1.3. Конструирование модулей второго уровня

Выбор варианта конструкции блока и компоновки ячеек в бло­ке, а также взаимное расположение других конструктивных зон должны осуществляться [7] исходя из технических требований, ана­лиза основных определяющих факторов, специфичных для разра­батываемой ЭС (надежность, ремонто-пригодность, габаритные и установочные размеры, масса, тепловые режимы, условия эксплуа­тации и т. п.). В основном блоки конструируются прямо-угольной формы, за исключением блоков, устанавливаемых в специальные отсеки. Форма блока может отклоняться от прямоугольной только в технически обоснованных случаях, так как такое отклонение де­лает невозможным применение автоматизированных методов про­ектирования и исключает возможность использования типовых технологических процессов сборочно-монтажных и регулировочных работ, а также применение высокопроизво-дительного технологиче­ского оборудования, что в целом увеличивает себестоимость и сро­ки освоения аппаратуры.

Наиболее трудоемкими в процессе проектирования блоков яв­ляются выбор рационального варианта компоновки ячеек в блоке, обеспечение минимальной длины цепей электрической коммутации и нормальных тепловых режимов блоков и разработка или выбор БНК блока, которые в свою очередь обеспечивают два первых тре­бования.

Действующая нормативно-техническая доку­ментация позволяет с минимальными затратами и временем опре­делить необходимую БНК блока в соответствии с заданным ви­дом аппаратуры. Эта документация определяет общие технические требования к БНК, основные габаритные, установочные и присое­динительные размеры, конструктивное исполнение, а также руко­водство по применению БНК в аппаратуре.

Следует отметить, что БНК блоков предназначаются для раз­мещения, механического крепления, защиты от механических пе­регрузок и внешних воздействий ячеек, а также блоков в шкафах, стойках и стеллажах. Элементы НК должны обеспечивать надеж­ное крепление ячеек с ИС, МСБ и другими ЭРЭ и элементами электрической коммутации, а также минимальную массу, макси­мальное использование однотипных деталей и их унификацию.

Под компоновкой блоков следует понимать взаимную ориента­цию ячеек или других конструктивных зон (электрической комму­тации, механических элементов и т. п.) в заданном объеме блока [7]. Чтобы определить факторы, влияющие на габариты и конструк­тивное построение блоков, и установить их взаимосвязь, необхо­димо рассмотреть существующие конструкции блоков. Рассмотрим разъемный и книжный варианты конструкции, наиболее часто ис­пользуемые в ЭС.

По эксплуатационному назначению все ЭС можно разбить на три основных категории: аэрокосмические, морские, и наземные. Каждая категория делится на группы, характеризующие место уста­новки (носителя) для конкретной аппаратуры. С учетом требова­ний, соответствующих условиям эксплуатации, предусматривается определенное использование элементов НК.

Требования по механическим воздействиям влияют на выбор зазоров между ячейками с учетом деформации печатных плат ячеек элементов НК (рамки, ребра жесткости и т. д.), элементов крепления (приливы, кронштейны, шарниры, бобышки и т. д.), элементов конструкции корпуса блока и элементов крепления бло­ков в стойке, шкафу и т. д.

По климатическим требованиям условия эксплуатации оказы­вают влияние на вариант исполнения корпуса блока: герметичный, негерметичный. Повышение требований по механическим и клима­тическим воздействиям на аппаратуру приводит к увеличению вспомогательного объема блока, что в свою очередь влечет за со­бой увеличение полного объема блока.

Следующими основными факторами, влияющими на габариты бло­ков, являются применяемая элементная база и число элементов, размещаемых в блоке. При разработке современной аппаратуры широко используются достижения в области микроэлектроники. Широкая гамма разработанных и серийно выпускаемых ИС раз­личной степени интеграции в сочетании с МСБ позволяет даже при значительном увеличении числа элементов в принципиальной электрической схеме блоков сокращать их габариты, что достига­ется повышением плотности упаковки элементов. Дальнейшее уве­личение степени интеграции ИС и МСБ; использование новых фи­зических принципов функционирования; достижения в области пленочной и полу-проводниковой электроники, оптоэлектроники, акустоэлектроники и в других разделах физики твердого тела поз­воляют создавать совершенную по своим тактико-техническим и экономическим характеристикам микроэлектронную аппаратуру.

Элементы электрических соединений в блоках влияют на раз­меры зон электрической коммутации, которые разделяются на внутриблочные и межблочные. Внутриблочная зона образуется элементами электрической коммутации между ячейками внутри блока, межблочная — элементами электрической коммутации между блоками в шкафу, стойке, пульте и т. д. с учетом объе­мов, занимаемых частью межблочных электрических соедини-телей, входящих в полный объем блоков. Межблочные электрические со­единения могут осуществляться: жгутовыми соединениями с по­мощью объемных проводов, разъемами, соединителями и гибки­ми шлейфами или гибкими кабелями и коммутационной печатной платой.

Электрические соединители в ячейках занимают в блоках зону порядка 25...35 мм, что увеличивает одну из сторон блока в зави­симости от выбранного варианта компоновки [7]. Жгутовые соедине­ния, гибкие печатные и коммутационные платы увеличивают габа­риты корпуса блока на 15...20 мм в двух взаимно-перпендикуляр­ных направлениях. Для обеспечения в блоках ЭС нормального теплового режима применяются различные системы охлаждения в зависимости от температуры окружающей среды, максимально до­пустимой температуры ЭРЭ, варианта исполнения корпуса блока (герметичный, негерметичный) и варианта конструкции и компо­новки ячеек в блоке.

Воздушная система охлаждения при естественной конвекции вызывает необходимость выполнения зазоров между ячейками до 6...8 мм для обеспечения нормального теплового режима внутри бло­ка. Воздушная система охлаждения с принудительным охлажде­нием позволяет уменьшить зазоры между ячейками до 2 мм, од­нако вызывает увеличение объема блока на 10...15 % за счет ус­тановки вентилятора или воздуховодов.

В сочетании с перечисленными системами охлаждения приме­няются кондуктивные теплостоки, т. е. вводятся радиаторы, теплоотводящие шины, тепловые трубки, оребрение корпусов блоков и т. д., что также увеличивает габариты блоков (до 20...25 %) и влияет на размеры их НК. Метод изготовле-ния элементов НК бло­ков (штамповка, литье, прессование, механическая обработка) влияет на их габариты. Особое внимание следует обратить на га­бариты блоков и конструктивное исполнение вариантов компонов­ки ячеек и зоны внутриблочной электрической коммутации в по­лезном объеме блока (рис. 43). Как видно из рисунка, полезный объем блока можно условно представить в виде двух объемов: объема v1, занимаемого функциональными ячейками, и объема V2, занимаемого под элементы электрического соединения, и их электрический монтаж.

Для рассматриваемых вариантовI и II компоновки эти объемы можно выразить следующим образом:

Рис. 43. Схема компоновки блоков: L, Н, В - длина, высота и ширина блока; Lк, Нк, Вк - части блока, занимаемые элемен­тами внутриблочного электрического соединителя (коммутации)

V1 = LH (B - Bк); V2 = LHBк ; (8)

для вариантов III и IV:

V1 = L (H - Hк)В; V2 = LHкВ ; (9)

для вариантов V и VI:

V1 = (L - Lк) HB; V2 = LкHB. (10)

Из рассмотрения формул (8)...(10) видно, что наиболее ра­ционально использовать варианты компоновки V и VI и наименее рационально варианты I и II, поскольку в блоках ЭС, как пра­вило,

L > Н; L > В; H ≥ B . (11)

Отсюда получаем следующие неравенства:

(12)

Однако практика конструирования блоков ЭС показала, что варианты компоновки II и VI не применяются, так как имеют очень плохие условия как для естественной конвекции, так и при принудительном охлаждении из-за перекрытия зоны прохождения потока воздуха внутри блока.

Варианты компоновки I и III позволяют установить значитель­но большее число ячеек по сравнению с вариантами IV, V. С уче­том условия (11) это следует из неравенства

(13)

где hя – шаг установки ячеек.

При рассмотрении вариантов компоновки I, III - V следует от­метить, что для книжных конструкций предпочтительнее варианты IV и V, так как данные конструкции должны иметь относи­тельно небольшое число печатных плат (ячеек) по сравнению с разъемными конструкциями, что связано с невоз-можностью по­лучения достаточного раскрыва ячеек. При естественной конвек-ции для блоков разъемной конструкции применяют вариант компонов­ки III. При необходимости использования принудительного охлаждения в разъемных конструкциях применяется вариант компонов­ки I.

При естественной конвекции в книжных конструкциях исполь­зуются варианты компоновки IV и V. Эти варианты могут быть использованы и при необходимости принудительного охлаждения с условием установки вентиля-тора на заднюю или лицевую па­нели блока для варианта IV и при обеспечении воздушного потока снизу для варианта V.

Как отмечалось ранее, на выбор варианта компоновки оказы­вает влияние необходимое число выходных контактов с печатной платы ячейки. С этой точки зрения для разъемной конструкции предпочтительным является вариант компоновки I и для книжной конструкции вариант компоновки IV. Но, как видно из условий (12) и (13), при использовании вариантов компоновки I и IV уменьшается полезный объем, поэтому на данном этапе проекти­рования блоков ЭС следует идти на компромисс.

Следующим фактором, влияющим на выбор варианта компо­новки блока, является соотношение его линейных размеров: дли­ны, ширины и высоты. В качестве примера можно указать, что книжные конструкции, выполненные по варианту компоновки V, имеют максимальную плотность компоновки элементов в блоке, но в этом варианте недостаточно рациональное соотношение сторон печатной платы ячейки приводит к определенным трудностям при проектировании печатного монтажа. Поэтому печатные провод­ники на плате становятся длинными, что ведет к увеличению па­разитных емкостей и шага установки ИС на печатной плате по сравнению с вариантом компоновки IV. Минимальная ширина бло­ков книжных конструкций должна быть не более 120 мм. Для бло­ков разъемных конструкций минимальные размеры высоты и ши­рины блоков должны быть: для варианта компоновки I: Hmin ≥ 180 мм; Вmin ≥120 мм; для варианта компоновки III: Hmin ≥180 мм; Вmin ≥180 мм [7].

Таким образом, все рассмотренные факторы так или иначе влияют на выбор варианта конструкции блоков и соответственно на его габариты. И правильность выбранной конструкции в про­цессе эскизной проработки должна определяться комплексом аб­солютных (объем, масса блока, надежность и т. д.) и относитель­ных (коэффициент использования полезной площади, объема, мас­сы и т. п.) конструктивных показателей, а также коэффициентом плотности упаковки. Методика расчета таких показателей рассмот­рена в [7].

Конст­рукция одноплатного бескаркасного настольного прибора со встроенным блоком питания приведена на рис. 44 и 45 [5]. Несущей конструкцией прибора является основание 2. Хотя размеры основания могут быть большими (300 х 450 мм и более), его обычно изготовляют из тонкого листового материала, а для придания жесткости в углах конструкции задается определен­ная форма.

Для закрепления модулей в основании прибора выполнены выдавки с отверстиями, в которые вставляют резьбовые втулки под винты.

Крышка 6 сдвигается, перемещаясь по вертикальным боковым стен­кам детали 2. Это позволяет на крышке 6 располагать техническое описание прибора, электрические схемы, измерительные приборы. Для закрепления крышки на основании предусмотрены кронштейны 4, фиксируемые заклеп­ками.

Рис. 44. Прибор настольный бескар­касный: 1 - лицевая панель; 2 - основание; 3 - вентилятор; 4 - кронштейн; 5 - задняя панель; 6 - крышка; 7 – винт

На основание прибора устанавливают блок питания, плату операци­онного устройства (электроники) и вентиляторы, обеспечивающие нормаль­ный тепловой режим прибора.

На электромонтажной схеме (рис. 45) задняя и передняя панели развернуты относительно установочной плоскости основания на 90°. В кон­струкцию введены: жгут сетевого напряжения, подводящий 220 В частотой 50 Гц к блоку питания и вентиляторам, жгут подвода постоянного напряже­ния от блока питания к плате электроники и жгут сигнальных проводов.

В том случае, если максимальные размеры платы 8 каким-нибудь об­разом ограничены, например производственными возможностями или раз­мерами основания прибора, то на плату электроники можно установить вме­сте с компонентами схемы электрические соединители, в которые, в свою очередь, установить ячейку с недостающими компонентами схемы прибора (рис. 46). Таким образом, объединительная плата, представленная на рис. 46, является модификацией платы электроники. В зарубежной литературе такие платы называют motherboard - материнской платой [5].

Рис. 45. Электромонтажная схема при­бора настольного бескаркасного: 1 - лицевая панель; 2 - основание; 3 - вентилятор; 4 - провод; 5 - задняя панель; 6 - блок питания; 7 - жгут; 8 - плата электроники

Может случиться, что схема, реализуемая на плате, потребует разме­ров, которые не могут быть обеспечены современным производством. Тогда эта гипотетическая плата разбивается на несколько плат меньших размеров, объединяемых конструктивно в блоке монтажной панелью.

Возможные компоновочные формы блоков представлены на рис. 47 [5]. При одинаковых физических объемах блоков сферическая форма обеспечи­вает минимальную длину линий связей. Однако форма ячейки в виде полукру­га не является технологичной. При конструировании блоков ЭС применяют стеллажный, этажерочный и книжный варианты конструкций в форме параллелепипеда в негерметичном и герметичном исполнениях.

Блоки стеллажного типа (рис. 48) [5], [9] компонуются из ячеек, которые ус­танавливаются в один или несколько рядов перпендикулярно к монтажной панели. Основным конструктивным элементом блока является каркас 1 с монтажной панелью и соединителями 4. В зависимости от ориентации в пространстве монтажной панели существуют три разновидности компоно­вочных схем блоков, приведенные на рис. 48.

Блоки с защитными кожухами и крышками являются самостоятель­ными изделиями (приборами) и в таком виде эксплуатируются. Обычно на переднюю панель прибора настольного типа устанавливают элементы инди­кации, измерительные узлы, элементы управления (кнопки, тумблеры и т. п.), электрические соединители. Элементы управления и соединители, не требующие частого доступа, а также предохранители выносят на заднюю панель.

Рис. 46. Объединительная (материнская) плата: 1 - микросхема; 2 - объединительная плата; 3 - ответный электрический соединитель ячейки; 4 – ячейка

Рис. 47. Компоновочные схемы блоков в виде параллелепипеда (а), цилиндра (б), сферы (в): 1 - ячейка; 2 - монтажная панель

При компоновке изделий необходимо обеспечить свободный доступ к электрическим соединителям монтажных панелей для контроля и к ячейке для их замены. Если монтажная панель ориентирована горизонтально, то крышку и поддон прибора необходимо выполнять съемными, если верти­кально — лицевую и заднюю панели нужно делать съемными или откидными.

При комплектации блоками рам и стоек шкафного типа в конструкции блоков не вводят кожухи или крышки. При значительной длине ячейки (на­пример, кассетной конструкции из нескольких плат) блок с вертикальным поперечным расположением монтажной панели (рис. 48, а) можно уста­навливать непосредственно в стойку [5]. Однако в современной аппаратуре длина одноплатных ячеек редко превышает 200 мм, поэтому блоки данного типа следует устанавливать в конструктивный промежуточный элемент — раму, что позволит повысить плотность компоновки стоек. Поскольку глу­бина блока с вертикальным продольным расположением монтажной панели (рис. 48, б) зависит от количества установочных мест для ячеек, то подоб­ные блоки устанавливаются непосредственно в стойку, минуя раму.

в

Рис. 48. Вертикальное поперечное (а), вертикальное продольное (в), горизон­тальное (в) расположение монтажной панели блоков стеллажной конструкции: 1 - каркас; 2 - лицевая панель; 3 - монтажная панель; 4 —-соединитель; 5 – ячейка

Горизонтальное расположение монтажной панели (рис. 48, в) за­трудняет охлаждение блоков естественной конвекцией, поэтому их обычно используют в приборах настольного типа с низкой плотностью компоновки либо совместно с вентиляторами, направляющими потоки охлаждающего воздуха вдоль каналов, образованных рядами плат расположенных по со­седству ячеек.

Конструктивное исполнение блоков весьма разнообразно [5], [9], но у всех блоков можно отметить обязательное наличие монтажной панели (шасси), каркаса, направляющих и элементов фиксации в модуле высшего уровня. Упростить проектирование, контроль, наладку аппаратуры, а также полу­чить функционально законченные блоки высокой плотности компоновки возможно при разработке нескольких блоков конструкционной системы на разное число ячеек. Для этого разрабатывают несколько типоразмеров основ­ных базовых деталей блоков, и в первую очередь монтажных панелей.

На монтажных панелях выделяют центральную и периферийную зо­ны. В центральной зоне располагают ответные части соединителей ячеек, на­правляющие, в периферийной — колодки или соединители внешней комму­тации, жгуты, узлы подвода напряжения питания и нулевого потенциала. Желательно ответные соединители ячеек устанавливать на многослойную печатную плату. Однако практика конструирования показала, что получить все соединения печатным способом трудно из-за необходимости разработки плат с большим числом слоев, низкой разрешающей способности много­слойного монтажа и несовершенства программ трассировки. В процессе от­работки аппаратуры часто появляется необходимость во внесении измене­ний, которые проще всего выполнить проводным монтажом. Поэтому при конструировании блоков кроме печатного используются монтаж одиночным проводом, свитой парой, жгутовой монтаж.

При монтаже блоков свитой парой около выходных контактов ответ­ных частей каждого соединителя ячейки необходимо иметь контакты заземле­ния, к которым коммутируются нулевые провода свитых пар. Это можно выполнить, если землю реализовать в виде сплошного фольгированного слоя односторон-ней печатной платы. При монтаже блоков одиночными проводами и свитыми парами необходимость в поддержке монтажа не воз­никает. При использовании жгутов на монтажной панели блока предусмат­ривают пазы или углубления, в которых жгуты размещают и закрепляют.

Направляющие вводятся в конструкции для быстрого сочленения ячеек с ответными частями соединителей без заклинивания, зажима или перекоса, поддержки платы ячеек при ударах и вибрациях, создания пути для кондуктивного отвода теплоты. Для входа и перемещения платы в направляющих по краям платы предусматривают свободную от печатного монтажа зону шириной 2...3 мм. Длина направляющих зависит от длины платы ТЭЗ. Раз­личают коллективные направляющие, предназначенные для установки од­новременно нескольких ячеек (рис. 49, а), и индивидуальные (рис. 49, б) [7], [5].

Рис. 49. Направляющие печатных плат ячеек: 1 - печатная плата

В качестве конструкционных материалов направляющих используются пластмасса и металл. Тепловое сопротивление R_Т металлических направ-ляющих ниже, чем пластмассовых, и зависит от конкретной конструкции. На рис. 50 представлены конструкции четырех направляющих с указанием относительных величин их тепловых сопротивлений.

Минимальным тепло­вым сопротивлением обладает клиновая направ-ляющая. После установки ячеек клин 3 винтом плотно прижимается к поверх-ности платы. Для бокового перемещения клина в направляющей под винт должно быть выполнено фи­гурное отверстие.

2 3

Рис. 50. Металлические направляющие: 1 - направляющая; 2 - плоская пружина; 3 – клин

Надежная коммутация ячеек с ответной частью соединителя в блоке обеспечивается расчетом на сочленение соответствующих размерных цепей блока. При этом определяют по известному допуску замыкающего звена допуски составляющих размеров либо номинальный размер и допуск замы­кающего звена по заданным размерам и допускам составляющих звеньев.

Элементы крепления и фиксации должны исключить возможность выпадения ячеек при воздействии ударов и вибраций. Предусматривается индивидуальное или групповое крепление ячеек. Для индивидуального креп­ления рекомендуется использовать невыпадающие винты, защелки. В большинстве случаев групповое крепление осуществляется прижимной крышкой с наклеенной с внутренней стороны пористой прокладкой. После установки всех ячеек в блок со стороны лицевых панелей крепится винтами прижимная крышка.

В блоках книжной конструкции (рис. 51) [5], [9] механическое объединение печатных плат между собой и с несущей конструкцией обес-печивается шар­нирными узлами 4, позволяющими поворачивать платы 1 подобно страни­цам книги. В рабочем состоянии платы 1 объединяют в пакет стяжными винтами или резьбовыми шпильками. Возможны вертикальная (рис. 51, а, б) и горизонтальная (рис. 51, в) ориентации плат в блоке. Блоки устанавли­вают в стойку или монтажное устройство. Электрические соединения вы­полняют объемными проводами, печатными жгутами, паяными соедине­ниями. Проводники и жгуты подпаиваются к платам 1 со стороны подвески плат и к коммутационной плате 2, осуществляющей коммутацию плат 1 со­гласно принципиальной схеме. На задней панели несущей конструкции бло­ка устанавливают внешние соединители.

Конструкция блока позволяет контролировать в рабочем режиме лю­бую плату после удаления стяжных винтов.

Шарнирный узел (рис. 52, а) применяется в несложных конструкци­ях на 2...4 платы, выполненных по компоновочной схеме рис. 51, а [5].

Рис. 51. Вертикальная (а, б) и горизонтальная (в) оси раскрытия бло­ков книжной конструкции: 1 - плата в сборе; 2 - коммутационная печатная плата; 3 - несущая конст­рукция блока; 4 - шарнирный узел

Эле­менты подвески плат располагают у задней и лицевой панелей блока по два с каждой стороны. Платы раскрываются подобно открытию двустворчатых дверей стойки ЭС. Элементы подвески в блоке должны располагаться в раз­ных плоскостях с шагом установки, несколько большим толщины платы, и выполняться в виде штыря либо перемычки между двумя прямоугольными отверстиями, на которые надевается цилиндрическая часть шарнирного уз­ла. Преимущество рассмотренной конструкции в ее простоте, недостаток — некоторое увеличение длин электрических соединений за счет размещения элементов подвески на противоположных сторонах блока.

Рис. 52. Шарнирные узлы

В сложных конструкциях используют шарнирные узлы, представлен­ные на рис. 52, б и в [5]. Несколько шарнирных узлов совместно с платами штифтовым соединением или каким-либо другим способом объединяются в наборы — пакеты, которые крепятся к несущей конструкции блока. Если печатная плата фиксируется на рамке, то удобно рамку и шарнирные узлы совместить в единой конструкции (см. рис. 52, в).

Уменьшения объема и массы, а также длин соединений достигаются ис­пользованием в конструкции гибкого резинового ремня, рассмотренного в учебном пособии [1].

Как и в блоках стеллажной конструкции, конкретное конструктивное исполнение блоков книжной конструкции может различаться: шарнирные узлы могут выполняться совместно с рамкой, индивидуально, на шарнир­ный узел могут устанавливаться одна или несколько плат и т. д. Коммута­ция может осуществляться печатным или объемным вязаным жгутом, оди­ночными проводниками и т. д. Однако правила объединения конструктив­ных элементов и узлов остаются неизменными.

В блоках с откидными платами (рис. 53) [5] платы 2 механически объе­диняют между собой и с несущей конструкцией 4 подвижным соединением на оси 5, позволяющим обеспечивать поворот (откидывание) любой платы и контроль этой платы в откинутом положении при функционировании блока. Конструкцией должна быть предусмотрена фиксация платы в откинутом состоянии. В рабочем состоянии платы объединяют в пакет и крепят к не­сущей конструкции. Электрические соединения выполняют объемными проводами, жгутами, соединителями. При разработке электромонтажной схемы блока необходимо предусмотреть подвижность монтажа, например, искусственным увеличением длины жгута для обеспечения откинутого по­ложения платы. Возможны вертикальное и горизонтальное направления от­кидывания плат. В качестве недостатка этого вида компоновки следует от­метить некоторое увеличение длины монтажных проводов.

Этажерочная компоновка блока (рис. 54) [5], [9] достигается параллельным объединением между собой плат 3 и установочной панели в единую конст­рукцию стяжными винтами 2. Нужный шаг установки между платами паке­та обеспечивается введением в конструкцию распорных втулок. Несущей конструкцией блока является установочная панель. Возможны вертикальная и горизонтальная установки панели в модуле высшего уровня. На выбор способа ориентации панели влияют конструкция, тепловой режим блока, а также характер и направление внешних механических воздействий. Меж­платные электрические соединения в блоке осуществляют жгутовым мон­тажом, фиксированным паяным, разъемными соединениями. Внешние со­единители должны устанавливаться на несущей конструкции блока 1. Ос­новным преимуществом данного типа компоновки является простота конструкции, недостатком — низкая ремонтопригодность. Можно рекомен­довать при конструировании несложной аппаратуры на микропроцессорах.

Рис. 53. Вертикальное (а) и горизонтальное (б) направления откиды­вания плат в блоках: 1 - кожух; 2 - плата; 3 - откинутая плата; 4 - несущая конструкция; 5 - ось шарнира

Рис. 54. Вертикальное (а) и горизонтальное (б) расположение уста­новочной панели в блоках этажерочной конструкции: 1 - установочная панель; 2 - стяжной винт; 3 - плата; 4 – кожух

Кроме рассмотренных компоновочных схем блоков возможны раз­личные их комбинации. Например, блок состоит из двух субблоков, объеди­няемых в книжную или откидывающуюся конструкцию, а каждый субблок имеет стеллажную или этажерочную компоновку.

Ориентация и расстояния между платами ячеек зависят от технических требований на аппаратуру, теплового режима, характера и направлений внешних воздействий. Выбор варианта конструкции диктуется производст­венными и техническими требованиями на основе анализа основных опре­деляющих факторов. Производственные условия рекомендуют применять однотипные конструкции ячеек, элементов несущих конструкций, фиксации, крепления, монтажа.

В зависимости от сложности ЭС и возможностей объекта эксплуата­ции в герметичный корпус блока устанавливают один или несколько паке­тов модулей первого уровня. Компактные герметичные блоки могут разме­щаться в любом месте объекта эксплуатации, что является преимуществом подобной компоновки, но при этом возрастают длины электрических соеди­нений между блоками. Установка блоков на специально вводимую несущую конструкцию (раму) позволяет разместить блоки компактно в одном месте, уменьшить длины связей, но масса аппаратуры увеличивается за счет рамы.

Необходимо отметить, что в каждом конкретном случае выбор конструк­тивного исполнения блока решается комплексно, и в первую очередь с уче­том ограничений, накладываемых объектом эксплуатации.

1.4. КОНСТРУИРОВАНИЕ МОДУЛЕЙ ТРЕТЬЕГО УРОВНЯ [5]

Ввиду значительных отличий по условиям размещения и экс­плуатации ЭC на различных объектах создание единой БНК третьего уровня (БНК3) вызывает определенные трудности. Тем не менее отдельные конструктивно-технологические решения поддаются унификации, а именно: размеры проемов для размещения БНК второго уровня (БНК2); шаги приращения БНК3 по ширине и высоте; элементы и детали конструкции.

Все габаритные и установочные размеры БНКЗ должны быть кратны размерному модулю 20 мм. Модульная система построения БНК для аппаратуры третьего и четвертого поколений создавалась с учетом опти-мизации размерных рядов различных конструк­тивных уровней; условий меж-видовой унификации; обеспечения вы­сокой технологичности аппаратуры, выполняемой с применением БНК, а также оптимальной компонуемости в различных объектах [7].

В стационарной аппаратуре в качестве базовой принята кон­струкция шкафа, состоящего из верхнего и нижнего оснований, стоек дверных, дверей (передней и задней), угольников и распо­рок. Функциональный ряд БНК3 представляет собой блочный каркас с направляющими, закрепляемый в корпусе БНК3 и предназначенный для установки БНК первого и второго уровней.

В передвижной аппаратуре находят применение две конструк­ции шкафов: с выдвижной стойкой и выдвижными блоками. БНК3 с выдвижными стойками имеет ряд типоразмеров по высоте, соответствующих количеству рядов БНК2, и ряд типораз­меров по ширине в зависимости от количества и размеров по ши­рине стоек, устанавливаемых в них.

Модуль третьего уровня конструктивной иерархии — шкафная стойка, стойка, шкаф — предназначен для установки и коммутации блоков или рам и обеспечения их работоспособности в составе ЭC.

Конструктивной основой любой стойки является каркас, обычно изго­тавливаемый из стального уголкового профиля или труб прямоугольного или квадратного сечений, использование которых по сравнению с уголко­вым профилем позволяет снизить материалоемкость конструкций. На рис. 55 представлен каркас шкафной стойки, который собирается из двух боко­вин 3, нижнего 8 и верхнего 2 оснований каркаса. Боковины и основания сварены из труб прямоугольного и квадратного сечений и в единую конст­рукцию объединяются болтовым соединением. Для этого в трубы боковин и оснований в местах болтовых соединений помещаются вкладыши, имеющие форму и размеры поперечного сечения, равные форме и размерам попереч­ного сечения отверстий труб. Вкладыши обеспечивают тре­буемую жесткость соединения и предохраняют от сминания трубы при завинчивании болтов деталей каркаса. Чаще всего каркас стойки выполняется цельносварным.

На каркасе закрепляются крышка 1 с вентиляционными отверстиями, два боковых щита 4 и подвешиваются дверцы 10 (на рис. 55, а показаны один щит и одна дверца). Для придания жесткости с внутренней стороны поверхности щита и дверцы при­варивается элемент жесткости 5, проходящий по всей высоте дверцы и щита. Щит 4 к бокови­не каркаса 3 закрепляется с внутренней стороны стойки вин­товым соединением. Для этого по периметру боковин 3 каркаса приваривают кронштейны 6, и напротив в соответствующих местах щита — скобы с отвер­стиями под резьбу. Щит подтя­гивается к каркасу и фиксируется по всей плоскости боковины 3.

Дверцы 10 подвешиваются на петлях к подвескам 7 и имеют кнопку-ручку 9, при нажатии на которую защелка выходит из фиксируемого положения и под действием отжимной пружины свободный край дверцы отхо­дит от каркаса. К использова­нию магнитных защелок нужно подходить осторожно, так как при этом неизбежно появление магнитных полей и возможно их влияние на работающую аппаратуру.

Дверцы и щиты должны плотно прилегать к каркасу без щелей, через которые происходит утечка охлаждающего воздуха, а внутрь стойки проникает пыль, внешние электрические, магнитные и электромагнитные поля.

По требованиям техники безопасности, а также из соображений экра­нирования стойки электрическое сопротивление между деталями каркаса, дверцами и щитами должно быть минимальным. Для этого все детали кар­каса, щиты, дверцы электрически объединяют оплеткой экранированного проводника с контактными лепестками «под винтовое соединение» (рис. 55, б).

На детали каркаса привариваются бобышки, на щиты и дверцы — скобы. В бобышках и скобах нарезают резьбовые отверстия, зачищаются до металли­ческого блеска установочные поверхности каким-либо механическим спо­собом и устанавливаются контактные лепестки оплетки. Оплетка, коммути­рующая дверцы, должна иметь некоторое провисание и крепиться в местах подвески, чтобы свободно открывать и закрывать дверцы.

а)

б)

Рис. 55. Каркас шкафной стойки (а): 1 - крышка; 2 - верхнее основание каркаса; 3 - боковина; 4 - щит; 5 - элемент жесткости щита; 6 - кронштейн; 7 - подвеска дверцы; 8 - нижнее основание каркаса; 9 - ручка; 10 – дверца и конструкция заземления стойки (б): 1 - винт; 2 - дверца; 3 - скоба; 4 - основание; 5 - оплетка; 6 - контактный лепесток; 7 - бо­бышка; 8 - боковина; 9 – щит

Принципы построения компоновочных схем шкафных стоек приведе­ны на рис. 56, где стрелками показана входимость (установка) модулей разного уровня. Ячейка 5 является составной частью неразъемного блока 3 и разъемных вставных блоков 4 и 10. Разъемный вставной блок 9 (кассетная конструкция) представляет коммутационную печатную панель с соедините­лем 8 и несколькими печатными платами 7 с микросхемами. Блоки 3, 4, 9, 10 устанавливают либо непосредственно в стойку 1, либо в промежуточный модуль — раму 2, а раму уже монтируют в стойку.

Неразъемные блоки 3 размещают по всей высоте каркаса стойки или рамы и жестко закрепляют. Блоки в стойке коммутируют жгутом, закреп­ляемым на монтажной панели стойки. Этот же жгут подводит сигнальные цепи к соединителям внешней коммутации, размещаемым на боковых по­верхностях или поддоне стойки.

Рис. 56. Принципы компоновки шкафных стоек: 1 - каркас; 2 - рама; 3 - неразъемный блок; 4, 9, 10 - разъемные вставные блоки; 5 - ячейка; 6 - микросхема; 7 - печатная плата в сборе; 8 – соединитель

Установку и закрепление блоков на каркасе стойки, минуя раму, используют, если ячейка 5 имеет длину, позволяющую полезно использо­вать всю глубину стойки (глубина стойки, как правило, варьируется в пределах 600...800 мм). Однако при конструировании ЭС на МС печат­ная плата ячеек может иметь существенно меньшие размеры. При малой длине платы и установке блоков 3, 9 непосредственно в стойку возникает необходимость в использовании стоек малой глубины, которые при ме­ханическом воздействии могут легко упасть. Предотвратить этот недос­таток возможно:

- искусственным увеличением глубины стойки и площади опоры, что приведет к потерям объема стойки и уменьшению плотности компоновки аппаратуры — одного из основных показателей конструкции;

- жестким закреплением основания стойки на объекте эксплуатации;

- использованием блоков 4, 10 с вертикальным продольным располо­жением монтажной панели, позволяющим размещать ячейки по всей глубине стойки;

- установкой рам в стойку.

Компоновка стоек вставными разъемными блоками широко использу­ется при конструировании транспортируемой (бортовой) аппаратуры и сто­ек электропитания. Внешняя коммутация блоков осуществляется прибор­ными или приборно-кабельными соединителями, обеспечивающими быструю замену блоков. Введение приборно-кабельного соединителя обес­печивает работу ЭС при частично выдвинутом или удаленном из стойки для контроля блоке, но приводит к увеличению длин соединений и, как следствие, понижению быстродействия.

Установка на блок приборного соединителя не удлиняет соединений, но для проверки его работоспособности в составе стойки требуются ее отклю-чение; установка блока в переходное устройство, искусственно смещающее ответный соединитель монтажной панели к лицевым панелям блока; вклю-чение аппаратуры и собственно контроль. Подобные действия увеличивают время подготовки для выполнения операций контроля, а введение переходного устройства может привести к искажению сигналов.

При использовании приборно-кабельных соединителей приборная часть соединителя устанавливается на тыльную сторону блока, блок встав­ляется и фиксируется в стойке. В стойке отсутствует монтажная панель, а коммутация блоков обеспечивается кабелями, закрепляемыми в пазах стой­ки на стороне, противоположной лицевым панелям блоков. Ответные части кабельных соединителей вставляются в приборные блоки и фиксируются на блоках.

Главное требование к вставным разъемным блокам — их функцио­нальная и конструктивная законченность. Однако схемы, предназначенные для конструктивной реализации блоками, как правило, имеют разную сте­пень сложности, и если разрабатывать единую конструкцию блока для са­мой сложной схемы, то для менее сложных схем часть конструктивного пространства блоков не будет использоваться. Поэтому в конструкцию стойки вводят основной базовый блок 3, имеющий наибольшие размеры и устанавливаемый по всей ширине каркаса стойки, и частичные вставные блоки 9, 10, составляющие по ширине часть основного, но размещаемые в той же стойке, что и основной.

На рис. 57 приведен пример компоновки стойки частичными встав­ными блоками, установка которых в стойку производится в вводимые и за­крепляемые на каркасе 1 коробчатые конструкции с направляющими 3 или установочные панели для направляющих, жестко фиксируемые на каркасе 1. Направляющие 3 устанавливают по месту в зависимости от размеров, фор­мы и числа размещаемых на одном горизонтальном уровне блоков. Блоки с зазором 20...30 мм устанавливают по высоте каркаса рядами и жестко фик­сируют на коробчатой конструкции 2. Установка основного базового блока подобна установке частичных блоков.

Часто в одной и той же стойке размещаются неразъем­ные и разъемные вставные блоки. Первые, как правило, осуществ­ляют обработку информации, а вторые — охлаждение и снабже­ние электропитанием блоков об­работки информации.

Рис. 57. Компоновка стойки блоками: 1 - каркас стойки; 2 - коробчатая конструк­ция; 3 - направляющая; 4 - базовый блок; 5, 6 - частичные блоки

Рис. 58. Двух- (а) и трехрамная (б) шкафные стойки: 1 - каркас стойки; 2 - подвеска рамы; 3 – рама

Шкафная стойка рамной конструкции компонуется из блоков, глубина которых во мно­го раз меньше глубины каркаса стойки. В этом случае блоки ус­танавливают в промежуточную конструкцию — раму. В стойке размещают несколько рам. Коли­чество рам зависит от глубины стойки и рамы. Глубина рамы несколько больше глубины устанавливаемых в стойку блоков (с учетом объема межблочной коммутации). В единую конструкцию рамы объединя­ются каркасом стойки.

В двухрамной стойке для доступа к монтажным сторонам и лицевым панелям блоков одна из рам или даже обе рамы (рис. 58) выполняют пово­рачивающиеся вокруг оси подвески. При открытых дверцах и рамах, нахо­дящихся в рабочем вдвинутом состоянии, рамы ориентируют монтажными сторонами наружу, что позволяет контролировать сигнальные цепи блоков рамы контрольно-измерительной аппаратурой. Для замены любой из ячеек подвижную раму поворачивают на 90° и фиксируют в данном положении (штрихпунктирная линия на рисунке).

В трехрамной стойке две крайние рамы А и С выполняют поворачи­вающимися, центральную раму В — неподвижной, фиксируемой на каркасе. Для доступа к монтажным сторонам рам А и С достаточно открыть дверцы стойки. Доступ к монтажной стороне рамы В возможен со стороны рамы А при открытой дверце и повернутом на 90° положении этой рамы. При повер­нутом положении рамы С открывается доступ к лицевым панелям рам В и С.

При числе рам в стойке больше трех одна из рам жестко закрепляется на каркасе, остальные выполняются выдвижными и поворачивающимися вокруг подвески.

Коммутацию в стойке рам между собой удобно выполнять плоским объемным или печатным жгутом. Для этой цели со стороны подвески рам на боковой поверхности устанавливают соединители внешней коммутации. Эти же соединители на неподвижной раме можно использовать для межсто­ечной коммутации. В качестве дополнительных соединителей внешней коммутации можно рекомендовать крайние соединители ячеек блоков.

Рамы. Рама в стойке служит для установки и коммутации неразъемных и разъемных вставных блоков. Конструктивной основой рамы является каркас с направляющими. Каркас чаще всего выполняется из нормализованного профиля сварным способом, что придает ему высокую жесткость. На рис. 59 приведена компоновочная схема рамы на шесть блоков. Пять неразъ­емных блоков жестко фиксируются боковинами на каркасе рамы 3, вставной разъемный блок 5 (блок вентиляции) по направляющим вставляется в каркас рамы и фиксируется невыпадающими винтами. На рис. 59 один из неразъемных блоков и блок вентиляции условно показаны выдвинутыми из каркаса. Пунктирные линии позволяют проследить направление установки блоков. В левом верхнем углу рисунка показана форма профиля, из которого выполнен каркас и способ углового соединения вертикального и горизонтального элементов каркаса. Для фиксации рамы в стойке приваривают элементы подвески 2. Если рама неподвижная, то она крепится к каркасу стойки кронштейнами. Нормальный тепловой ре­жим рамы обеспечивается выполнением в гори­зонтальных элементах каркаса отверстий для ох­лаждающего воздуха (входных в нижней части и выходных в верхней).

На конструкцию каркаса рамы оказывают влияние выбранный про­филь, конструкция устанавливаемых блоков. Для придания дополнительной жест-кости в каркас могут быть введены перемычки. Однако основной фор­мой каркаса рамы является параллелепипед с существенно большей высотой и малой глубиной.

Коммутация сигнальных цепей соседних блоков рамы выполняется соединением одноименных выводов коммутационных колодок, размещен­ных на обращенных друг к другу горизонтальных краях монтажных панелей блоков, блоков, расположенных не по соседству, — коммутационными ко­лодками, расположенными у вертикальных краев, и жгутом, ориентирован­ным вертикально и закрепленным на каркасе рамы.

Рис. 59. Рама: 1 - профиль; 2 - элемент под­вески рамы; 3 - каркас рамы; 4 - неразъемный блок; 5 - вставной разъемный блок

Для блоков, расположенных рядом, возможен другой способ комму-тации, когда жгут с соединителями устанавливается не на монтажной стороне рамы, а внутри блоков, как правило, на периферии совместно с ти­повыми элементами замены. Для этого в местах прохода жгутов удаляются направляющие ячеек, вилочные соединители кабеля устанавливаются в от­ветные соединители ячеек. Такой способ коммутации приводит к уменьше­нию числа размещаемых в блоке типовых элементов замены.

Кронштейны с соединителями со стороны подвески рамы осуществ­ляют внешнюю коммутацию рамы. Входные и выходные цепи блоков объ­емным монтажом соединяются с хвостовиками контактов соединителей внешней коммутации. Подвод напряжения питания и нулевого потенциала удобно выполнять узлом, представляющим собой стянутую в единую кон­струкцию систему проводниковых и изолирующих пластин (шин) шириной 20...30 мм, установленных со стороны подвески рамы. В местах отвода на­пряжения питания и нулевого потенциала на проводниковых пластинах должны иметь место контактные лепестки или штыри, к которым коммути­руются объемные проводники, передающие питающее напряжение и нуле­вой потенциал к соответствующей шине питания и земли, но уже блоков.

1.5. РАЦИОНАЛЬНЫЙ ВЫБОР НЕСУЩИХ КОНСТРУКЦИЙ [7]

Рациональный выбор формы блоков. Блоки современных ЭС в зависимости от объема, выделяемого на объекте установки, и конструкции имеют различную конфигурацию и размеры. Они бывают в форме шара, цилиндра, многогранной призмы, прямоугольного параллелепипеда или их частей. Корпуса указанных блоков обычно изготавливают из тонколистового материала одинаковой толщины. Для рационального выбора формы блоков рассмотрим три параметра: приведенную площадь наружной поверхности, коэффициент приведенных площадей и коэффициент заполнения объема

Приведенная площадь Sпр - площадь наружной поверхности, прихо-дящаяся на единицу объема блока любой конфигурации

Sпр = S / V, (14)

где S - наружная поверхность блока, мм²; V - объем блока, мм³.

Так, наружная поверхность S и объем V блока, имеющего форму шара, будут определяться из выражений S = πd ² и V = πd ³/ 6, где d - диаметр шара, мм. Приведенная площадь шара Sпр [1/мм] Sпр = 6πd ²/ πd ³ = 6 / d.

Аналогичным способом определяются значения Sпр и для блоков, имеющих другую конфигурацию. Формулы для определения Sпр для блоков различной конфигурации, используемых в ЭС, приведены в табл. 5.1 [7]. В этой таблице так­же даны значения Sпр для блоков длиной l, равной одному, двум, трем и пяти диаметрам d и стольким же значениям ширины b блоков.

Из рассмотрения указанных данных видно, что, чем Sпр мень­ше, тем форма блока оптимальнее по массе; для шара, полушара и куба значения Sпр являются постоянной величиной, зависящей только от диаметра d или ширины b; при увеличении длины ци­линдра, призм и параллелепипеда значения Sпр уменьшаются; при 1=d=b наиболее оптимальными по массе являются параллелепи­пед, шар, куб, цилиндр и прямая призма. Расчеты показывают, что при одинаковых объемах блока шар имеет минимальное зна­чение Sпр. Тогда коэффициент приведенных площадей Кпр, кото­рый показывает, во сколько раз Sпр любого блока больше Sпр.ш шара, будет

Кпр = Sпр / Sпр ш . (15)

Значения Кпр для блоков различной конфигурации приведены в табл. 5.1 [7], где дается по две величины: для d и b, равных диа­метру шара dш (или его части); для l, равной диаметру dш (или нескольким b). Из таблицы видно, что наилучшие значения Кпр присущи блокам, имеющим форму цилиндра, восьми- и шести­гранника.

Между Sпр и Кпр существует зависимость

Sпр1/Sпр2 = Кпр1/Кпр2,

где индексами 1 и 2 обозначены блоки двух любых конфигураций. Данное соотношение позволяет сравнивать между собой бло­ки любой конфигурации: если отношение (Кпр1/Кпр2)>1, то второй блок более оптимальный по площади наружной поверхности; ес­ли отношение (Кпр1/Кпр2)<1, то первый блок более оптимальный.

Коэффициент заполнения объема Кзо показывает, сколько процентов от объема Vоб, отводимого на объекте, занимает непо­средственно аппаратура Vап, т. е.

Кзо = Vап / Vоб • 100. (16)

Рис. 60. К определению коэффициента заполнения

Для рационального выбора формы блоков рекомендуется пользоваться формулами (14)...(16) и данными табл. 5.1 [7].

Например, объем Vоб, отводимый на объекте, имеет форму прямоугольной призмы (рис. 60, а): Vоб=bbl, а изделие — форму цилиндра Vап= πd²l /4. Их отношение и будет Кзо Аналогичные выражения получаются и для объема Vоб цилиндрической формы (рис. 60, б), в который вставляется аппаратура в виде шестигранной призмы с объемом Vап. Чаще всего под размещение аппаратуры отводится объем, имеющий форму параллелепипеда. Для специфических объектов (буев, искусственных спутников Земли, ракет) обычно используют объем Vоб цилиндрической формы. Значения Кзо для блоков различной конфигурации, размещаемых в объемах, имеющих форму параллелепипеда и цилиндра, приведены в табл. 5.1 [7].

Рациональный выбор профилей несущих конструкций. В тех­нической литературе при выборе наиболее экономичных по пло­щади профилей обычно применяется отношение момента сопро­тивления W к площади сечения профиля F, т. е. W/F, при этом, чем больше отношение, тем профиль более экономичен. Однако такое отношение является размерным (миллиметры) и зависит от размеров элементов профиля, что не позволяет сопоставлять се­чения, имеющие различные формы и размеры.

В [7] приводятся формулы, дающие возможность сопостав­лять различ-ные сечения независимо от формы и габаритов. Для определения рацио-нальных характеристик профилей НК, работа­ющих на изгиб, можно Поль-зоваться следующими формулами:

при расчете на прочность (17)

при расчете на жесткость (18)

где Gпр и Gж — рациональные характеристики профилей; J — мо­мент инерции сечения.

Характеристики различных профилей при работе блока на из­гиб, рассчитанные по (17) и (18), приведены в табл. 14. Из ана­лиза выражений (17) и (18) и табл. 14 можно сделать ряд вы­водов:

1. Чем величины при Gпр и Gж меньше, тем профиль более рацио-нальный по площади, следовательно, и по массе.

2. Величины Gпр и Gж позволяют сравнивать между собой любые профили, имеющие различные формы и размеры. Например, круг­лый профиль (табл. 14) имеет Gж=3,6, а квадратный (с квадрат­ным отверстием при отношении а/А = 0,9) Gж = 1,1. Беря отношение величины Gж круглого профиля и квадратного (с квадратным отверстием), видим, что для обеспечения одной и той же жестко­сти круглый профиль будет иметь в 3,6/1,1=3,27 раза большую площадь сечения.

3. Величины Gпр и Gж позволяют проводить анализ различных профилей для выявления определенных зависимостей. Так, на рис. 61 показана зависимость значений Gж от толщины стенок кольца, из которого видно, что чем стенки тоньше, тем профиль более экономичен по площади (по массе).

Часто на ЭС, устанавливаемые на подвижных объектах, по различным осям действуют различные усилия, которые передаются па элементы НК. Если на деталь действуют различные усилия, то необходимо применять несиммет­ричные профили, рационально выбирая их по осям х и у. Если, например, на балку с несимметричным профилем (рис. 62) относительно оси у—у действует усилие Ру, а относительно оси х—х усилие Рх, то между усилиями Рх и Ру будет зависимость

(19)

где Gжу и Gжх— характеристики профиля при расчете на жесткость по осям у—у и х—х соответственно; n = fх/fу, в которой fх и fу —деформации балки по осям х—х и у—у.

Пользуясь (17)—(19), можно подобрать несимметричный профиль относительно осей х—х и у—у, чтобы он в равной мере воспринимал усилия Рх и Ру.

Таблица 14

Характеристики различных профилей

Рис. 61. Зависимость Gж от толщины стенок кольца

Рис. 62. Несимметричный профиль

Обычно конструктор при разработке новых ЭС всегда рас­сматривает несколько вариантов НК как самого блока, так и отдельных его элементов. Для выбора оптимального по площади (массе) варианта каркаса можно также воспользоваться выраже­нием (18), так как НК блока обычно рассчитываются на жест­кость. Основными НК блоков бывают: каркас 1 (рис. 63, а) с перед­ней панелью 2, который вставляется в кожух 3 по направляющим 4, и каркас 3 (рис. 63, б) с передней 1 и задней 2 панелями, кото­рый закрывается крышками 4 и 5.

Анализ указанных и других блоков, применяемых как в бор­товых, так в наземных и морских ЭС, показывает, что плоскости крепления или симметрии проходят через середину блока (оси Х1—Х1, у—у) или через основание - ось Х2—X2 на рис. 63, в. По­этому расчет характеристик сечений блоков Gбл будем произво­дить относительно осей Х1-Х1, Х2-Х2 и у—у. Характеристики бло­ков различных сечений, рассчитанные по (18), приведены в табл. 5.3 [7].

Снижение массы несущих конструкций. При создании ЭС с минималь-ной массой НК целесообразно придерживаться следую­щих правил:

Простота несущих конструкций.

Оптимальные запасы по прочности. Известно, что допустимое напряже-ние [σ] при расчете деталей на прочность определяется по формуле [σ]=σпр/n, где σпр -предельное напряжение; п — запас прочности.

Рис. 63. НК различных блоков

Увеличение запаса прочности п ведет к неоправданному уве­личению массы деталей, а его уменьшение — к ухудшению на­дежности работы расчетных элементов, а следовательно, всего аппарата. Поэтому запас прочности п необходимо выбирать с учетом вида ЭС и объекта их установки, долговечности, сохраняемости и других параметров аппаратуры.

Равнопрочность деталей. Равнопрочная деталь, работающая на растяжение—сжатие, должна иметь одинаковые напряжения во всех сечениях. Например, в детали, показанной на рис. 64, на­пряжения в сечениях I, II и III будут определяться: σ = Р/bh = 4P / πd² = 4Р/π (d²1-d²2) = const.

Рис. 64. Равнопрочная деталь

При изгибе, кручении и других сложных напряженных состоя­ниях напряжения по сечению распределяются неравномерно. В этом случае равнопрочными считаются детали, у которых напря­жения σ в каждом сечении, определяемые по формуле, будут оди­наковыми, т. е. σ = Ми/Wх = const, где Ми—изгибающий момент, действующий на каждое сечение; Wх — момент сопротивления данного сечения.

Оптимальная жесткость деталей. Жесткость оценивается коэф­фициентом жесткости λ, который для случая растяжения — сжа­тия λр.сж = =EF/l, для случая изгиба λн = АЕJ/l³, где Е — модуль упругости материала; F и l — сечение и длина балки; A — коэф­фициент, зависящий от вида балки и условий нагружения (табл. 15).

Таблица 15

Значения коэффициента А

Условие равножесткости деталей, изготовленных из одинако­вого материала:

для случая растяжения—сжатия λр.сж = F/l = const;

для случая изгиба λи = J/l³ = const.

Из приведенных выражений видно: жесткость зависит от вида балки и нагрузки (коэффициент А лежит в широких пределах от 3 до 192); влияние длины детали невелико для случая растяже­ния—сжатия (жесткость обратно пропорциональна первой сте­пени длины) и значительно при изгибе (жесткость обратно про­порциональна третьей степени длины); на жесткость влияют раз­меры и форма сечения (для случая растяжения—сжатия жест­кость пропорциональна квадрату, а при изгибе — четвертой сте­пени размеров сечения). Поскольку линейные размеры деталей НК определяются габаритами блоков, стоек, шкафов, то жест­кость конструкции будет зависеть от формы и размеров сечений деталей.

Оптимальную жесткость деталей необходимо получать способами, не тре­бующими увеличения массы:

1. В листовых деталях необходимо вводить отбортовки, выдавки, ребра жесткости и другие элементы, повышающие жесткость. Если на листовой детали шириной 100 мм ввести отбортовки I и II (рис. 65, а) и выдавки III и IV, то момент инерции Jх таких деталей в зависимости от высоты h отбортовок и выдавок по сравнению с моментом инерции Jх листа увеличится от десятков до сотен раз (см. рис. 65, б, где кривые I—IV относятся к соответствующим про­филям (рис. 65, а)).

Рис. 65. Отбортовки и выдавки (а) и зависимость ∆Qу от высоты h (б)

2. Для сопряжения стержневых деталей каркасов и рам необходимо вво­дить косынки, которые значительно повышают жесткость последних.

3. Необходимо напряжение изгиба в деталях заменять напряжением растяжения—сжатия, вводя дополнительные стержни. Например, прогиб консоль­ной балки 1, имеющий диаметр d (рис. 66, а), значительно уменьшится, если снизу подпереть ее стержнем 2 (рис. 66, б), который будет работать на сжа­тие. При этом диаметр стержня d1 уменьшится, а общая масса стержней 1 и 2 станет меньше массы стержня с диаметром d.

4. Необходимо широко применять гнутые профили проката, которые изго­тавливаются из листового материала и являются более экономичными по массе по сравнению со стандартными профилями [7].

Выбор формы профилей деталей НК, несущих конструкций блоков и конфигураций передних панелей необходимо проводить с учетом их рациональных характеристик.

Рис. 66. Замена из­гиба балки сжатием

Облегчающие отверстия. Во все детали необходимо вводить облегчающие отверстия, выемки, проточки, чтобы изъять лишний материал, не несущий нагрузки. Часто в деталях ЭС таких, как кожуха, крышки, шасси, перегородки и другие, для снижения массы или улучшения охлаждения выполняют отверстия различ­ной формы. На рис. 67, в показана зависимость выигрыша ∆Qm массы листовых деталей от введения облегчающих отверстий раз­личных размеров, где а — размеры квадратного отверстия (рис. 67, а) a d — диаметр круглого отверстия (рис. 67, б). Из рис. 67, в видно, что выигрыш ∆Qm составляет от 28 до 78 %.

Рис. 67. Облегчающие отверстия (а) и (б) и зависимость ∆Qm от размеров облегчающих отверстий (в): 1 - для квадратных отверстий; 2 - для круг­лых отверстий

Выбор материалов. Материалы НК необходимо выбирать с учетом удельных прочности и жесткости или обобщенного коэф­фициента [7]. Удельная прочность определяется из выражения , гдеσ0,2 — условный предел текучести, представляю­щий собой напряжение, вызывающее в испытываемом образце остаточную деформацию 0,2%; ρ — плотность материала.

Удельная жесткость определяется как Еуд=Е/ρ . Обобщенный коэф-фициент пред­ставляет собой произведение удельных прочности и жесткости; Коб = σуд Еуд = σ0,2Е/ρ². Значения указанных показателей для раз­личных материалов приведены в табл. 16.

При выборе материала деталей, работающих на прочность, необходимо пользоваться значениями σуд, работающими на жест­кость - Еуд. Поскольку значения Еуд для ряда материалов от­личаются незначительно, при выборе материалов необходимо пользоваться обобщенным коэффициентом Коб, который характеризует способность материалов нести наиболее высокие нагруз­ки при наименьших деформациях и массе.

Таблица 16

Показатели прочности и жесткости различных материалов

Материалы	σ0,2,	,	, кг/м³	σуд		Коб
Стали углеродистые стали легированные	200—500	200	7,85	63,7	25,4	162
	600-1200			152,8		388
Титановые сплавы	600—1200	115	4,5	266	25,5	678
Алюминие-вые сплавы	250-450	70	2.8	160	25	400
Магниевые сплавы	150-250	40	1,8	138	22.2	306
Стеклоплас-тик	270—400	30	1,8	222	16,6	368

Выбор покрытий. Обычно конструкторы при выборе как галь­ванических, так и лакокрасочных покрытий не обращают внимание на их массу, а она составляет существенный процент от общей массы деталей. В табл. 17 даны значения массы покрытия в про­центах от массы листа из различных материалов, имеющего пло­щадь 1 м² и толщину 1 мм. Из таблицы видно, что суммарная масса гальванических и лакокрасочных покрытий составляет от 8,1 до 55,5 % от массы покрываемого материала.

Таблица 17

Масса различных покрытий

Материал	Гальванические покрытия		Лакокрасочное покрытие		Масса гальванического и лакокрасоч-ного покрытия по отно­шению к массе ма­териала, %
	Вид покрытия	Масса по­крытия по отношению к массе ма­териала, %	Вид покрытия	Масса по­крытия по отноше­нию к массе ма­териала, %
Стали угле­родистые	Кадмиевое Никелевое Серебряное	6,6 9,6 10,2	Эмаль МЛ-12 с подслоем грунта	1,5	8,1 11,1 1,7
Титановые сплавы	Серебряное	8		2,6	10,6
Алюминие-вые сплавы	Кадмиевое Никелевое Серебряное	27,4 16 25		4.3	31,7 20,3 29,3
Магниевые сплавы	Кадмиевое Никелевое Серебряное	47,5 47.7 49		6,5	54 54.2 55,5

Сравнение различных вариантов конструкции. В процессе конструирования необходимо сравнивать различные варианты конструкций и их элементов, выбирая вариант, имеющий мини­мальную массу. Для сравнения можно пользоваться формулами относительно выигрыша ΔQm (в процентах) от уменьшения мас­сы. При сравнении двух вариантов конструкции ΔQm = =(1—m2/m1) · 100, где m1 и m2 — масса конструкции первого и второго вариантов. Если известна масса Δm, на которую можно умень­шить конструкцию, то ΔQm = Δm/m1 · 100.

Этими же формулами можно пользоваться при сравнении ва­риантов конструкций по объему V, площади S и длине L, тогда вместо m1, m2 и Δm необходимо подставлять значения соответст­вующих величин.

Направляющие в несущих конструкциях. Направляющими называют-ся детали или их части, обеспечива­ющие такое подвижное соединение, при котором одна деталь под действием приложенной силы перемещается относительно другой по определенной траектории. Перемещающаяся деталь направля­ющих называется ползуном.

В НК ЭС чаще всего применяются направляющие для прямо­линейного движения. Например, блок 1 из стойки 2 выдвигается с помощью телескопических направляющих 3, а ячейка 4 — с по­мощью направляющих 5 (рис. 68). В направляющих с трением скольжения при перемещении тела 1 со скоростью V по телу 2 (рис. 69, а) от действия силы Р возникает сила трения скольже­ния F, которая определяется из выражения

(20)

где N — сила нормального давления одного тела на другое; f — коэффициент трения скольжения, значения которого для различ­ных материалов даны в табл. 18.

Рис. 68. Стойка

Рис. 69. Схемы направляющих

Реакция R при этом отклоняет­ся на угол р, для которого tgρ=f. Для предотвращения заклини­вания (самоторможения) ползуна в направляющих при разработ­ке вдвигаемых устройств ЭС необходимо соблюдать определен­ную зависимость между силами, приложенными к устройству, коэффициентом трения и размера­ми ползуна и направляющих.

Рассмотрим два примера.

На рис. 69, б показана расчетная схема направляющей 1 и ползуна 2 для случая, когда движущая сила Р парал­лельна оси направляющей, но смещена на расстояние h, а сила полезного со­противления Q направлена по оси сим­метрии направляющей.

При равномерном движении (V=const) должны соблюдаться условия равновесия

Ph—NL=0;

P—Q—2F=0.

Из первого равенства определяем опорные реакции: V==Ph/L. Зная коэф­фициент трения f, силу Q и размеры h и L, можно определить движущую силу: P=Q+2F=Q+2fN==Q+2Pfh/L, от­куда

P = Q/(l —2fh/L).

Таблица 18

Значения коэффициента трения скольжения

Материалы	Сталь конструкционная	Сталь инструментальная	Сталь хромоникелевая	Латунь	Бронза оловянистая	Алюминиевый сплав		Текстолит		Гетинакс		Резина
Сталь конс-трук­ционная	0,18	0,16	0,15	0,19	0,16	0,2		0,22		0.20		0,5… 0.8
Сталь инст-рументаль-ная	0.16	0,17	0,17	0,14	0,15		0,17		0,22	0,25	0,5... 0.8
Латунь Бронза оловянная Алюминие-вый сплав	0,19 0,16 0,20	0,14 0,15 0,17	0.16 0,15 0,21	0,17 0,16 0,26	0,16 0.20 0,22		0,22 0,22 0,22		0,23 0,23 0,30	0,28 0,26 0,29	- - -
Алюминий Карболит Капрон Тефлон	0,18 0,22 - -	0,17 0,25 0,17 0.06	0.16 - - -	0,17 0,30 - -	0,22 0,25 - -		0.22 0,27 - -		- - - -	- - - -	- - - -
Примечание. Коэффициенты трения, приведенные в таблице, соответствуют движению тел при отсутствии между ними смазки. Наличие смазки снижает коэффициент трения примерно в 1,5...2 раза. не, сое снижа зчеетст ет коз вуют д»и-ффвцненг

Заклинивание ползуна происходит при условии Р = ∞, тогда 1—2fh/L=0, откуда критическое значение отношения (h/L)кр=l/2f. Допустимое значение отношения h/L<1/2fК, где К — коэффициент запаса против заклинивания, значения которого для плоских призматических направляющих принимают К=5.

На рис. 69, в изображена расчетная схема направляющей 1 и ползуна 2 для случая, когда движущая сила Р направлена под углом γ к оси симметрии направляющих и точка приложения ее к ползуну находится за пределами направляющих.

Составляем систему уравнений равновесия ползуна:

Решая систему, получаем

откуда критический угол давления, при котором P= ∞,

Рекомендуется принимать γ max ≤30˚.

Схема восьми видов направляющих, которые можно класси­фицировать по форме рабочих поверхностей ползуна направляю­щей и по конструктивному выполнению, показана на рис. 70, где а — печатная плата, б — прилив на корпусе устройства; в — боковые поверхности устройства; г — ползун с полукруглым па­зом; д — ползун с прямоугольным пазом; е — штырь; А и В — направляющие с прямоугольным пазом (узким и широким соот­ветственно); Б — упругая направляющая; Г — полукруглая на­правляющая; Д —прямо-угольная направляющая; Е — втулка.

Рис. 70. Классификация Рис. 71. Конструктивные виды

направляющих направляющих

По конструкции направляющие бывают: индивидуальные, при­меняемые для одного ползуна (рис. 71, а); групповые, рассчитан­ные на несколько ползунов (рис. 71, б), и совмещенные, выпол­няющие несколько функций, например с ответной частью разъема (рис. 71, в). Направляющие изго-тавливают из различных пласт­масс, сортов стали (в том числе и нержавеющей), алюминиевых сплавов. Упругие направляющие (вид Б на рис. 70) делают из пружинной стали, из нагартованной латуни и бронзы.

Обычно все металлические детали НК имеют гальванические или химические покрытия. Металлические направляющие также должны обладать указанными покрытиями. Для уменьшения из­носа трущихся поверхностей они должны быть износоустойчивы­ми. К таким покрытиям относятся: хромирование, химическое ни­келирование, твердое анодирование, эматали-рование и др.

Эматалирование - электрохимическое оксидирование алюминиевых сплавов для получения непрозрачной эмалевидной пленки молочного цвета.