机械基础 · 模块二 强度与刚度适用:机械 / 数控 / 机电 / 汽修建议 2 学时(90 min)

§2.4 连接件的剪切与挤压

螺栓、销钉、键、铆钉……这些“小零件”把机器的大零件连在一起。它们一般不是被“拉断”的,而是被“剪断”或“压坏”的。这节课就来弄明白:怎么剪坏、怎么压坏、怎么算才安全。

🎯 学习目标(学完你能做到)

  1. 能认出螺栓、销钉、键、铆钉等连接件,说出它们受剪切和挤压。
  2. 能说出剪切的受力特点和变形特点,在图上找出剪切面,分清单剪和双剪。
  3. 能找出挤压面,会算计算挤压面积(圆柱面用 d×t,平面用实际面积)。
  4. 会用 τ = FQ/A ≤ [τ] 和 Rp = Fp/Ap ≤ [Rp] 校核键、销、螺栓的强度。
  5. 能按步骤完成平键连接的拆装与失效检查,判断键是被剪坏还是被压坏。
两块钢板一拉,铆钉被“剪”
上半截跟着上板走,下半截跟着下板走 → 铆钉沿中间的面错开,就是剪切。

② 知识导入:车间里的“剪”和“压”

🔁 复习旧课:拉伸与压缩时,外力沿杆的轴线,杆件伸长或缩短,应力 R = FN/A 垂直于截面(正应力)。今天的外力方向变了:外力垂直于杆轴,而且两个力靠得很近。

点下面的按钮,看看车间里 4 个常见的场景,想一想:零件会怎么坏?

动画演示:剪板机剪钢板
动画演示:齿轮与轴的平键连接
动画演示:拖车挂钩销钉(双剪)
动画演示:螺栓连接钢板(剪切 + 挤压)
大白话:拿剪刀剪纸,两片刀刃一上一下、紧挨着错开——纸就被“剪”开了。连接件里的“剪切”就是这个道理。
再想想:用手指使劲按橡皮,按的地方会凹下去一块——这种两个东西贴在一起互相压,只在接触处压坏的现象,就叫“挤压”。
🤔 课堂设问:汽车修理时,拆下的平键侧面有一道压痕、被压得发亮变形,它是被“剪坏”还是被“压坏”的?学完这节课你就能回答。

③ 核心知识讲解

3.1 什么是连接件

连接件:在构件连接处起连接作用的部件。大白话:把两个零件“连起来”的小零件。

常见连接件:2D 图标 vs 3D 装配仿真
螺栓 销钉 平键 铆钉 焊接接头 木榫接头
常见连接件:它们个头小,却决定整台机器连得牢不牢。点 ▶ 播放,看 3D 模型如何装配。

3.2 剪切的概念

受力特点:作用在构件两侧面上的外力(或外力的合力)大小相等、方向相反、作用线相距很近。

变形特点:构件沿两力作用线之间的某一截面产生相对错动(或错动趋势),小方块由矩形变成平行四边形。

大白话:“一上一下、挨得很近、往相反方向推” → 零件中间那一层被“错开”。
⚠ 区分:拉压是力沿着杆的轴线;剪切是力垂直于杆的轴线,而且两个力挨得很近。
动画演示:剪板机剪钢板——矩形变平行四边形
注意中间的橙色小方块:先被“错”成平行四边形(剪切变形),力再大就被剪断。(变形为教学夸张比例)

3.3 剪切面:单剪与双剪

剪切面:发生相对错动的截面。它平行于外力方向,位于两个反向外力之间。

类型剪切面个数剪力 FQ例子
单剪1 个FQ = F两块板搭接的铆钉、螺栓
双剪2 个FQ = F/2拖车挂钩销、叉形接头的销钉
怎么数剪切面?看连接件穿过了几块板:2 块板 → 1 个面(单剪);3 块板 → 2 个面(双剪)。板与板之间的“缝”就是剪切面。
双剪时两个面一起“分担”外力,所以每个面上的剪力只有 F/2,同样的销钉能承受更大的力。
动画演示:单剪 vs 双剪
钢板受拉错开,连接件在红色虚线(剪切面)处被错断。

3.4 剪力和切应力

剪力 FQ:零件受剪时,剪切面上产生的抵抗错动的内力。它平行于截面,单位 N 或 kN。用截面法(切、取、代、平)求。

切应力 τ:剪切面上单位面积上的剪力,单位 MPa。工程上近似认为切应力在剪切面上均匀分布,方向与剪力相同。

τ = FQ / Aτ(读作“陶”):切应力,MPa;FQ:剪力,N;A:剪切面面积,mm²
正应力 R(拉压)切应力 τ(剪切)
方向垂直于截面平行(贴着)截面
效果把材料拉开 / 压紧让材料两边错开
截面法求剪力(取铆钉上半段) 剪切面 m-m F FQ 平衡:FQ − F = 0 → FQ = F 蓝色小箭头:切应力 τ 均匀地“贴着”截面分布 圆形剪切面面积 A = πd²/4
剪力 FQ 平行于剪切面

3.5 挤压的概念

受剪切的构件,常常还同时受到挤压。

挤压:连接件和被连接件在接触面上互相压紧,产生局部变形的现象。

挤压面:互相挤压的接触面。挤压面垂直于外力的作用线。

挤压力 Fp:作用在挤压面上的力,与挤压面垂直。

挤压过大会怎样?螺栓被压扁,钢板孔边被压皱或压成椭圆 → 连接松动失效。
⚠ 挤压 ≠ 压缩:压缩是整根杆全身受压;挤压只发生在两个零件接触的那一小块表面。
动画演示:螺栓挤压孔壁——孔被压成椭圆
钢板向右拉,螺栓把孔的左边“顶住”。红色小箭头是挤压力在接触面上的分布(中间最大)。

3.6 挤压应力与计算挤压面积(难点!)

工程上假定挤压力 Fp 均匀分布在计算挤压面积 Ap 上:

Rp = Fp / ApRp:挤压应力,MPa;Fp:挤压力,N;Ap:计算挤压面积,mm²
① 接触面是圆柱面(螺栓、销钉、铆钉)
Ap 取圆柱面在垂直于挤压力的平面上的投影:
Ap = d × td:直径;t:接触高度(板厚)
不是半圆柱面积 πdt/2!
② 接触面是平面(平键)
Ap 就是实际接触面积:
Ap = (h/2) × lh:键高(一半在轴里、一半在轮毂里);l:键长
键的剪切面积 A = b × l
动画演示:计算挤压面积是怎么来的?
螺栓:2D 看压力怎样从半圆周“摆正”到直径上,3D 看弯曲的半圆柱面“压平”成 d×t 长方形。平键:依次亮出剪切面和挤压面。

3.7 剪切与挤压的强度条件(核心公式)

τ = FQ / A ≤ [τ]剪切强度条件 [τ]:许用切应力
Rp = Fp / Ap ≤ [Rp]挤压强度条件 [Rp]:许用挤压应力
大白话:连接件要“两关都过”:剪不断(剪切关)+ 压不坏(挤压关)。任何一关不过,连接就不安全。
动画演示:两关都过——剪切关 + 挤压关
同一个螺栓连接,换不同尺寸和材料:看哪一关先不过。应力条红线=许用值。
🔊 带模拟声音(电脑合成,示意),可用播放条旁的按钮开关。
经验数据(塑性钢材,供参考)与许用拉应力 [R] 的关系
许用切应力 [τ][τ] ≈ (0.6~0.8)[R] —— 比 [R] 小,材料更怕“剪”
许用挤压应力 [Rp][Rp] ≈ (1.5~2.5)[R] —— 比 [R] 大
动画演示:材料“怕剪、不怕挤”
同一块 Q235 同时做剪切、拉伸、局部挤压,应力一起往上加,看谁先超标。
🔊 带模拟声音(电脑合成,示意),可用播放条旁的按钮开关。
💬 讨论 1:材料“抗挤”的能力为什么比“抗压”大得多?
挤压只发生在接触的一小块局部,周围没受压的材料会把它“围住、撑住”,帮它一起扛,所以不容易压坏;而整根杆受压时,没有“帮手”。因此许用挤压应力 [Rp] 比许用压应力大得多。
注意:如果连接件和被连接件材料不同,要按较弱的那个材料的 [Rp] 来校核。
💬 讨论 2:不属于剪切破坏的是( )A. 铆钉连接 B. 键连接 C. 钢板用对接焊缝连接 D. 钢板用填角焊缝连接
答案:C。对接焊缝是把两块钢板“头对头”焊在一起,钢板受拉时焊缝沿轴线受拉,属于拉伸;铆钉、键、填角焊缝(贴角焊)都是两侧力错开,属于剪切。
动画演示:讨论 2——对接焊缝 vs 填角焊缝
对接焊缝受拉(不属于剪切),填角焊缝受剪。
🔊 带模拟声音(电脑合成,示意),可用播放条旁的按钮开关。
① 强度校核
已知力、尺寸、许用应力
算 τ、Rp,看是否都不超标
② 设计尺寸
A ≥ FQ/[τ],Ap ≥ Fp/[Rp]
两个结果取大值
③ 确定许可载荷
FQ ≤ A[τ],Fp ≤ Ap[Rp]
两个结果取小值
动画演示:设计尺寸“取大值”,许可载荷“取小值”
剪切、挤压各算一个结果:设计尺寸两者取大,许可载荷两者取小。
🔊 带模拟声音(电脑合成,示意),可用播放条旁的按钮开关。
3.8 例题精讲:键、销、冲孔
解题套路:① 找剪切面和挤压面 → ② 求 FQ、Fp → ③ 算 A、Ap → ④ 代入两个强度条件 → ⑤ 下结论
【例 1】平键连接:齿轮与轴用平键连接。轴径 d = 70 mm,平键尺寸 b × h × l = 20 mm × 12 mm × 100 mm,传递扭矩 M = 2 kN·m,键的许用切应力 [τ] = 60 MPa,许用挤压应力 [Rp] = 100 MPa。试校核键的强度。
动画演示:轴通过平键带动齿轮——正常工作 / 过载剪断
轴逆时针转,下半截键被轴推、上半截键被齿轮挡住,中间一层被剪。过载时键被剪断,轴“空转”,齿轮不动。(变形为教学夸张比例)
📝 例 1 解题步骤(先自己算,再点开)

① 求键受的力:扭矩 M = F × d/2,所以 F = 2M/d = 2 × 2×10⁶ N·mm ÷ 70 mm ≈ 57143 N。剪力 FQ = 挤压力 Fp = F。

② 剪切强度:剪切面 A = b × l = 20 × 100 = 2000 mm²
τ = FQ/A = 57143 ÷ 2000 ≈ 28.6 MPa < [τ] = 60 MPa ✔

③ 挤压强度:挤压面 Ap = (h/2) × l = 6 × 100 = 600 mm²
Rp = Fp/Ap = 57143 ÷ 600 ≈ 95.2 MPa < [Rp] = 100 MPa ✔

结论:键的剪切和挤压强度都足够。

发现没有?挤压应力 95.2 MPa 已经很接近 100 MPa,而切应力还有一半余量——平键通常先被压坏,而不是先被剪断。这就是导入里那块“侧面被压亮变形”的键的答案。

【例 2】拖车挂钩销钉(双剪):挂钩用销钉连接,拖力 F = 30 kN,销钉直径 d = 20 mm,中间拖杆板厚 t = 12 mm(两侧挂钩板厚各 8 mm),销钉 [τ] = 60 MPa,[Rp] = 200 MPa。试校核销钉强度。
动画演示:拖车挂钩销钉(双剪)——剪切校核 + 挤压找最危险处
从拖车实景放大到销钉:看两个剪切面怎样平分拖力、挤压为什么按中间板算,再和单剪、超载对比。
🔊 带模拟声音(电脑合成,示意),可用播放条旁的按钮开关。
📝 例 2 解题步骤(点开)

① 剪切:销钉穿过 3 块板 → 双剪,FQ = F/2 = 15 kN。A = πd²/4 = 3.14 × 20²/4 = 314 mm²
τ = 15000 ÷ 314 ≈ 47.8 MPa < 60 MPa ✔

② 挤压:中间板受力 F = 30 kN,厚 12 mm;两侧板各受 15 kN,厚 8 mm。比较 F/t:中间 30000/12 = 2500,两侧 15000/8 = 1875 → 中间板处最危险。
Ap = d × t = 20 × 12 = 240 mm²,Rp = 30000 ÷ 240 = 125 MPa < 200 MPa ✔

结论:销钉强度足够。

技巧:挤压要找“力大、板薄”的那一处,用 Fp/t 比一比就知道。

【例 3】冲床冲孔(利用剪切破坏):在厚 t = 4 mm 的钢板上冲直径 d = 20 mm 的圆孔,钢板的抗剪强度 τb = 300 MPa。冲床至少要多大冲压力?
动画演示:冲孔——被剪开的是一圈“圆柱侧面”
冲头往下冲,钢板沿冲头外圈被剪断,掉下一块圆片(废料)。剪切面面积 A = πd × t。拖动滑块改直径和板厚。
孔径 d20 mm板厚 t4 mm
📝 例 3 解题步骤(点开)

要把钢板冲断,切应力必须达到抗剪强度:τ = F/A ≥ τb(注意:这里是“≥”,我们想让它坏!)

剪切面是圆柱侧面:A = πd × t = 3.14 × 20 × 4 = 251.2 mm²

F ≥ τb × A = 300 × 251.2 = 75360 N ≈ 75.4 kN

剪板机、冲床、剪切销(安全销)都是“利用”剪切破坏的例子;而键、销、螺栓则要“防止”剪切破坏。

🧮 剪切与挤压计算器(离线可用,显示完整步骤)
F kN d mm 挤压板厚 t mm M N·m 轴径 d mm b h l mm [τ] MPa [Rp] MPa

④ 实操技能:平键连接的拆装与失效检查

🧰 器材准备
  • 带平键的齿轮(或带轮)—轴组件 1 套
  • 拉马(拉拔器)、铜棒、铜锤、软钳口台虎钳
  • 游标卡尺(0.02 mm)、塞尺、油石或细锉
  • 护目镜、防护手套、记录表、润滑油
⚠ 安全红线(红色步骤必须严格执行)
拆装前必须断电、挂牌;禁止用钢锤直接敲击齿轮、轴端和键;使用拉马时人员不得正对拉马丝杆方向,防止零件弹出伤人。
  1. 断电挂牌:确认设备完全停止,切断电源,挂“禁止合闸”牌。
  2. 做标记:在齿轮和轴上用记号笔画对位线,方便按原位置装回。
  3. 拉马拆齿轮:拉马爪钩住齿轮(不要钩齿尖),丝杆顶住轴端中心,均匀缓慢旋转丝杆拉出齿轮。人站侧面,严禁用钢锤硬敲。
  4. 取出平键:用铜棒轻轻撬出或敲出,避免把键槽边打毛。
  5. 检查剪切痕迹:看键的中间高度(轴表面所在的那一层)有没有裂纹、错位台阶——有就是剪切损伤。
  6. 检查挤压痕迹:看键的侧面和键槽侧壁有没有压痕、发亮、塌边、键槽变宽——有就是挤压损伤(最常见)。
  7. 测量记录:用卡尺量键的 b、h、l,量键槽宽;用塞尺测键与键槽的侧隙,侧隙过大说明已被压坏松动。
  8. 计算校核:按设备扭矩 M 算 F = 2M/d,再算 τ = F/(b·l)、Rp = F/(h·l/2),与许用值比较,判断能否继续用。
  9. 更换与装配:损坏的键必须换新,不能修补凑合用;新键先用油石修去毛刺,配合松紧合适(轻敲入槽),涂油后对准标记装回齿轮。
  10. 试转与整理:手动盘车检查无卡滞、无晃动,再通电空载试转;清点工具、清扫台面,填写记录表。
📋 实训记录表样例(点开)
项目符号测量 / 计算值单位
轴径d______mm
键宽 × 键高 × 键长b × h × l___ × ___ × ___mm
键侧隙(塞尺)Δ______mm
外观检查—□ 完好 □ 侧面压痕(挤压) □ 中部错位/裂纹(剪切)—
传递扭矩 / 键受力M / F = 2M/d______ / ______N·m / N
切应力 / 挤压应力τ / Rp______ / ______MPa
结论—□ 可继续使用 □ 更换新键—

⑤ 常见误区 & 易错坑点

坑 1
✘ 销钉穿过 3 块板,剪力还按 FQ = F 算。
✔ 3 块板是双剪,有 2 个剪切面,FQ = F/2。先数“缝”,再算剪力。
坑 2
✘ 螺栓挤压面积用半圆柱面积 πdt/2。
✔ 圆柱面挤压用投影面积 Ap = d × t。
坑 3
✘ 平键挤压面积用 h × l。
✔ 键一半在轴里、一半在轮毂里,Ap = (h/2) × l;剪切面积才是 b × l。
坑 4
✘ 剪切面和挤压面分不清。
✔ 剪切面平行于外力(在两力之间被错开的面);挤压面垂直于外力(两个零件贴着压的面)。
坑 5
✘ 只校核剪切,算完就下结论。
✔ 剪切、挤压两个条件都要满足,平键往往是挤压先不够。
坑 6
✘ 螺栓和钢板材料不同,随便选一个 [Rp]。
✔ 按较弱材料的许用挤压应力校核;板厚不同时,找 Fp/t 最大的那块板。
坑 7
✘ 扭矩直接当力用,或 kN·m 不换算。
✔ F = 2M/d,M 用 N·mm,d 用 mm,算出 F 的单位是 N。2 kN·m = 2×10⁶ N·mm。
坑 8
✘ 键被压坏了,修一修、垫一垫接着用。
✔ 挤压损坏的键必须换新;键槽也被压宽时,要修键槽或换零件,否则会越用越松、打坏轴。

⑥ 课堂小练习

选好答案后点“提交”,立刻显示对错和解析。全部离线运行。

⑦ 小结(记住这几条就够了)

📝 活动作业:在日常生活中,你发现了哪些剪切和挤压现象?(提示:剪刀、订书机、门合页销、自行车链条销……)

⑧ 拓展小知识:岗位上的应用

🛡 机械:安全销(剪切销)——故意让它先断
搅拌机、绞肉机、农机传动轴上常用一根较细的安全销连接。一旦卡死过载,安全销先被剪断,电机空转,保护了齿轮和电机。换一根新销就能恢复。注意:安全销断了不能用粗螺栓代替,否则失去保护作用,下次坏的就是贵重零件。
动画演示:安全销——搅拌机 / 绞肉机 / 农机传动轴
切换不同机器;最后一个是错误做法:用粗螺栓代替安全销。
🔊 带模拟声音(电脑合成,示意),可用播放条旁的按钮开关。
🚗 汽修:轮毂螺栓、半轴花键为什么要按规定扭矩拧紧?
轮毂螺栓靠拧紧产生的夹紧力,让轮毂和制动盘之间产生摩擦力来传力,螺栓本身少受剪切。拧得不够紧,车轮受力时螺栓就要直接受剪、受挤压,螺栓孔会被压成椭圆,严重时螺栓被剪断、车轮脱落。所以要按对角顺序、按规定扭矩拧紧。花键(相当于很多个键)磨损、挤压变形后也会出现“咔哒”异响。
动画演示:轮毂螺栓与半轴花键
拧紧 vs 没拧紧、对角顺序、花键磨损异响。
🔊 带模拟声音(电脑合成,示意),可用播放条旁的按钮开关。
⚙ 数控:刀柄键、主轴端面键被压坏的信号
加工中心主轴端面键带动刀柄旋转。若刀柄键槽或端面键出现压痕、塌边,说明长期挤压超标(常见于重切削、撞刀后),会导致换刀不顺、加工振纹,应及时检查更换。
动画演示:主轴端面键与刀柄键槽
正常 vs 长期重切削 vs 撞刀,右侧是键与键槽的放大图。
🔊 带模拟声音(电脑合成,示意),可用播放条旁的按钮开关。
📜 机械史话:形状蕴含的奥秘
为什么自行车架用空心钢管?伽利略早就发现:鸟的骨头、芦苇、麦秆都是空心的,同样重量下比实心的更能抗弯。梁弯曲时最上层受压、最下层受拉,中间“中性层”几乎不受力,所以把材料放到离中性层远的地方(空心管、工字钢、槽钢、桁架)最省料又结实。连接件的设计也一样:合理的形状和尺寸,比单纯“加粗”更重要。
动画演示:形状蕴含的奥秘
梁弯曲的中性层、空心 vs 实心、各种截面、自然界与自行车架。
🔊 带模拟声音(电脑合成,示意),可用播放条旁的按钮开关。