接

（2） 键与键槽配合的松紧程度还与它们配合表面的形位误差有关，因此应分别规定轴键槽宽度的中心平面对轴的基准轴线和轮毂键槽宽度的中心平面对孔的基准轴线的对称度公差。该对称度公差与键槽宽度的尺寸公差及孔、轴尺寸公差的关系可以采用独立原则或最大实体要求。

（3） 键槽宽度b 两侧面的表面粗糙度Ra 值推荐为1.6～3.2 μm，键槽底面的Ra 值一般取6.3 μm，非配合表面取为12.5 μm。

因此得到轴键槽和轮毂键槽剖面尺寸及其公差带、键槽的形位公差和表面粗糙度并能在图样上标注，如图6 - 23 所示。图6 - 23（a）中总对称度公差采用独立原则，图6 - 23（b）中对称度公差采用最大实体要求。

图6-23　轴键槽和轮毂键槽形位公差和表面粗糙度在图样上的标注　

（4） 如图6 - 24 所示，轴键槽对称度公差与键槽宽度的尺寸公差的关系采用最大实体要求，而该对称度公差与轴径尺寸公差的关系采用独立原则。这时键槽对称度误差可用图6 - 24（b）所示的量规检验。该量规以其V 形表面作为定心表面来体现基准轴线，检验键槽对称度误差，若V 形表面与轴表面接触且量杆能够进入被测键槽，则表示合格。

轮毂键槽对称度可用图6 - 24（b）所示的量规检验。若量规能够自由通过轮毂的基准孔和被测键槽，则表示轮毂键槽合格；否则，为不合格。

图6-24　轴键槽对称度量规　

2. 矩形花键连接

（1） 查表6 - 12 选取一般用矩形花键，内花键小径d 的公差带为H7，大径D 的公差带为H10，键宽B 的公差带为H11；对应着外花键小径d 的公差带为f7，大径D 的公差带为a11，键宽B 的公差带为d10，装配形式为滑动。

（2） 内、外花键是具有复杂表面的接合件，且键长与键宽的比值较大，因此还需要有形位公差要求。由于键宽B = 6 mm，查表6 - 13 的位置度公差t1 = 0.015 mm。若是规定对称度公差，则注意键宽的对称度公差与小径定心表面的尺寸公差关系应遵循独立原则。

（3） 矩形花键的表面粗糙度选取：内花键的小径表面为Ra0.8 μm，键侧面为Ra3.2 μm，大径表面为Ra6.3 μm；外花键的小径表面为Ra0.8 μm，键侧面为Ra0.8 μm，大径表面为Ra3.2 μm。

因此得到矩形花键剖面尺寸及其公差带、键槽的形位公差和表面粗糙度及其在图样上的标注，图6 - 25 所示为矩形花键的标注。

（4） 内花键用塞规检测，外花键用环规检测。检测时，若被测花键能被通规通过，单项止端量规不能通过，则表示被测花键合格；若被测花键不能被花键量规通过，或者能够被单项止端通规通过，则表示被测花键不合格。