1、第第1111章章 过盈连接、铆接、焊接、粘接过盈连接、铆接、焊接、粘接11.1过 盈 连 接11.1.1概述过盈连接是利用零件间配合的过盈量在连接面上产生正压力,利用摩擦实现连接。两连接零件分别称为包容件和被包容件,被包容件压入包容件中形成静连接。过盈连接主要用于轴与毂、轮圈与轮芯及滚动轴承与轴或座孔的连接等。过盈连接的特点是结构简单、定心精度高;可承受转矩、轴向力及一定的冲击、振动载荷。其缺点是配合面加工精度要求较高,装拆不便。过盈连接主要用在重型机械、起重机械、船舶、机车及通用机械的中等和大尺寸零件连接。11.1.2过盈连接的设计过盈连接主要用来承受轴向力或传递转矩,或同时承受两种载荷作用
2、(个别情况也用以承受弯矩)。过盈连接通过配合面间的摩擦力传递载荷,其承载能力主要取决于连接的摩擦力和各零件强度。过盈连接计算的具体内容主要有以下几方面过盈连接计算的具体内容主要有以下几方面:确定配合面的最小结合压力及其最小过盈量,满足传递载荷的最小摩擦力要求;确定配合面最大结合压力及其最大有效过盈量,满足不产生塑性变形的强度要求;选定连接面的配合,满足上述最小和最大过盈量要求;强度校核计算;过盈连接的装拆参数计算。若采用胀缩法装配时,应计算零件加热及冷却的温度。若采用压入法装配时,须计算装拆时所需的压入力及压出力。1.配合面间的最小结合压力p过盈连接配合面间的最小结合压力直接影响连接摩擦力大小
3、。配合面最小结合压力的计算条件是连接在传递的载荷作用下不产生滑移,并根据传递轴向力或转矩分别计算。(1)传递轴向力传递轴向力F过盈连接传递轴向力F时(图11-1)不产生轴向滑动,其配合面上产生的轴向摩擦力Ff应大于或等于外载荷F,即FfF。设配合面间的摩擦系数为f,配合的公称直径为d,结合长度为l,则轴向摩擦力为 Ff=fpld(11-1)配合面最小结合压力为 p(11-2)(2)传递转矩传递转矩T过盈连接传递转矩T时(图11-2)不产生周向滑移,其配合面间所能产生的摩擦阻力矩Mf应大于或等于转矩T,即MfT。则摩擦阻力矩为 Mf=fpdl(11-3)配合面最小结合压力为 p(11-4)图11
4、-1受轴向力的过盈连接图11-2受转矩的过盈连接(3)传递轴向力传递轴向力F和转矩和转矩T过盈连接同时传递轴向力F和转矩T时不发生相对滑动的条件为2.最小有效过盈量min过盈连接的有效过盈量是连接中起作用的过盈量。根据材料力学有关厚壁圆筒的计算理论,过盈连接在最小结合压力为p时的最小过盈量为式中p配合面结合压力(MPa);d配合的公称直径(mm);E1、E2被包容件和包容件材料的弹性模量(MPa);C1、C2被包容件和包容件的刚性系数,其中 d1、d2被包容件的内径与包容件的外径(mm);1、2被包容件与包容件材料的泊松比,钢:=0.3,铸铁:=0.25。考虑到采用压入法装配时,零件配合表面的
5、不平波峰将会被压平,如图11-3所示。因此按式(11-6)计算的过盈量min应适当增加被压平部分,否则影响连接承载能力。考虑压平量的最小有效过盈量为min=min+0.8(Rz1+Rz2)(11-8)式中min最小有效过盈量(m);Rz1、Rz2被包容件及包容件配合表面上微观不平度的十点高度(m)。3.过盈连接的强度计算过盈连接装配后,被包容件受挤压而产生周向和径向的压应力;包容件受膨胀而产生拉应力。根据厚壁圆筒应力分析,连接零件中的应力大小及分布情况如图11-4所示。图11-3压入法装配时配合表面擦去的部分图11-4过盈连接中的应力大小及分布情况连接件为塑性材料时,检验承受最大应力的表层是否
6、处于弹性变形范围内。被包容件和包容件最大应力分别为式中ReH1、ReH2被包容件和包容件材料的屈服极限。4.包容件加热温度及被包容件的冷却温度过盈连接采用胀缩法装配时,为保证装配安全方便,应使装配时配合面间留有必要的间隙。如采用加热包容件的方法,加热温度t2可按下式计算如采用冷却被包容件的方法,冷却温度t1可按下式计算式中max所选择的标准配合在装配前的最大过盈量(m);0装配时为了避免配合面相互擦伤所需的最小间隙(m);d配合的公称直径(mm);1、2被包容件和包容件材料的线膨胀系数,查有关手册;t0装配环境温度()11.2铆接铆钉连接是利用铆钉将两个或两个以上零件连接成不可拆卸的静连接,简
7、称铆接。铆接主要由连接件铆钉1和被连接件2、3构成,或附加辅助连接垫板4,如图11-5所示。铆接过程是将铆钉插入被连接件的孔内,利用端模再制出另一端的铆头,实现连接。图11-5典型铆接结构1铆钉2、3被连接件4垫板 铆接铆接的主要特点是连接可靠的主要特点是连接可靠,抗振和耐冲击性能好。抗振和耐冲击性能好。铆接与焊接相比,其结构相对笨重,因开有铆孔使被连接件强度降低;铆接时一般劳动强度大、噪声大。铆接的抗拉强度比抗剪强度低得多,故一般不用于承受拉力的场合。铆接分为冷铆和热铆两种。冷铆时铆钉杆镦粗,胀满铆钉孔,铆钉与钉孔间无间隙。热铆紧密性较好,但铆钉与钉孔间有间隙,铆钉不参与传力。此时,横向外力
8、或力矩将由被连接件接触面间的摩擦力承受。11.2.1铆缝的种类、特性及应用 铆钉和被铆件铆合部分一起构成铆缝。铆缝根据工作要求其结构形式分为:强固铆缝、紧密铆缝、强密铆缝。强固铆缝是以强度为基本要求的铆缝,如用于建筑结构的铆缝。紧密铆缝是以紧密性为基本要求的铆缝,如用于流体容器的铆缝。强密铆缝要求具有足够的强度和良好的紧密性,如用于压力容器的铆缝。根据被铆件的相接位置,铆缝分为搭接和对接两种。对接又分单剪垫板对接和双剪垫板对接两种。铆钉可布置为单排、双排和多排等形式,如图11-6所示。图11-6a所示为搭接,通常用于没有严格要求的一般机械结构连接。图11-6b所示为单剪垫板对接,适用于表面平滑
9、的外部结构连接,被连接板可等厚也可不等厚,垫板厚度一般大于被连接板。图11-6c所示为双剪垫板对接,适用于受力很大的结构连接,两垫板等厚,且总厚度应大于被连接件中较厚者,若被连接板不等厚时应先垫平。图11-6典型铆接结构a)搭接缝b)单剪垫板对接缝c)双剪垫板对接缝11.2.2铆钉 铆钉是采用棒料锻制或冷拔而成的。铆钉材料应具有高塑性,便于铆钉头成形。铆钉分为实心和空心两大类,最常用的是实心铆钉。实心铆钉多用于受力大的金属零件的连接;空心铆钉用于受力较小的薄板或非金属零件的连接。根据铆钉头形状的不同,铆钉可分为:圆头铆钉、半圆头铆钉、平头铆钉、平锥头铆钉、沉头铆钉和半沉头铆钉,其铆接后的结构如
10、图11-7所示。各类铆钉大多已经标准化。图11-7常用铆钉铆接的结构形式a)圆头铆钉b)半圆头铆钉c)平头铆钉d)平锥头铆钉e)沉头铆钉f)半沉头铆钉11.2.3铆接的失效形式及设计铆钉和被连接件受力与铆接结构形式及外载荷有关。当铆钉所承受横向外力(力矩)在被连接件接触面摩擦力(力矩)范围之内时,载荷是通过摩擦力(力矩)来传递的。若横向外力(力矩)增大到超出接触面间摩擦力(力矩)时,铆钉受到弯曲、挤压和剪切作用。铆接的破坏形式主要有铆钉被剪断、被连接件被剪坏、钉孔接触面被压溃、板沿钉孔被拉断和板边被撕裂等,如图11-8所示。图11-8铆接的受力及破坏形式a)铆钉被剪断b)板边被剪坏c)钉孔接触
11、面被压坏d)板沿钉孔被拉断e)板边被撕裂铆接受力分析时假设:一组铆钉中的各个铆钉受力均等;危险截面上的拉应力或切应力、工作面上的挤压应力是均匀分布的;被铆件贴合面上无摩擦力;铆缝不受弯矩作用。实际上,在弹性范围内,铆钉和被铆件受力是不均匀分布的。如受力方向上的一列铆钉的切应力、铆钉与孔壁间的挤压应力、被铆件在钉孔附近各个截面上的拉应力都不是均匀分布的。但是在达到塑性变形时,上述假定大致上是可以成立的,故可直接按材料力学的基本公式进行强度校核。以图11-9的单排搭接形式的铆缝为例进行静强度分析。设边距e符合规范要求,即不致出现图11-8所示的破坏形式。垂直于受载方向的钉距称为节距t,取图中宽度等
12、于钉距t的阴影部分进行设计。于是可得被铆件的拉伸强度条件为被铆件上孔壁的挤压强度条件为铆钉的剪切强度条件为许用应力/MPa元 件 材 料说明Q215Q235、Q255被铆件的许用拉应力被铆件的许用挤压应力p铆钉的许用切应力t200400180210420180采用冲孔或各被铆件分开钻孔而不用样板时,、p降低20%;角钢单边铆接时,各许用应力降低25%其中,被铆件的许用拉伸应力;p为被铆件的许用挤压应力;t为铆钉的许用切应力,见表11-1;Fi的单位为N;d、t、的单位均为mm。上述三式计算的F最小值作为铆缝的承载能力。图11-9单排搭接铆缝的受力11.3焊接 焊接是利用局部加热方法使两个金属元
13、件在连接处熔融而构成的不可拆卸连接。常用的焊接方法有电焊、气焊和电渣焊,其中以电焊应用范围最广。电焊又分为电弧焊和电阻焊两种。本节简要介绍电弧焊的基本知识及常见焊缝强度计算的一般方法。电弧焊利用电焊机的低压电流通过焊条(一个电极)与被焊件(另一个电极)间形成的电路,在两极之间产生电弧来熔化被焊接部分的金属和焊条,使熔化金属混合并填充在接缝中而形成的连接,如图11-10所示。图11-10电弧焊接11.3.1焊接的特点及应用焊接具有以下优点优点:焊接接头强度高,焊接结构的尺寸和形状可以满足大范围的要求,容易制造封闭的中空零件以及严密性的零件,工艺简单而且生产周期短,因连接而增加的质量小,焊接件成品
14、率较高等。焊接的缺点为:焊接容易产生变形和内应力,接头性能不均匀,应力集中等,易导致结构疲劳破坏或裂纹。焊接件代替铸件可以节约大量金属。常见的铸造机座、机壳、大齿轮等零件,已逐步改为焊接件,如图11-11所示。图11-11电弧焊的应用a)焊接的齿轮b)焊接的减速器箱体11.3.2电弧焊缝的基本形式焊接件经焊接后形成的结合部分称为焊缝。电弧焊缝主要有对接焊缝、角焊缝等,如图11-12所示。对接焊缝用于连接位于同一平面内的被焊件,角焊缝用于连接不同平面内的被焊件。角焊缝有搭接、正接等形式。搭接焊缝根据受力方向的不同分为:端焊缝垂直于载荷方向的角焊缝;侧焊缝平行于载荷方向的角焊缝;混合焊缝同时包含端
15、焊缝和侧焊缝。图11-12电弧焊缝常用形式a)对接焊缝b)正接角焊缝c)搭接角焊缝d)卷边焊缝11.3.3焊接件常用材料及焊条焊接材料包括焊条、焊丝、焊剂、钎料、钎剂、保护气体等。焊条的种类很多,根据具体要求从手册中选取。常用的焊条型号为E4303、E5003等。焊接的金属结构常用材料为Q215、Q235、Q255;焊接的零件则常用Q275、15钢50钢,以及50Mn、50SiMn2等合金钢。焊接件广泛使用各种型材、板材及管材。11.3.4焊缝的强度计算 焊缝强度的主要影响因素是焊缝强度的主要影响因素是:焊接材料;焊接工艺;焊接结构。焊缝中的容积金属包含有焊条材料焊条材料和焊接件母体金属材料焊
16、接件母体金属材料,故其强度同时决定于两种材料。1.对接焊缝的静载强度计算 对接焊缝强度计算选取两板厚度较薄者,并忽略焊缝余高,焊缝长度取实际长度。若焊缝许用应力与焊接件金属相近,可不必进行焊缝的强度计算。对接焊缝受力情况如图11-13所示,其中Fs为切力,F为拉力或者压力,M1为平面内弯矩,M2为垂直平面的弯矩。图11-13对接焊缝受力情况(1)对接焊缝的拉压强度计算零件受拉时焊缝强度条件为零件受压时焊缝强度条件为式中F焊缝所受的拉力或压力(N);L焊缝长度(mm);1焊接件中较薄板的厚度;t、p焊缝所承受的工作拉应力或工作压应力(MPa);t焊缝的许用拉应力(MPa);p焊缝的许用压应力(M
17、Pa)(2)对接焊缝的剪切强度计算对接焊缝剪切强度计算为式中Fs切力(N);1焊接件中较薄板的厚度(mm);t焊缝中所承受的切应力(MPa);t焊缝许用切应力(MPa)。2.搭接焊缝的强度计算搭接焊缝三种主要形式的受力情况如图11-14所示。搭接焊缝受力时的应力情况很复杂,其强度进行条件性计算。图11-14搭接焊缝受力情况a)端焊缝b)侧焊缝c)联合焊缝(1)端焊缝的剪切强度计算端焊缝的剪切强度为(2)侧焊缝的剪切强度计算侧焊缝的剪切强度为(3)联合焊缝的剪切强度计算联合焊缝的剪切强度为式中L焊缝的总长度。11.411.4粘接粘接11.4.1粘接的特点及胶粘剂机械装置中也可采用胶粘剂连接零件,
18、它是一种不可拆连接。其连接特点有其连接特点有:应力分布较均匀,粘接不需被连接件钻孔,避免引起较严重的应力集中;粘接承力面积大,承载能力可以超过焊接或铆接;被连接件的材料和结构限制较少,可粘接不同材料、很脆材料、复杂结构或极薄零件;胶层具有较好的密封性。粘接也有以下缺点缺点:粘接接头强度分散性较大,粘接性能易随环境和应力的作用发生变化,其抗剥离强度、抗冲击强度等较低;多数胶粘剂的耐热性不高,工作温度具有很大的局限性,通常为100150;耐老化性能差;耐油性能差。胶粘剂的类型繁多,按照胶粘剂的粘料性质可分为有机胶粘剂和无机胶粘剂。按使用目的可分为结构胶粘剂、非结构胶粘剂和特殊用途胶粘剂。1.结构胶
19、粘剂结构胶粘剂常温下的抗剪强度一般不低于8MPa,粘接件能承受较大的载荷。可经受一般的高温、低温或化学作用,不降低其性能。2.非结构胶粘剂非结构胶粘剂正常使用时有一定的胶接强度,但在高温或重载时性能迅速下降。3.特殊用途胶粘剂特殊用途胶粘剂具有防锈、绝缘、导电、透明、超高温、超低温、耐酸、耐碱等特殊用途。胶粘剂的主要性能是胶接强度、固化条件、工艺性能及特殊性能。胶粘剂的选用应考虑其性能,以及被粘接材料性质、使用条件和工作环境,粘接接头受力情况和大小、环境温度及耐酸碱性能等要求。胶粘剂的选用原则胶粘剂的选用原则:根据被粘接材料性质选用胶粘剂;粘接件的使用条件与工作环境,如粘接强度、工作温度、固化
20、条件等,并兼顾其特殊要求(如防锈等)及工艺性;粘接件受载状况:连续受力时,一般选用耐老化性好或柔韧的胶粘剂,承受一般冲击、振动的粘接件,宜选用弹性模量小的胶粘剂。各种胶粘剂的具体性能可查阅相关手册。11.4.2粘接接头设计要点粘接接头结构形式如图11-15所示。图11-15粘接接头典型结构a)板件接头b)圆柱形接头c)锥形及不通孔接头d)角接头 粘接接头的受力状况有拉伸、剪切、剥离与扯离等,如图11-16所示。实践证明,粘接接头承受抗拉伸力和剪切力性能较高,而承受不均匀扯离力和剥离能力性能较差。影响粘接接头强度的因素很多。粘接接头强度计算结果难以作为其设计的可靠依据,且其强度试验数据离散性很大。图11-16粘接接头的受力情况a)拉伸b)剪切c)剥离d)扯离粘接接头设计应注意以下几方面问题:合理选择胶粘剂。合理选择接头结构形式。充分利用粘缝的承载特性,尽量使其承受剪切或拉伸载荷,避免承受扯离。为提高连接强度,可采用粘接与机械连接的组合连接方式,如粘接与螺栓、粘接与铆接、粘接与电焊等组合方式。较大冲击、振动场合,应在粘接面间增加玻璃布层等缓冲减振材料。在可能与允许的条件下适当地增大粘接面积,提高粘缝承载能力。合理选取工艺参数,注意工艺性。接头应便于加工、夹具简单、粘接质量易于控制。尽量减小粘缝处的应力集中,如将粘缝处的被粘接件端部制成斜角,或选择胶粘剂和粘接件材料的膨胀系数相近。
