紧固件连接的可靠设计与应用

    紧固件连接的特点及主要使用类型；分析了紧固件主要受力及其失效的原因；阐述了紧固连接件产生松动的原因和提出了防止松动的有效措施，从而为空间用电池上的紧固件连接可靠性提供了方法，并从实践中总结了经验。

　紧固件连接；设计与应用。

　　1 引言

　　紧固件连接就是把两个或两个以上的零（部）件紧密的连接在一起，形成一个整体的部件或整件。空间用电池不论是单体电池还是电池组都使用了一定数量的紧固件连接。由于空间用的电池是随着航天飞行器的地面启动、起飞、高空飞行和太空宇宙运行及返回地面着陆过程中使用的产品，所以其紧固件连接具有其特有的使用特点和使用要求。所使用的紧固件中任何一个部位的紧固件松动都会引起电池的故障或失效，严重时会引起飞行的失败。所以空间用电池上的紧固件连接的可靠性连设计是非常重要的。

　　2 空间配套用电池紧固件连接的特点

　　紧固件连接在空间配套用电池上的应用具有以下特点：

　　（1）、使用数量相对较大

　　从单体装配到单体电池间的串、并联连接；从电池组大外壳支脚（支臂）到外壳内法兰（或内衬条）的固定；从电池对外接口——电连接器（插座）到正负极引出极柱（或极孔座）的安装及电池组外壳、盖的连接、密封、固定装配都使用了较多的紧固件连接。所以没有紧固件就不可能设计和生产出适应空间配套使用的电池。

　　（2）、承载能力要求高

　　紧固件连接的结构受力处要能承受航天飞行器从发射过程中的地面启动、起飞、高空运行，太空宇宙飞行及返回地面着陆等工作过程中出现的冲击、振动、高强度三维随机振动的环境条件和重力载荷不断发生变化及有可能产生共振等力学环境条件。为了减轻电池组的重量，电池组在设计上紧固件使用数量尽可能的少，从而要求紧固件的承载能力和承载强度尽可能的高。

　　（3）、能承受恶劣气候条件和自然环境变化的影响

　　紧固件连接要能承受高温、低温、高低温交变冲击，高潮湿，及湿热等自然气候条件的影响，并能耐酸、耐碱、耐盐雾、耐霉菌及耐各种射线辐射的腐蚀。

　　（4）、对连接中防止松动问题要求非常高

　　由于空间配套用的电池使用环境决定了电池要具有极高的密封性，这就要求所用紧固件不能松动，所以紧固件防止松动设计尤为重要。

　　（5）、在电池组外壳结构件上的紧固件连接受剪切力作用较大

　　电池组外壳支脚（支臂）上的紧固件除要承受拉伸、压缩、扭转力外，还要承受剪切力，有时瞬间的冲击剪切力是非常大的，很容易对紧固件的连接造成破坏，使紧固连接失效。曾出现过某航天噐返回着陆时，由于巨大的冲击产生的剪切力把紧固电池组用的十几个45号钢M4螺栓全部从接触面处剪切断，造成支脚与电池组分离。质量问题归零后改进设计时，选用了超高强度的不锈钢紧固螺栓，提高了紧固连接的强度，保障了后续电池产品的可靠使用。

电气连接的低电阻性

　　空间用的电池组中单体间的连接属于电气连接，设计时除了要考虑连接强度外，要进行防止松动设计，还要考虑紧固连接处的低电阻性。绝不能用因为紧固连接而过多增加电池的内阻，而影响电能的输出。

　　3 空间配套用电池上所使用紧固连接的类型

　　常用的紧固件连接主要有三类：铆钉连接、螺栓（螺钉）连接、销连接。而在空间用配套电池上主要使用了前两类，即铆钉连接和螺栓（螺钉）连接。当然常用的连接还有焊接和胶接，但这不属于紧固连接的范畴。在电池组外壳与支脚（支臂）的连接，采用铆接或螺栓连接都可以，视电池组外壳结构而定。电池组外壳上法兰盘的固定，内衬条的安装固定多采用铆钉连接。电池组外壳与电池组盖子的装配，密封件的密封，单体电池的接线柱与单体盖子的紧固连接及单体电池间的串联、并联连接，电联接器（插座）与外壳的装配连接，正负极极柱或正负极插孔与电池组外壳的紧固连接多采用螺栓（螺钉）式的连接，这有利于电池组的可维修性。

　　4 紧固件连接的失效模式

　　（1）、非结构受力紧固件连接失效模式

　　电池上非结构受力紧固件连接基本上都属静力连接，这种连接件在高频振动时可能会发生松动或松脱。所以连接件的松动和松脱是主要的失效形式，一旦发生松动连接就不能保证正常工作，从而导致连接失败。

　　（2）、结构受力紧固件连接的失效模式

　　结构受力紧固件连接在使用过程中要受到多种破坏力的作用，如拉伸、压缩、弯曲、剪切、挤压、扭转等，对于不同的连接，被破坏的形式（受力形式）不一定相同，它与很多因素有关，这些破坏力有时会起叠加作用，所以对紧固件连接进行可靠性设计时和紧固件选择时一定要考虑紧固件强度的冗余量，进行冗余设计。

　　5 空间配套用电池上紧固件连接的可靠性设计

　　要对空间配套电池上紧固件连接进行可靠性设计，首先要考虑连接件的结构形式，其次要考虑连接件的紧固连接的受力和力的传递形式。

　　航天飞行器在发射点火、起飞、飞行及返回的全过程中，电池组将在三个互相垂直的轴线方向上承受振动、移动和转动力，电池组紧固件属于静态连接方式，各种力是直接传递的，所以紧固连接将要承受挤压力、拉伸力、剪切力或几种力同时承受，若电池采用的是挂壁式的安装结构，其紧固件还将承受扭转或翻转力。

　　根据电池组在使用过程中所承受的力学环境条件要求，对电池组可能承受的各种力的综合分析，计算出会产生破坏力的最大值；根据电池组外形尺寸，电池重量，确定所需要的紧固件数量。两个紧固用的铆钉或螺钉之间的中心距不能过大或过小，一般（40~50）mm之间较合适。用并联系统可靠性方法计算出每个紧固件应承受的力，考虑到可能出现共振，所传递的力会增大2~3倍，以此最后确定紧固件的品种、规格、型号和数量。

　　5.1 空间配套用电池组外壳与支脚（支臂）紧固连接的可靠性设计

　　（1）、支脚（支臂）与金属外壳间的连接

　　支脚（支臂）与金属电池组外壳间的紧固件连接通常采用金属（铝或钢）铆钉进行铆接连接，这种连接形式可以节省连接件的品种，但不具有可维修性，若出现质量问题时，就要破坏掉铆钉，当电池壳体内有足够空间，并考虑可维修性和方便检查，也可选择金属螺栓（螺钉）连接方式，用螺母紧固连接。

　　（2）、支脚（支臂）与非金属外壳间的连接

　　支脚（支臂）与非金属电池组外壳的紧固连接，一定要在非金属外壳内加一块金属衬板（衬条），把非金属电池组外壳夹在金属支脚与金属衬板（衬条）中间，再用螺栓、螺母紧固连接（如果体积尺寸要求要尽量的小，也可以用铆接方式紧固连接）。并在电池组外壳与支脚、金属衬条接处面间涂上少量的环氧树脂胶。内部使用了金属衬板也可省去内部的平垫圈。 

        5.2 空间配套用电池组外壳上檐与内法兰框或衬条紧固连接的可靠性设计

　　处于这个部位的紧固件所受力不是很大，但也要承受一定的挤压、拉伸和剪切力。其主要是将电池壳内法兰盘（框）或内衬条与电池组盖子的固定和电池组的密封。这部份的紧固连接形式多采用沉头铆钉连接。不管其外壳是金属的还是非金属的，均采用直接铆接形式，但也有在衬条或内法兰上打螺纹孔，用螺栓（螺钉）来连接的。一般来说，铆接形式作为优选。两个紧固件之间的中心距可以大一些，一般在（45~55）mm之间，连接件多选用铝铆钉。

　　5.3 空间配套用电池组外壳与盖子的紧固连接可靠性设计

　　电池组外壳与盖子的紧固连接主要有两种形式，一种是电池组外壳带有外法兰盘的，这种连接通常采用金属螺栓、平垫圈、双螺母（或使用一个螺母加一个特种不锈钢弹簧垫圈）紧固连接。外壳与盖之间夹有橡胶密封垫圈,紧固连接除有紧固连接作用外，还有紧固密封作用.

　　另一种是电池组外壳具有内法兰盘或外壳内四壁处有衬条，这种连接通常采用圆柱头（或六角头）螺钉和平垫圈（也可加上特种不锈钢弹簧垫圈）来实现，用金属螺钉直接旋入法兰盘或衬条的螺纹孔内，以达到紧固连接的目的。同样应在盖子与法兰盘或衬条（衬框）之间夹有橡胶密封垫圈。紧固连接仍兼有密封连接的目的，见图4。
　有的电池组由于体积尺寸上的限制，只能采用沉头螺钉来紧固连接。在这种情况下两个沉头螺钉之间的中心距应略小一些，也就是说同一个电池组使用沉头螺钉紧固连接的螺钉数量比使用园柱头或六角头螺钉要多一些。这两种连接都不属于结构承力连接。虽然在各种力学环境作用下，会产生和传递一定的力在紧固件上（各种力如前所述），但都不是很大，不会造成紧固件的破坏，而主要是防松动和脱落，确保密封。因为要确保密封，两个紧固件之间的中心距选择（40~50）mm较好。由于紧固件要经常拆卸，最好选择M5~M6的钢制螺栓（螺钉）。若采用较小的M3～M4螺钉连接，则两个紧固件之间的中心距最好在（35~40）mm左右。 
　　5.4 电连接器（插座）、正负极柱（极孔座）与电池组外壳连接的可靠性设计
电连接器（插座）、正负极柱（极孔座）与电池组外壳的紧固连接属于非承力结构件的紧固连接，通常采用螺钉、螺母和垫圈来连接，同时又要保证密封，并采用防松脱的紧固设计。
　　5.5 空间配套用电池组中单体电池间的串联、并联连接的可靠性设计

　　（1）、单体电池间串、并联紧固连接的特点

　　单体电池间的串、并联紧固连接属于电气连接，是为了确保电能的输出，属于静连接，不属于承受力的结构紧固连接。但如果单体电池与电池外壳未能紧装配，在前述的各种力作用下，特别是在高频振动力的作用下单体间若发生上下移动，容易使紧固件松动，严重时，会使跨接片断裂，接线柱上紧固螺母松动、脱落，电能无法正常输出，造成电池失效。

　　（2）、空间配套用电池单体间串、并联连接的可靠性设计

　　空间配套用电池单体间的串、并联连接属于串联系统的连接，属于电气联接，单体电池的极柱与跨接片或与导线引出线上的焊片紧固连接，形成一个完整的电路，所以其连接件应考虑其应具有低电阻性。一般连接件选择黄铜镀银螺母及黄铜镀银平垫圈；另外还要考虑其防松动、松脱，结构上采用两个细牙螺母、大平垫圈或标准平垫圈，避免使用小平垫圈。

　　为了更好地防止紧固件的松动和跨接片被折断，在电池组进行装配时，一定要紧装配，上部要用非金属衬垫和盖子压紧单体电池。为了既压紧单体电池又不破坏极柱的紧固连接，最好在气塞周围设计出一个平台，单体的极柱高度略低于这个平台，压紧单体电池时，压在平台上而不会压在极柱紧固件上〔1〕。电池装配后，单体电池与壳体之间应采取措施保证其与壳体之间在外力的作用下，不产生相对位移。

　　6 空间配套电池的紧固连接的防松设计

    紧固连接的防松设计尤其重要，若单体电池跨接片连接的紧固螺母松动会导致电池组的内阻增大，电压下降，无法正常工作。

　　6.1 产生紧固件连接松动的原因

　　螺纹紧固与铆接紧固相比，其不足之处在于在变载、冲击、振动力的作用下，以及高低温交变的温度冲击下很可能会引起紧固松动。由于松动，将导致紧固连接的予紧力减少，甚至于丧失，从而不能保证紧固连接的紧密性，造成紧固连接的松脱或连接中各连接件过早的产生疲劳破坏，导致紧固连接的失效。

　　在静载荷下，紧固连接都能保证不会松动，螺母在开始松动时要克服螺纹力矩和螺母支承面力矩的阻碍，只要作用在螺母或螺栓头部的松动力矩不大于拧紧的螺栓边接力矩的0.8时，紧固连接就不会发生松动。但在变载、冲击、振动等作用下螺纹幅的摩擦系数急剧下降，且螺纹副和螺母的支承面处的摩擦阻力瞬时消失。螺纹幅不再满足自锁要求条件，当有微量相对滑动时，螺母对于螺栓回转的切向滑动很容易产生，这种现象反复多次的重复将会导致螺栓紧固连接的松动。

　　螺母和螺栓（螺钉）头部与被连接件或平垫圈的支承面由于压强过大而产生塑性环状压陷，在电池的使用过程中这种塑性变形还可能会继续发生，结果使紧固连接的予紧力减少，也可能会造成螺栓紧固连接的松动。

　　由于螺栓紧固连接中相互接触面（如螺纹牙侧面，各支承面、连接件间相互接触面等）的粗糙度波纹、形状等误差，在紧固拧紧时，会产生局部变形，在电池的使用中外力积累的作用下，有部分变形继续发展，也会导至螺栓紧固连接的松动。
螺栓连接的松动可能是多种因素引起的，针对各个因素采取措施，分清主次，抓主要因素，从根本上防止其松动。

　　6.2 空间配套用电池防止紧固件连接松动的方法

　　（1）、增大予紧力防松：增大予紧力是有效的防松措施；
        （2）、采用大平垫圈防松：采用大平垫圈以减小压强，可防止塑性变形引发的松动；

　　（3）、经常维护防松：在紧固连接工作一段时间后（每次试验后）补拧螺母也可以减少松动；

　　（4）、增大磨擦防松：在螺纹幅之间产生一个不随外力变化的正压力，以产生一可以阻止螺纹副相对转动的的摩擦力，这种正压力可通过轴向或横向或同时两向压紧螺纹幅来实现；

　　（5）、用止动件直接锁住防松：用止动件直接限制螺纹副的相对转动。如自锁螺母就是一种很好的自锁防松紧固件；

　　（6）、破坏螺纹运动幅关系来防止螺栓紧固连接松动：在拧紧紧固件后采用冲点、焊接、涂胶粘结等到方法，使螺纹幅失去运动副特性，这时的紧固连接成为不可拆连接，会失去维修性、可更换性。对不需要拆卸的紧固件连接可以选用此方法；

　　（7）、采用细牙螺纹可以对螺栓紧固连接防止松动：采用细牙螺纹，利用其升角小而更容易达到防松效果；也可以采取两种或两种以上的防止螺栓连接松动的方法，来实现防止松动；

　　（8）、使用耐螺扣螺丝防止松动：耐螺扣螺丝是以特殊技术使特殊的工程树脂材料永久粘复在螺牙上，利用工程树脂材料的反弹性，使螺栓和螺母在锁紧过程中通过挤压工程树脂材料产生的磨擦力，达到对震动及冲击的绝对阻力，实现防松目地。这是近几年来提出的新的螺栓连接防止松动的方法。

　　耐螺扣螺丝具有可反复使用，不怕汽油、机油、黄油、溶剂，止漏等特点，其反复使用的次数越多，越能发挥其防松效力；耐螺扣螺丝在螺纹处理处做360°处理后，利用特殊工程树脂材料之弹性，起到对震动及冲击的绝对阻力，实现提高抗冲击、振动能力的目的。

　　6.3 不同形式的螺栓紧固连接抗振防松能力的比较

　　不同形式的螺栓紧固连接抗震防松能力的比较，这是相对的，因为紧固件的尺寸，材料、涂层、制造与装配质量等因素都对紧固连接的抗松动能力有影响。

　　7 体会和建议

　　（1）、非金属材料的电池组外壳与支脚（支臂）紧固连接后，最好在外壳内部的连接件衬板（衬条）外再罩上一个非金属的绝缘罩，再用环氧胶粘接上压条，这样既加固了紧固连接件又提高了密封性，并保证了绝缘要求。 

        （2）、为了不产生松动，如果不需要拆卸的紧固连接尽量采用铆接连接或者采用焊接。

　　（3）、从对产品的可维修性和提倡反复使用的角度看，采用螺栓紧固连接是易于实现的。

　　（4）、为了提高空间配套用电池的抗振能力及紧固件连接的防松能力，在螺栓紧固连接中尽量采用大平垫圈、细牙螺母的紧固件和双螺母的紧固连接。为了减轻电池组的质量（重量）在使用双螺母的情况下也可使用小平垫圈。

　　（5）、使用双螺母紧固连接操作时，第一个螺母拧紧后再拧紧第二个螺母，不能两个螺母一起拧。

　　（6）、为确保金属材料的电池组外壳与支脚紧固连接后的电绝缘要求，紧固件不被腐蚀性气体、腐蚀性液体的腐蚀，紧固连接后在电池组外壳的内部喷涂绝缘性好的涂料或喷塑，必要时在紧固连接处再涂环氧胶。

　　（7）、在不要求可拆卸的螺栓（螺钉）紧固连接处，螺钉头部可先沾少许环氧胶液再将螺钉旋拧到螺孔内或螺母上。

　　（8）、对仍在使用弹簧垫圈和单螺母紧固连接的电池组，建议去掉弹簧垫圈，改用双螺母紧固连接。空间配套用电池严禁使用具有氢脆隐患的弹簧垫圈；尽可能不使用弹簧垫圈，以免因弹簧垫圈断裂给使用上带来危害。

　　（9）、尽量不选用沉头类螺钉紧固连接，若条件不允许，可选用其他类的紧固件，建议选用耐螺扣沉头螺钉或对不要求拆卸的沉头螺钉沾少量的胶再紧固。

　　（10）、对有密封要求并又要求可拆卸的紧固件连接可以在螺钉的螺纹处缠上少量的聚四氟乙稀生胶带协助紧固密封。

　　8 结束语

　　由于新材料在不断的出现，技术上在不断的创新，紧固件的品种也在不断的增多，具有高强度，性能优异、紧固可靠的紧固件不断出现，所以设计人员，工程技术人员不断学习进取，不断创新，尽可能把安全可靠的紧固件应用到空间配套的电池中去，从而进一步提高空间用电池的先进性、安全性和可靠性。

　　空间配套用电池上紧固件连接的可靠性设计技术也可以推广应用到其它领域里使用的配套电池的设计上。