電子設備不脫出螺釘與定位裝置的組合設計

一、概述

電子設備由于其體積小、質量輕、功能強的特點，越來越多的裝備在各類飛行器上。然而隨著飛機上電子裝備量的不斷增加，對電子設備的結構設計要求和可靠性要求也在不斷提高。我公司作為機載電子產品的主要承制單位，為適應越來越高的要求，在緊固件結構設計方面，積極創新，采取了一系列方法，完善了設計方案，取得了良好效果?，F將我們在不脫出螺釘及定位設計方面的經驗與同仁進行探討。

二、問題的提出

機載電子設備外表面一般會有用于緊固的螺釘等緊固件，這些螺釘裸露在設備外表面，如果在飛機飛行過程中松動，會給飛機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，極易進入飛機設備艙的細小夾縫，不易發現，即使發現，也不好清理。

為了避免此現象的發生，機載設備外漏螺釘均采用防松設計。常用的防松設計主要以不脫出螺釘、彈簧、彈墊等組合起來，但傳統的防松結構帶來的不便之處是拆卸麻煩，費時費力。而機載電子設備其維修性要求較高，一般要在30分鐘內完成外場維修，特別是設備的維護、維修需要多次反復拆解。另外在電子產品結構形式中，經常有分機之間或模塊間盲插的結構形式，為保證分機或模塊之間順利對接，結構上設計不可避免的要設計導銷、導套等導向定位裝置。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 不脫出螺釘和導套使用狀態

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的結構設計，并與定位裝置結合，則能有效的提高設備的空間利用率。

三、設計實例

我廠為某型號配套研制的電子導航設備，其結構形式為疊加式，整個設備由三部分組成，中間部分為設備的骨架主體，左右兩邊是兩個功能分機。分機與主體之間橫向連接，其間有多對高低頻連接器盲插連接。這種結構形式對分機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。為解決這個難題，我們沒有直接選用標準的不脫出螺釘，而是經過精心設計，將不脫出螺釘和導套結合起來，使其既具備不脫出螺釘的防脫出功能，又具備導向、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現

為了實現便攜性，提高其使用效率，減少拆卸時間，我們將對不脫出螺釘進行了改進設計。以往，不脫出螺釘、彈簧、彈墊均為單個零件，在使用時，彈簧端頭容易隨著螺釘的旋轉而卡進螺紋孔，造成螺釘卡死或螺紋孔破壞。我們將不脫出螺釘設計成組件，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，我們在設計時，增加了大小擋圈，能夠使彈簧始終處于正確位置，同時小擋圈可以防止彈簧端頭卡進螺紋孔。即使在使用中螺釘松動甚至脫落在設備艙內，傳統不脫出螺釘、彈簧、墊圈等小零件將呈散落狀，很容易進入細小縫隙中，而不脫出螺釘組件則是一個整體，容易尋找，不會造成安全隱患。

2.導向、定位的實現

為了同時實現導向的功能，確保定位準確，我們設計了圖2中所示的導套。

根據設備大小，我們在分機上共設計了10組導套，用間距最大的兩個導套用來導向和定位，而其他8組導套只是用來普通定位。圖2標注尺寸a處為導套的導向部分，有一定錐度，取值2.5mm，b為導套外漏長度，其取值根據多對連接器中結合行程的最大值確定，設連接器中結合行程的最大值為c，則a、b、c之間必須滿足b≥a+c，否則就起不到導向定位功能。

3.防止剪切力的影響

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

通常，設備在實際使用中會受到沖擊振動和交變加速度的影響，加之來自設備緊定裝置產生力的影響，最終所有影響都會轉換為作用力，作用在緊固螺釘上，螺釘受力超出其承載能力后，可能會出現彎曲變形、滑絲甚至斷裂等嚴重后果。設計導套可以有效解決這個問題，相對不脫出螺釘來說，導套就是一個保護套，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。下面我們進行簡單的受力分析：

按設備重量7.5Kg，環境條件是三軸六方向15～2000Hz隨機振動，最大加速度約為20g，計算可得7.5×20×9.8=1470N，即設備在各方向所受的沖擊力最大為1470N，要使設備不受沖擊振動影響，鎖緊裝置的鎖緊力最小應為1470N。

圖3是將分機視作一個剛性質點來做的受力分析圖，水平方向與設備縱向一致。Q為從前向后的合力，其最大時包括鎖緊裝置的鎖緊力及隨機振動產生的沖擊力，理論值為2×1470N=2940N，考慮到實際使用的復雜性，取安全系數為1.5，則Q=2940×1.5=4410N。

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

分機與主體骨架采用2A12鋁合金材料，摩擦系數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。

從以上計算分析可知，F值最小也有1526N，如果沒有設計導套，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，給設備帶來安全隱患。下面對導套可承受的剪切力進行驗證：

導套的材料為1Cr18Ni9Ti，許用剪應力[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，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；則剪應力為所以導套的強度完全能滿足設計需求。

四、結束語

綜上所述，不脫出螺釘與定位導銷結合的設計，既防止了螺釘松動給飛行帶來的不安全問題，又便于維修和拆卸，提高了設備的可靠性和維修性，增強了設備的整體性，經過飛行試驗，取得了良好效果。

[1]徐灝.機械設計手冊[M].機械工業出版社,2000.

[2]劉鴻文.材料力學[M].高等教育出版社,2011.

[3]周衍柏.理論力學[M].高等教育出版社,1986.