Основы проектирования электронных средств Материалы к Экз ОПЭС-2014 РК-01-02 / Osnovy_proekt_ES_UchPosob_2007

40

Таблица 5.3. Минимальный радиус закруглений (мм)

При вырубке и пробивке шероховатость поверхности среза получается в пределах 4-5 класса чистоты. При необходимости получения лучшей чистоты 6-7 класса применяют зачистку в штампах, что позволяет обеспечить точность изготовления детали по 3-4 классу.

Расстояния между центрами отверстий, получаемых штамповкой, обеспечиваются в 2 раза точнее, чем расстояния от их центров до базовых поверхностей (рис. 5.9).

Рис. 5.9. Простановка расстояний между центрами отверстий

Гибка – распространенный метод получения объёмных деталей из листового материала. При гибке узких полос происходит искажение поперечного сечения детали (рис. 5.10).

41

5.4. Несущие конструкции. Основы расчёта

Функцию несущих конструкций в ЭС выполняют печатные платы, рамки, теплоотводящие основания печатных плат, шасси, каркасы оснований. Несущие конструкции должны выдержать статическую нагрузку от элементов конструкции, кроме того, аппаратура, испытывающая вибрации и удары, должна выдержать динамические нагрузки. Для аппаратуры стационарной не испытывающей удары и вибрации выполняют статический расчёт на нагрузку несущих от силы тяжести элементов:

P = M g ,

где: М – масса элементов, установленных на несущей конструкции,

g – ускорение свободного падения (в средних широтах g=9,81 м/с2).

В случае наличия ударов и вибраций для аппаратуры подвижных объектов выполняют динамический расчёт с учётом перегрузок при ударах и вибрациях.

Динамический расчёт.

Сила, действующая на элементы конструкции F при внешних воздействиях, рассчитывается по формуле:

F = M I ,

где I – ускорение при механическом воздействии.

Величину ускорения для различных условий эксплуатации ЭС задают в единицах ускорения свободного падения: I = n·g.

Кроме того, выполняют конструкцию так, чтобы исключить резонанс в заданных значениях частот ударов и вибраций.

Рассмотрим статистический расчёта несущих конструкций на примере определения диаметра ручек блока или прибора ЭС (рис. 5.14).

45

Целью расчёта является выбор материала и диаметра резьбового окончания ручек исходя из нагрузки силы тяжести прибора.

Прибор нагружен с силой тяжести P = M g . Сила тяжести приложена к центру тяжести (на рис. 5.14 обозначен «ц.т.») прибора с координатами:

где: Mi – масса i-го элемента конструкции прибора,

xi, yi, zi – координаты центра тяжести этих элементов по осям x, y, z; m – количество элементов конструкции.

Для того чтобы выбрать диаметр резьбового окончания ручки, необходимо рассчитать силы реакций приходящиеся на эти окончания. Для этого необходимо составить уравнение равновесия сил и моментов сил реакции в этих точках.

Опрокидывающий момент P l, где: l – расстояние от центра тяжести до передней панели.

Момент удержания приборов в равновесии равен: 2N h, где: N – сила реакции по оси задела ручки,

h – высота ручки.

P l = 2 N h , отсюда N = 2P hl .

Чтобы прибор удерживался на заданном уровне необходимо выполнить условие равновесия сил.

P = RA + RB ,

где RA , RB – силы реакции в точках А и В, направленные противоположно силе тяжести.

Если цент тяжести находится на пересечении осей симметрии прибора,

то каждая сила определяется как RA = RB = P2 .

Если же центр тяжести смещён, то силы реакции в каждой точке определятся по формулам:

46

Для того чтобы ручка не перемещалась в отверстии передней панели необходимо гайку ручки затянуть так, чтобы в соединении действовала сила N1, которая зависит от силы реакции RA, RB и коэффициента трения передней панели и шайбы соединения.

N1 = R2 Af , f – коэффициент трения.

Для пары трения сталь по стали f=0,16…0,18. В итоге имеем результирующую силу, которая направлена по оси резьбового окончания ручки на разрыв ручки.

Nрез = N + N1.

Следовательно, в резьбовом окончании ручки возникают напряжения

σ = Nπрезdв2β ≤[σдоп],

4

где: dв – внутренний диаметр резьбы по канавке резьбового окончания ручки;

β- коэффициент запаса на перетяжку резьбового окончания ручки;

β= 1,5…2.

Возникающие напряжения должны быть меньше допустимых напряжений на разрыв выбираемого материала ручки [σдоп].

Через внутренний диаметр резьбы ручки рассчитывается наружный диаметр ручки и выбирается ручка под стандартную метрическую резьбу.

d ≥ 0d,85в .

Подобная методика расчёта через уравнение равновесия сил и моментов сил применяется также для расчётов узлов крепления крупногабаритных элементов.

В случае наличия ударов и вибраций в динамическом расчете сила нагрузки от элементов увеличивается относительно силы тяжести в n раз [см. 5.?)]. При этом, чтобы избежать резонансных колебаний при вибрационных воздействиях несущие конструкции должны иметь собственную частоту механических колебаний выше верхней частоты возмущающих вибраций в 1,5…2 раза

f0 ≥ fвиб (1,5...2).

47

В случае плоской конструкции несущего элемента, например печатной платы с теплоотводящим основанием, собственная частота рассчитывается по формуле:

где: D – цилиндрическая жесткость;

m' – масса единицы площади поверхности; a – длина плоской конструкции;

α – коэффициент, зависящий от способа крепления.

Для того чтобы обеспечить необходимую вибропрочность таких несущих конструкций необходимо увеличивать цилиндрическую жёсткость D и уменьшать распределенную массу m'.

D = Dпл + Dтепл,

где: Dпл, Dтепл – цилиндрические жесткости платы и теплоотводящего основания на плате.

Увеличить жёсткость платы и теплоотвода можно, увеличивая моменты инерции их сечений, т.к. цилиндрическая жёсткость пропорциональна моменту инерции сечения.

Увеличить момент инерции сечения теплоотвода или плоской рамки можно увеличением толщины пластины либо ее отбортовкой или ребрением.

Уменьшить распределённую массу m' можно, предлагая для несущей конструкции прочный, но лёгкий материал (алюминий и его сплавы, титан и его сплавы).

ЭС носимой аппаратуры, а также выносной вариант автомобильной аппаратуры должен быть ударопрочен при падении с высоты Н = 500…750 мм. В случае наличия ударных воздействий при падении аппарата корпус аппарата рассчитывается на силу соударения о грунт:

грунтом;

υGк – конечнаяG скорость отскока аппарата.

υк = −υн k ;

τи – длительность ударного импульса (время соприкосновения с землей при ударе).

Коэффициент k зависит от жёсткости грунта и упавшего аппарата (для случая падения аппарата на сухой грунт k = 0,65). Так как скорости υн υк

48

при указанном значении К разнонаправлены, то для скалярных значений скоростей получим

Длительность ударного импульса τи составляет сотые доли секунды. В этом случае ускорение при ударе о грунт достигает значений а = 100…120 g.

Элементы внутри аппарата при соударении о грунт испытывают меньшую силу нагрузки, чем корпус аппарата.

FЭ = mЭ a = mMЭ Qср.

FЭ – сила действующая на элемент. mЭ – масса элемента.

Контрольные вопросы

1.1 Что такое несущие элементы ЭС? В виде каких изделий они изготавливаются?

2.Какие материалы и методы изготовления используют для несущих конструкций?

3.Каким образом простановка размеров влияет на точность конструкции?

4.Как выбрать погрешность размеров?

5.Требования к каркасам оснований.

6.Проектирование рамок и теплоотводящих оснований.

7.Особенности конструкций литых деталей. Литейные сплавы.

8.Особенности конструкций штампованных деталей.

9.Основные операции штамповки. Материалы, используемые для из-

готовления штампованных деталей.

10.Минимальные размеры элементов штампованных деталей. 11.Цель и порядок расчет прочности элементов стационарной аппара-

туры.

12.Цель и порядок расчета элементов ЭС, подвергающегося динамическим нагрузкам.

49