第5章 零件间的连接与固定设计

北京邮电大学第五章零件间的连接与固定设计本章主要介绍零件间的连接与固定北京邮电大学5.1概述5.2塑料件的可拆连接5.3塑料件的不可拆连接第五章零件间的连接与固定设计5.4装配方法的选择北京邮电大学连接也叫组装或装配，是将两个或两个以上的零部件连接在一起的工艺和技术。塑料制品的连接有可拆连接、不可拆连接、焊接和粘接等。很多的塑料产品都可能是由不同材料、不同功能的零部件组装而成。连接设计的目的就是要根据各种因素设计一种最适宜的连接方法，将零部件组装到一起。5.1概述北京邮电大学设计一种连接方式要考虑以下因素：•连接件属性：几何形状及尺寸、材料性能和适应性。•拆装性能：是否需要拆装、可靠性、安全性、可逆性、拆装频率等。•操作性能：简单、方便、快捷、省力。•产品使用环境：负荷、温度、湿度、化学介质。5.1概述北京邮电大学•环保因素：以回收为目的的连接件的易拆卸性。•经济因素：组装成本、轻量化、省能源型。•美学要求：组装外观、美学效果。5.1概述北京邮电大学5.2可拆连接可拆连接可分为弹性连接（搭扣连接）和螺纹连接。5.2.1弹性连接（搭（卡）扣连接）弹性连接可分为悬臂搭扣连接、环形搭扣连接和扭转搭扣连接。在现实生活中应用广泛。如签字笔笔帽和笔杆的连接、瓶盖瓶口的连接以及遥控器电池盖的连接等。北京邮电大学搭扣连接具有良好的可靠性和满足使用要求的连接强度，而且结构简单、经济，可迅速连接两个相同或不同材料的零件。在大量生产时，搭扣连接是所有连接方法中成本最低、装配最简单、装配速度最快的一种连接方法。5.2.1弹性连接（搭（卡）扣连接）北京邮电大学瓶盖与瓶口的搭扣连接遥控器电池盒面板与盒体U形悬臂搭扣连接北京邮电大学弹性连接的形式各不相同，但基本原理一致。即连接件的一方有一个凸起部分，叫做凸缘；连接件的另一方有一个凹槽。连接时，连接力迫使凸缘这一方连接件产生瞬时曲挠变形，连接完成后变形部分随之恢复，配合部分处于无应力状态。北京邮电大学弹性连接的依据是：塑料在室温下段时间内所具有的较大的弹性变形特征，因此，材料选用是重要的一环。通常其中一个零件相对较硬，而另一个有柔韧性，有较好的弹性和抗疲劳强度。除此之外就是结构和尺寸的设计。北京邮电大学搭扣连接的形式、种类很多。可以设计成固定式，即配合零件之间不存在相对运动；或可动式，即零件接合之后，它们之间可存在相对运动。连接可以是最终连接，也可以是临时连接，后者通常作为焊接或粘接之前的一种过渡连接。对搭扣连接比较通用的分类方法是将其分为：悬臂搭扣连接、环形搭扣连接和扭转搭扣连接。北京邮电大学1.悬臂式搭扣连接这是搭扣连接中最基本的、最常见的，也是变化最多的连接形式。一种典型的悬臂搭扣连接如图所示。左边的零件是带有凸缘的悬臂梁，称为悬臂钩；右边接合件以扣槽为结构特征。北京邮电大学1.悬臂式搭扣连接悬臂钩可以看成由梁和凸缘组成，梁和凸缘的设计是悬臂梁搭扣设计的关键。北京邮电大学（1）悬臂钩的几何结构和尺寸参数梁的截面是梁的重要结构参数，不同的截面形状对载荷作用下梁的行为有直接影响。在悬臂搭扣中，梁的截面类型有：三角形、矩形、梯形、圆形、椭圆、半圆和扇形等。北京邮电大学悬臂钩的结构尺寸凸缘高度凸缘有效厚度壁面厚度梁的长度梁根部厚度咬合角脱开角凸缘长度北京邮电大学（1）悬臂钩的几何结构和尺寸参数沿梁的长度方向，如果截面形状和尺寸不变，为等截面的连续梁。如果沿长度方向梁的厚度或宽度逐渐变小（或同时变小），这样的梁称为锥形梁。同时变小称为双斜面，直沿宽度或厚度变小称为单斜面。北京邮电大学（1）悬臂钩的几何结构和尺寸参数凸缘有三个重要的参数：咬合角α、脱开角β和凸缘高度Y。咬合角脱开角凸缘高度凸缘的外部形状有许多的变化：有楔形、圆柱形、锥台形、半球形等。北京邮电大学（2）悬臂钩的设计规则1）梁根部厚度Tb由梁的挠度计算公式可知，梁的厚度与梁的许可挠曲成反比，梁越厚，梁的柔性越差。尺寸设计时，参照壁厚Tw，Tb可取Tw的50%~60%。北京邮电大学（2）悬臂钩的设计规则从梁的根部到端部厚度不变的等截面梁，应力分布不均匀，实际很少采用。比较多是采用矩形截面，而厚度呈线性递减至根部厚度的一半的设计，这种设计不仅增加了扣入弹性，而且在梁的长度上应力分布更均匀。北京邮电大学（2）悬臂钩的设计规则2）梁的长度Lb梁的长度要注意两点：一方面梁的长度受到可利用空间和装配件尺寸的限制；另一方面，梁的许可挠曲与梁的长度的平方成正比。梁的长度是梁根部厚的5~10倍。北京邮电大学（2）悬臂钩的设计规则3）梁的宽度Wb梁的强度可以通过增加梁的宽度得到改善，但随之装配力也增加。大多数梁从根部到端部宽度不变，其宽度可近似小于梁的一半长度。2/LWbb北京邮电大学（2）悬臂钩的设计规则4）凸缘高度Y凸缘高度决定了悬臂钩扣入和脱开时梁的偏斜程度。可经过公式计算求得。它不仅取决于梁的几何形状（截面），梁的尺寸参数（Tb，Lb），同时也取决于选用塑料的允许应变值大小。北京邮电大学（2）悬臂钩的设计规则确定凸缘高度Y时，可以将其设定为梁的最大许用偏斜。作为一般规则，当梁的长度Lb接近梁根部厚度Tb的10倍时，该高度Y应等于梁根部的厚度。北京邮电大学（2）悬臂钩的设计规则5）咬合角该角度影响装配力，角度越大，使梁偏斜扣入所需装配力就越大。合理的角度：25º~35º，一般不超过40º。北京邮电大学（2）悬臂钩的设计规则6）脱开角该角度影响搭扣保持和分离的行为，角度越大，脱开所需的力就越大。当角度为90º时自锁，为单向搭扣。拆卸时必须人工致偏才能有效分离。通常用于永久性接合，即非拆卸性设计。对于需要拆卸的搭扣（双向），一般取35º（大于咬合角）。北京邮电大学（3）悬臂式搭扣的设计计算有些专用软件可以对搭扣连接的一些技术参数进行精确的求解。下面提供手工计算方法和相关公式。北京邮电大学（3）悬臂式搭扣的设计计算假设装配时相连两零件接触处的摩擦系数为f，对应摩擦角为f-1tan则安装力和拆卸力的计算式分别为)tan()tan()tan()tan(0KYFFKYFFssi式中Fs:弯曲弹性力；α：咬合角；β：脱开角。K=Fs/Y：弹性比；Y：凸缘高度。北京邮电大学（3）悬臂式搭扣的设计计算设σ、ε分别是由凸缘高度Y引起的弯曲应力和应变。凸缘高度Y应由悬臂钩的许用应力和许用应变确定。受力零件的最大应力和应变应该小于允许的应力和应变。此允许值取在该材料的屈服点σy以下n/yn为安全系数。若一次性装配，可取n=1.5，若多次拆卸可取n=2。北京邮电大学1）凸缘高度Y的计算凸缘高度等同于梁的许可挠度值，对于等矩形截面梁，在已知梁的长度、厚度及材料的短期允许应变值ε的情况下，可用以下公式计算梁的许可挠度值（3）悬臂式搭扣的设计计算Fs为弯曲弹性力，E为塑料的弯曲弹性模量，J为轴惯性矩，对于矩形截面)3(3EJ/LFhbs（5-1）北京邮电大学（3）悬臂式搭扣的设计计算123/TWJbb（5-2）则得334bbbsTEWLFh（5-3）也可用下面更简单计算公式（5-4）bbT/L.h2][670为材料的允许短期应变值。北京邮电大学（3）悬臂式搭扣的设计计算均匀矩形梁根部的弯曲应变校验式223bbLhT（5-6）厚度渐变至根部厚度一半的矩形截面锥形梁bbT/L.h2091（5-5）北京邮电大学在Tb的作用下，高的弹性比意味着较大的弯曲应力，悬臂固定端弯曲应力应该小于该材料的屈服应力y梁的材料、几何形状和尺寸的弹性比为334bbbsLTEWhFK（5-7）bsLFM弯曲力矩（5-8）北京邮电大学弯曲应力ETWKhLWTMbbbb26)2(（5-9）将（5-7）代入后得弯曲应力校验式nLEYyb23（5-10）n为安全系数。北京邮电大学h=Y，满足凸缘高度的设计式为bbETLhY322（5-11）对于其他截面的梁，可用同样方法推出弹性比、弯曲应力、应变和凸缘高度。这种弹性零件的以选用在弹性范围内，具有合适的弹性模量和有较大应变的刚性塑料为宜。适合用于梁的塑料有：PC、HIPS、ABS、PA、PP。北京邮电大学塑料名称短期应变量塑料名称短期应变量PE(聚乙烯)8PA(聚酰胺)6PP(聚丙烯)6POM(聚甲醛)6PS(聚苯乙烯)1.8PBT5ABS2.5PC(聚碳酸酯）4PVC(聚氯乙烯)2HIPS2常用塑料允许短期应变值[ε]（%）北京邮电大学如果搭扣设计中，包括凸缘高度在内的尺寸都已初步设定，也可利用上述挠度计算公式计算允许应变量，并与已知材料的允许应变量比较，从而验证设计的尺寸是否在安全设计范围内，当然，最后的验证还必须结合终端应用实验来确定。北京邮电大学但需要注意的是，搭扣连接通常为低载荷而设计，过度的应力可能导致接头损坏，而一旦损坏则很难修复。因此尺寸的精确设计和正确的操作方式对搭扣连接是非常重要的。搭扣设计需要一些基本的理论，也需要大量的实践经验，以及从广泛应用的消费市场上的各种精密组件（照相机、手机、遥控器和电脑等）的搭扣设计中获得有益的借鉴和启示，才能不断提高设计水平，设计出耐用的、构思精巧的各种搭扣连接。北京邮电大学（2）环形搭扣连接环形搭扣连接常用于组装圆柱形的制品。比较典型的是图示的轴与毂的连接。北京邮电大学连接时，由于受凸台的影响，推进过程中，连接的双方产生变形，特别是材料柔软产生较大的弹性变形，待凸台进入凹槽卡住，形变恢复。嵌入变形弹性恢复北京邮电大学环形搭扣连接的特点是，它是依靠径向的弹性变形来实现装配和保持强度；其次，由于结构上的特点，组装后的部件基本处于无应力状态。在轴毂组装的部件中，一般毂采用柔性材料，而轴采用刚性材料。在组装过程中，毂的弹性变形除了与材料有关外，还与毂的厚度以及毂的凹槽至端部的距离S有关。（2）环形搭扣连接北京邮电大学为此，应使凹槽致端部的距离合理靠近，否则毂的刚性可能大大超过预期值，从而导致接合件损坏。可供参考的一个经验公式式中Dk为连接件的配合直径，t为毂的厚度。tDSk8.1（5-12）北京邮电大学一般咬合角取20º~30º，脱开角取40º~50º。角度的大小可以控制搭配结构相应的装配力和脱开力。永久锁紧型，脱开角可采用更大的角度，直至90º。对于可拆卸的搭扣装配，为满足重复拆装的强度要求，配合不宜过紧，应有较大的间隙。北京邮电大学为了便于装配，凸台一般在满足要求的情况下尽量取较小值，最大允许的凸台尺寸可用下式计算式中为轴上的凸台高度，Dk为轴的直径，σ为应力值，Vk为毂的泊松比，Vs为轴材料的泊松比，Ek为毂材料的弹性模量，Es为轴材料的弹性模量，K为几何系数。sskkkEVEVKKD12（5-13）北京邮电大学2211wwKskDDwDk为轴的直径，Ds为毂的直径。对于设计者来说，确定应力值应在材料允许的最大应力范围之内，设计应力值不是常数，而是随着湿度、温度、化学环境及时间变量而变化。北京邮电大学根据计算出的允许凸台尺寸，可以求出作用于毂材料上的膨胀力P。KEDPhk（5-11）北京邮电大学（3）扭转搭扣连接扭转搭扣连接最常见的应用是固定箱子或容器上的合叶盖。如图示。扭转搭扣固定有一个支撑轴，当正向施加推力于搭扣件时，搭扣件以轴为心产生扭转。只要以杠杆原理设计出搭扣的尺寸，便可以以很小的力开启很紧的搭扣连接。北京邮电大学扭转搭扣连接的应用采用扭转搭扣配合的轴北京邮电大学设计中要注意的是：一是不要将搭扣杆设计的太小，以免扭转角度和扭力变得太大；二是开启杆的长度应大于搭扣杆的长度（ba），这样可减少开启所需的力。北京邮电大学（4）搭扣连接的优缺点优点（1）无需附加材料（2）装配容易（3）可选相异材料（4）永久性（5）形状自由（6）效率高（7）环保北京邮电大学（4）搭扣连接的优缺点缺点（1）模具限制（2）工艺限制（3）材料限制（4）卡扣失效（5）密封限制（6）环境限制（7）热膨胀性北京邮电大学5.2.2螺纹连接螺纹连接也是常用的连