電子設(shè)備不脫出螺釘與定位裝置的組合設(shè)計(jì)

一、概述

電子設(shè)備由于其體積小、質(zhì)量輕、功能強(qiáng)的特點(diǎn)，越來越多的裝備在各類飛行器上。然而隨著飛機(jī)上電子裝備量的不斷增加，對電子設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求和可靠性要求也在不斷提高。我公司作為機(jī)載電子產(chǎn)品的主要承制單位，為適應(yīng)越來越高的要求，在緊固件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，積極創(chuàng)新，采取了一系列方法，完善了設(shè)計(jì)方案，取得了良好效果?，F(xiàn)將我們在不脫出螺釘及定位設(shè)計(jì)方面的經(jīng)驗(yàn)與同仁進(jìn)行探討。

二、問題的提出

機(jī)載電子設(shè)備外表面一般會有用于緊固的螺釘?shù)染o固件，這些螺釘裸露在設(shè)備外表面，如果在飛機(jī)飛行過程中松動(dòng)，會給飛機(jī)的飛行安全帶來極大隱患；而且螺釘均體積較?。ù蠖紴镸4以下），一旦螺釘脫落，極易進(jìn)入飛機(jī)設(shè)備艙的細(xì)小夾縫，不易發(fā)現(xiàn)，即使發(fā)現(xiàn)，也不好清理。

為了避免此現(xiàn)象的發(fā)生，機(jī)載設(shè)備外漏螺釘均采用防松設(shè)計(jì)。常用的防松設(shè)計(jì)主要以不脫出螺釘、彈簧、彈墊等組合起來，但傳統(tǒng)的防松結(jié)構(gòu)帶來的不便之處是拆卸麻煩，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。而機(jī)載電子設(shè)備其維修性要求較高，一般要在30分鐘內(nèi)完成外場維修，特別是設(shè)備的維護(hù)、維修需要多次反復(fù)拆解。另外在電子產(chǎn)品結(jié)構(gòu)形式中，經(jīng)常有分機(jī)之間或模塊間盲插的結(jié)構(gòu)形式，為保證分機(jī)或模塊之間順利對接，結(jié)構(gòu)上設(shè)計(jì)不可避免的要設(shè)計(jì)導(dǎo)銷、導(dǎo)套等導(dǎo)向定位裝置。由于定位裝置要占用一定的空間，在某些情況下可能使設(shè)備的空間凌亂，整體性遭到破壞。

圖1 不脫出螺釘組件

圖2 不脫出螺釘和導(dǎo)套使用狀態(tài)

圖3 受力示意圖

既然不脫出螺釘和定位裝置必不可少，如果能改變不脫出螺釘?shù)慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并與定位裝置結(jié)合，則能有效的提高設(shè)備的空間利用率。

三、設(shè)計(jì)實(shí)例

我廠為某型號配套研制的電子導(dǎo)航設(shè)備，其結(jié)構(gòu)形式為疊加式，整個(gè)設(shè)備由三部分組成，中間部分為設(shè)備的骨架主體，左右兩邊是兩個(gè)功能分機(jī)。分機(jī)與主體之間橫向連接，其間有多對高低頻連接器盲插連接。這種結(jié)構(gòu)形式對分機(jī)與主體骨架之間的配合精度和可靠度要求很高，且連接器針孔之間同軸度要控制在0.3mm以內(nèi)。為解決這個(gè)難題，我們沒有直接選用標(biāo)準(zhǔn)的不脫出螺釘，而是經(jīng)過精心設(shè)計(jì)，將不脫出螺釘和導(dǎo)套結(jié)合起來，使其既具備不脫出螺釘?shù)姆烂摮龉δ?，又具備?dǎo)向、定位和防剪切功能，提高了便攜性和安全性。

1.便攜性和安全性的實(shí)現(xiàn)

為了實(shí)現(xiàn)便攜性，提高其使用效率，減少拆卸時(shí)間，我們將對不脫出螺釘進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)。以往，不脫出螺釘、彈簧、彈墊均為單個(gè)零件，在使用時(shí)，彈簧端頭容易隨著螺釘?shù)男D(zhuǎn)而卡進(jìn)螺紋孔，造成螺釘卡死或螺紋孔破壞。我們將不脫出螺釘設(shè)計(jì)成組件，組件由不脫出螺釘、彈墊、大擋圈、小擋圈、彈簧按圖1示形式組成，將5個(gè)零件組合在一起使用。

不脫出螺釘(如圖1)是該組件中的主要功能零件，我們在設(shè)計(jì)時(shí)，增加了大小擋圈，能夠使彈簧始終處于正確位置，同時(shí)小擋圈可以防止彈簧端頭卡進(jìn)螺紋孔。即使在使用中螺釘松動(dòng)甚至脫落在設(shè)備艙內(nèi)，傳統(tǒng)不脫出螺釘、彈簧、墊圈等小零件將呈散落狀，很容易進(jìn)入細(xì)小縫隙中，而不脫出螺釘組件則是一個(gè)整體，容易尋找，不會造成安全隱患。

2.導(dǎo)向、定位的實(shí)現(xiàn)

為了同時(shí)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向的功能，確保定位準(zhǔn)確，我們設(shè)計(jì)了圖2中所示的導(dǎo)套。

根據(jù)設(shè)備大小，我們在分機(jī)上共設(shè)計(jì)了10組導(dǎo)套，用間距最大的兩個(gè)導(dǎo)套用來導(dǎo)向和定位，而其他8組導(dǎo)套只是用來普通定位。圖2標(biāo)注尺寸a處為導(dǎo)套的導(dǎo)向部分，有一定錐度，取值2.5mm，b為導(dǎo)套外漏長度，其取值根據(jù)多對連接器中結(jié)合行程的最大值確定，設(shè)連接器中結(jié)合行程的最大值為c，則a、b、c之間必須滿足b≥a+c，否則就起不到導(dǎo)向定位功能。

3.防止剪切力的影響

圖2中所示的導(dǎo)套的作用除了導(dǎo)向定位外，還有個(gè)重要的作用是保護(hù)不脫出螺釘組件，使其不受徑向的剪切力影響。

通常，設(shè)備在實(shí)際使用中會受到?jīng)_擊振動(dòng)和交變加速度的影響，加之來自設(shè)備緊定裝置產(chǎn)生力的影響，最終所有影響都會轉(zhuǎn)換為作用力，作用在緊固螺釘上，螺釘受力超出其承載能力后，可能會出現(xiàn)彎曲變形、滑絲甚至斷裂等嚴(yán)重后果。設(shè)計(jì)導(dǎo)套可以有效解決這個(gè)問題，相對不脫出螺釘來說，導(dǎo)套就是一個(gè)保護(hù)套，前面提到的各種力，對螺釘來講最終會合并為軸向拉伸力和徑向剪切力，所有的徑向剪切力主要由導(dǎo)套來承受，而螺釘要承受的主要是軸向的拉伸力。下面我們進(jìn)行簡單的受力分析：

按設(shè)備重量7.5Kg，環(huán)境條件是三軸六方向15～2000Hz隨機(jī)振動(dòng)，最大加速度約為20g，計(jì)算可得7.5×20×9.8=1470N，即設(shè)備在各方向所受的沖擊力最大為1470N，要使設(shè)備不受沖擊振動(dòng)影響，鎖緊裝置的鎖緊力最小應(yīng)為1470N。

圖3是將分機(jī)視作一個(gè)剛性質(zhì)點(diǎn)來做的受力分析圖，水平方向與設(shè)備縱向一致。Q為從前向后的合力，其最大時(shí)包括鎖緊裝置的鎖緊力及隨機(jī)振動(dòng)產(chǎn)生的沖擊力，理論值為2×1470N=2940N，考慮到實(shí)際使用的復(fù)雜性，取安全系數(shù)為1.5，則Q=2940×1.5=4410N。

P為十個(gè)螺釘對分機(jī)的壓緊力，理論最小值為1470N，最大值應(yīng)小于螺釘在許用應(yīng)力時(shí)所承受的拉力；f為分機(jī)與主體骨架之間的靜摩擦力，其值與P值相關(guān)，f=P×μ（μ是分機(jī)與主體骨架之間的摩擦系數(shù)）；T為主體骨架對分機(jī)的反作用力，T=P；F為導(dǎo)套傳遞給分機(jī)的作用力，其最小值可為0，最大值應(yīng)小于軸套能承受的最大剪切力。

分機(jī)與主體骨架采用2A12鋁合金材料，摩擦系數(shù)μ取值0.4，則：

fmax=Pmax×μ=7210×0.4=2884N，fmin=Pmin×μ=Q×μ=3675×0.4=1470N。

F值的范圍為：

Fmax=Q-fmin=4410-1470=2940N；Fmin=Q-fmax=4410-2884=1526N。

從以上計(jì)算分析可知，F(xiàn)值最小也有1526N，如果沒有設(shè)計(jì)導(dǎo)套，這些力將全部由不脫出螺釘承受，這就大大增加了螺釘松脫的可能性，給設(shè)備帶來安全隱患。下面對導(dǎo)套可承受的剪切力進(jìn)行驗(yàn)證：

導(dǎo)套的材料為1Cr18Ni9Ti，許用剪應(yīng)力[τj]=(0.6～0.8)[б]，在這里取中間值[τj]=0.7[б]=0.7×103≈72MPa；受剪切的截面為圓環(huán)，大小圓直徑分別為φ6和φ4.2，截面積Sj=3.14×(32-2.12)×10≈144mm2；剪切面上的剪力為Qj=Fmax=2940N；則剪應(yīng)力為所以導(dǎo)套的強(qiáng)度完全能滿足設(shè)計(jì)需求。

四、結(jié)束語

綜上所述，不脫出螺釘與定位導(dǎo)銷結(jié)合的設(shè)計(jì)，既防止了螺釘松動(dòng)給飛行帶來的不安全問題，又便于維修和拆卸，提高了設(shè)備的可靠性和維修性，增強(qiáng)了設(shè)備的整體性，經(jīng)過飛行試驗(yàn)，取得了良好效果。

[1]徐灝.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊[M].機(jī)械工業(yè)出版社,2000.

[2]劉鴻文.材料力學(xué)[M].高等教育出版社,2011.

[3]周衍柏.理論力學(xué)[M].高等教育出版社,1986.