产品结构设计

第二章、连接与固定结构设计 2.1 概述 2.2 固定连接结构设计 2.3 活动连接结构设计 2.4 固定结构设计 概述 1.连接与固定结构的功能与种类 2.连接与固定结构的设计要求 固定连接结构设计 1.不可拆固定连接 2.可拆固定连接 3.易装拆固定连接 活动连接结构设计 1.活动连接的种类 2.转动连接结构设计 3.移动连接结构设计 4.柔性连接结构设计 固定结构设计 1.弹性锁扣结构 2.插接结构 概述 1.连接与固定结构的功能与种类 按照结构的主要功能和设计为出发点， 连接与固定结构可划分为：不可拆固定连接、可拆 固定连接、活动连接和固定结构 2.连接与固定结构的设计要求 总体上讲，各种连接与固定结构在设计上都要求可靠、工作稳定、简单、耐用及便于加工 制造。 对不可拆固定连接， 设计上一般要求达到一定的连接强度， 具有封闭性功能的 结构部件， 还要求在一定条件下达到一定的密封效果。 对可拆固定连接，通常要求拆卸中被连接的主题部件尽可能被保护，连接结构不易松动、 失效。对经常拆卸的固定连接，应考虑拆卸方便、快速。 对活动连接，主要考虑工作稳定性和使用寿命。 对固定结构，设计上主要考虑固定的可靠性、开启方便性等。 固定连接结构设计 1.不可拆固定连接 焊接（第一章详细描述，此略） 铆接 铆接是在被连接件打适当的孔、穿上铆钉，将铆钉通过打击、挤压等外力变形、压紧 端面，从而将被连接件固定在一起的连接方法，如图 2-1 所示。被铆接的零件一般为平形薄 板件。 铆接工艺简单、成本低、抗振、耐冲击、可靠性高，铆钉孔消弱被连接件截面强度。 可用于金属、 非金属件连接。 在承受剧烈冲击振动载荷的构件上或要求热变形小的部位采用 铆接是比较合适的选择，如起重机的机架、铁路桥梁、建筑、造船等，飞机机身就是采用铆 接连接铝合金板形成的。 铆钉是系列化生产的标准零件，如图 2-2 所示，选择时可参阅有关设计手册确定。在一 般手册中尚查不到，但实践应用上较普遍的新形式铆钉，图 2-3 给出了几个实例。 铆钉孔的排列设计根据连接设计强度要求，主要考虑铆钉承受的载荷，按照材料力学 原理求解。图2-4 为制动器摩擦片的铆接设计实例。 胶接 胶接是用胶粘剂将被连接件表面连接在一起的过程，也称粘接。交接与其他连接方式 比较，有如下特点： 应力分布均匀，可提高接头抗疲劳强度和使用寿命，提高构件的动态性能。 整个胶接面都能承受载荷，总的机械强度比较高。 减轻结构重量，胶接表面平整光滑。 具有密封、绝缘、隔热、防潮、减震的功能。 可连接各种相同或不同的材料。 工艺简单、生产效率高。 胶接的主要缺点有：强度不然其他形式，耐高、低温性较差，有老化问题。 胶接已广泛用于电器、仪表、小家电及玩具等产品结构中。图 2-5 所示的铝合金硬盘壳 体就是采用胶接方式固定、密封的。 各种胶粘剂的特点及应用如下： 酚醛树脂胶粘剂，韧性好、耐热性较高、强度大。主要用于胶接各种金属、非金属材 料，如汽车离合器、飞机的铝合金壁板等。 环氧树脂胶粘剂，强度高、收缩率小、耐介质、绝缘性好、配置简单、使用方便及使 用温度范围广（-60~200 摄氏度） ，但脆性较大，耐热性较差。主要用于金属、塑料、陶瓷 的胶接。 聚氨酯胶粘剂，特别适用于不同材料的胶接及软材料的胶接，工艺性也较好，可室温 固化或加热固化。耐低温性好，但耐热、耐高温性差。 胶接设计的基本原则是：尽可能承受拉伸和剪切应力；尽量避免剥离和不均匀的扯离 力；尽量增大胶接面积、 提高承载能力； 承受强力作用的接头可采用胶接和机械连接的复合 接头形式；接头形式要美观、平整、便于加工。 接头形式有对接、斜接、搭接、套接、嵌接及复合接等多种，参见图 2-6.图 2-7 为采用 胶接的几个金属切削刀具应用实例。 2.可拆固定连接 螺纹连接 螺纹连接是最广泛应用的一种可拆固定连接形式，主要用于零件的紧固。一般工业产 品中使用的螺纹连接件主要有螺柱、螺栓、螺钉及螺母等，常见连接方式如图2-8 所示。 螺柱、螺栓主要用于一些重要的和连接要求高的结构中，与螺母配合使用。为防止连 接在工作过程中因振动等产生松动，常配合使用垫圈等。 常用螺钉如图2-9 所示。 各种螺钉的特点和用途不同，使用中应合理选择。 普通机用螺钉的适应性最广，螺纹部分多采用公制螺纹制成，常用于金属件的连接， 需在被连接机体上预制与之相匹配的螺纹孔。在金属薄板或非金属材料如塑料件上制螺纹 孔，使用中易出现“易扣”现象而失效。因此，金属薄板，常在连接局部焊接加强块，在加 强块上制螺纹孔；用于塑料等软的零件时，较好的方法是在连接部预埋带螺纹孔的金属件。 自攻螺钉的螺纹端呈锥状，可拧入材料内部，挤压被连接材料，连接稳定、可靠，使 用方便，常用于塑料、木材及金属板零件等的连接固定。用于塑料或金属板零件时，应预先 在零件上制作略小于螺钉的孔，材料越硬，需预制的孔越大。 对于有螺母配合使用的连接，一般在螺母上施加一定的改进措施，简单而有效。图 2-10 所示的几种结构改进螺母均具有较好的锁紧、防松效果。图 2-11 为螺钉的几种有效防松处 理方法。 销连接 销连接是利用各种销子插入被连接部件的连接部位，从而实现零部件连接、固定或定 位的一种连接形式。销连接需要在零部件的连接部位预制与销配合的孔（锥孔或圆柱孔） ， 要求精确定位、可靠固定采用紧密配合，方便装拆的场合采用间隙配合。 销属于常用机械标准件，有很多形式可供选择，常用销如图 2-12 所示。 销的作用有多种，参见图 2-13~图 2-17。其中，起安全保护作用时，销的强度应低于零 件强度，从而在机械超过负荷时，销先断裂；作为铰链轴的销轴，当轴径较小时，常在端头 部与零件铆接在一起防止脱落，如手表、自行车链等；用于活动连接的销轴，可采用简易插 销，易于装拆，如矿山车斗间的挂接。 键连接 键主要用于连接轴与轴上的零件，传递扭矩，使之与轴同步转动，如图 2-18。键属于 标准件，有平键、楔键、半圆键及花键等形式。 用于高速运转轴的键连接， 设计上考虑平衡， 应对称布置。图 2-19~图 2-21 为几个典型 的键连接应用实例。 楔键连接易造成毂与轴的偏心，故主要用于对中性要求不高、低速和载荷平稳的使用 场合。 半圆键对轴的强度影响较大，不适于传递大扭矩，且不能传递轴向力。使用半圆键连 接需考虑设置轴向定位和紧固装置。 3.易装拆固定连接 过盈配合连接 过盈配合连接主要用于轴与孔的连接，轴的尺寸比孔略大，通过连接面的摩擦力传递 或抵抗扭矩和轴向力。如图2-22（a） 、图 2-22（b）所示，采用过盈配合连接时，在轴、孔 的端部做倒角或倒圆，以便于压装、减少连接件的挤压；如图 2-22（c） 、图 2-22（d）所示， 考虑拆装时可能产生的机械局部损坏， 对于结构重要的轴、 孔， 可设计中间隔离过渡套筒 （表 面硬度比轴和孔小） ，同时还可以起到减少对轴、孔结构形状限制和控制轴、孔配合压入位 置的作用。 对于盲孔结构的过盈连接，需考虑压装时孔内空气的排除，可在轴或孔上设计开槽、 孔道排气，如图2-23。 弹性变形连接 弹性变形连接指利用连接整体或局部的弹性变形实现结构结构部件之间的连接