塑料的老化和蠕變有利于其與其它材料的連接。這可能會導(dǎo)致一邊的材料擴界而另一邊的產(chǎn)品失效。這里以洗衣機上的一個螺紋連接的塑料混凝土作為例子來說明如何達到可能的最好設(shè)計。
白色家電工業(yè)在尋求成本有效和可靠的制造方式。裝置本身應(yīng)包含數(shù)量最少的組件。組件減少的數(shù)量與連接它們的部分有密切關(guān)系，并進而影響其使用壽命。
最近十年來，在加工技術(shù)方面的不斷提高已經(jīng)使得聚合物的使用不斷增加。產(chǎn)品工程師的一個主要任務(wù)就是找到一個連接聚合物組件或者聚合物組件與金屬組件的可靠方法。最常用的為螺紋連接和卡扣連接，其中前種方式居于主導(dǎo)地位。在設(shè)計階段，工程師依靠官方標(biāo)準和指標(biāo)、組件制造商或者材料供應(yīng)商、尤其是他們自身的經(jīng)驗來進行設(shè)計。
具有時間依賴性的松弛和蠕變行為的聚合物對產(chǎn)品開發(fā)者又提出了一個挑戰(zhàn)。松弛是由于連續(xù)應(yīng)力的存在而發(fā)生的，而蠕變則是連續(xù)載荷作用的結(jié)果。諸如溫度和濕度的環(huán)境影響會加速這些現(xiàn)象的發(fā)生。
這臺洗衣機包含一個配重塊, 它通過3個螺釘被裝配到高分子洗衣桶上。
當(dāng)考慮聚合物和與之相配合的組件時，工程師必須自己解決的問題是：
◆ 在設(shè)計螺紋連接的時候，什么時候和怎樣去整合聚合物的數(shù)據(jù);
◆ 如何估計時間依賴性和耐久性以確保螺紋連接的安全。
在家用電器領(lǐng)域的連接技術(shù)
圖1 為了降低重量并節(jié)約成本和能量，洗衣機的主要部件越來越多地由高分子材料來制得。
這里作為例子使用的洗衣機有如下組件(圖1所示)：
◆ 帶支撐腿的外殼;
◆ 包含桶、套桶、混凝土配重塊(cconcrete ounterweights)、皮帶輪和驅(qū)動帶;
◆ 由過濾單元和帶分散單元的管路組成的配水系統(tǒng);
◆ 包括泵、驅(qū)動馬達和操作平臺的電子部件;
◆ 由減震器和彈簧組成的懸掛系統(tǒng)。
這些組件中的許多都是由高分子材料制成，如泵外殼、蓋子和多數(shù)的驅(qū)動皮帶及皮帶輪。當(dāng)洗衣機的高分子組件及它們之間的連接被開發(fā)完成后，動態(tài)和靜態(tài)的熱機械應(yīng)力都需要被考慮到。在絕大多數(shù)情況下，螺紋連接的方式會被采用，但卡扣連接(如在蓋子處的連接)和銷釘連接(如減震器)也會被采用。
而且，洗衣機的金屬桶現(xiàn)在也是由高分子材料制得。另一方面，螺紋連接為主要采用的連接方式。洗衣桶中最重要的連接為其與混凝土配重塊之間的連接。為了抵消旋轉(zhuǎn)過程中的不平衡，洗衣桶的質(zhì)量常常用混凝土配重塊來進行增重(標(biāo)題圖片所示)。這就導(dǎo)致了特殊載重的形成，震動就正是其中之一。產(chǎn)品開發(fā)者面臨的挑戰(zhàn)是去找到合適的方法來連接高分子與金屬螺釘并評估和確保洗衣機整個壽命期間的連接性能。
裝上配重塊
除了質(zhì)量計算和工藝外，指南VDI 2230還詳細描述了螺釘?shù)妮d荷分布并解釋了預(yù)加載荷。這樣的定尺寸方法通?；陟o載荷而得到。但在實際情況下，動態(tài)熱機械載荷(規(guī)則和不規(guī)則振動/載荷周期)也會存在。
因為這個原因，自攻螺絲通常被用于將上下配重塊連接到洗衣桶上。這顯著縮短了部件的模塑時間并降低了組裝成本。這些措施使得連接件能承受高的載荷，并且其能在連接件質(zhì)量不降低的情況下被組裝和拆卸達數(shù)十次。使用自攻螺絲的目的是去抵消(舉例來說，用夾緊力/預(yù)應(yīng)力并去除扭矩)高分子材料的時間依賴性，在這里，所用的材料為聚丙烯(PP)。在VDI標(biāo)準中，對于預(yù)載荷的重要因素改變了包括螺釘材料在內(nèi)的松弛和溫度依賴性。然而，VDI標(biāo)準假定部件間的連接為金屬-金屬類型，在被嵌入后，其認為的預(yù)載荷力降低了約10%并且大約80%的最小載荷或者0.2%的彈性極限應(yīng)力保留在屈服點。聚合物的主要特征(螺紋連接的輪轂材料) — 具有時間依賴性的蠕變和/或者松弛，沒有在標(biāo)準中被明確地提到。此外，僅有少部分標(biāo)準適于室溫下夾緊部件的主要材料(所謂的接觸面的嵌入，熱膨脹)。高分子材料制造商因而推薦用螺紋連接高分子部件期間第100個小時作為一個周期，在此期間其自身進行穩(wěn)定。
設(shè)計特征
該設(shè)計的成功以壓蠕變對螺釘預(yù)載荷的影響而定，因為安全的緣故，其必須在洗衣機的整個壽命周期內(nèi)保持恒定。在靜態(tài)和動態(tài)載荷結(jié)合都存在的地方，部件的壽命基于高分子材料的疲勞極限。
為了消除在高分子材料上的載荷，在螺釘頭和墊圈之間為夾緊提供額外(圓形)彈簧墊圈的設(shè)計方案消除了不需要的應(yīng)力松弛和由動態(tài)載荷所引起的連接處變松現(xiàn)象 (圖2所示)。高分子材料制得的洗衣桶連接點處的壁厚必須能在材料被連接時，有效防止螺釘破壞強度更低的材料。作為一個經(jīng)驗規(guī)則，高分子部件的外徑應(yīng)該至少是螺釘名義直徑的兩倍。除此之外，穿刺深度和孔直徑必須正比于螺紋連接件的強度(旋出力或者松開扭矩)。
圖2 洗衣桶和配重塊之間的螺紋連接必須在不損失強度(松開)承受靜態(tài)和動態(tài)載荷。
然而，這些標(biāo)準沒有完全反映高分子及其與金屬連接的行為。
這樣的螺紋連接(裝配力FM不再存在)的松開幾率被由于高分子降解并因此將夾緊件包埋住的量FZ所降低。有效預(yù)載荷力FV在產(chǎn)品的整個壽命周期內(nèi)必須不在限定值FV, erf之下 (圖3所示)。
圖3 通用夾緊力圖能用于讀出產(chǎn)品組裝和使用時的預(yù)載荷力。
最大螺旋力(FS, max)取決于螺釘和其彈性性能。然而，預(yù)期載荷FA依賴于螺釘和夾緊部件。臨界力之比由伸張量計算得到，其依次依賴于所用材料的硬度。除了所謂的100小時穩(wěn)定時間外，制造商也推薦采用自動和扭矩感應(yīng)的組裝過程。
蠕變和松弛
高分子材料的時間依賴行為后來也被納入到實驗估算的范圍內(nèi)。一條實驗總曲線描述了蠕變隨時間t變化的情況。該曲線本身是由在相同時間范疇內(nèi)的不同溫度下的不同模量曲線并結(jié)合位移因子aT(圖4所示)而得到的經(jīng)驗公式。合成蠕變張量J (t)提供了關(guān)于預(yù)載荷衰減和產(chǎn)品使用期內(nèi)連接處松開，和在計算開始階段忽略的溫度信息。此外，也有可能由此來推斷產(chǎn)品的壽命[例如，aT = J(now) / J(10a)]。
圖4 J(t)的總曲線由模量曲線得到并通過位移因子aT而被關(guān)聯(lián)到在T0時的曲線。
另一方面，高分子材料所承受的蠕變也能通過用于粘彈性的通用公式來進行描述：
式中，Jg(穩(wěn)定時間)為在平衡狀態(tài)下的蠕變，其由連接物的連接和初始嵌入而產(chǎn)生。由于恒定的載荷的作用，蠕變張量的值總是在增加。在當(dāng)前情況下，桶在各個方向上以一定加速度(由于離心力的作用而產(chǎn)生)振動。加速度的值依賴于洗衣機的樣式，一個大小為10 g(g=9.81 m/s2的近似上限值)的數(shù)值被采用(圖5所示)。
圖5 預(yù)載荷力被連接到支撐物上所需夾緊力的動態(tài)載荷所將降低。
在一定時間后，動態(tài)載荷(FA)的范圍可能會超過連接的安全閾值，并且所需的夾緊力可能就會達不到。這說明其在使用過程中存在極大的更強的振動。而且在洗衣機延長壽命的使用過程中，這可能會導(dǎo)致連接的失效。
總結(jié)
當(dāng)連接在設(shè)計時，必須考慮如下的標(biāo)準：
◆ 高分子材料的初始蠕變值;
◆ 預(yù)期蠕變張量的最大值和在產(chǎn)品服務(wù)期限后期預(yù)載荷力的評估;
◆ 在不同使用溫度下高分子的特征行為、相應(yīng)的調(diào)整及螺紋連接條件;
◆ 螺紋連接力和高分子材料之間的關(guān)系。
用這些方面來補充VDI指南2230就顯得很有價值。
統(tǒng)一一個特殊解決方法的決定不應(yīng)該只基于一般的假設(shè)。獲得高分子蠕變和松弛的絕對值而不只是相對值就很有必要。然而，這些絕對值不能完全由等式和模擬來得到。為了在螺釘上的不規(guī)則和重復(fù)性的動態(tài)熱機械載荷能被檢驗，在實際情況下的實驗工作是必需的。
然而，理論研究結(jié)果有助于減少可能的解決方案的數(shù)量并避免過多的選擇參數(shù)的裕度。當(dāng)實驗結(jié)果和高分子部件的適當(dāng)加速老化被引入到設(shè)計中時，優(yōu)化的解決方案就可獲得。
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