机械设计与实践教案 项目5 常用机械连接设计 教案.docx

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机械设计与实践教案项目5常用机械连接设计教案

项目5常用机械连接设计

1．教学目标

（1）了解螺纹的类型及主要参数；

（2）掌握螺纹连接、预紧和防松措施、螺栓组连接的设计；

（3）掌握提高螺栓连接强度的措施；

（4）了解键连接的类型、特点，掌握键连接的选择及强度计算；

（5）了解花键连接、无键连接、销连接等知识。

2．教学重点和难点

重点

（1）螺纹、螺纹连接及其零件的结构和类型。

（2）螺纹连接的受力分析和强度计算。

（3）螺纹连接的预紧和防松以及提高螺纹连接强度的措施。

难点

螺纹连接的受力和变形关系图

3．讲授方法：

多媒体和演示柜教学

4.理论学时:

4课时

任务一螺纹连接设计

【任务导入】

在机械设计、制造和装配中，为了减少制造、安装、维修和运输费用，以及尽可能减轻机器重量、节约贵重金属、降低生产成本和提高劳动生产率，在一部机器中经常可以看到使用了不同的材料来制造不同的零件，然后通过一定的方式和连接手段把这些零件连接成一个整体，来实现预期的性能要求。

神电公司有如图5.1示螺栓受拉力F作用。

已知材料的许用切应力[τ]和许用拉应力[σ]的关系为[τ]=0.6[σ]。

要求设计螺栓直径d与螺栓头高度h的合理比例。

图5.1螺栓头设计

【任务分析】

常用的机械连接方法有机械动连接和机械静连接。

机械静连接又分为不可拆卸连接：

铆接、焊接、胶接等（这种连接拆卸时会损坏其中一个零件）；和可拆卸连接：

销连接、键连接、螺纹连接等。

除以上的连接方式外，常用的还有过盈配合连接、无键连接等。

螺纹连接是采用螺纹和螺纹连接件来实现的连接。

这类连接具有结构简单、拆装方便、工作可靠等特点，在各个行业及日常生活中都得到了广泛的使用。

【力学知识】

剪切计算与应用

一、剪切的概念

工程结构中的许多连接件，如铆钉、螺栓、键、销等，受力后产生的主要变形为剪切，剪切是杆件的基本变形形式之一。

钢板在上、下刀刃产生的力F作用下，在相距很近的δ区域内，迫使钢板左右两部分沿中间截面m—m发生相对错动，当力F足够大时，钢板被剪断。

图5.3铆钉受剪图

图5.3a为一铆钉连接简图。

当被连接件（钢板）上受到外力F的作用后，力由两块钢板传到铆钉与钢板的接触面上，铆钉受到大小相等、方向相反的两组分布力（合力为F）的作用，使铆钉上下两部分沿中间截面m—m发生相对错动的变形，如图5.3b、c所示。

由上述两例，可见剪切的受力特点是：

作用在杆件两侧面上且与杆轴线垂直的外力的合力大小相等，方向相反，作用线相距很近。

其变形为使杆件两部分在中间截面m—m沿作用力的方向上发生相对错动。

杆件的这种变形称为剪切。

杆件所沿发生相对错动的中间截面m—m称为剪切面。

二、剪切的实用计算

切应力在剪切面上分布的情况比较复杂。

为便于计算，工程中通常采用实用计算，即根据构件的实际破坏情况，作出粗略的、简单的、但基本符合实际情况的假设，作为强度计算的依据。

在这种实用计算中，假设剪切应力在剪切面内是均匀分布的（图5.5），按此假设计算出的切应力实质上是截面上的平均应力，称为名义切应力，即

（5—1）

材料的极限切应力τu是用试验方法得到的。

将此极限切应力除以适当的安全系数，即得材料的许用切应力

（5—2）

由此建立剪切强度条件

（5—3）

大量实践结果表明，剪切的实用计算能满足工程实际的要求。

工程中常用材料的许用切应力，可以从机械设计手册中查得。

对于剪切问题，工程上除应用式（5—3）进行剪切的强度校核，以确保构件正常工作外，有时会遇到相反的问题，即所谓剪切破坏。

例如，车床传动轴的保险销，当载荷超过极限值时，保险销首先被剪断，从而保护车床的重要部件。

而冲压模具冲裁工件时则是利用剪切破坏来达到加工目的的。

剪切破坏的条件为

（5—4）

式中：

Fb一—破坏时横截面上的剪力；

τb—一材料的剪切强度极限。

剪切强度条件同样可解决三类问题：

校核强度，设计截面尺寸和确定许用载荷。

【设计知识】

一、螺纹连接

1.螺纹的分类

根据平面图形的形状，螺纹可分为三角形、矩形、梯形和锯齿形螺纹（图5.6）等。

根据螺旋线的绕行方向，可分为左旋螺纹和右旋螺纹，规定将螺纹直立时螺旋线向右上升为右旋螺纹（图5.7a），向左上升为左旋螺纹（图5.7b）。

机械制造中一般采用右旋螺纹，有特殊要求时，才采用左旋螺纹。

根据螺旋线的数目，可分为单线螺纹（图5.7a）和等距排列的多线螺纹（图5.7b）。

为了制造方便，螺纹一般不超过4线。

三角形螺纹主要用于连接，矩形、梯形和锯齿形螺纹主要用于传动。

除矩形螺纹外，其它三种螺纹均已标准化。

2.螺纹的参数

以圆柱螺纹为例（图5.8）。

在普通螺纹基本牙型中，外螺纹直径用小写字母表示，内螺纹直径用大写字母表示。

（1）大径d与外螺纹牙顶（或内螺纹牙底）相重合的假想圆柱体的直径。

（2）小径d1　与外螺纹牙底（或内螺纹牙顶）相重合的假想圆柱体的直径。

（3）中径d2　螺纹轴向剖面内，牙厚等于牙间宽处的假想圆柱体的直径。

（4）螺距P　相邻两牙在中径上对应两点间的轴向距离。

（5）导程S　同一条螺旋线上相邻两牙在中径线上对应两点间的轴向距离。

设螺纹线数为n，则有S=nP。

（6）升角中径d2圆柱上，螺旋线的切线与垂直于螺纹轴线的平面间的夹角。

            （5—5）

（7）牙型角α　螺纹轴向剖面内螺纹牙两侧边的夹角。

（8）牙型斜角β　牙型侧边与螺纹轴线垂线间的夹角，对于对称牙型β=α／2。

（9）螺纹牙工作高度h内外螺纹旋合后，螺纹接触面在垂直于螺纹轴线方向上的距离。

图5.8圆柱螺纹的主要几何参数

二、螺纹连接件及螺纹连接的基本类型

1.螺纹连接的基本类型

根据结构特点，螺纹连接有下列四种基本类型。

1）螺栓连接　

被连接件的孔中不切制螺纹，装拆方便。

2）双头螺柱连接　　

使用两端均有螺纹的螺柱，一端旋入并紧定在较厚被连接件的螺纹孔中，另一端穿过较薄被连接件的通孔。

适用于被连接件较厚，要求结构紧凑和经常拆装的场合。

3）螺钉连接　　

螺钉直接旋入被连接件的螺纹孔中，如图5.11所示，结构较简单，适用于被连接件之一较厚，或另一端不能装螺母的场合。

但经常拆装会使螺纹孔磨损，导致被连接件过早失效，所以不适用于经常拆装的场合。

4）紧定螺钉连接　　

将紧定螺钉拧入一零件的螺纹孔中，其末端顶住另一零件的表面或顶入相应的凹坑中，如图5.12所示。

常用于固定两个零件的相对位置，并可传递不大的力或转矩。

2.常用螺纹连接件

螺纹连接件品种很多，大都已标准化。

常用的标准螺纹连接件有螺栓、螺钉、双头螺柱、紧定螺钉、螺母和垫圈。

1）螺栓　

螺栓头部形状很多，最常用的有六角头（图5.13a）和小六角头两种（图5.13b）。

2）螺钉　

螺钉的结构形式与螺栓相同，但头部形式较多（图5.14），以适应对装配空间、拧紧程度、连接外观和拧紧工具的要求。

有时也把螺栓作为螺钉使用。

图5.14螺钉

a）六角头b）圆柱头c）半圆头d）沉头e）内六角孔f）十字槽g）吊环螺钉

3）双头螺柱　

双头螺柱没有钉头，两端制有螺纹。

结构有Ａ型（有退刀槽，图5.15a）与Ｂ形（无退刀槽，图5.15b）之分。

a）　　　　　　　　　　　　　　　b）

图5.15双头螺柱

4）紧定螺钉

紧定螺钉的头部和尾部制有各种形状。

常见的头部形状有一字槽（图5.16a）等。

螺钉的末端主要起紧定作用，常见的尾部形状有平端、圆柱端和锥端（图5.16）等。

图5.16紧定螺钉

a）一字槽b）平端c）圆柱端d）锥端

5）螺母　

螺母的结构形式很多，最常用的是六角螺母。

按厚度不同，螺母可分为标准螺母（图5.17a）、扁螺母（图5.17b）和厚螺母（图5.17c）三种。

螺母的制造精度与螺栓相同，也分为粗制和精制两种，以便与同精度的螺栓配用。

图5.17d所示的圆螺母常用作轴上零件的轴向固定，并配有止退垫圈。

a）　　b）c）　　　d）a）b）

图5.17螺母图5.18垫圈

6）垫圈　

垫圈的主要作用是增加被连接件的支承面积或避免拧紧螺母时擦伤被连接件的表面。

常用的有平垫圈（图5.18a）和斜垫圈（图5.18b）。

当被连接件表面有斜度时，应使用斜垫圈。

【任务实施】

神电公司的螺纹连接计算如下。

由已经知条件和力学知识：

【相关拓展】

螺纹连接的防松

1.螺纹连接的预紧

螺纹连接的预紧是指装配时把螺纹连接拧紧，使其受到预紧力的作用，目的是使螺纹连接可靠地承受载荷，获得所要求的紧密性、刚性和防松能力。

除个别情况外，螺纹连接都必须预紧。

由于预紧力的大小对螺纹连接的可靠性、强度和密封性都有很大的影响，所以对重要的螺纹连接，还应控制预紧力的大小。

2.螺纹连接的防松

松动是螺纹连接最常见的失效形式之一。

在静载荷条件下，普通螺栓由于螺纹的自锁性一般可以保证螺栓连接的正常工作。

但是，在冲击、振动或者变载荷作用下，或者当温度变化很大时，螺纹副间的摩擦力可能减少或者瞬时消失，致使螺纹连接产生自动松脱现象，为了保证螺纹连接的安全可靠，许多情况下螺栓连接都采取一些必要的防松措施。

螺纹连接防松的本质就是防止螺纹副的相对运动。

按照工作原理来分，螺纹防松有摩擦防松、机械防松、破坏性防松以及粘合法防松等多种方法。

（1）摩擦防松

①弹簧垫圈弹簧垫圈（图5.19）用弹簧钢制成，装配后垫圈被压平，其反弹力能使螺纹间产生压紧力和摩擦力，能防止连接松脱。

②弹性圈螺母图5.20所示为弹性圈螺母，螺纹旋入处嵌入纤维或者尼龙来增加摩擦力。

该弹性圈还可以防止液体泄漏。

③双螺母利用两螺母（图5.21）的对顶作用使螺栓始终受到附加拉力，致使两螺母与螺栓的螺纹间保持压紧和摩擦力。

（2）机械防松

①槽形螺母与开口销槽形螺母拧紧后，用开口销穿过螺母上的槽和螺栓端部的销孔，使螺母与螺栓不能相对转动。

②止退垫圈与圆螺母将垫片的内翅嵌入螺栓（轴）的槽内，拧紧螺母后再将垫圈的一个外翅折嵌入螺母的一个槽内，螺母即被锁住，见图5.23。

③止动垫片

④串联钢丝用低碳钢丝穿入各螺钉头部的孔内，将各螺钉串联起来，使其相互制动。

使用时必须注意钢丝的穿入方向（见图5.25，上图正确，下图错误）。

（3）破坏性防松

图5.26冲点防松图5.27焊接防松图5.28粘合防松

①冲点如图5.26所示，螺母拧紧后，用冲头在螺栓末端与螺母的旋合缝处打冲2~3个冲点。

防松可靠，适用于不需要拆卸的特殊连接。

②焊接如图5.27所示螺母拧紧后，将螺栓末端与螺母焊牢，连接可靠，但拆卸后连接件被破坏。

（4）粘合防松如图5.28所示，在旋合的螺纹表面涂以粘合剂，防松效果良好。

3）支承面的平整

a）凸台b）凹坑

图5.29凸台和凹坑的应用图5.30斜垫圈的应用

若被连接件支承表面不平或倾斜，螺栓将受到偏心载荷作用，产生附加弯曲应力，从而使螺栓剖面上的最大拉应力可能比没有偏心载荷时的拉应力大得多。

所以必须注意支承表面的平整问题。

如图5.29所示的凸台和凹坑都是经过切削加工而成的支承平面。

对于型钢等倾斜支承面，则应采用如图5.30所示的斜垫圈。

4）扳手空间

设计螺纹连接时，要注意留有扳手扳动的必要空间，否则就无法装拆。

各种结构情况下的扳手空间尺寸可参考机械设计手册。

5）螺栓组连接的结构设计

①要设计成轴对称的几何形状；

②螺栓的布置应使螺栓的受力合理；

③螺栓的布置应有合理的间距、边距；

④同一组螺栓连接中各螺栓的直径和材料均应相同；

⑤避免螺栓承受偏心载荷。

任务二轴毂连接

【任务导入】

某动力公司机车挂钩的销钉连接如图5.31a。

已知挂钩厚度t=8mm，销钉材料的[τ]=60MPa，[σbs]=200MPa，机车的牵引力F=20kN，要求设计销钉的直径。

图5.31销钉连接

【任务分析】

为了传递运动和转矩，安装在轴上的齿轮、带轮等必须和轴连接在一起。

轴毂连接常用的方法有键、花键、销和过盈连接等。

【力学知识】

挤压计算与应用

一、挤压的概念

铆钉等连接件在外力的作用下发生剪切变形的同时，在连接件和被连接件接触面上互相压紧，产生局部压陷变形，以至压溃破坏，这种现象称为挤压（图5.32a）。

接触面上的压力称为挤压力，用Fbs表示。

由挤压力引起的接触面上的表面压强，习惯上称为挤压应力，用σbs表示。

应当注意，挤压与压缩的概念是不同的。

压缩变形是指杆件的整体变形，其任意横截面上的应力是均匀分布的；挤压时，挤压应力只发生在构件接触的局部表面，一般并不均匀分布。

二、挤压的实用计算

与切应力在剪切面上的分布相类似（图5.32a），挤压面上挤压应力的分布也较复杂，如图5.32b所示。

为了简化计算，工程中同样采用挤压实用计算，即假设挤压应力在挤压面上是均匀分布的（图5.32c）。

按这种假设所得的挤压应力称为名义挤压应力。

当接触面为平面时，挤压面就是实际接触面；对于圆柱状联接件，接触面为半圆柱面，挤压面面积Abs。

取为实际接触面的正投影面，即其直径面面积Abs=td（图5.32c），因此有

（5—6）

也可通过试验得到材料的极限挤压应力，除以适当的安全系数n，即得材料的许用挤压应力

（5—7）

图5.32挤压计算

由此建立挤压强度条件

（5—8）

挤压应力是连接件和被连接件之间的相互作用。

当两者材料不同时，应对其中许用挤压应力较低的材料进行挤压强度校核。

工程实践证明，挤压的实用计算能满足工程实际的要求。

工程中常用材料的许用挤压应力，可以从机械设计手册中查到。

【设计知识】

一、键连接

键连接结构简单、工作可靠、装拆方便，因此应用很广。

键有平键、导向平键、半圆键、楔键和切向键连接等多种。

1.平键连接如图5.33a）所示，平键的两侧面是工作面，平键的上表面与轮毂槽底之间留有间隙。

这种键的定心性好，装拆方便，应用广泛。

常用的平键有普通平键和导向平键。

（1）普通平键

（2）导向平键

2.半圆键连接半圆键连接如图5.35所示，键与轴上键槽均呈半圆形。

与平键一样，半圆键也是侧面是工作面。

半圆键连接的优点是装拆较方便；缺点是键槽较深，对轴的削弱较大，所以只适用轻载连接。

3.楔键连接和切向键连接

（1）楔键连接图5.36所示为楔键连接，楔键的上、下两面为工作面。

楔键的上表面和与它相配合的轮毂键槽底面均有1:

100的斜度。

装配时将楔键打入，使楔键楔紧在轴和轮毂的键槽中，楔键的上、下表面受挤压，工作时靠这个挤压产生的摩擦力传递转矩。

如图5.36所示，楔键分为普通楔键和钩头楔键两种，钩头楔键的钩头是为了便于拆卸的。

楔键连接的主要缺点是键楔紧后，轴和轮毂的配合产生偏心和偏斜，因此楔键连接一般用于定心精度要求不高和低转速的场合。

（2）切向键连接图5.37所示为切向键连接。

切向键是由一对楔键组成的，装配时将切向键沿轴的切线方向楔紧在轴与轮毂之间。

切向键的上、下面为工作面，工作面上的压力沿轴的切线方向作用，能传递很大的转矩。

用一对切向键时，只能单向传递转矩，如图5.37a）所示；当要双向传递转矩时，须采用两对互成120°分布的切向键，如图5.37b）所示。

由于切向键对轴的强度削弱较大，因此常用于直径大于100mm的轴上。

二、花键连接

如图5.38所示为花键轴（外花键）和花键孔（内花键）。

花键轴与花键孔相配即构成花键连接。

花键齿的侧面是工作面。

花键连接由于多个齿传递载荷，不但传递载荷的能力强，而且轴、毂之间对中性好、导向性好。

同时，轴上齿槽较普通键连接要浅，对轴的强度削弱较小。

其缺点是制造比较复杂。

花键连接按其齿形不同，有矩形花键和渐开线花键和三角形花键等三种。

前两种应用较多。

三、销连接

销的主要用途是固定零件之间的相对位置，也用于轴和轮毂的连接或其他零件的连接，通常只传递不大的载荷。

销还可以用于安全装置中作为过载剪断元件，称为安全销，当过载时，销即断裂，以保证安全。

销的型式较多，有圆柱销、圆锥销及其他特殊形式的销等。

图5.39所示即为圆锥销在轴毂连接中的应用。

【任务实施】

机车挂钩的销钉连接计算如下。

（1）求剪力Fs，销钉受力情况如图5.31b所示，因销钉受双剪，故每个剪切面上的剪力

，剪切面面积

。

（2）根据剪切强度条件设计销钉直径

由式（5－3）可得

有

取d=15mm。

（3）根据挤压强度条件设计销钉直径

由图5.31b可知，销钉上、下部挤压面上的挤压力

，挤压面面积Abs=t·d，由式（5—8）得

即

故选d=15mm，可同时满足挤压和剪切强度的要求。

【相关拓展】

过盈连接

如图5.40所示，过盈连接是利用轴与轮毂孔两配合零件间的过盈（轴的尺寸略大于毂孔的尺寸）而构成的一种连接。

过盈连接装配后，由于轮毂和轴的弹性变形，在配合面间产生很大的压力,工作时靠压力产生的摩擦力来传递转矩或轴向力。

过盈连接结构简单、定向性好，承载能力较大并能承受振动和冲击，又可以避免键槽对被连接件的削弱。

但由于连接的承受能力直接取决于过盈量的大小，故对配合面加工精度要求较高。

另外，装拆也较困难。