飞机上最常见的两种连接方式,一是铆接,二是螺栓连接。很多人以为铆接是"落后的工艺",其实不是。航空结构的连接选型,是重量、抗疲劳、可维修性和成本之间的权衡,各有各的用武之地。
铆接的优势在抗疲劳和减重。铆接时铆钉墩头充满孔,形成干涉配合,孔壁受压应力,能抑制疲劳裂纹萌生。蒙皮、桁条、翼梁腹板这些主要承受气动载荷和交变载荷的区域,大量使用铆接,就是这个原因。实心铆钉自重轻,又是永久连接,不需要像螺栓那样配螺母垫圈,单位连接重量更小。缺点是拆卸困难:要拆铆接件,只能把铆钉钻掉,检修口盖、可拆卸蒙皮这些需要反复打开的地方,铆接就不合适了。
螺栓连接的优势在可拆卸和可控预紧。发动机吊架、起落架、控制面铰链这些需要定期检修、承受大载荷的部位,用高锁螺栓或标准螺栓连接。螺栓可以精确控制预紧力,载荷传递清晰,拆卸后重新装配即可,维护性远好于铆接。代价是重量:螺栓、螺母、垫圈加起来比铆钉重,而且螺栓孔一般不带干涉配合(高锁螺栓的干涉配合除外),疲劳性能不如同等尺寸的干涉铆接。所以受力关键、需要反复拆装的地方用螺栓,其余大量结构用铆接,这是航空结构设计的普遍思路。
实心铆钉、抽芯铆钉和高锁螺栓是三种最常见的选择。实心铆钉强度高、抗疲劳好,用于主要结构,安装需要双人操作(顶铁顶住墩头),空间受限的地方装不了。抽芯铆钉单面安装,用于封闭截面、检修口、非主要结构,但强度低于实心铆钉,抗疲劳也差一些。高锁螺栓介于螺栓和铆钉之间:像螺栓一样通过螺纹拉紧,但安装后断尾,形成带干涉配合的永久连接,抗疲劳接近干涉铆接,又比铆接更容易质量控制,发动机短舱、机翼蒙皮对缝这些部位用得很多。
选型判断上,几个因素优先考虑:第一,这个连接以后需不需要拆?要拆就用螺栓,不拆就铆接。第二,载荷性质——交变载荷大、疲劳敏感,优先干涉配合的连接(实心铆钉或高锁螺栓)。第三,安装空间——单面可达只能用抽芯铆钉或高锁螺栓。第四,重量预算——能铆接就别用螺栓。第五,检修可达性——总装阶段装进去容易,返修时拆不出来,设计阶段就要想清楚。
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