大学机械设计基础《连接与联轴器》教学课件

机械设计基础课程机械设计基础连接与联轴器连接件·螺纹·键销·联轴器·离合器主讲机械设计基础课程组课程导览01连接总论与螺纹连接分类框架与螺纹强度设计02键销连接与过盈连接结构特点与失效形式03联轴器与离合器类型辨析与选型方法04综合选型与工程应用面向工况的连接方案设计机械设计基础连接总论与螺纹连接连接是机械的骨架从分类到强度，掌握螺纹连接的设计逻辑01连接件的分类与特性连接是保证机械正常运转的基础按可否拆卸可拆连接：螺纹连接、键连接、销连接，允许多次装拆而不损伤零件不可拆连接：焊接、铆接、过盈连接，装拆会破坏连接结构按工作原理机械连接与物理化学连接连接件的三大作用传递力与运动保证零件相对位置实现固定与密封选用权衡承载能力、装拆要求、工艺性与经济性螺纹连接四大基本类型结构形式不同，适用场合各异类型结构特点适用场合螺栓连接螺栓穿过通孔与螺母配合被连接件较薄、可开通孔双头螺柱连接螺柱一端旋入被连接件被连接件之一较厚、常拆卸螺钉连接螺钉直接旋入被连接件被连接件较厚、不常拆卸紧定螺钉连接螺钉顶紧配合表面传递小转矩、定位固定选择依据：被连接件厚度、装拆频次、螺纹孔加工条件螺纹连接的预紧与防松预紧决定连接刚度，防松决定连接可靠防松的本质是防止螺纹副相对转动预预紧目的增强连接刚度、提高防松能力、保证密封性控制预紧力过大易拉断螺栓，过小则连接易松脱，需合理控制方法测力矩扳手、定力矩扳手、测量螺栓伸长量防防松摩擦防松弹簧垫圈、双螺母、自锁螺母机械防松开口销、止动垫圈、串联钢丝永久防松端铆、点焊、粘接本质防止螺纹副相对转动螺栓连接的强度计算受力工况不同，计算方法不同松螺栓与紧螺栓：受力工况不同，强度计算方法不同松螺栓连接装配特点装配时螺母不拧紧，螺栓仅承受工作拉力。强度条件拉应力不超过许用拉应力。紧螺栓连接装配特点装配需拧紧，螺栓同时承受拉应力与拧紧产生的切应力。计算方法拉应力与切应力叠加，按第四强度理论折算。1.3倍仅受预紧力时，折算应力约为拉应力的

1.3倍螺栓组连接受力分析载荷形式决定螺栓组的分配规律分析核心：找出

受力最大的螺栓，以其为设计依据横向载荷也可用键、销等减载装置分担受力形式载荷特点分析要点受轴向载荷载荷平行于螺栓轴线各螺栓均分工作载荷受横向载荷载荷垂直于螺栓轴线靠预紧力产生摩擦力平衡受旋转力矩力矩作用于连接平面按到形心距离分配受倾覆力矩力矩使连接面翻转受力最大螺栓决定强度提高螺纹连接强度措施合理结构胜过单纯加大尺寸提高螺纹连接强度，关键在于结构设计与工艺布置双管齐下结结构设计刚度降低螺栓刚度、增大被连接件刚度，减小螺栓应力波动幅度集中减小应力集中：加大螺纹根部圆角、采用卸载槽或柔性螺纹弯曲避免附加弯曲应力：保证支承面平整、螺栓轴线与支承面垂直艺工艺与布置均载采用均载措施：悬置螺母、内斜螺母、环槽螺母装配改善装配工艺：分次、对称、按序拧紧布置合理布置螺栓：均匀分布、靠近连接面形心螺纹连接的设计准则明确失效形式，才能把握设计方向螺纹连接的失效形式决定设计准则的选择方向设计流程：明确载荷→确定类型→初选尺寸→校核强度→完善结构失效形式螺栓杆塑性变形或被拉断螺纹牙剪断或压溃螺栓受弯、连接面滑移设计准则保证螺栓杆的静强度与疲劳强度控制预紧力，防止过载屈服采取防松措施，保证长期可靠机械设计基础键销连接与过盈连接小零件，大作用键、销、过盈配合的结构与失效辨析02键连接的类型与特点键用来实现轴与轮毂的周向固定键连接属于可拆连接，主要传递转矩平键应用最广，分为圆头、方头、单圆头三种类型结构特点承载特性平键两侧面为工作面对中性好、装拆方便半圆键键呈半圆形适应轮毂倾斜、承载较小楔键上下表面为工作面可传递单向轴向力、对中性差切向键由一对楔键组成传递大转矩、用于重载平键连接的强度校核平键靠侧面挤压传力平键连接需按挤压与剪切两种强度分别校核影响承载能力的几何量：键宽、键高、键的工作长度、轴径强度不足时：增大键长、增大轴径或改用花键失效形式较弱工作面被压溃最常见键被剪断较少见校核思路挤压强度以键与轮毂、键与轴的接触面为对象剪切强度以键的纵向截面为对象花键连接及其应用花键是多齿均载的升级方案花键连接以多齿均载实现轴与轮毂的周向连接结构轴上加工出多个键齿，轮毂上加工出相应齿槽类型矩形花键对中性好、加工方便，应用广泛渐开线花键承载力大、自动定心、寿命长相比平键的优势承载能力大齿多且均载导向性好对中精度高应力集中小适合高速与重载应用汽车变速器机床航空发动机销连接的定位与连接销小巧，却常决定装配精度销虽小巧，却以定位、连接、安全保护三大功能，常决定装配精度定位确定零件间的相对位置如定位销连接传递横向力或转矩如连接销安全保护作为过载剪断元件如安全销过盈连接的原理与特点靠配合面的弹性变形传递载荷过盈连接依靠配合面间的径向压力与摩擦力实现载荷传递原理与分类3项原理配合面存在过盈量，装配后产生径向压力，靠摩擦力传递转矩与轴向力分类圆柱面过盈连接、圆锥面过盈连接承载能力影响因素过盈量、配合面尺寸、摩擦系数、材料弹性模量特点3项结构简单、定心精度高承载能力大、可承受冲击载荷属于不可拆连接，装拆困难过盈连接的装配方法装配工艺决定过盈连接的成败合理选择过盈量，保证配合面洁净与同轴度，是过盈连接成败的关键控制点压入法常温压入常温下用压力机压入，简单但易擦伤配合面温差法加热包容件或冷却被包容件后装配加热法适用于过盈量较大的连接冷却法适用于小尺寸或不宜加热的零件液压套合法高压油胀开利用高压油使配合面胀开，装拆方便机械设计基础联轴器与离合器连接与分离的艺术联轴器与离合器的类型辨析与选型03联轴器与离合器概述两者都连接两轴，区别在能否随时分离选型需综合考虑转矩、转速、偏移补偿与工作环境联轴器机器运转中一般不能分离停机后经拆卸才能分开不能分离拆卸分开离合器可在运转中随时接合或分离随时接合随时分离刚性联轴器传力直接，但对中要求严格两轴之间无相对位移补偿能力，结构简单、传力大特点与适用条件3项核心特点两轴之间无相对位移补偿能力，结构简单、传力大适用条件两轴严格对中、载荷平稳、转速不高主要局限对安装误差敏感，易引起附加载荷常见类型3项凸缘联轴器靠螺栓传递转矩，应用最广套筒联轴器用套筒与键固定，结构紧凑夹壳联轴器剖分式结构，便于装拆无弹性元件挠性联轴器用可动元件吸收两轴偏移通过联轴器内部的活动元件相对移动，补偿两轴的偏移原原理与特点原理活动元件相对移动补偿偏移不足不具缓冲减振能力优势补偿能力强型常见类型十字滑块联轴器：补偿径向偏移，结构简单齿式联轴器：承载大，可补偿综合偏移，用于重型机械万向联轴器：允许较大角偏移，用于传动轴适用场合两轴存在安装误差但载荷较平稳的场合弹性联轴器弹性元件兼顾补偿与缓冲原理依靠弹性元件变形补偿偏移吸收振动与冲击变形补偿分类金属弹性元件簧片联轴器、膜片联轴器，承载大、耐高温非金属弹性元件弹性套柱销联轴器、弹性柱销联轴器，减振好弹性元件适用启动频繁的场合载荷变化大的场合要求减振的场合减振场合离合器的主要类型运转中平稳接合是离合器的核心能力类型接合原理典型应用牙嵌离合器端面齿相互嵌合传递大转矩、需停机或低速接合摩擦离合器摩擦面压紧传递转矩运转中接合、过载保护电磁离合器电磁力吸合摩擦片自动控制、快速响应超越离合器单向传力、可自动超越单向传动、防止逆转选择依据：接合平稳性、转矩大小、控制方式与工作频率联轴器与离合器的选用选型是把工况翻译成参数的过程选型是把工况翻译成参数的过程基本步骤4项01分析载荷特性：转矩大小、是否平稳、有无冲击02确定所需补偿量：径向、轴向、角向偏移03校核转速：不超过联轴器的许用转速04考虑工作环境：温度、湿度、腐蚀、安装空间关键原则3项转矩选取需计入工作系数，兼顾过载与启动冲击优先满足对中要求，再考虑减振与成本高速场合优先选用动平衡性能好的类型机械设计基础综合选型与工程应用从原理到方案面向工况完成连接与联轴器的综合选型04各类连接方式的对比没有最好的连接，只有最合适的连接连接方式可拆性承载特点典型用途螺纹连接可拆通用性强、可预紧广泛用于零件固定键连接可拆传递转矩轴与轮毂周向固定销连接可拆定位精确、可过载保护定位与连接过盈连接不可拆承载大、定心好重载定心配合联轴器需拆卸传递转矩、补偿偏移两轴连接离合器可随时分离运转中接合分离传动控制连接方案的选型步骤选型是有序的推理过程选型七步按功能需求→载荷→拆装→精度→环境→强度→成本的顺序逐项推理，锁定连接方案。明确功能需求：是固定、定位还是传递转矩与运动分析载荷工况：载荷大小、性质、是否冲击与交变判断拆装要求：是否需要频繁装拆、能否停机分离核对精度要求：对中性、定位精度与偏移补偿能力评估环境与工艺：温度、腐蚀、加工与装配条件校核强度与安全：以受力最危险处为校核对象综合权衡成本：性能、寿命与制造成本的平衡选型本质是把功能需求逐项映射到结构参数工程应用案例分析从原理到方案的关键一跃减速器轴系、电机与工作机连接、重载定心配合，按工况选对连接与配合方式是工程方案落地的关键。减速器轴系3项轴与齿轮、带轮周向固定优先选用平键连接箱体与箱盖连接采用螺栓连接并配套防松措施精确定位采用圆锥销保证剖分面位置精度电机与工作机连接2项两轴存在安装偏移、需缓冲减振选用弹性联轴器需在运转中实现接合分离选用摩擦离合器重载定心配合1项齿轮与轴的大过盈配合采用温差法装配以保证连接可靠连接设计中的常见误区避开误区，设计才算成熟设计连接时，这些想当然的做法往往埋下隐患——先看清误区，再谈正确。误区一认为拧得越紧越可靠，忽视预紧力控制导致螺栓屈服误区二忽略防松措施，交变载荷下连接逐渐松脱误区三刚性联轴器用于有明显偏移的轴系，产生附加载荷误区四键只按尺寸选取而不做强度校核误区五过盈连接过盈量选择随意，过小失效、过大损伤零件任何连接都应以受力分析与强度校核为前提本章知识小结从分类到选型的完整闭环本章围绕连接件的作用与选型方法，梳理从分类到校核的知识脉络。明确失效形式→选定设计准则→完成强度校核总论按可拆性与原理分类，明确连接件作用。螺纹类型、预紧、防松、强度计算与设计准则。键销平键与花键的传力与校核、销的定位功能。过盈弹性变形传力原理与装配工艺。联轴刚性、挠性、弹性类型与选用原则。选型以功能需求和载荷工况为依据，完成方案设计。思考与练习带着问题回顾，才能真正掌握建议结合教材例题完成一次完整的连接强度校核螺纹·键销·联轴器与离合器·综合选型螺纹连接