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。
这种连接方式结构简单，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1-4的打火机与机壳连接也属于此类结构。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。
活动连接结构设计
1.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。
2.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。常见的轴承预紧结构和方法如图2-44~图2-47所示。
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。
图2-49~图2-52为几个典型的轴承支承结构形式。
滑动轴承
基本的滑动轴承结构形式如图2-53所示，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。
轴承的运动间隙取决于运动精度和运动状况要求。间隙大，运动阻力小、摩擦磨损小、装拆容易，但运动精度、刚度低；间隙小，可达到较高的运动精度、刚度，但代价是运动阻力大，对润滑条件要求高，运动摩擦大、易发热。 对于运动速度低、运动载荷小、运动阻力影响小或运动精度要求不高及不变采用滚动轴承等场合，滑动轴承连接结构可采用更简单的形式，直接在机壳或零件体上制孔作为轴承。图2-54为机械照相机的自拍机构，也是将部件机架上的孔直接作为轴承使用。
在机械结构设计时，轴的表面硬度较高，耐磨。同种类材料接触摩擦，发热后易产生粘连，特别是高速运转时更突出。因此，轴承尽可能选择与轴不同的材料。常用滑动轴承材料包括各种铸铁、青铜、含油粉末冶金、尼龙、塑料及橡胶等。 铸铁材料内的石墨有辅助润滑作用，属于自润滑材料。
粉末冶金材料内的孔隙能保存油脂，作为轴承，润滑结构简单且有很好的效果。
尼龙、塑料材料质轻、摩擦系数小、疲劳强度高，但加工、安装容易，在机械设备上经常采用。特别是，采用各种塑料材质外壳的一些小电器产品，如图2-55的翻盖式随身听和手机、图2-56的翻盖塑料盒，转动结构直接设计在壳体上，结构简单且工作可靠。 滑动轴承的润滑主要取决于运动状况，对高速运转或重要的结构，需在轴承上设计润滑结构（润滑沟槽、润滑孔等）及相应的润滑装置。轴在旋转时，由轴承内壁油膜支承转轴，使之不与轴承内壁接触，以减小摩擦阻力及磨损。 通过轴旋转时在轴承内壁形成楔状间隙，间隙中的油膜产生动压力支承转轴的轴承成为动压轴承，如图2-57所示。
通过专用机构部件或设施向轴承油腔中供给压力油支承转动轴的轴承称为静压轴承，如图2-58所示。
静压轴承常用于大型、重要设备，轴承及相关结构比较复杂。图2-59为3.15m卧式车床主轴的静压滑动轴承。
滑动轴承可设计成分体式结构，即分成两片或多片，安装时组合在一起，因此形象的称为轴瓦。分体结构方便了安装和调试，特别是适合于整体轴承不便或无法安装的情况，如发动机曲轴，如图2-60所示。
用于球面转动的滑动轴承称为关节轴承，如图2-61所示，常用于操纵杆及自适应调节方向结构等{如汽车悬挂系统的扭转部件}。
3.移动连接结构设计
移动连接结构设计的核心和关键是滑动导轨、滑动部件在导轨上的安装固定及相关结构。根据具体产品运到要求不同，设计上可能侧重考虑连接的可靠性、滑动阻力、运到精度等因素，移动连接结构也相应有很多变化。
最简单的直线移动连接结构的导轨为一截面为矩形或半圆线（凸出的楞筋或凹下的槽），移动部件对应设置与之配合的简单结构，广泛用于移动速度较低、运到精度要求不高的场合，如办公室的抽屉、计算机和VCD的光盘机等。为减少摩擦、方便移动，可在移动部件滑动部位安装滚轮或轴承，用滚动代替滑动，如图2-62的抽屉推拉滚动结构。
有些移动结构要求有一定的摩擦阻力，以保证移动部件定位后不在扰动外力作用下自行移动，图2-63的结构通过在导轨两侧设计、安装调整滑动间隙垫片，从而调整滑动摩擦力达到预定的大小。
移动部件移动位置的精确定位仅靠导轨系统通常无法保证，需借助丝杠、同步带等定位，导轨只作为保证移动稳定性的结构。图2-64为激光雕刻机激光头移动结构，通过步进电机驱动同步带移动定位，为保证激光头移动的稳定性，与导轨配合的部分设置有移动间隙调整结构。
考虑移动部件运动的安全、可靠性，与移动导轨配合的部分可采用夹持导轨的结构，如吊索缆车、悬挂输送机等，如图2-65所示。
双导轨结构既增加了移动的可靠性，也加大了抗倾覆能力，各种轨道车辆等一般广泛采用，如图2-66所示。
车床运动精度要求高、切削时载荷重，其溜板箱导轨采用三角形和矩形组合，并设有镶条调节运动间隙，小刀架移动采用燕尾槽导轨，如图2-67所示。
车床等平面导轨的润滑很重要，一般可采用预设乳化油沟槽等方式，如图2-68所示。 在导轨上运行的起重机等设备，移动行走时需灵活、阻力尽可能小，采用轨道滚轮结构；起重工作时要求车体位置固定可靠，一般可采用类似刹车结构的“夹轨器”实现，如图2-69所示。
自动仓储系统使用的重力货架，托盘货物在与水平面呈一定角度的规定上依靠重力作用移动到预定位置。一般的托盘底面比较粗糙，在倾斜角度较小的钢轨上自由滑动困难，因此，轨道结构上采用可上下浮动的滚轮或轴承，托盘需要移动时，轨道下方的气囊充气使滚轮结构浮起，如图2-70所示。
4.柔性连接结构设计
柔性连接结构广泛用于各种具有运动的产品和设备中，是非常重要的一种运动连接结构。柔性连接结构自身的运动范围和幅度一般都比较小。
连轴器广泛用于转轴之间的连接，传递转动和扭矩。刚性连轴器要求转轴间的对中性要高，实际装配时，某些部件轴的位置精度无法保证，如电机输出轴、减速器输入输出轴等。采用柔性连轴器可允许一定的误差，方便安装、调试。常见的柔性连轴器有弹性销连轴器、滑块连轴器等，如图2-71所示。
弹簧连接是柔性连接结构的一种重要和常用形式。弹簧元件按结构特点可分为螺旋弹簧（圆柱、非圆柱、变径）、片弹簧、板弹簧、碟形弹簧、涡卷弹簧、橡胶弹簧、空气弹簧等多种形式。按主要承受载荷情况又可分为拉簧、压簧、扭簧和弯曲弹簧等几种形式。弹簧元件用于柔性连接目的，其使用方法和形式也是灵活多样的，下面通过一些应用实例进行说明。
在产品结构中，由于某些零部件可能存在尺寸偏差或难以在设计时准确设定结构尺寸，使用弹簧连接结构可保证连接的可靠性、简化结构。例如弹簧电池座、灯头、电源插座、打火机电石打火系统等。图2-72为电源插座内的一个点击簧片示意结构图，簧片的弹性保证电极接触可靠。图2-73的结构中利用弹簧弹力保棘轮与棘爪稳定接触。
滚动轴承间隙的调整是轴承支承结构设计时的常见问题，利用弹簧可使结构简单，工作稳定，如图2-74所示。
刚性连接结构在过载时容易对系统造成意想不到的破坏，图2-75的减速器中，利用弹簧元件限制输出扭矩，系统过载时蜗轮将打滑。
各种车辆车体与车轮的连接广泛使用弹簧系统缓冲减振，从连接的角度看，也属于柔性连接。图2-76为常见的载重汽车悬挂系统。
图2-77利用圆柱密圈螺旋弹簧作为料斗的散碎物料传输管道，管道位置、长度、形状可灵活改变，而导管中孔形状变化很小。
软轴是主要传递转动的柔性连接部件。软轴连接可弯曲绕越障碍，实现远距离传动。软轴连接常用于传输动力需要较小、穿越障碍及各种手持动力工具中，如机动车里程表、医疗器械等。软轴的结构组成如图2-78所示。
波纹管是一种表面为环形波纹或螺纹波纹折皱的薄壁金属管，如图2-79所示。波纹管在轴向拉压力、径向力或弯矩作用下可产生相应的位移。
利用波纹管受力时的伸缩，在热管道中可避免由于热胀冷缩对系统造成的影响，如图2-80、图2-81所示。
图2-82利用波纹管作为轴向伸缩节，以方便管线的安装和维护。 波纹管也常用于管道弯曲时作为角度伸缩节，结构如图2-83所示。
固定结构设计
1.弹性锁扣结构
塑料构件在现代产品中应用极为广泛。电子线路板等功能构件均需固定在壳体上，壳体本身也通常需设计为分体组装形式，需通过一定的辅助结构相互固定。利用构件材料允许一定的弹性变形，设计相应的锁扣结构实现固定功能，具有结构简单、形式灵活、工作可靠等特点，在现代产品中极为常见。图2-84为几种常见产品塑壳上的弹性锁扣结构。
塑料构件上设置锁扣结构使产品的装拆更方便，对模具的复杂程度增加有限，几乎不影响产品的生产成本。在设计这类结构时，主要应注意材料的弹性变形能力、结构要求的固定力大小和装拆频繁程度等因素。
金属件弹性锁扣结构在需要经常装拆的产品中应用更可靠，如图2-85所示的手表带、皮带扣等。此类构件多采用冲压工艺制造，使用寿命长。
如图2-86所示，采用弹簧压紧钢球或弹性销实现定位和卡紧固定的结构常用于定位手柄、旋钮、家具及门窗等。
2.插接结构
在需要相互固定的零部件相关部位设置相应的插装配合固定结构，可方便安装、拆卸，特别是有利于模块化设计组装。插接结构常见于钣金类、注塑类结构零件，形式多样。
图2-87为常见的金属板插接固定结构形式，广泛用于金属薄板类产品壳体等，适于现场组装，但插舌易折断，可拆卸次数有限。
图2-88为组装式刚结构货架及轻钢龙骨等使用的插接结构示意图。对于结构受力大、稳定性要求高的场合，可配合使用螺栓或铆接固定。
产品结构设计-章2
