肖训华电子设备的振动和冲击隔离设计

肖训华：电子设备的振动和冲击隔离设计当刚性连接的机箱、机柜、显控台无法满足环境试验要求时，可安装隔振系统帮助设备过关。但在大多数情况下，是为了通过隔振系统降低设备受到的振动冲击激励量值，为设备提供较好的力学环境，从而提高设备的安全性、可靠性和使用寿命。当无军品级商品时，在保证设备正常工作的前提下，可采用低一级(如用工业级代替军品级)元器件来降低设备成本。提高设备结构设计水平和提高设备抗振抗冲击能力是首位的，必须克服完全寄希望于隔振系统的错误设计思想。(一)电子产品振动冲击设计现有的标准两大标准体系：1、民(商用)标准体系-(国际电工委员会)标准体系当今国内外在环境适应性规范和标准上有许多标准和方法,但归纳起来为二大体系：一类是以IEC(国际电工委员会)为主体的国际通用的民用(商用)产品的环境适应性规范和标准体系,它是国际贸易中民用(商用)产品的环境适应性水平要求的共同语言、统一准则，它是以欧洲资本主义国家为主导制订的，可以说它是欧洲资本主义国家环境适应性现状和水平的反映。我国自80年代开始采用等效或等同的方法先后将TC50(环境试验)、TC75(环境条件)制订(转化)成环境适应性试验国标(GB/T2423系列标准)与环境适应性条件国标(GB/T4798系列标准)。国标与IEC标准的特点是：环境适应性条件系列化、模拟试验方法(程序)经典、试验再现性高、不确定度好。2、军标体系另一类是军用产品的环境适应性规范和标准体系，最有代表性为美国的MIL标准和英国国防部07-55标准。我国自80年代开始采用等效或等同的方法先后将相同专业的美国MIL标准转换为我国军标，美国军标的特点是工程应用性好，特别是标准中的环境条件要求来自同类产品的平台环境条件。(二)环境适应性的设计内容电子设备在运输、储存和使用过程中要经受到多种多样的、错综复杂的环境条件。按对影响产品的环境因素来分，有下面几种环境因素：①气候条件;②机械条件;③生物条件;④辐射条件;⑤化学活性物质;⑥机械活性物质。1、按对环境适应性设计专业可分为：①耐高低温设计;②防潮设计;③抗振与缓冲设计④防生物侵害设计;⑤防腐蚀设计;⑥防尘、⑦防雨(水)设计;⑧防太阳辐射设计。2、环境适应性设计步骤(1)确定产品寿命期的环境剖面(2)明确产品的平台环境条件(3)制订环境适应性设计准则(4)环境适应性设计输入验证(5)环境适应性设计评审(三)设计方法任何电子产品都是有众多的元器件、模块、组件、单元等组成，无论它们是大是小，都是要通过结构设计将其安装起来，才能形成所需的功能和性能。对此就需解决三个问题。其一：选用符合抗振缓冲要求的元器件、模块、组件、单元其二：进行抗振缓冲击结构设计其三：采用符合抗振缓冲击要求的安装工艺1、采用符合抗振缓冲要求的结构与工艺a、材料的选用对抗振缓冲而言,材料的选用除考虑静态应力外,更主要根据振动与冲击对结构及支撐所产的动态应力和动态变形来考虑，若所产生的动态应力和动态变形在材料允許的安全工作应力范围，则不需特别设计，若超过则要采取措施，例如：加強、減低慣性矩与弯曲矩效应、或者更进一步的加上支撐构件。假如这些方法还不能將应力減低至安全要求以下，更进一步的办法是減低应力的方法是采用減震裝置。b、紧固件的选用对要经受振动与冲击的紧固件，不能单考虑靜态安裝。更主要的是考虑动态强度。c、元器件的安装从国内外元器件失效分析资料表明，有近一半元器件失效并非由于元器件本身固有质量不高，而是由于使用者对元器件选择不当或缺乏抗振缓冲安装知识造成的1振动与冲击对元器件的影响振动与冲击对元器件的影响主要表现在三方面：(a)振动冲击的作用力超过了元器件的极限承受能力;(b)由于设计不当引起共振，造成元器件过高的响应而导损伤;(c)疲劳损坏，即虽然振动和冲击加速度未超过极限值，但在长时间的作用下，产品及其元器件，零部件因疲劳作用而降低了强度，最后导致损坏。2安装方式、方法及位置元器件的抗振动与冲击的强度随安装方式、方法及位置不同而有很大差别，在电子设备的初步设计阶段，就应当明确振动与冲击的要求，以便合理的确定电路和结构设计方案，选择合适的电子元器件(包括了解和计算元器件的固有频率等)及其安装方法，正确确定机械结构的强度、刚性、质量分布和阻尼大小等。1)分离元器件的安装元器件卧式安装元器件卧式安装可以提高其固有频率，卧装抗振能力强，为提高抗振与缓冲能力，卧装可紧贴安装板，也可垫上橡皮、塑料、纤维、毛毡安装等;还可用环氧树脂固定。对于小型电阻、电容器尽可能卧装，并在元器件与底版间填充橡皮或用硅橡胶封装分离元器件的安装-元器件竖直安装方式元器件竖直安装方式有些小型设备为了充分利用空间，提高组装密度，如弹载设备，多采用竖直安装方式，用这种安装方式，抗振与缓冲能力比紧贴印制板卧式安装要差许多，若用于恶劣环境条件，必须采用固定措施，为了提高其抗振能力，立装应尽量剪短引线。(1)分离元器件的安装-元器件价加固安装元器件价加固用固封材料固封将元器件部分或全部固封起来，例如环氧树脂、硅胶等，可以较大的提高元器件抗振动与冲击的能力晶体管的安装功率晶体管一般采用立装，为了提高其本身能抗冲击和振动能力，可以卧装、倒装，并用弹簧夹、护圈或粘胶(如硅胶、环氧树脂)固定在印刷板上。大功率晶体管应与散热器一起用螺栓固定在底板或机壳上。(2)集成电路、半导体器件的安装(a)失效率低又无需调整的集成电路，应直接焊在印制板上，这样不仅抗振性能好，而且减少了接插件，提高了整机可靠性。(b)需要经常调整的模拟电路，在调整中容易损坏的，可以采用插座，如用于恶劣环境条件中，应用适当地粘牢，避免振动时脱落。(c)集成电路元件，一定要注意贴面安装，降低集成电路的安装高度，安装高度应控制在7～9㎜之内。(d)对于不同的半导体器件，安装方法应不同，对于带插座的晶体管和集成电路应压上护圈，护圈用螺拴紧固在底座上。对于有焊接引线的晶体管，可以采取卧装，专用弹簧夹，护夹、护圈或涂料(如硅橡胶)固定在印制板上。(3)其它元件的安装-大质量元器件安装(a)重量大于15g的元器件，对大的电阻、电容器则需用附加紧固装置。变压器、继电器、电位器、晶体等;较重的元器件应尽量靠近支架安装;并尽量安装在较低的部位，变压器应尽量安装在产品的底层，利用变压器铁心的穿心螺栓将框架和铁心牢固地固定在底板上，其螺栓应有防松装置。(b)对活动装置，如接插件、组合件、门等应有可靠的紧固装置;4)引线要求(c)尽量将几根导线编扎在一起，并用线夹作分段固定，以提高其固有频率，降低振动的惯性力，提高抗冲击振动能力。但单线连接有时是不可避免的，这时使用多股导线比单股硬导线好，跳线不能过紧也不能过松。若过紧，在振动时由于没有缓冲而易造成脱焊或拉断。为提高离散的的电器元件的安装刚性，尽量缩短引线的长度，注意贴面的焊接，并用环氧树脂胶或聚氨脂胶点封在安装板上。为避免电阻器和电容器谐振，在安装时一般采取用剪短引线来提高其固有频率使之远离干扰频谱。(5)衬垫与距离(d)安装因振动易损坏的元件时，如陶瓷等较脆元件及其他较脆弱的元件和金属件联接时，应有减振装置，与金属件连接时，要垫上橡皮，塑胶、毛毯等减震衬垫材料;(e)元器件之间应有足够的距离，以免振动时发生短路或互相磨擦致损;(6)冗余与制动装置(f)可调元件如电位器等应有紧固措施;即所有调谐元件应有固定制动装置，使调谐元器件在振动和冲击时不会自行移动。(g)继电器类元件的安装，应使触点的动作方向，尽量不要同振动方向一致，如有必要，可安装两个互相垂直的继电器并联使用，以防止纵向、横向振动失效,即采用冗余设计;(h)质量较大、有一定悬臂的器件应加机械固定或用胶灌封，以免其局部共振引起电气焊点受力较大而断裂拉开。(i)对于插接式的元器件，其纵轴方向应与振动冲击方向一致，同时，应加设盖帽或管罩压紧防止振动与冲击过程中的松动。(7)加固安装(j)质量较大、有一定悬臂的器件应加机械固定或用胶灌封，以免其局部共振引起电气焊点受力较大而断裂拉开。(k)对于插接式的元器件，其纵轴方向应与振动冲击方向一致，同时，应加设盖帽或管罩压紧防止振动与冲击过程中的松动。4印制电路板设计印制电路板较薄，易于弯曲，所以印制板应尽量采用小板结构，电路板最佳形状为矩形，长宽比为3∶2或4∶3。电路板面尺寸大于200x150mm时.应考虑电路板所受的机械强度，即尺寸较大的应有中间加强措施。印制板四周边应尽量无自由边，以提高印制组件的固有频率，避免低频谐振。(a)印制电路板上元器件的安装位于电路板边缘的元器件，离电路板边缘一般不小于2mm。焊盘中心孔要比器件引线直径稍大一些。焊盘太大易形成虚焊，受到振动与冲击后会产生接触不良。焊盘外径D一般不小于(d+1.2)mm，其中d为引线孔径。对高密度的数字电路，焊盘最小直径可取(d+1.0)mm。印制电路板上元器件的安装重量超过15g的元器件、或每一引头重量超过7克及直径超过1.3厘时应夹紧或用其它方法固定在印制电路板上，然后焊接，以防止振动而引起疲劳断裂。印制电路板上元器件的安装还可见上面有关元器件、集成电路、半导体器件的安装等的安装要求。印制电路板缓冲设计只要要考虑两个方面问题，一是印制电路板的尺寸，二是印制电路板安装固定方式。印制电路板尺寸印制电路板尺寸越大，其谐振频率就越低，防振特性也越差。如板面尺寸过大，必须对其进行加固设计，如增设肋条并将大而中的元器件尽可能安置在印制电路板的近固定端，以提高装配板固有频率，增加防振能力。但也并非尺寸越小越好，还要兼顾其它特性，进行权衡设计，如果印制电路板尺寸过小，不能安装下整个完整电路，对装调会带来困难，不便维修更换。同时，还会增加板数和接插件，从而减低印制电路板的抗振缓冲性能，因为板数和接插件必然增加受振动与冲击后松动地方。印制电路板抗振安装印制电路板在产品中应平行于振动与冲击方向安装，尽量避免垂直于振动与冲击方向安装。如果三个方向要同时经受到振动与冲击，则应垂直于振动与冲击最小的方向。降低印制板上的振动影响。除采用约束阻尼处理技术外，如印制板上的插座与固定的插槽一定要紧配合。另外，还可以通过改变印制板的尺寸，安装形式，元件在印制板上排列来改善印制板上的振动冲击环境。