Защита конструкции от механических воздействий
Лекция №14. Защита конструкции от механических воздействий Часть 3.
Приклеивая компоненты к плате, в значительной степени улучшают надежность паяных соединений. Защитное лаковое покрытие толщиной 0,1...0,25 мм жестко фиксирует компоненты и увеличивает надежность ЭА.
Механические напряжения на паяные соединения от воздействия вибраций можно уменьшить:
• увеличением резонансных частот, что позволяет уменьшить прогиб платы (в выражении для расчета прогиба платы у0 = 254GQ/f02, мм собственная частота fо находится в знаменателе; G — внешнее воздействие; Q — добротность платы);
• увеличением диаметра контактных площадок, что повышает прочность сцепления контактной площадки с платой;
• подгибом и укладыванием выводов элементов на контактную площадку, что увеличивает длину и прочность сцепления паяного соединения (рис. 4.8);
• уменьшением добротности платы на резонансе ее демпфированием многослойным покрытием лака.
При расчетах на прочность электронные элементы приводятся к расчетным моделям рам, для которых задаются условия закрепления и определяются усилия отрыва и изгибающие моменты. Добротность печатной платы Q в первом приближении может быть оценена по выражению Q = (0,5...2,0) , где f0 – низшая собственная частота печатной платы, Гц. При проектировании методом наихудшего случая, когда требуется определить наибольшие нагрузки и прогиб, численный коэффициент следует взять максимальным.
Рекомендуемые материалы
При вибрациях ПП прогибаются и при малых зазорах между платами, например в блоке, возможно их соударение и, как следствие, короткие замыкания между элементами, а затем их механическое разрушение. Минимальный шаг установки плат должен выбираться с учетом прогиба плат и превышать его максимально возможную величину.
Таблица 4.3. Экспериментальные данные собственных частот ПП
Размеры ПП, мм | 35 | 70 | 140 | Толщина ПП, мм |
Собственная частота, Гц | ||||
25 | 2780 | 2070 | 2260 | 1,0 |
5100 | 3800 | 3640 | 1,5 | |
50 | 1400 | 690 | 520 | 1,0 |
2600 | 1270 | 955 | 1,5 | |
75 | 1120 | 450 | 265 | 1,0 |
2030 | 830 | 490 | 1,5 |
В табл. 4.3 приведены экспериментальные данные по собственным частотам ПП в зависимости от их линейных размеров. Материал плат – стеклотекстолит, монтаж элементов – двусторонний, фиксация платы – по всему периметру. Чтобы собственные частоты превысили границы верхнего диапазона частот внешних воздействий, необходимо увеличивать толщину или уменьшать ширину (длину) платы.
Фиксация крепежных элементов
При воздействии вибраций возможно отвинчивание крепежных элементов, для предотвращения которого вводят фиксаторы, увеличивают силы трения, устанавливают крепеж на краску и пр. При выборе методов фиксации крепежных элементов должны учитываться следующие соображения:
• обеспечение прочности соединения при заданных нагрузках и климатических воздействий;
• быстрота выполнения соединения, его стоимость;
• последствия, к которым приведет отказ соединения;
• срок службы.
При выборе крепежных элементов следует принимать во внимание возможность замены износившихся или поврежденных деталей, использовать вместо винтовых пар быстро сочленяемые элементы: петли, защелки, собачки и пр. Болты должны быть ориентированы головкой вверх, чтобы при отвинчивании гайки болты оказывались на установочном месте. Рекомендуется применять несколько больших крепежных деталей вместо большого числа маленьких. Число оборотов, необходимых для затягивания или отпускания винта, должно быть не менее 10.
Крепежные элементы могут фиксироваться различными способами. Например, пружинная шайба фиксирует гайку или головку винта и устанавливается между гайкой или головкой винта и поверхностью соединяемой детали. Для предохранения от соскабливания покрытий соединяемых деталей острой режущей частью пружинной шайбы между ней и поверхностью детали устанавливается плоская шайба. Разновидностью пружинной шайбы является зубчатая пружинная шайба. Зубцы шайбы ориентируются по внешней или внутренней поверхности. В первом случае детали фиксируются надежно, не вызывая повреждение поверхности тела винта. После затягивания гайки участок стопорной шайбы, противоположный стопору, отгибают, прижимая его к поверхности гайки. В отверстие, просверленное после затягивания гайки, устанавливают штифт. Корончатая (прорезная) гайка фиксируется шплинтом, проходящим через отверстие в теле болта. В головках болтов просверливаются отверстия, через которые протягивается и закручивается страховочная проволока. Гайка с деформированной резьбой в верхней своей части при затягивании фиксируется трением на резьбе болта (нижняя часть гайки имеет цилиндрическое отверстие и нормальную резьбу). Применяется фиксация болта двумя гайками. Условие надежной фиксации: нижняя гайка должна плотно прилегать к контргайке. Используются перфорированные элементы, действующие как самоконтрящаяся гайка. Крепежные элементы устанавливаются на краску, когда головка винта и шайба, болт и гайка фиксируются краской
Расчет срока службы конструкции
При колебаниях в конструкциях возникают переменные напряжения и конструкции могут разрушаться при нагрузках, значительно меньших предельной статической прочности материалов из-за появления микротрещин, на рост которых влияют особенности кристаллической структуры материалов, концентрации напряжений в углах микротрещин, условий окружающей среды. По мере развития микротрещин поперечное сечение детали ослабляется и в некоторый момент достигает критической величины — конструкция разрушается.
Если масса изделия не является критическим фактором, то конструкцию упрочняют, используя материалы с запасом, избегают введения отверстий, надсечек, сварных швов, ведут расчеты конструкций методом наихудшего случая.
Срок службы конструкции при вибровоздействиях определяется числом циклов до разрушения, которое может выдержать конструкция при заданном уровне механической нагрузки и внешних условиях. Усталостные характеристики материалов выявляются на группе образцов при знакопеременной повторяющейся нагрузке σ как функции от числа циклов п.
При определении срока службы вычисляются собственные частоты и динамические напряжения в конструкции. Затем по усталостной характеристике материала для найденного значения динамического напряжения находят число циклов до разрушения и срок службы.
Пример. Определить срок службы теплоотвода из алюминиевого сплава массой 30 г, на котором установлены 4 диода мостовой выпрямительной схемы вторичного источника питания общей массой 60 г. Конструкция подвергается вибрационным нагрузкам ортогонально установочной плоскости диодов с перегрузкой Kg = 10. Для алюминиевого сплава модуль упругости Е = 68,7· 109 Н/м.
Резонансную частоту теплоотвода для равномерно распределенной нагрузки можно определить по формуле
Общая масса конструкции включает массу пластины и диодов и составляет 90 г. Нагрузка на теплоотвод
Рp*= mKgg/l= 0,09 · 10 · 9,81/0,09 = 98,1 Н/м;
момент инерции сечения
j = bh3/12 = 0,06(2 · 10'3)3/12 = 0,04 · 109 м4;
собственная частота теплоотвода
f0 = 0,5√68,7 · 10' · 0,04·10-9 · 9,81/98,1/0,092 = 36,5 Гц.
Для определения динамической нагрузки на резонансе необходимо знать добротность системы, которую определим по приближенной формуле
.
Динамическая нагрузка на теплоотвод определяется из выражения
Рл =QP*p =741 Н/м,
а изгибающее напряжение
σ = PД l2(h/2)/(2bh3/12) = 3PД l2/(bh2) » 7 · 107 Н/м2.
Таким образом, конструкция выдержит до разрушения около 106 циклов, что соответствует сроку службы или более трех часов непрерывной работы.
Конструкционные материалы
Конструкционный материал должен удовлетворять заданными механическими и физическими свойствами, обладать легкостью в обработке, коррозионной стойкостью, низкой стоимостью, иметь максимальное отношение прочности к массе и пр.
Как говорилось выше, основой любой ЭА является несущая конструкция (НК), обеспечивающая его конструктивную целостность и защиту от механических воздействий. В зависимости от сложности НК выполняют в виде единой детали либо составной, включающей несколько деталей, объединенных в единую конструкцию разъемными или неразъемными соединениями.
Основное назначение конструкционных материалов – нести нагрузку, передавать усилия, скреплять, удерживать, предохранять от разрушений. Задача конструктора — выбрать из доступных материалов такие, которые в наилучшей степени удовлетворяют конструктивным требованиям.
Минимизация массы – важнейшее условие конструирования переносной, передвижной и бортовой ЭА. Снижение массы аппаратуры позволяет уменьшить габариты, расходы материалов, затраты на производство и эксплуатацию, себестоимость изделий.
В микроминиатюрной аппаратуре масса несущих конструкций достигает 70 % от общей массы ЭА. Основной путь к снижению массы изделий – облегчение несущих конструкций при одновременном обеспечении ими требований прочности и жесткости. Для этого необходимо:
Люди также интересуются этой лекцией: Общее представление о методе наблюдения.
• из нескольких возможных вариантов НК выделять решения, позволяющие получить минимум массы конструкции;
• выбирать материалы деталей с учетом удельной прочности и жесткости, используя легкие сплавы и неметаллы;
• придавать деталям равную прочность в каждом сечении;
• вводить отверстия, выемки, проточки, удаляя из деталей материал, не несущий нагрузку;
• вводить ребра жесткости, отбортовки, выдавки.