机械设计基础电子教案 模块5 螺纹连接与螺旋传动

PAGE2PAGE《机械设计基础》教案（学期名称）第XX讲XX老师授课单元螺纹连接与螺旋传动教案编号教案名称螺纹连接与螺旋传动授课教师授课学时课程类型R必修课□选修课□实践课授课班级授课时间上课地点班主任日期节次教学目标能力目标通过本课程学习，学生应具备以下能力：能够根据螺纹连接的工作条件，正确选择螺纹连接件的类型、几何参数及材料，完成基本螺纹连接的选型、设计和校核。具体包括：能识别不同螺纹牙型（如三角形、梯形、矩形螺纹）的特征与应用场景；能运用公式计算螺纹的几何参数（如螺距、导程、线数）及强度指标（如危险截面应力）；能操作测力矩扳手或定力矩扳手控制预紧力，并根据实际工况选择合适的防松方法（如弹簧垫圈、开口销与槽形螺母等）。此外，学生需具备解决实际工程问题的能力，例如针对汽车汽缸端盖螺栓组连接，能综合考虑载荷性质、材料性能和环境因素，完成强度校核与防松方案设计，确保连接的可靠性和安全性。通过AI应用实训，还应掌握利用工具快速分析螺纹连接强度的技能，提升工程实践效率。知识目标学生需系统掌握以下知识：螺纹的形成原理及几何参数，包括牙型角（如米制螺纹60°、英制螺纹55°）、公称直径（大径、中径、小径）、螺距、导程、线数及螺纹升角的定义与计算；螺纹连接的基本类型（螺栓连接、双头螺柱连接、螺钉连接、紧定螺钉连接）的结构特点与适用场合；螺纹连接的预紧与防松原理，包括预紧力计算（T=KF₀d）、防松方法的分类（摩擦防松、机械防松、不可拆卸防松）及应用条件；螺纹连接的强度计算，涵盖受拉螺栓（松连接、紧连接）和受剪切螺栓的强度条件及设计公式；螺纹连接件的材料等级（如45钢8.8级）与许用应力取值；提高螺纹连接强度的措施（如改善载荷分布、避免附加应力、减小应力集中）；螺旋传动的分类（滑动螺旋、滚动螺旋、静压螺旋）及常用形式（螺杆转动-螺母移动、螺母转动-螺杆移动等）。同时需理解螺纹几何参数对互换性的影响，以及螺纹副效率和自锁条件（螺纹升角小于当量摩擦角）。素质目标通过课程学习，培养学生以下素质：1.工程严谨性：在螺纹连接设计与校核中，严格遵循国家标准（如GB/T1800.1）和设计规范，确保参数选择、强度计算的准确性，树立“失之毫厘，谬以千里”的工程责任意识。2.安全意识：认识到螺纹松动可能导致的设备失效（如汽缸端盖泄漏、机械结构解体），理解预紧力控制和防松措施对保障设备安全运行的重要性，培养“安全第一”的职业素养。3.创新思维：通过分析不同防松方案（如弹簧垫圈与螺纹胶的对比）、优化螺纹连接结构（如环槽螺母、悬置螺母），激发学生在机械设计中的创新意识。4.团队协作：在实训环节中，通过小组合作完成螺纹连接强度校核与防松方案评估，培养沟通协调能力和团队合作精神。5.终身学习能力：结合AI工具应用实训，引导学生关注机械设计领域的技术发展，培养利用现代工具解决复杂工程问题的能力，为持续学习打下基础。教学重点及解决办法教学重点：1.螺纹连接的强度计算（受拉螺栓、受剪切螺栓）；2.螺纹连接的预紧与防松方法；3.螺纹几何参数（中径、螺距、导程）的理解与应用。

解决办法：1.强度计算：通过“理论公式+实例计算”结合，以汽缸端盖螺栓组为例，分步推导总拉力（F_R=F+F'₀）、危险截面应力（σ=1.3F_R/(πd₁²/4)）的计算过程，配合手工计算与AI工具校核对比，强化公式应用能力。2.预紧与防松：采用“原理+实物演示”，展示弹簧垫圈的弹性恢复力、开口销与槽形螺母的机械锁止作用，结合表5-5分析不同防松方法的适用场景，组织学生分组讨论“振动工况下防松方案选择”。3.几何参数：利用三维模型动态展示螺纹形成过程，通过“单双线螺纹导程对比实验”（如导程P_h=nP，n=1时P_h=P；n=2时P_h=2P），直观理解螺距、线数与导程的关系，配套习题训练参数计算。

教学难点及解决办法教学难点：1.螺纹连接中总拉力与残余预紧力的关系；2.螺栓组连接的受力分析（受旋转力矩、翻转力矩）；3.螺纹升角与自锁条件的理解。

解决办法：1.总拉力与残余预紧力：通过“受力变形示意图”（图5-10）分析预紧后、受载后螺栓与被连接件的变形协调关系，推导F_R=F+F'₀公式，结合实例（如汽缸端盖残余预紧力F'₀=1.5F）进行数值计算，对比不同工况下F'₀的取值要求（表5-6）。2.螺栓组受力分析：以“受旋转力矩的螺栓组”为例，采用“力系平衡+变形协调”方法，推导最大工作剪力F_Rmax=Tr_max/(Σr_i²)，配合动画演示载荷分配过程，布置课后习题（如减速器箱盖螺栓组受力计算）。3.螺纹升角与自锁：通过“斜面摩擦模型”类比螺纹副，推导自锁条件（ψ≤ρ_v，其中ψ为螺纹升角，ρ_v为当量摩擦角），设计实验“不同螺纹升角的螺栓徒手旋紧对比”，直观感受升角对自锁性能的影响，结合千斤顶实例说明自锁应用。

教学方法1.案例教学法：以“汽车汽缸端盖螺栓组连接”“减速器箱体螺纹连接”为典型案例，贯穿螺纹选型、强度计算、防松方案设计全过程，将抽象理论与工程实际结合。

2.实验演示法：开展“螺纹参数测量实验”（使用螺纹千分尺测量中径、螺距）、“防松效果对比实验”（振动台上测试弹簧垫圈、螺纹胶的防松性能），增强学生感性认识。

3.项目式学习法：设置“AI辅助螺纹连接设计”实训项目，学生分组完成给定工况（如受横向变载荷的铰制孔螺栓连接）的参数提取、强度校核及防松方案评估，提交实训报告并进行成果展示。

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参考文献

PAGE2教学过程教学环节教学内容与过程课前预习螺纹连接的“前世今生”与生活中的“隐形英雄”

同学们，在开始本章学习前，请先思考一个问题：你每天使用的手机、乘坐的汽车、教室里的桌椅，它们是如何“紧密结合”在一起的？答案或许就藏在不起眼的螺纹连接中。从古代的木螺丝到现代的航天螺栓，螺纹连接作为机械工程的“黏合剂”，承载着工业文明的发展历程。

任务一：寻找身边的螺纹连接件

请在生活中找出3种不同的螺纹连接实例（如自行车脚踏板螺栓、矿泉水瓶瓶盖、眼镜架螺丝），观察并记录：（1）它们的头部形状（六角头、十字槽、内六角等）；（2）是否有防松措施（如弹簧垫圈、胶水）；（3）猜测其可能的材料（钢、塑料、铝合金）。尝试用扳手旋动它们，感受不同螺纹的松紧程度差异，思考：为什么矿泉水瓶瓶盖旋几圈就能密封？自行车螺栓为什么需要定期拧紧？

任务二：“螺纹参数连连看”

阅读教材5.1节，完成以下表格填空（提示：参考图52螺纹几何参数示意图）：

|参数名称|定义|对连接性能的影响|

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课中讲练螺纹连接强度计算与防松方案设计实战

环节一：案例导入——“汽缸端盖的‘紧箍咒’”

（展示汽车发动机汽缸端盖爆炸图）同学们，汽缸端盖螺栓组若出现松动，可能导致冷却液泄漏甚至发动机爆缸！假设该螺栓组受轴向静载荷F=10kN（单个螺栓），采用M12×1.75的45钢螺栓（8.8级，小径d₁=10.106mm，许用应力[σ]=160MPa），预紧力F₀=20kN，连接要求紧密（残余预紧力F'₀=1.5F）。如何判断螺栓强度是否满足要求？

环节二：理论精讲——强度计算“三步法”

1.确定总拉力：F_R=F+F'₀=10+15=25kN（依据表5-6，紧密连接F'₀=1.5F）。

2.计算危险截面应力：σ=1.3F_R/(πd₁²/4)=1.3×25000/(3.14×10.106²/4)≈128MPa＜[σ]=160MPa（考虑螺纹摩擦力矩，需将F_R放大30%）。

3.校核结果：强度满足要求。

（分组练习）若将螺栓改为M10（d₁=8.376mm），其他参数不变，强度是否仍满足？（提示：计算σ≈225MPa＞160MPa，需更换更大直径螺栓）

环节三：防松方案“辩论赛”

（给出工况：振动环境，温度≤150℃，需重复装拆）

分组讨论推荐防松方案并阐述理由，参考表5-5：

-正方：采用弹簧垫圈（摩擦防松），成本低、装拆方便。

-反方：采用螺纹胶（不可拆卸防松），密封性能好，适应振动。

教师点评：弹簧垫圈适用于轻微振动且需频繁装拆的场景；螺纹胶适用于密封要求高但装拆频率低的场合。结合本案，推荐“弹簧垫圈+标准六角螺母”（方案1），若振动剧烈可改用“开口销与槽形螺母”（机械防松）。

环节四：AI工具实操——效率提升“加速器”

（指导学生使用豆包AI）输入参数：“校核M12螺栓，45钢8.8级，F=10kN，F₀=20kN，F'₀=15kN”，对比AI输出的总拉力、应力结果与手工计算是否一致。修改参数（如改为受横向变载荷），观察AI对防松方案的调整（如推荐“止动垫圈”）。

课堂小结：通过本节课，我们掌握了螺纹连接强度计算的核心公式，理解了“预紧力-工作载荷-残余预紧力”的关系，学会了根据工况选择防松方案。下节课我们将深入螺栓组受力分析，挑战更复杂的工程问题！

课后拓展提升“螺纹连接工程师”闯关挑战

任务一：工程问题诊断——“为什么起重机吊钩螺栓会断裂？”

（提供案例）某起重机吊钩尾部采用M20粗牙螺栓连接（如图5-7），使用半年后螺栓断裂。经检测：螺栓材料为Q235钢（4.6级，[σ]=120MPa），公称直径d=20mm，小径d₁=17.294mm，工作载荷F=50kN。

1.计算该螺栓强度是否满足要求（提示：松螺栓连接σ=F/(πd₁²/4)）。

2.分析断裂可能原因（如材料选择不当、未预紧、应力集中），提出改进方案（如更换8.8级螺栓、增加卸载槽）。

任务二：创新设计——“防松螺栓的‘进化史’”

调研三种新型防松技术（如施必牢螺纹、Nord-Lock防松垫圈、达克罗涂层），对比传统防松方法，完成“防松技术对比表”（包含原理、优点、适用场景、成本），并撰写300字“未来防松技术展望”短文。

任务三：跨学科实践——“3D打印螺纹连接件”

利用CAD软件设计一个M10×1.5的六角头螺栓模型，标注其几何参数（大径、螺距、头高），导出STL文件。若有3D打印机，尝试打印并测量实际参数，与设计值对比分析误差原因；若无设备，绘制零件工作图（按GB/T41-2016标准）。

任务四：文献阅读——“螺纹连接的疲劳强度研究”