电子设备不脱出螺钉与定位装置的组合设计

一、概述

电子设备由于其体积小、质量轻、功能强的特点，越来越多的装备在各类飞行器上。然而随着飞机上电子装备量的不断增加，对电子设备的结构设计要求和可靠性要求也在不断提高。我公司作为机载电子产品的主要承制单位，为适应越来越高的要求，在紧固件结构设计方面，积极创新，采取了一系列方法，完善了设计方案，取得了良好效果。现将我们在不脱出螺钉及定位设计方面的经验与同仁进行探讨。

二、问题的提出

机载电子设备外表面一般会有用于紧固的螺钉等紧固件，这些螺钉裸露在设备外表面，如果在飞机飞行过程中松动，会给飞机的飞行安全带来极大隐患；而且螺钉均体积较小（大都为M4以下），一旦螺钉脱落，极易进入飞机设备舱的细小夹缝，不易发现，即使发现，也不好清理。

为了避免此现象的发生，机载设备外漏螺钉均采用防松设计。常用的防松设计主要以不脱出螺钉、弹簧、弹垫等组合起来，但传统的防松结构带来的不便之处是拆卸麻烦，费时费力。而机载电子设备其维修性要求较高，一般要在30分钟内完成外场维修，特别是设备的维护、维修需要多次反复拆解。另外在电子产品结构形式中，经常有分机之间或模块间盲插的结构形式，为保证分机或模块之间顺利对接，结构上设计不可避免的要设计导销、导套等导向定位装置。由于定位装置要占用一定的空间，在某些情况下可能使设备的空间凌乱，整体性遭到破坏。

图1 不脱出螺钉组件

图2 不脱出螺钉和导套使用状态

图3 受力示意图

既然不脱出螺钉和定位装置必不可少，如果能改变不脱出螺钉的结构设计，并与定位装置结合，则能有效的提高设备的空间利用率。

三、设计实例

我厂为某型号配套研制的电子导航设备，其结构形式为叠加式，整个设备由三部分组成，中间部分为设备的骨架主体，左右两边是两个功能分机。分机与主体之间横向连接，其间有多对高低频连接器盲插连接。这种结构形式对分机与主体骨架之间的配合精度和可靠度要求很高，且连接器针孔之间同轴度要控制在0.3mm以内。为解决这个难题，我们没有直接选用标准的不脱出螺钉，而是经过精心设计，将不脱出螺钉和导套结合起来，使其既具备不脱出螺钉的防脱出功能，又具备导向、定位和防剪切功能，提高了便携性和安全性。

1.便携性和安全性的实现

为了实现便携性，提高其使用效率，减少拆卸时间，我们将对不脱出螺钉进行了改进设计。以往，不脱出螺钉、弹簧、弹垫均为单个零件，在使用时，弹簧端头容易随着螺钉的旋转而卡进螺纹孔，造成螺钉卡死或螺纹孔破坏。我们将不脱出螺钉设计成组件，组件由不脱出螺钉、弹垫、大挡圈、小挡圈、弹簧按图1示形式组成，将5个零件组合在一起使用。

不脱出螺钉(如图1)是该组件中的主要功能零件，我们在设计时，增加了大小挡圈，能够使弹簧始终处于正确位置，同时小挡圈可以防止弹簧端头卡进螺纹孔。即使在使用中螺钉松动甚至脱落在设备舱内，传统不脱出螺钉、弹簧、垫圈等小零件将呈散落状，很容易进入细小缝隙中，而不脱出螺钉组件则是一个整体，容易寻找，不会造成安全隐患。

2.导向、定位的实现

为了同时实现导向的功能，确保定位准确，我们设计了图2中所示的导套。

根据设备大小，我们在分机上共设计了10组导套，用间距最大的两个导套用来导向和定位，而其他8组导套只是用来普通定位。图2标注尺寸a处为导套的导向部分，有一定锥度，取值2.5mm，b为导套外漏长度，其取值根据多对连接器中结合行程的最大值确定，设连接器中结合行程的最大值为c，则a、b、c之间必须满足b≥a+c，否则就起不到导向定位功能。

3.防止剪切力的影响

图2中所示的导套的作用除了导向定位外，还有个重要的作用是保护不脱出螺钉组件，使其不受径向的剪切力影响。

通常，设备在实际使用中会受到冲击振动和交变加速度的影响，加之来自设备紧定装置产生力的影响，最终所有影响都会转换为作用力，作用在紧固螺钉上，螺钉受力超出其承载能力后，可能会出现弯曲变形、滑丝甚至断裂等严重后果。设计导套可以有效解决这个问题，相对不脱出螺钉来说，导套就是一个保护套，前面提到的各种力，对螺钉来讲最终会合并为轴向拉伸力和径向剪切力，所有的径向剪切力主要由导套来承受，而螺钉要承受的主要是轴向的拉伸力。下面我们进行简单的受力分析：

按设备重量7.5Kg，环境条件是三轴六方向15～2000Hz随机振动，最大加速度约为20g，计算可得7.5×20×9.8=1470N，即设备在各方向所受的冲击力最大为1470N，要使设备不受冲击振动影响，锁紧装置的锁紧力最小应为1470N。

图3是将分机视作一个刚性质点来做的受力分析图，水平方向与设备纵向一致。Q为从前向后的合力，其最大时包括锁紧装置的锁紧力及随机振动产生的冲击力，理论值为2×1470N=2940N，考虑到实际使用的复杂性，取安全系数为1.5，则Q=2940×1.5=4410N。

P为十个螺钉对分机的压紧力，理论最小值为1470N，最大值应小于螺钉在许用应力时所承受的拉力；f为分机与主体骨架之间的静摩擦力，其值与P值相关，f=P×μ（μ是分机与主体骨架之间的摩擦系数）；T为主体骨架对分机的反作用力，T=P；F为导套传递给分机的作用力，其最小值可为0，最大值应小于轴套能承受的最大剪切力。

分机与主体骨架采用2A12铝合金材料，摩擦系数μ取值0.4，则：

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

F值的范围为：

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

从以上计算分析可知，F值最小也有1526N，如果没有设计导套，这些力将全部由不脱出螺钉承受，这就大大增加了螺钉松脱的可能性，给设备带来安全隐患。下面对导套可承受的剪切力进行验证：

导套的材料为1Cr18Ni9Ti，许用剪应力[τj]=(0.6～0.8)[б]，在这里取中间值[τj]=0.7[б]=0.7×103≈72MPa；受剪切的截面为圆环，大小圆直径分别为φ6和φ4.2，截面积Sj=3.14×(32-2.12)×10≈144mm2；剪切面上的剪力为Qj=Fmax=2940N；则剪应力为所以导套的强度完全能满足设计需求。

四、结束语

综上所述，不脱出螺钉与定位导销结合的设计，既防止了螺钉松动给飞行带来的不安全问题，又便于维修和拆卸，提高了设备的可靠性和维修性，增强了设备的整体性，经过飞行试验，取得了良好效果。

[1]徐灏.机械设计手册[M].机械工业出版社,2000.

[2]刘鸿文.材料力学[M].高等教育出版社,2011.

[3]周衍柏.理论力学[M].高等教育出版社,1986.