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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2.1、概述一、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。二、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。2.2、固定连接结构设计一、不可拆固定连接焊接（第一章详细描述，此略）铆接铆接工艺简单、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：1)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。2)整个胶接面都能承受载荷，总的机械强度比较高。3)减轻结构重量，胶接表面平整光滑。4)具有密封、绝缘、隔热、防潮、减震的功能。5)可连接各种相同或不同的材料。6)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。二、可拆固定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。螺纹连接常用螺钉如图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。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。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。三、易装拆固定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。过盈配合连接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与固定。图2-24为等径和不等径塑料管子的连接。在管壁连接部位设有压痕，压痕可设计成整周或局部，连接时，压痕部产生弹性变形。弹性变形连接结构简单，拆装简便，但密闭性较差，常用于拆装频繁、连接脱落影响不大的产品中，如真空吸尘器吸尘管的连接、笔与笔帽的连接等。此类结构特别适合于注塑、冲压模具生产的薄壁塑料、金属件，形状不限于圆筒形零件。图2-25、图2-26为几种此类结构的产品实例。图2-27为一种用弹性元件连接零部件的结构。采用这种结构调节杆的位置非常简单、方便。图2-28为此结构用于抽水马桶水箱中水位控制浮子定位结构实例。管箍连接管箍常用于要求拆装方便的管道连接场合，多用于软管的连接。用于刚性管之间的连接时，需使用柔软材料包裹，接头处有一定的柔性。图2-29为使用管箍连接刚性管的几种常见形式。管箍有很多形式，主要变化在锁紧结构上，如图2-30.管箍的主体结构为开口金属圆环，依靠锁紧装置调节开口大小实现箍紧。图2-31为一种可实现快速装拆的刚性管道连接用管箍，整个结构主体由上、下两个半圆箍组成，由手柄控制两个半圆箍的分离与锁合。图2-32为连接管道时的状态及管道的结构形状。2.3活动连接结构设计一、活动连接的种类在三维空间内的结构零部件，可以产生六种基本运动，即沿三维空间三个方向（轴）的移动和绕三个方向（轴）的转动。按机构学的定义，称为具有六个运动自由度。将一个零部件与其他零部件以某种方式连接，则限制了该零部件的某些自由度和运动范围，只允许以一定方式、在一定范围内相对运动。单自由度转动，构件围绕一根轴旋转或摆动，连接结构必须使用一个固定的轴。转动连接应用非常广泛，如图2-33自行车的车轮。车把。轮盘及脚蹬等功能上需要转动，结构上需要相应地设计转动连接。单自由度移动，构件沿一定固定轨迹运动，轨迹可以是空间或平面曲线，最常用轨迹是直线。移动连接结构设计的主要任务是设计形成移动轨迹的“轨道”结构。图3-34中的订书器中，书钉推送部件采用了简单的直线导轨结构，机体的旋转部分使用了简单的“护翼式”旋转运动导轨，保证工作的可靠性。螺旋运动属于一类较特殊的单自由度运动。图2-35的货物输送机采用螺旋导轨实现货物的垂直输送，应用于车间或仓库中货物的输送。螺旋运动更常见的应用形式是实现旋转与直线移动的转换，如图3-36所示的机械千斤顶，螺旋轴的转动转换为机构的转动和转移，进而实现对重物的推举。工业产品中应用最广泛的双自由度运动连接结构是所谓的万向联轴节，如图2-37所示，其本质为相互串接的两个单自由度转动连接关节，有多种结构变化形式。以球心位置固定的球面作为转动的连接构件，可实现三个自由度的转动，球面附加限定销，可限定一个转动自由度，如图2-38所示。此类活动连接结构在一些需随时调整构件角度的产品结构中应用甚广。例如，机动车的手动变速杆转动结构；可调节方向的射灯；飞机、汽车内可调方向空调排风口等，如图2-39所示。柔性连接在此指允许被连接零部件位置、角度在一定范围内变化或连接构件可发生一定范围内的形状、位置变化而不影响运动传递或连接固定关系。常见的形式如弹簧连接、软管连接等。二、转动连接结构设计转动连接结构设计的核心和关键是转动轴的相关结构设计。按轴承的形式，可分为滚动轴承和滑动轴承两种连接形式。滚动轴承滚动轴承连接具有摩擦小、承载能力强、工作稳定可靠等优点，且滚动轴承属于系列化生产的标准件，选用方便。滚动轴承有向心球轴承、向心推力轴承、滚子轴承、端面推力轴承、滚针轴承、滚珠轴承等多种形式，如图2-40所示，可根据运动速度及载荷要求相应选择。滚动轴承滚动轴承连接在结构设计上需考虑轴承的固定、内外圈与轴和孔的配合及轴承和相关零部件的拆装等问题，对于有轴向载荷的结构，还要考虑轴承的预紧结构。轴内圈与轴的配合一般采用过盈配合，外圈与结构孔的配合多采用过渡配合。轴承内、外圈的轴向固定常见结构和方法如图2-41、图2-42所示。滚动轴承内圈常见固定形式滚动轴承外圈常见固定形式滚动轴承的各运动件间存在一定的间隙，在自由状态下，轴承内、外圈之间可形成一定的活动间隙，这一间隙称为轴承的游隙。轴承游隙降低运动精度和刚度，产生振动噪声等，运动速度越高，影响越大。对轴承预先施加非工作载荷，消除、减小游隙，即所谓的轴承预紧，可有效改善工作状况。轴承预紧的基本原理是，固定轴承内圈或外圈，对另一个施加一定的预紧力，“挤紧”内圈和外圈，如图2-43所示。滚动轴承的预紧原理常见的轴承预紧结构和方法如图2-44~图2-47所示。用垫片调节轴承预紧用螺纹调节轴承预紧用弹簧调节轴承预紧用间隔套调节轴承预紧。图2-48为一个典型的轴零件图，其中包含了与其他零件的连接、配合结构和要求及尺寸精度和表面加工精度要求等内容。电动机轴支承结构图2-49~图2-52为几个典型的轴承支承结构形式。锥齿轮减速器轴支承结构。自动车变速轴支承结构。风钻钻头轴支承结构。滑动轴承基本的滑动轴承结构形式如图2-53所示。滑动轴承设计为套筒状，并安装、固定在轴承座或机架上，轴转动时与轴承间的滑动为摩擦。一般滑动轴承连接结构简单，较滚动轴承节省空间，但转动轴与轴承之间的滑动摩擦产生的运动阻力大、滑动零件易磨损、要求加工和安装精度较高。滑动轴承连接结构在设计上应重点考虑轴承运动间隙、摩擦面的润滑、连接相关结构的固定及装拆等问题。轴承的