4. Система базовых несущих конструкций электронной аппаратуры.
Несущие конструкции первого уровня.
Выбор варианта конструкции ячейки определяется тактико-техническими требованиями на аппаратуру. По своему конструктивному назначению ячейки, как правило, предназначены для установки в блоки, поэтому выбор варианта конструктивного исполнения ячейки характеризуется вариантом исполнения блока. Существуют три основных варианта исполнения блоков:
- разъемная - наиболее применяемая;
- книжная;
- кассетная - низкая технологичность.
Книжная конструкция применяется для аппаратуры, типовой элемент замены (ТЭЗ) которой не ниже уровня блока. Это обуславливается большим временем, необходимым для замены ячейки, так как межблочная электрическая коммуникация выполняется с помощью паяного, трудно демонтируемого соединения.
|
Рис.1 Классификация конструкций ячеек. |
Конструктивно ячейки подразделяются по различиям в несущих конструкциях, заключающихся в наличии или отсутствии рамок, предназначенных для улучшения эксплуатационных параметров, а в некоторых случаях для исключения деформаций печатных плат ячеек, возникающих в процессе как установки, так и эксплуатации под действием внешней среды. Выбор варианта исполнения ячейки (рамочный, безрамочный) учитывается на первом этапе проектирования. |
|
|
Нпп - толщина ПП; Нс - высота электрического соединителя; H э - высота элементов (установка ИС, МСБ, и других РЭА); Нм - высота пайки элементов или высота механических элементов(рамка, крепеж); Нк - высота элемента крепления или контроля ячейки; hя - шаг установки ячейки в блоке; Ня - высота ячейки при Нк < Нс; Ня +Нк - высота ячейки при Нк > Нс; Ня max - наибольшее значение высоты ячейки с учетом допусков Н к. |
Основные конструктивно-технологические зоны для одноплатной ячейки:
S' и S'' - монтажные зоны (установка ИС, МСБ, и других ЭРЭ); S1 - зона установки электрического соединителя и его коммутаций; S2 - зона расположения элементов крепления ячейки или элементов контроля; S3; S4 - конструктивно - технологическая зона, предназначена для установки ячеек в блок; S5 - дополнительная зона крепления ячейки при больших типоразмерах ПП.
Рациональный выбор конструкции ячейки начинают с выбора типа ПП (ДПП, МПП), а, следовательно, и метода изготовления. Выбранный метод характеризует вариант установки элементов двух или односторонний. Односторонняя установка элементов также определяется элементной базой, т.е. конструкцией корпуса ИС с планарными или штырьковыми выводами.
Выбор метода изготовления ПП и технологическое оборудование их производства накладывают ограничения на типоразмеры ПП. При выборе размеров руководствуются ГОСТ 10317-79 и ОСТ 4ГО.410.224-84. Наибольшее распространение получили платы с размерами: 170200 и 360200 - для трехуровневой компоновки "ячейка - блок - шкаф"; 170280 - для двухуровневой компоновки "ячейка - шкаф".
Элементы соединений ячеек в блоках (внутриблочная электрическая коммуникация) выполняется с помощью разъемных электрических соединителей, гибких шлейфов, плоских кабелей и монтажных проводов. Элементы электрических соединений выбираются в зависимости от эксплуатационных требований варианта конструкции ячейки (разъемная, книжная), конструктивно-технологических требований, габаритных размеров соединителя, и необходимого числа контактов соединителя.
Базовые несущие конструкции ячеек.
Базовые несущие конструкции ячеек - предусматривают межвидовую унификацию для различных видов аппаратуры. Чтобы осуществить правильный выбор БНК установлена следующая классификация:
Рис. Система обозначения БНК первого уровня (ячейки) .
В случае принадлежности БНК-1 к определенной аппаратуре вместо "У" проставляется обозначение соответствующего вида аппаратуры:
1- стационарные ЭВМ; 2- аппаратура дискретной автоматики; 3- аппаратура стационарная (кроме ЭВМ); 4- аппаратура стационарная, устанавливаемая на колесные шасси; 5- аппаратура стационарная устанавливаемая на самоходные шасси; 6- морская аппаратура; 7- самолетная аппаратура;
Типы конструкций:
1 - безрамочные; 2 - рамочное исполнение; различные конструкции рамок, теплоотвод шин и т.д.
Типоразмер: различие только в линейных размерах с сохранением конструктивного.
Несущие конструкции второго уровня (НК 2).
Выбор варианта конструкции блока и компоновка ячеек в блоке, а также взаимное расположение других конструктивных зон должны осуществляться исходя из технических требований, анализа основных определяющих факторов, специфичных для разрабатываемой ЭВА (надежность, долговечность, ремонтопригодность, тепловые режимы и т.д.).
В основном блоки конструируются прямоугольной формы.
Наиболее трудоемкими в процессе проектирования блоков являются:
1) выбор рационального варианта компоновки ячеек в блоке;
2) обеспечение минимальной длины цепей электрической коммуникации;
3) нормальных тепловых режимов блоков;
4) разработка или выбор БНК блока, которая обеспечивает в сою очередь два первых требования.
Следует отметить, что БНК-2 блоков предназначаются для размещения, механического крепления, защиты от механических перегрузок и внешних воздействий ячеек, а также блоков в шкафах, стойках, стеллажах. Элементы НК должны обеспечивать надежное крепление ячеек, а также минимальную массу, максимальное использование однотипных деталей и их унификацию.
Материалы и покрытия должны выбираться в зависимости от назначения и условий эксплуатации аппаратуры. Элементы БНК-2 изготавливаются литьем под давлением, штамповкой, прессованием и сваркой профильных материалов. В последнее время широкое применение получают профильно-сборные конструкции, что обуславливается ростом номенклатуры прессованных профилей и их низкой себестоимостью.
Компоновочные схемы и конструкции блоков.
Под компоновкой блоков понимают взаимную ориентацию ячеек или других конструктивных зон (электрической коммуникации, механических элементов и т.п.) в заданном объеме блока. По эксплуатационному назначению всю РЭА можно разбить на три основных класса: аэрокосмическая; морская; наземная.
Каждый класс делится на группы, характеризующие место установки (носитель) для конкретной аппаратуры.
Требования по механическим воздействиям влияют на выбор зазоров между ячейками с учетом деформаций ПП ячеек, элементов НК (рамки, ребра жесткости и т.д.), элементов крепления (приливы, кронштейны, шарниры 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.
Следующим фактором (основным), влияющим на габариты блока, является применяемая элементная база и число элементов, размещаемых в блоке. Элементы электрических соединений в блоках влияют на размеры зон электрической коммуникации, которые делятся на межблочные и внутриблочные.
Межблочные соединения могут осуществляться: жгутовыми соединениями с помощью объемных проводов, разъемами, соединителями, ГПШ или ГПК и коммутационной ПП.
Электрические соединители в ячейках занимают в блоках зону, равную 25...35 мм, что увеличивает одну из сторон блока в зависимости от выбранного варианта компоновки. Жгутовые соединения, ГПК и коммутационные платы увеличивают габариты корпуса блока на 15...20 мм в двух взаимно перпендикулярных направлениях.
Для обеспечения в блоках РЭА нормального теплового режима применяются различные системы охлаждения в зависимости от температуры окружающей среды, максимально допустимой температуры РЭА, варианта исполнения корпуса блока и варианта конструкции и компоновки ячеек в блоке.
Воздушная система охлаждения при естественной конвекции вызывает необходимость выполнения зазоров между ячейками 6...8 мм, для обеспечения теплового режима внутри блока. При принудительном охлаждении зазор уменьшается до 2 мм, но объем блока увеличивается на 10...15% за счет установки вентилятора или воздуховодов.
Применение кондуктивных теплостоков (радиаторов, теплоотводящих шин и т.д.) увеличивает габариты блоков на 20...25%.
Особое внимание следует обратить на габариты блоков и конструктивное исполнение вариантов компоновок ячеек и зоны внутриблочной электрической коммутации в полезном объеме блока.
Полезный объем блока можно условно представить в виде двух объемов.
V1 - объем, занимаемый функциональными ячейками;
V2 - объем, занимаемый под элементы электрического соединения и их электрический монтаж;
При рассмотрении вариантов компоновок I,III,V,VI следует отметить, что для книжных конструкций предпочтительнее варианты IV и V, так как данные конструкции должны иметь относительно небольшое количество ПП, по сравнению с разъемными конструкциями, что связано с невозможностью достаточного раскрыва ячеек.
При естественной конвекции для блоков разъемной конструкции применяют вариант компоновки I.
При необходимости использования принудительного охлаждения в разъемных конструкциях применяется вариант компоновки III.
Рис. Схема компоновки блоков.
L, H, B - длина, высота , ширина.
Lk, Hk, Bk - части блока занимаемые элементами внутриблочного электрического соединителя (коммутации).
При естественной конвекции в книжных конструкциях используются вариант компоновки V. При необходимости принудительного охлаждения с условием установки вентилятора на заднюю или лицевую панель блока для варианта II, IV и при обеспечении воздушного потока снизу для варианта V.
На выбор варианта компоновки оказывает влияние число выходных контактов с ПП ячейки. С этой точки зрения для разъемной конструкции предпочтительным является вариант I и для книжной конструкции - V. При использовании вариантов компоновки I и V уменьшается полезный объем, поэтому на данном этапе проектирования блоков РЭА следует идти на компромисс.
Выполнение требований, предъявляемых к блокам в отношении их конструктивного исполнения, габаритов и других параметров, учитывающих внешние воздействия (климатические, механические и т.д.), обеспечивает возможность создания аппаратуры с межвидовой унификацией на уровне блоков.
В основу унифицированной БНК-2 второго уровня заложена универсальная часть корпуса, применяемая в блоках всех видов аппаратуры.
Рис. Условная классификация БНК второго уровня.
Классификация аналогична классификации ячеек.
Базовые несущие конструкции третьего уровня.
Ввиду значительных отклонений по условиям размещения и эксплуатации РЭА на различных объектах, создание единой БНК-3 вызывает определенные трудности. Тем не менее, отдельные конструктивно-технические решения поддаются унификации, а именно:
1) размеры проемов для размещения БНК 2;
2) шаг приращения БНК 3 по ширине и высоте;
3) элементы и детали конструкции.
Все габаритные и установочные размеры БНК-3 должны быть кратными размерному модулю 20 мм.
Модульная система построения БНК для аппаратуры третьего и четвертого поколений создается с учетом оптимизации типоразмерных рядов различных конструктивных уровней, условий межвидовой унификации, обеспечения высокой технологичности аппаратуры, выполняемой с применением БНК, а также оптимальной компануемости в различных объектах.