《机械基础（第2版）》 第14课 连接

课题连接与轴系零部件（一）——连接课时2课时（90min）教学目标知识技能目标：（1）掌握螺纹连接、键连接和销连接的类型、特点和应用（2）了解焊接、铆接、胶接和过盈配合连接的特点和应用（3）能够正确选用螺纹连接和普通平键连接思政育人目标：（1）培养严谨细致、精益求精的工匠精神（2）提升民族自豪感和自信心，激发科技报国的家国情怀教学重难点教学重点：连接的类型、特点和应用教学难点：正确选用螺纹连接和普通平键连接教学方法案例分析法、问答法、讨论法、讲授法教学用具电脑、投影仪、多媒体课件、教材教学设计第1节课：→→→传授新知（38min）第2节课：传授新知（25min）→任务实施（15min）→课堂小结（3min）→作业布置（2min）教学过程主要教学内容及步骤设计意图第一节课课前任务【教师】布置课前任务，和学生负责人取得联系，组织学生下载“任务工单5.1”，并根据任务工单进行组内分工。同时，提醒同学通过文旌课堂APP或其他学习软件预习本节课知识，了解螺纹连接、键连接和销连接的类型、特点和应用，焊接、铆接、胶接和过盈配合连接的特点和应用，并思考以下问题：（1）螺纹连接、键连接和销连接的类型有哪些？请举例说明，并简述其特点和应用。（2）简述焊接、铆接、胶接和过盈配合连接的特点和应用。【学生】完成课前任务通过课前任务，使学生了解所学课程的重要性，增加学生的学习兴趣考勤

（2min）【教师】使用文旌课堂APP进行签到【学生】按照老师要求签到培养学生的组织纪律性，掌握学生的出勤情况问题导入（5min）【教师】提出以下问题：请同学们分析下列实例使用的是什么连接方式？这几种连接有什么区别？能不能互换？（1）洗衣机叶轮和电机（2）电风扇的扇叶（3）教师里的椅子（4）饮料的瓶盖【学生】思考、讨论、回答【教师】通过学生的回答引入要讲的知识通过问题导入的方法，引导学生主动思考，激发学生的学习兴趣

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（35min）螺纹连接【教师】新知讲解螺纹连接由螺纹连接件和被连接件组成，具有结构简单、连接可靠、装卸方便和成本低廉等特点，是机械中广泛应用的可拆连接。【多媒体教学】✈【教师】要求学生通过“文旌课堂”APP扫描二维码“螺纹的形成”，观看微课视频，学习螺纹的形成知识✈【学生】观看、思考【课堂互动】✈【教师】带领学生制作螺纹形成原理教师示范将将一张斜边涂黑、锐角为30°的直角三角形绕到铅笔上，其斜边在铅笔表面就形成了一条螺旋线，请学生互相比较自制的螺纹，并找出区分的方法。✈【学生】观察、思考、动手、回答✈【教师】总结通过观察、思考，形成判别方法：螺纹线向右倾斜的为右旋；螺纹线向左倾斜的为左旋。1．螺纹的形成与分类将一倾斜角为的直线旋绕在圆柱体上可形成一条螺旋线（如图所示），沿着螺旋线加工出具有相同平面图形的连续凸起或沟槽便可形成螺纹。其中，在圆柱体外表面上形成的螺纹称为外螺纹，在圆柱体孔壁上形成的螺纹称为内螺纹，如图所示。螺纹在其轴线平面的轮廓称为螺纹的牙型，形成螺纹的平面图形形状不同，螺纹的牙型不同。据此，螺纹可分为矩形螺纹、三角形螺纹、梯形螺纹和锯齿形螺纹等，如图所示。（a）矩形螺纹（b）三角形螺纹

（c）梯形螺纹

（d）锯齿形螺纹如下图所示，根据螺旋线旋向的不同，螺纹可分为右旋螺纹和左旋螺纹，其中右旋螺纹在机械中的应用较为广泛；根据螺旋线数目的不同，螺纹又可以分为单线螺纹和多线螺纹（具有两条及两条以上螺纹线的螺纹），其中，单线螺纹既可以用于连接，也可用于传动，而多线螺纹常用于传动。（a）单线右旋螺纹（b）双线左旋螺纹2．螺纹的参数在各种牙型的螺纹中，三角形螺纹牙体根部的强度高，具有良好的自锁性能，在工程中应用最为广泛。1）直径直径是螺纹的主要参数之一，它包括大径、中径和小径，如图所示。（a）外螺纹（b）内螺纹2）螺距P、导程和线数n螺距：在螺纹两相邻牙体上，相对应牙侧与中径线两交点之间的距离，用P表示。导程：同一条螺旋线上相邻两牙在中径线上对应两点之间的距离，用表示。线数：形成螺纹的螺旋线的条数，用n表示。如图所示，单线螺纹的导程等于螺距P，而对于多线螺纹，其导程等于螺距P与线数n的乘积，即（5-1）螺距、导程和线数之间的关系3）螺纹升角φ螺纹升角是指在中径圆柱上螺旋线的切线与垂直于螺纹轴线的平面之间的夹角，用表示，如图5-2所示。螺纹升角与导程、中径的关系为（5-2）3．连接用螺纹机械中用于连接的螺纹大多为单线、右旋的三角形螺纹，它通常分为普通螺纹和管螺纹两种。1）普通螺纹普通螺纹多用于紧固连接，其基本参数由《普通螺纹基本尺寸》（GB/T196—2003）进行规定。设外螺纹的公称直径为d，则小径、中径。同一种公称直径的普通螺纹可以有多种螺距，其中螺距最大的为粗牙普通螺纹，其余为细牙普通螺纹。例如，M12规格的普通螺纹，螺距可以选1mm、1.25mm、1.5mm和1.75mm，其中1.75mm对应的螺纹为粗牙普通螺纹。粗牙普通螺纹：对于某一公称直径，螺距取规定最大值时的普通螺纹，广泛应用于各种连接。细牙普通螺纹：螺距比同规格的粗牙螺纹小、螺纹升角小、自锁性好，常用于薄壁零件和需要自锁或承受振动冲击的场合。【课堂互动】✈【教师】提出以下问题：在图样上代号有何含义？✈【学生】观察、思考、回答✈【教师】总结公称直径为24mm、螺距为1.5mm、旋向为左旋的细牙普通螺纹。2）管螺纹管螺纹主要用于管件的连接，常用的管螺纹有公制管螺纹、55°管螺纹（又称英制管螺纹）和60°管螺纹（又称美制管螺纹）等。其中，55°和60°是指牙型角（螺纹牙型上两相邻牙侧间的夹角）的值。根据应用范围的不同，管螺纹可分为密封管螺纹、干密封管螺纹和非密封管螺纹三种。密封管螺纹和干密封管螺纹具有连接和密封两种功能，而非密封管螺纹只有连接功能。【多媒体教学】✈【教师】要求学生通过“文旌课堂”APP扫描二维码“螺纹连接的基本类型”，观看微课视频，学习螺纹连接的基本类型知识✈【学生】观看、思考4．螺纹连接的应用1）螺纹连接的基本类型螺纹连接有螺栓连接、双头螺柱连接、螺钉连接和紧定螺钉连接等四种基本类型，它们的结构、特点及应用（详见教材表5-1）。2）螺纹连接件螺纹连接件的类型很多，机械中常用的有螺栓、双头螺柱、螺钉、螺母和垫圈等，如图5-8所示。螺纹连接件大多已经标准化，可根据有关国家标准选用。（a）六角头螺栓（b）双头螺柱（c）开槽盘头螺钉（d）内六角圆柱头螺钉（e）十字槽沉头螺钉（f）开槽锥端紧定螺钉（g）六角螺母（h）六角开槽螺母（i）平垫圈（j）弹簧垫圈3）螺纹连接的预紧在工程中，大部分螺纹连接在装配过程中需要拧紧，使螺纹连接在承受载荷前预先受到力的作用，这个过程称为预紧，螺纹连接预先受到的力称为预紧力。预紧的目的在于保证螺纹连接件的正常工作，提高螺纹连接的可靠性、紧密性和防松能力。在工程中，预紧力的大小一般根据载荷性质、连接刚度等具体工作条件确定；对于某些重要的螺纹连接，其预紧力的大小则需要通过测力矩扳手或定力矩扳手（见图5-9）进行严格控制。（a）测力矩扳手（b）定力矩扳手4）螺纹连接的防松在冲击、振动或变化载荷的作用下，以及温度变化较大的场合中，螺纹连接的预紧力可能瞬间减小或消失，从而引起螺纹松脱并导致连接失效，甚至造成严重事故。因此，使用螺纹连接时必须采取必要的防松措施。【点拨】螺纹连接失效可能引起严重的事故，必须引起足够的重视。例如，2007年8月20日，一架波音737-800型客机在日本冲绳那霸机场着陆并驶往停机坪后发生强烈爆炸，机身烧焦并断裂，所幸机上人员全部及时逃生。事后调查发现，事故的“元凶”竟是一颗螺母。这颗位于客机辅助机翼的螺母脱落后刺穿了油箱，导致大量燃油外泄，最终引起了爆炸。而螺母脱落是由其本身设计不当、防松失效所致。根据工作原理的不同可分为摩擦防松、机械防松和永久防松三大类。（1）摩擦防松摩擦防松常用的方法有采用弹簧垫圈防松、采用自锁螺母防松和采用对顶螺母防松等，如图所示。（a）采用弹簧垫圈防松（b）采用自锁螺母防松（c）采用对顶螺母防松采用弹簧垫圈防松：这种方法具有结构简单、使用方便的特点，但防松效果较差，一般用于不重要的连接。采用自锁螺母防松：这种方法具有结构简单、防松可靠的特点，可多次装拆而不降低防松性能。采用对顶螺母防松：这种方法具有结构简单、效果好的特点，适用于平稳、低速和重载的场合。（2）机械防松机械防松常用的方法有采用开槽螺母与开口销防松、采用止动垫片防松和采用串联钢丝防松等，如图所示。（a）采用开槽螺母与开口销防松（b）采用止动垫片防松（c）采用串联钢丝防松采用开槽螺母与开口销防松：这种方法适用于冲击和振动较大的高速机械。采用止动垫片防松：这种方法具有结构简单、使用方便、防松可靠的特点。采用串联钢丝防松：这种方法适用于螺栓组连接，防松可靠，但装拆不便，使用时要注意串孔方向为旋紧方向。（3）永久防松（a）冲点（b）点焊（c）胶接【课堂互动】✈【教师】提出问题让学生思考、讨论，并随机抽取学生回答螺纹连接的四种类型，各有什么特点？应用在哪些场合？✈【学生】聆听、思考、讨论、回答通过教师讲解、课堂互动、举例分析等教学方式，帮助学生掌握螺纹连接的形成和分类，螺纹的参数，螺纹连接的应用等相关知识第二节课

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（30min）二、键连接【课堂互动】✈【教师】提出问题让学生思考、讨论，并随机抽取学生回答在机械设备中，我们常见轴上的带轮、齿轮等零件能与轴一起转动，下面一起来思考一下：有哪些方法可以将轴和轴上零件连接在一起，使其一起转动？✈【学生】聆听、思考、回答✈【教师】对学生的回答进行总结无论采用何种连接方式，目的只有一个，就是保证轴与轴上零件牢固而可靠地连接，以传递运动和动力。这节课我们就学习一下键及其连接。【教师】新知讲解1．键连接的特点和类型键连接（如图所示）主要应用在传动轴上，可实现轴与轮毂（如带轮、链轮和齿轮等）的周向固定，以传递运动和转矩。键连接结构简单、装拆方便、工作可靠，有的键连接还可实现轮毂的轴向固定或轴向滑动的导向。键连接的主要类型有平键连接、花键连接、半圆键连接、楔键连接和切向键连接等。其中，平键连接根据应用范围的不同可分为普通平键连接、导向平键连接和滑键连接等三种。2．键连接的应用1）普通平键连接根据形状的不同，普通平键可分为圆头平键（A型）、平头平键（B型）和单圆头平键（C型）三类，如图（b）～（d）所示。（a）结构形式（b）圆头平键（c）平头平键（d）单圆头平键圆头平键在键槽中固定良好，工程上最常用，但轴上键槽端部的应力集中较大；平头平键可避免圆头平键的缺点，但当其尺寸较大时通常需要螺钉固定；单圆头平键多用于轴端连接。【课堂互动】✈【教师】提出问题让学生思考、讨论，并随机抽取学生回答普通平键的选择方法是什么？✈【学生】聆听、思考、讨论、回答✈【教师】总结学生回答首先要根据工作要求选择合适的类型，然后根据连接处的轴径d从国家标准中选取对应的键宽b和键高h，再根据轮毂宽度在标准长度系列中选择合适的键长L，注意L应比轮毂的宽度略小。普通平键连接对中性好、结构简单、装拆方便，适用于高精度、高速，或承受变载、冲击的场合，应用非常广泛。但由于不能承受轴向力，因此普通平键连接不能实现轮毂的轴向固定。2）导向平键连接与滑键连接对于需要沿轴向移动的轮毂（如变速箱中的滑移齿轮），可采用导向平键连接，如图所示。采用导向平键连接时，为防止导向平键因尺寸较长而在键槽中松动，通常用螺钉将导向平键固定在轴的键槽中，工作时轮毂可沿导向平键做轴向移动。当轮毂需要沿轴向的移动量较大时，由于所需导向平键尺寸太长，不易制造，因此宜选择滑键连接，如图所示。采用滑键连接时，滑键固定在轮毂上，轮毂带动滑键在轴上的键槽内做轴向滑动。3）花键连接由轴和轮毂孔上的多个键齿组成的连接称为花键连接（如图所示），它可看作多个平键连接的组合。花键连接的承载能力高、定心性和导向性好，对轴和轮毂的强度削弱较少，但需要专用设备才能加工，制造成本较高。4）半圆键连接如图所示为半圆键连接，其工作面为两个侧面。装配时，半圆键可在键槽内绕自身轴线转动，以适应轮毂的倾斜。但是，半圆键连接的弧形键槽对轴的强度削弱较大，因此多用于轴端及轻载场合。5）楔键连接如图所示为楔键连接，楔键的上下表面为工作面。根据结构的不同，楔键连接可分为普通楔键连接和钩头楔键连接，如图5-19（b）和图5-19（c）所示。其中，钩头楔键用于不能从钩头另一端打出的场合，其钩头供键的拆卸用。钩头楔键安装在轴端时应注意加装保护罩。（a）结构形式（b）普通楔键连接（c）钩头楔键连接由于楔键在装配时会产生偏心，降低了定心精度，因此楔键连接适用于低速、轻载及旋转精度要求不高的场合。6）切向键连接如图（a）所示，切向键由一对斜度为1∶100的楔键沿斜面拼合而成，这对楔键共同楔紧在轮毂和轴之间，依靠工作面的挤压、轴与轮毂之间的摩擦来传递转矩，其工作面为拼合后相互平行的两个窄面。由于单个切向键只能传递单向转矩，因此传递双向转矩时，必须使用一对方向相反、在周向呈120°布置的切向键，如图（b）所示。（a）（b）切向键连接适用于载荷很大、对中精度要求不高的场合。由于切向键连接的键槽对轴的强度影响较大，因此切向键连接多用于直径大于100mm的轴上。【学生】聆听、思考、理解三、销连接【教师】新知讲解所示；还可用在过载保护装置中，所用的销称为安全销，如图（c）所示。（a）定位销（b）连接销（c）安全销定位销通常不能承受载荷或只能承受很小的载荷，其直径一般根据结构的需要确定，其数目一般不少于两个；连接销可承受较小的载荷，常用于轻载或非动力传输结构中，其尺寸可根据连接件的结构特点按经验或规范确定；安全销在机器动力过载时会被剪断，其尺寸应根据剪切强度条件计算。【学生】聆听、思考、理解【课堂互动】✈【教师】提出问题让学生思考、讨论，并随机抽取学生回答需要经常装拆的场合，为什么不易采用圆柱销，而应该采用圆锥销？✈【学生】聆听、思考、讨论、回答✈【教师】总结学生的回答圆柱销利用较小的过盈量固定在销孔中，多次装拆会降低定位精度和可靠性；圆锥销的定位精度和可靠性较高，且多次装拆不会影响定位精度。因此，需要经常装拆的场合不宜采用圆柱销，而应选用圆锥销。四、不可拆连接【课堂互动】✈【教师】提出问题让学生思考、讨论，并随机抽取学生回答前面课程学习了螺纹连接、键连接、销连接，我们可以看出这些连接都是可拆的。那么在日常生活中有哪些连接是不可拆的？✈【学生】聆听、思考、讨论、回答【教师】新知讲解不可拆连接是指当连接拆开时，至少要破坏或损伤其中一个零件的连接。常见的不可拆连接有焊接、铆接、胶接和过盈配合连接等。1．焊接焊接是指利用局部加热（有时还要加压）的方法，使两个或两个以上的金属零件在连接处形成原子间结合的不可拆连接。焊接具有结构质量轻、施工方便、生产效率高和成本低等优点，因而在机械加工及设备制造等领域具有广泛的应用。2．铆接铆接是指利用铆钉把两个或两个以上的零件连接在一起的不可拆连接。铆接可使构件增加质量、降低强度、发生变形，并影响疲劳强度，但由于其工艺过程简单，连接的过程容易实现自动化，适用的材料广，因此在航空、汽车、家电、建筑、五金等行业有着广泛的应用，如图所示。（a）飞机蒙皮铆接（b）汽车车门铆接【课堂互动】✈【教师】提出问题让学生思考、讨论，并随机抽取学生回答大部分飞机蒙皮的连接采用的是什么方式？✈【学生】聆听、思考、讨论、回答✈【教师】总结学生的回答飞机蒙皮是指包围在飞机骨架结构外、维持飞机外形的部件。它可以看作是飞机的“皮肤”，是飞机气动结构的重要部分，一般采用铝合金制造。虽然飞机制造技术经过了几十年的发展，但目前大部分飞机蒙皮的连接仍采用铆接。3．胶接胶接是指将胶粘剂直接涂在被连接件的表面上，胶黏剂固化后将被连接件黏合为一体的连接方式。用于木材、橡胶、塑料等材料的连接。近几十年来，随着胶黏剂和胶接技术的发展，4．过盈配合连接过盈配合连接是指借助轴和轮毂孔之间的过盈配合将它们组合在一起的连接。过