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 f_о 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

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 K_g = 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

Р_p*= mK_gg/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

Р_л =QP*_p =741 Н/м,

а изгибающее напряжение

σ = P_Д l²(h/2)/(2bh³/12) = 3P_Д 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.