ASME B17.1-1967 (2017) scan——键与键槽

🔑 ASME B17.1-1967 是美国机械工程师学会机械动力传动（B17）系列中的基础性标准，全称《键与键槽》（Keys and Keyseats）。它解决的是一组看似细小、实则决定传动可靠性的问题：给定一根轴，应当配多大的键；键的宽度、高度与长度各采用什么公差；键槽在轴上和轮毂中分别加工到多深；装配后的配合属于哪一等级；以及如何用最简单的量具在车间现场检验键槽深度与两侧面的平行度。该标准于 1967 年 9 月 15 日经美国标准学会（USA Standards Institute，即 ANSI 前身）批准成为美国国家标准，编号 B17.1-1967；此后经多次重申确认，2017 年确认文本是现行有效版本。本页所依据的素材为扫描件，正文内容依标准目录、章节结构与机械动力传动领域的通用技术要求整理。

一、标准概述与适用范围 📌

本标准规定平行键（parallel key）与斜键（taper key）及其键槽的尺寸、型式与公差，并配套给出键与键槽的配合等级、键槽深度控制方法、键与键槽的倒角及圆角、键上紧定螺钉的选用，以及键槽对轴线的平行度公差等内容。其适用对象是轴与轮毂之间的键连接，即通过键把扭矩从轴传递到齿轮、带轮、链轮、联轴器或反之。

标准的形成有清晰的历史脉络：键的单项标准最早在 20 世纪 20 年代末发布，1934 年与轴类标准合并出版为《Standard Shafting and Stock Keys》；1943 年发布修订版，1955 年因技术支持不足而撤销。半月键（Woodruff key）、半月键槽与专用铣刀另由 B17f-1930 单独规定并于 1955 年重申。1962 年 USA Standards Committee B17 恢复活动并组建分委员会，以当时工业界的实际做法为基础重新编制，最终形成 1967 年版 B17.1。

需要明确的是，本标准不覆盖以下内容：渐开线花键与矩形花键（由 B92 系列规定）、销连接与过盈配合连接、键的疲劳强度计算方法、以及特殊工况（高温、腐蚀、超高速）下的选材准则。工程设计中如需强度校核，应在遵循本标准尺寸与公差体系的前提下另行计算。

二、键的型式与术语 🔧

标准在”定义”一章中厘清了几个极易混淆的基本术语，这是正确执行后续条款的前提：

• 键（key）：置于轴与轮毂之间、用于传递扭矩的机械零件，本身通常不承受轴向力。
• 键槽（keyseat）：加工在轴上的槽。
• 轮毂键槽（keyway）：加工在轮毂孔（孔壁）上的槽。二者合称”键与键槽装配”。
• 平行键（parallel key）：截面为正方形或矩形的直键，两侧面为工作面，靠侧面挤压与剪切传递扭矩，顶面与轮毂键槽底之间留有间隙。
• 斜键（taper key）：上表面带有约 1:100 斜度的键，打入后靠顶面楔紧产生摩擦力，同时侧面仍参与传扭；可分带头（gib head）与不带头两种，带头斜键便于拆卸。
• 半月键（Woodruff key）：半圆形键，嵌入轴上半圆槽内，可自动适应轮毂键槽的倾斜，常用于小直径轴与锥形轴端。

此外，工程上还常见 Pratt & Whitney 键（两端为半圆、中部为矩形，可承受一定轴向位移）、滑键（feather key，键固定在轴上、轮毂可沿键滑动）等变型。这些型式在尺寸体系上仍沿用本标准的键宽—键高—键槽深度对应关系。

三、键尺寸与轴径的匹配（表 1） 📏

标准的表 1 给出”键尺寸对轴径”的对应关系，是整套标准使用频率最高的内容。其基本原则是：键宽随轴径增大而分档增大；在同一轴径档内，既允许采用宽高相等的方键，也允许采用高度略小的扁键（矩形键），以便在轮毂壁厚受限或需要减小键槽对轴的削弱时灵活处理。下表按标准表 1 的英制分档列出常用范围，并给出公制近似值供对照。

国内设计图纸更多采用公制键，其分档与 ISO 773／DIN 6885-1 一致，可与 B17.1 的英制体系相互换算。下表给出常用的公制对照，便于在采用公制轴径时快速取键并确定槽深：

四、键与键槽的尺寸公差与配合等级 ⚙️

标准对键的三个尺寸给出截然不同的公差待遇，这是理解整套配合体系的关键：

• 键宽 b：唯一的配合尺寸，公差最严，键与键槽的间隙或过盈全部由它承担。
• 键高 h：非配合尺寸，仅控制顶隙；平行键顶面与轮毂键槽底之间应保留间隙（通常约 0.005～0.015 in，即 0.13～0.38 mm），确保载荷由两侧面承担而不是由顶面”顶死”。
• 键长 L：自由尺寸，按轮毂长度确定，一般取轮毂长度的 0.8～0.9 倍，端部留出倒角或圆头空间。

在配合等级上，标准把平行键的装配分为两级：Class 1 配合较松，键宽与键槽宽之间留有明确间隙，便于手工装拆、允许轻微不同轴，适用于一般传动、需经常拆卸或需轴向滑动的场合；Class 2 配合较紧，间隙小甚至为过渡配合，用于频繁正反转、有冲击载荷、要求传动精度或需抑制微动磨损的场合。斜键另有其楔紧量的规定，其顶面在打入后应与轮毂键槽底贴合。

五、键槽深度控制与现场测量 📐

键槽深度是本标准最具工程价值的部分。标准以两个符号描述深度：T 为轴上的键槽深度，S 为轮毂键槽深度。二者与键高 h 的关系必须满足：S + T = h + 顶隙。对于方键，通常取 T = S = h/2；对于扁键，则按标准表 3 的分配取值，一般使 T 略大、S 略小，以保证轴侧有足够的承压高度。

由于轴是圆柱面，直接测量槽底到轴线的距离既困难又易引入误差。标准因此引入“深度控制尺寸”（depth control）的概念：把槽底到轴对侧外圆的距离作为检验尺寸——轴上的深度控制尺寸为 d − T，轮毂的深度控制尺寸为 d + S。这样只需一把千分尺或高度尺，即可在车间直接测量，避免在圆弧上对刀。

现场检验通常采用三种手段：一是用深度游标卡尺或深度千分尺直接读取 T 与 S；二是用圆柱量棒（直径取键宽 b）置于槽内，测量量棒顶面到轴对侧外圆的距离，再换算槽深，此法可同时反映槽底的圆弧质量；三是在成批生产中采用专用键槽卡规或极限量规，直接判定合格与否。三种方法中，量棒法最接近装配实际状态，尤其适用于斜键槽与锥形轴。

六、加工、圆角与平行度 🛠️

键槽的加工质量直接影响轴的疲劳寿命。标准对键槽口倒角、键端倒圆以及键槽两侧面对轴线的平行度都作了规定（表 7、表 6）：

• 倒角与圆角：键槽口应去锐边，键的两端应倒角或倒圆，圆角半径一般在 0.005～0.015 in 范围，目的是减小应力集中并便于装配导入。
• 平行度：键槽两侧面应与轴线平行，常规控制量约为每 25 mm 长度不超过 0.02 mm（即 0.001 in/in）；电机与发电机轴伸端的键槽另有更明确的表 6 规定，采购电机时应按该表验收。
• 对称度：键槽中心平面应与轴的键槽基准面对中，偏置会迫使键承受附加弯矩，是键早期剪断的常见原因。
• 紧定螺钉（表 8）：当键需在槽内固定、或滑键需限位时，可在键顶加装紧定螺钉；标准按键宽给出了推荐螺钉规格。

七、工程实践与强度校核要点 📊

尺寸合规只是起点，工程上还必须做强度校核。键连接通常按剪切与挤压两种失效模式验算，计算式如下：

F = 2M / d   →   τ = F / (b · L)   →   σ = F / (t · L)

式中 M 为传递扭矩，d 为轴径，F 为键所受圆周力，b 为键宽，L 为键的工作长度，t 为键的工作高度（方键取 h/2）。算例：轴径 d = 50 mm，传递扭矩 M = 500 N·m，选用 14 × 9 × 60 的 45 钢键。则 F = 2 × 500 / 0.05 = 20 kN；剪切面积 A = 14 × 60 = 840 mm²，τ ≈ 23.8 MPa；挤压面积 A_b = 4.5 × 60 = 270 mm²，σ ≈ 74 MPa。45 钢键在静载下的许用挤压应力约 100～150 MPa、许用剪应力约 60～90 MPa，故该键满足要求；若载荷带冲击，应按 0.7 折减后重新核算。

• 🔍 选型流程：由轴径查表 1 定键宽键高 → 由轮毂长度定键长 → 按工况选配合等级 → 查表 3 定 T、S 并标注深度控制尺寸 → 校核剪切与挤压 → 标注倒角、圆角与平行度要求。
• 🔧 材料与热处理：常用冷拉碳钢（AISI 1020／1045，相当于国内 20 钢／45 钢），一般不热处理；键的硬度宜略低于轴与轮毂，使失效优先发生在键上，便于更换而不损伤轴。
• 📋 图纸标注：键槽应标注宽度及公差、深度控制尺寸（d − T 或 d + S）、对称度与平行度，并注明配合等级；仅标”键槽按 B17.1″不足以指导加工。
• 🧰 装配：装配前清除槽内毛刺，涂少量润滑脂防锈；斜键应按规定的打入量装配，过度打入会使轮毂偏心、轴承附加载荷增大。

八、常见问题解答 ❓