Заклепочные соединения в конструкциях легких самолетов
Авиационное полуфабрикаты бывают разных, но ограниченных размеров из-за производственных ограничений и возможностей поставки. Конструктор должен выбрать материалы, которые имеются в наличии и которые могут быть поставлены на завод или в гараж при строительстве собственного самолета дома. Также заготовки должны быть обрезаны до требуемых размеров с минимальным набором инструментов и приспособлений и должны легко обрабатываться, не допуская слишком много брака. Все это необходимо, чтобы в конечном итоге построить самолет заданных параметров с красивой внешностью. Самолеты не могут быть просто сделаны из одного большого куска материала: различные агрегаты должны быть изготовлены из различных материалов и соединены вместе. Каждая из этих частей несет нагрузку, и крепеж, который соединяет эти части и должен нести нагрузку от одной части к другой.
К примеру, вам нужно передать нагрузку 1000 фунтов (454 кг), при ширине конструктивного элемента в 5 дюймов (127 мм). Конструктор самолета выбирает тип соединения, наилучшим образом приспособленный к используемым материалам. Это может быть клеевое соединение дерева и композита (D), болтовое соединение всего с одним болтом (А), клепанное соединение деталей из алюминиевых сплавов с применением обычных (классических) полнотелых заклепок для двухсторонней клепки (В) или соединение с увеличенным количеством заклепок для односторонней клепки (С).
На протяжении более 50 лет клепаные алюминиевые конструкции имеют широчайший круг применения и применяются практически на всех самолетах. Они не выходят из строя при статических или повторяющихся нагрузках и не подвержены коррозии, если заклепки правильно выбраны и установлены.
Как правильно установить заклепки, можно легко понять, и конструктор должен все правильно объяснить, когда он продает чертежи или наборы для сборки алюминиевого самолета. Выбор заклепок очень прост: коммерчески доступны только заклепки из сплава 2017. Они имеют хорошую коррозионную стойкость и совместимы с алюминиевыми сплавами 2024 и 6061.
Теперь давайте посмотрим, почему они являются хорошим конструктивным крепежом. (рис. 2). Отверстие под заклепку сверлится немного больше, чтобы заклепку можно было легко вставить (E).
Обратите внимание, что на чертеже также указан правильный размер длины заклепки в зависимости от общей толщины пакета соединения. Затем заклепка обжимается (сжатие достигается с помощью клепального пистолета и поддержки). Пневматический пистолет обеспечивает удары с одной стороны, в то время как поддержка, которая представляет собой просто тяжелый кусок стали с полированной поверхностью, обеспечивает реакцию с другой.
Сначала обжимается стержень заклепки и его диаметр увеличивается до тех пор, пока отверстие не будет полностью заполнено. (F). В дальнейшем увеличивается диаметр только части заклепки, расположенной вне склепываемого пакета, что приводит к формированию замыкающей головки (G). При этом визуально достаточно легко проконтролировать правильность формы замыкающей головки. В случае брака, заклепка легко высверливается и заменяется на новую. Такая простая система контроля невозможна для клеевого соединения, что делает такие соединения менее надежными.
Далее, давайте посмотрим на преимущества классических заклепочных соединений:
Во-первых, такие заклепки производятся с надлежащим контролем качества, который гарантирует вам применяемый материал со стабильными прочностными характеристиками. В случае применения композиционных материалов, когда вы смешиваете смолу и отвердитель, вы несете ответственность, за прочностные характеристики того материала который получится после отверждения.
Заклепка полностью заполняет отверстие, поэтому даже микроскопические относительные движения невозможны. Как закладная (заранее отформованная), так и замыкающая (образованная в процессе клепки) головка хорошо держатся, а детали сжимаются вместе. Это создает плотное и герметичное соединение, которое предотвращает попаданию воды под головки и коррозию всего соединения.
Также очень важным является тот факт, что головки плотно сжимают собранные детали, и часть нагрузки передается от одного листа к другому посредством трения. Просто в самолете часть нагрузки, передаваемой трением, соответствует высокочастотным нагрузкам от двигателя. В гоночных автомобилях, например, где вибрационные нагрузки двигателя намного выше статических нагрузок, в случае применения заклепочного соединения, есть потребность в переразмеренных замыкающих головках.
Как уже упоминалось, заклепочное соединение при правильном выполнении является отличным креплением - надежным и долговечным. Но у этого также есть некоторые недостатки:
Вам понадобится специальное оборудование (вам нужно будет купить воздушный компрессор, клепальный пистолет, прессы и разнообразные поддержки;
Вам нужно иметь опыт, а для этого нужно пройти предварительное обучение, а для этого вам понадобится хороший наставник, так как ошибки могут быть весьма дорогостоящими.;
Ударная клепка, а именно она чаще всего применяется для создания классического заклепочного соединения, достаточно шумная: ваша семья и соседи могут возражать против клепальных работ в гараже после 10 часов вечера или в воскресенье утром, то есть как раз тогда, когда у вас есть время для этого;
Вам нужен подход к обеим сторонам собираемых деталей и это, очевидно, не всегда легко, а иногда и невозможно: например, как получить доступ внутрь элерона легкого самолета? Вам часто понадобится напарник, чтобы держать поддержку с обратной стороны, или иметь длинные гибкие руки.
С целью устранения вышеуказанных недостатков, было разработано другое решение - односторонние заклепки. Такие заклепки использовались на самолетах с момента производства Douglas DC-3 (трубчатые заклепки «Chobert»). Они представляют собой трубчатую втулку со вставленным внутрь стержнем, имеющим головку на конце. Односторонние заклепки были разработаны для преодоления недостатков обычных заклепок. Давайте рассмотрим их свойства. В качестве типичного примера мы будем использовать заклепку Avdel Avex от компании Textron.
При установке односторонней заклепки сначала просверлите отверстие немного большего размера, чтобы заклепка могла быть легко вставлена (H). Для вытягивания стержня заклепки используется специальный инструмент для ручной клепки (он стоит 15 до 50 долларов США в зависимости от качества). Стержень имеет специальную головку, которая расплющивает заклепочную трубу, заставляет ее расти и заполнять отверстие (I). Заклепка может расти только вне соединяемого пакета, пока заклепка и головка стержня не создадут хорошо сформированную головку, хорошо опирающуюся на деталь и сжимающую части вместе. На этом этапе стержень ломается по имеющейся на ней проточке (L).
Когда мы исследуем эту одностороннюю заклепку и сравниваем ее с обычной, мы обнаружим некоторые из тех же преимуществ:
Заклепка производится под надлежащим контролем, что гарантирует вам качество материала и размеров.
Заклепка полностью заполняет отверстие, предотвращая любое относительное движение.
Закладная и замыкающая головки уплотняют и сжимают детали вместе (отсутствие коррозии, вибрационные нагрузки двигателя не влияют на заклепочное соединение, поскольку они передаются трением.)
Однако, у односторонних заклепок есть один главный недостаток. Заклепка, будучи трубчатой, имеет участок, который явно меньше в сечении, чем у полнотелой заклепки. Это означает, что одна односторонняя заклепка не такая прочная, как одна классическая заклепка такого же диаметра. Конструктор должен это учитывать и применять больше заклепок, заклепки большего диаметра или более прочный материал самой заклепки.
Многим конструкторам нравятся заклепки из нержавеющей стали, как более прочные. Но здесь существует проблема коррозии пары алюминий-сталь. В случае возникновения коррозии производится замена заклепкой большего диаметра. При использовании заклепок из нержавеющей стали, у строителя самолета также есть возможность перед установкой заклепки в отверстие погружать каждую в цинко-хромовый грунт, что несколько «загрязняет» «чистую» сборку алюминиевых конструкций.
Переход к большим диаметрам заклепок часто является проблематичным, поскольку большие заклепки становится трудно установить вручную и требует применение дорогого и громоздкого инструмента. Следовательно, если принято решение использовать односторонние заклепки, а не обычные, у конструктора не остается иного выбора, кроме как увеличить количество заклепок. Хорошее правило, которое следует использовать, заключается в том, что количество заклепок должно быть увеличено примерно в следующей пропорции 5 односторонних заклепок вместо 3 обычных.
На самом деле, это не всегда применимо для тонкостенных конструкций легких самолетов, так как большинство заклепок используется на обшивке, для которой требуется относительно небольшой шаг заклепок (расстояние между заклепками), чтобы обеспечить плотное прилегание обшивки к каркасу. Таким образом, конструктору приходится устанавливать односторонние заклепки не из условия обеспечения передачи усилий и необходимой прочности, а из критерия выбора необходимого шага для обеспечения надлежащего прилегания обшивки к силовому набору для обеспечения качественной аэродинамики и хорошего внешнего вида.
Мы привели пример заклепки Avex, потому что это реально качественная заклепка по доступной цене. Стоимость заклепок Avex составляет приблизительно 8 центов за заклепку против цены от 30 центов до 1 доллара за аналогичную заклепку Cherry. Вы, надеюсь помните, что вам нужно от 4000 до 8000 заклепок на самолет. Еще один очень определяющий фактор при выборе заклепок Avex заключается в том, что они имеют один типоразмер для разных пакетов соединений. Так для соединения от 0 до 1/4 дюйма (6 мм) применяется один типоразмер против 4-х у заклепок Cherry. Это очень важный фактор для предотвращения ошибок и брака и должен сильно влиять на решение конструктора сделать изделие максимально простым и надежным для строителя.
Есть еще одна проблема односторонних заклепок. Втулка заклепки защищена от коррозии, но как насчет стержня? Он стальной и фосфатированный, что является правильной защитой, но, очевидно, там, где ломается, защиты нет. Будет ли он ржаветь? Любое гальваническое покрытие например, фосфатирование стали или анодирование алюминия, имеет радиус действия около 1/8 дюйма (3 мм) за пределами защищаемой зоны. С заклепками Avex сломанная часть составляет максимум 1/16 дюйма (1,6 мм), и обширный опыт подтвердил, что это не составляет проблемы. Самолет Zenith CH 200/300, собранный с применением заклепок Avex по-прежнему выглядит новым после более чем двух десятилетий хранения вне помещения.
В этой статье мы не даем никаких конкретных параметров прочности заклепок на срез, просто некоторые усредненные значения. Каждый конструктор несет ответственность за получение тех параметров, которые, по его мнению, могут быть последовательно достигнуты строителями и это учитывает многие вещи, такие как базовая концепция проектирования самолета, применяемые материалы, условия их работы и т. д.). Тем не менее, я чувствую себя обязанным предупредить некоторых конструкторов, что прочностные характеристики, указанные производителями односторонних заклепок в каталогах, следует также воспринимать критически. Производитель никого не обманывает и дает реальные характеристики заклепок. Например, когда они проводят испытания, они используют очень тонкие листы, так что стержень также включается в работу на срез (рис. 4), что является причиной того, почему в данной ситуации прочность на срез выше, чем у классической заклепки, так как в работе участвует стальной стержень. Но на нашем самолете это встречается сравнительно редко. Как правило, надежное значение прочности заклепки на срез должно составлять половину заявленной производителем. Но опять же, конструктор должен провести испытания. Например, когда я провожу испытания односторонних заклепок, я просто выбиваю стержень перед испытанием, чтобы получить надежный результат!
На рисунке 4 показан пример некачественного заклепочного соединения односторонней заклепкой. Обратите внимание на то, что замыкающая головка не сформирована полностью. В таком случае есть вероятность выпадения стержня.
Используйте правильные заклепки, и вы будете очень довольны результатами!
Оригинал статьи на английском ЗДЕСЬ.
К примеру, вам нужно передать нагрузку 1000 фунтов (454 кг), при ширине конструктивного элемента в 5 дюймов (127 мм). Конструктор самолета выбирает тип соединения, наилучшим образом приспособленный к используемым материалам. Это может быть клеевое соединение дерева и композита (D), болтовое соединение всего с одним болтом (А), клепанное соединение деталей из алюминиевых сплавов с применением обычных (классических) полнотелых заклепок для двухсторонней клепки (В) или соединение с увеличенным количеством заклепок для односторонней клепки (С).
На протяжении более 50 лет клепаные алюминиевые конструкции имеют широчайший круг применения и применяются практически на всех самолетах. Они не выходят из строя при статических или повторяющихся нагрузках и не подвержены коррозии, если заклепки правильно выбраны и установлены.
Как правильно установить заклепки, можно легко понять, и конструктор должен все правильно объяснить, когда он продает чертежи или наборы для сборки алюминиевого самолета. Выбор заклепок очень прост: коммерчески доступны только заклепки из сплава 2017. Они имеют хорошую коррозионную стойкость и совместимы с алюминиевыми сплавами 2024 и 6061.
Теперь давайте посмотрим, почему они являются хорошим конструктивным крепежом. (рис. 2). Отверстие под заклепку сверлится немного больше, чтобы заклепку можно было легко вставить (E).
Обратите внимание, что на чертеже также указан правильный размер длины заклепки в зависимости от общей толщины пакета соединения. Затем заклепка обжимается (сжатие достигается с помощью клепального пистолета и поддержки). Пневматический пистолет обеспечивает удары с одной стороны, в то время как поддержка, которая представляет собой просто тяжелый кусок стали с полированной поверхностью, обеспечивает реакцию с другой.
Сначала обжимается стержень заклепки и его диаметр увеличивается до тех пор, пока отверстие не будет полностью заполнено. (F). В дальнейшем увеличивается диаметр только части заклепки, расположенной вне склепываемого пакета, что приводит к формированию замыкающей головки (G). При этом визуально достаточно легко проконтролировать правильность формы замыкающей головки. В случае брака, заклепка легко высверливается и заменяется на новую. Такая простая система контроля невозможна для клеевого соединения, что делает такие соединения менее надежными.
Далее, давайте посмотрим на преимущества классических заклепочных соединений:
Во-первых, такие заклепки производятся с надлежащим контролем качества, который гарантирует вам применяемый материал со стабильными прочностными характеристиками. В случае применения композиционных материалов, когда вы смешиваете смолу и отвердитель, вы несете ответственность, за прочностные характеристики того материала который получится после отверждения.
Заклепка полностью заполняет отверстие, поэтому даже микроскопические относительные движения невозможны. Как закладная (заранее отформованная), так и замыкающая (образованная в процессе клепки) головка хорошо держатся, а детали сжимаются вместе. Это создает плотное и герметичное соединение, которое предотвращает попаданию воды под головки и коррозию всего соединения.
Также очень важным является тот факт, что головки плотно сжимают собранные детали, и часть нагрузки передается от одного листа к другому посредством трения. Просто в самолете часть нагрузки, передаваемой трением, соответствует высокочастотным нагрузкам от двигателя. В гоночных автомобилях, например, где вибрационные нагрузки двигателя намного выше статических нагрузок, в случае применения заклепочного соединения, есть потребность в переразмеренных замыкающих головках.
Как уже упоминалось, заклепочное соединение при правильном выполнении является отличным креплением - надежным и долговечным. Но у этого также есть некоторые недостатки:
Вам понадобится специальное оборудование (вам нужно будет купить воздушный компрессор, клепальный пистолет, прессы и разнообразные поддержки;
Вам нужно иметь опыт, а для этого нужно пройти предварительное обучение, а для этого вам понадобится хороший наставник, так как ошибки могут быть весьма дорогостоящими.;
Ударная клепка, а именно она чаще всего применяется для создания классического заклепочного соединения, достаточно шумная: ваша семья и соседи могут возражать против клепальных работ в гараже после 10 часов вечера или в воскресенье утром, то есть как раз тогда, когда у вас есть время для этого;
Вам нужен подход к обеим сторонам собираемых деталей и это, очевидно, не всегда легко, а иногда и невозможно: например, как получить доступ внутрь элерона легкого самолета? Вам часто понадобится напарник, чтобы держать поддержку с обратной стороны, или иметь длинные гибкие руки.
С целью устранения вышеуказанных недостатков, было разработано другое решение - односторонние заклепки. Такие заклепки использовались на самолетах с момента производства Douglas DC-3 (трубчатые заклепки «Chobert»). Они представляют собой трубчатую втулку со вставленным внутрь стержнем, имеющим головку на конце. Односторонние заклепки были разработаны для преодоления недостатков обычных заклепок. Давайте рассмотрим их свойства. В качестве типичного примера мы будем использовать заклепку Avdel Avex от компании Textron.
При установке односторонней заклепки сначала просверлите отверстие немного большего размера, чтобы заклепка могла быть легко вставлена (H). Для вытягивания стержня заклепки используется специальный инструмент для ручной клепки (он стоит 15 до 50 долларов США в зависимости от качества). Стержень имеет специальную головку, которая расплющивает заклепочную трубу, заставляет ее расти и заполнять отверстие (I). Заклепка может расти только вне соединяемого пакета, пока заклепка и головка стержня не создадут хорошо сформированную головку, хорошо опирающуюся на деталь и сжимающую части вместе. На этом этапе стержень ломается по имеющейся на ней проточке (L).
Когда мы исследуем эту одностороннюю заклепку и сравниваем ее с обычной, мы обнаружим некоторые из тех же преимуществ:
Заклепка производится под надлежащим контролем, что гарантирует вам качество материала и размеров.
Заклепка полностью заполняет отверстие, предотвращая любое относительное движение.
Закладная и замыкающая головки уплотняют и сжимают детали вместе (отсутствие коррозии, вибрационные нагрузки двигателя не влияют на заклепочное соединение, поскольку они передаются трением.)
Однако, у односторонних заклепок есть один главный недостаток. Заклепка, будучи трубчатой, имеет участок, который явно меньше в сечении, чем у полнотелой заклепки. Это означает, что одна односторонняя заклепка не такая прочная, как одна классическая заклепка такого же диаметра. Конструктор должен это учитывать и применять больше заклепок, заклепки большего диаметра или более прочный материал самой заклепки.
Многим конструкторам нравятся заклепки из нержавеющей стали, как более прочные. Но здесь существует проблема коррозии пары алюминий-сталь. В случае возникновения коррозии производится замена заклепкой большего диаметра. При использовании заклепок из нержавеющей стали, у строителя самолета также есть возможность перед установкой заклепки в отверстие погружать каждую в цинко-хромовый грунт, что несколько «загрязняет» «чистую» сборку алюминиевых конструкций.
Переход к большим диаметрам заклепок часто является проблематичным, поскольку большие заклепки становится трудно установить вручную и требует применение дорогого и громоздкого инструмента. Следовательно, если принято решение использовать односторонние заклепки, а не обычные, у конструктора не остается иного выбора, кроме как увеличить количество заклепок. Хорошее правило, которое следует использовать, заключается в том, что количество заклепок должно быть увеличено примерно в следующей пропорции 5 односторонних заклепок вместо 3 обычных.
На самом деле, это не всегда применимо для тонкостенных конструкций легких самолетов, так как большинство заклепок используется на обшивке, для которой требуется относительно небольшой шаг заклепок (расстояние между заклепками), чтобы обеспечить плотное прилегание обшивки к каркасу. Таким образом, конструктору приходится устанавливать односторонние заклепки не из условия обеспечения передачи усилий и необходимой прочности, а из критерия выбора необходимого шага для обеспечения надлежащего прилегания обшивки к силовому набору для обеспечения качественной аэродинамики и хорошего внешнего вида.
Мы привели пример заклепки Avex, потому что это реально качественная заклепка по доступной цене. Стоимость заклепок Avex составляет приблизительно 8 центов за заклепку против цены от 30 центов до 1 доллара за аналогичную заклепку Cherry. Вы, надеюсь помните, что вам нужно от 4000 до 8000 заклепок на самолет. Еще один очень определяющий фактор при выборе заклепок Avex заключается в том, что они имеют один типоразмер для разных пакетов соединений. Так для соединения от 0 до 1/4 дюйма (6 мм) применяется один типоразмер против 4-х у заклепок Cherry. Это очень важный фактор для предотвращения ошибок и брака и должен сильно влиять на решение конструктора сделать изделие максимально простым и надежным для строителя.
Есть еще одна проблема односторонних заклепок. Втулка заклепки защищена от коррозии, но как насчет стержня? Он стальной и фосфатированный, что является правильной защитой, но, очевидно, там, где ломается, защиты нет. Будет ли он ржаветь? Любое гальваническое покрытие например, фосфатирование стали или анодирование алюминия, имеет радиус действия около 1/8 дюйма (3 мм) за пределами защищаемой зоны. С заклепками Avex сломанная часть составляет максимум 1/16 дюйма (1,6 мм), и обширный опыт подтвердил, что это не составляет проблемы. Самолет Zenith CH 200/300, собранный с применением заклепок Avex по-прежнему выглядит новым после более чем двух десятилетий хранения вне помещения.
В этой статье мы не даем никаких конкретных параметров прочности заклепок на срез, просто некоторые усредненные значения. Каждый конструктор несет ответственность за получение тех параметров, которые, по его мнению, могут быть последовательно достигнуты строителями и это учитывает многие вещи, такие как базовая концепция проектирования самолета, применяемые материалы, условия их работы и т. д.). Тем не менее, я чувствую себя обязанным предупредить некоторых конструкторов, что прочностные характеристики, указанные производителями односторонних заклепок в каталогах, следует также воспринимать критически. Производитель никого не обманывает и дает реальные характеристики заклепок. Например, когда они проводят испытания, они используют очень тонкие листы, так что стержень также включается в работу на срез (рис. 4), что является причиной того, почему в данной ситуации прочность на срез выше, чем у классической заклепки, так как в работе участвует стальной стержень. Но на нашем самолете это встречается сравнительно редко. Как правило, надежное значение прочности заклепки на срез должно составлять половину заявленной производителем. Но опять же, конструктор должен провести испытания. Например, когда я провожу испытания односторонних заклепок, я просто выбиваю стержень перед испытанием, чтобы получить надежный результат!
На рисунке 4 показан пример некачественного заклепочного соединения односторонней заклепкой. Обратите внимание на то, что замыкающая головка не сформирована полностью. В таком случае есть вероятность выпадения стержня.
Используйте правильные заклепки, и вы будете очень довольны результатами!
Оригинал статьи на английском ЗДЕСЬ.