螺丝,是如何把世界拧在一起的

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制造一架大型客机,需要几百万个以螺丝为代表的紧固件。而大小只有它几百分之一的飞机模型,也要用螺丝拼装。在消费电子、日常交通、工业机器、大型建筑、航天科技中,都可见到螺丝的身影。螺丝,是如何把世界拧在一起的?需要和螺母配套的螺栓,以及头大身小的螺钉等,往往都被俗称为螺丝,均属于螺纹紧固件。它的原型可追溯至公元前3世纪,数学家阿基米德发明的螺旋式抽水泵。转动它,螺旋便会绕杆轴旋转,从而更省力地将水从低处传往高处。早期的螺旋结构,也应用在压榨机等动力装置中。直到16世纪,人们意识到螺旋结构的紧固特性,开始用它固定火枪等器械的部件。然而,它们需要手工制作,难以普及。直到19世纪前后,螺丝自动切割机出现,螺丝得以快速量产,产额快速飙升,价格随之大幅下降。今天,螺丝普遍用于制造家具、汽车、轮船、乃至建筑。螺纹是如何紧固的?关键在于螺旋结构。在斜面上的物体,同时受到摩擦力和支持力,二者的合力与支持力形成夹角,也就是摩擦角。当斜面倾角小于等于摩擦角时,摩擦力就会大于重力在斜面的分力,物体便不会滑落。而螺栓的螺纹就相当于斜面,螺纹升角就是斜面倾角,螺母是斜面上的物体。螺纹升角小于摩擦角,螺母便能紧锁螺栓。当我们拧紧螺栓时,也会产生扭矩,使螺栓拉伸,被连接的物体会受到夹紧力而紧密贴合。但是,像螺栓这样的钢材,都有一个屈服极限。当外力导致其拉伸程度超过极限,螺栓就会永久变形。如果反复使用螺栓,要达到同样的紧固效果,所需的实际扭矩会产生变化;这时,如果拧螺栓的扭矩依然不变,螺栓就可能过分紧固而变形,或是太松而滑落。在需要多次拆卸螺栓的场景,螺栓便面临更多考验。比如采用换电技术的蔚来汽车,车上配备可拆卸电池包,使换电像数码产品换电池一样方便。技术的关键,在于负责固定的螺栓。蔚来的Bayobolt专利快换机构,能让电池在换电时轻松拆卸、颠簸中紧扣底盘、重复装卸也耐久稳固。工程师曾为换电装置测试了多种连接方式,发现除耐久性之外,螺栓结构具有多项优势,便开始改进换电螺栓。数千次实验后,他们找到合适的扭矩,使螺栓重复装卸后依然稳固。螺栓尾部使用反向螺纹圈,即便螺栓出现松动,也能从反向牢牢卡住螺母。此外,螺母上留出的浮动空间,换电时能灵活匹配螺栓位置,换电后又能自动锁死。这样的技术让换电螺栓安全装卸次数突破次。截至12月10日,蔚来已在全球布局超座换电站,累计提供换电服务超万次。今年11月,蔚来首座欧标换电站在挪威完成布局,随着这一源自中国的创新商业模式正式出海,全球用户将一起感受极速换电带来的愉悦体验。

蔚来为何选择换电螺栓?

连接电池和车身的换电机构是实现换电功能的重要基础,每一次的换电,都离不开这个关键机构。根据GB/T-《电动汽车换电安全要求》标准,换电机构与车身的连接方式有卡扣式连接和螺栓式连接两种。

蔚来汽车工程团队为了保障换电的连接可靠性、耐久性及高拆装方便性,在研发之初设立了3个目标:

可靠性:整车在全生命周期内正常行驶,动力电池不出现松动,即使在横向/纵向50g(当于受力物体所受重力50倍的力)的冲击下,电池也不会从车身脱离。

方便性:能在几分钟内完成换电。

耐久性:满足次安全装卸,实现百万公里的可靠换电。

在传统技术层面上看,这些目标几乎是互相矛盾的。连接的高可靠性就意味着高紧固性,这势必会影响拆卸方便性;而提高拆卸方便性,则会影响可靠性,同时反复装卸也容易造成零件疲劳,降低耐久性。

为了设定的目标,工程团队尝试了各种主流连接方案,在不同层面对螺栓、电磁继电器、插销结构、卡接结构、导弹装夹结构这些连接方式进行了对比。具体见下图。

综合考虑紧固性、可靠性、耐久性、布置空间、成本等因素后,最终蔚来汽车工程师决定将螺栓结构作为换电机构与车身的连接方案。

换电螺栓的本尊

蔚来车辆的动力电池布置了8个M18和2个M10共10个螺栓,其中单颗M18螺栓就能达到3吨的锁紧力,更有效的确保动力电池和车身连接紧固。这样的螺栓到底是何方神圣?

Bayobolt就是这位大神的名字,由Bayonet(刺刀)的前半部分Bayo与Bolt(螺栓)组合而成,寓意这枚换电螺栓像刺刀一样灵巧、准确、坚固、可靠。

为了让螺栓紧固性达到要求并尽可能延长寿命,必须从强度、硬度、涂层、摩擦系数等各方面均开展研究,根据螺栓的规格和夹紧力寻找一个合适的扭矩值。

蔚来的工程师们从理论计算得出了初步的拧紧扭矩。

在确定理论数值后,通过60万+次零部件级耐久试验的反复验证,工程团队得出了最平衡的扭矩值,并通过了10+次系统级振动冲击和6万+次整车级耐久测试,将螺栓的安全使用次数提高到了3,次,这是一个极具突破性的数值。

此外,为了保证安全性,工程师们在螺栓尾部使用反向螺纹圈,即便螺栓出现松动,也能从反向牢牢卡住螺母。

为了实现像数码产品换电池一样方便来拆卸电池包。螺母,作为与螺栓天生的匹配对象,同样与众不同。

浮动螺母是蔚来应用的又一项新技术,这项技术能够更好的吸收和消除不同车身、不同电池包及不同换电站之间的公差。

浮动螺母四周被预留出±4mm的浮动空间,使得换电过程中可以更好的匹配不同螺栓的位置;而当换电完成时,换电完成时,浮动螺母也牢牢的锁紧。

就是这样一对天造地设的匹配技术,让换电螺栓安全装卸次数突破次。

从首座换电站亮相到BaaS电池租用服务上线,再到电池灵活升级计划推出,这一切的基础,就是换电。而换电的核心物理基础之一,就是Bayobolt。底层基础决定上层建筑,更多的研发,尤其是基础技术的创新和突破,才能带来更好的产品和体验。

时至今日,蔚来在全球累计拥有专利及专利申请超过4,项,其中换电相关专利超1,项。相信蔚来汽车会继续不断在创新和研发上努力,为用户带来更好的产品和体验,为汽车行业的低碳发展贡献力量。

来源:网易,蔚来,汽车材料网,金蜘蛛紧固件网整理

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