車載電子機(jī)柜的緩沖設(shè)計(jì)

朱繼元

(桂林電子科技大學(xué)信息科技學(xué)院，廣西 桂林 541004)

高科技戰(zhàn)爭(zhēng)越來(lái)越依賴于電子技術(shù)，為了滿足電子系統(tǒng)的高度集成化要求，電子設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)廣泛采用了柜式結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)造價(jià)低廉，安裝簡(jiǎn)便，并且和插入組件易于配合。在車載的環(huán)境下，由于地面的凸凹不平，使結(jié)構(gòu)受到振動(dòng)沖擊作用，從而使電子機(jī)柜結(jié)構(gòu)疲勞和強(qiáng)度下降。有文獻(xiàn)報(bào)道了在一些雷達(dá)電子設(shè)備中，沖擊引起的故障約占振動(dòng)引起故障的1/4。

為了克服沖擊對(duì)電子機(jī)柜的破壞，工程實(shí)際中常常是通過對(duì)電子機(jī)柜進(jìn)行加固設(shè)計(jì)和采用緩沖設(shè)計(jì)，來(lái)保證電子機(jī)柜的正常工作。加固設(shè)計(jì)的成本通常較高，而采用緩沖設(shè)計(jì)，不但可以有效地抑制沖擊的破壞作用，而且調(diào)整方便，工作可靠，成本經(jīng)濟(jì)，因而在生產(chǎn)實(shí)踐中應(yīng)用較為廣泛。

1 電子機(jī)柜的理論模型

如圖1所示，為電子機(jī)柜的結(jié)構(gòu)圖，電子機(jī)柜的總質(zhì)量為m、隔振器的彈簧剛度為k、阻尼為c，如果僅考慮垂直方向的振動(dòng)特性時(shí)，便可以將其簡(jiǎn)化為如圖2所示的力學(xué)模型[1]，其力學(xué)模型為一個(gè)質(zhì)量m、一個(gè)線性阻尼元件c和一個(gè)線性彈簧k組成的單自由度系統(tǒng)。

圖1 電子機(jī)柜的結(jié)構(gòu)圖

圖2 電子機(jī)柜的力學(xué)模型

從而得電子機(jī)柜的位移[1]

由式（2）可得電子機(jī)柜的位移

式中，

2 電子機(jī)柜的無(wú)阻尼緩沖設(shè)計(jì)

當(dāng)電子機(jī)柜的阻尼為0時(shí)，阻尼比為ζ=0，此時(shí)式(1)和式(3)可化為

于是最大變形量和最在加速度可表示為

由式(7)可知，如果輸入的階躍速度不變，系統(tǒng)的固有頻率越低，則電子機(jī)柜所受到的沖擊加速度越小，此時(shí)緩沖效率也越高；但由式(6)可知，輸入的階躍速度不變，系統(tǒng)的固有頻率越低，緩沖系統(tǒng)的最大變形量就越大。由此可知，緩沖效率高而變形量小的緩沖系統(tǒng)是不存在的，提高緩沖效率是以增大變形量為代價(jià)的，為了取得良好的緩沖效果，緩沖系統(tǒng)要能產(chǎn)生較大的變形，容許電子機(jī)柜產(chǎn)生較大的相對(duì)位移。

但由于工作性能及結(jié)構(gòu)要求或受空間的限制，電子機(jī)柜不容許產(chǎn)生較大的相對(duì)位移，在這種情況下，如果滿足變形條件，緩沖效率就受到了限制，如果此時(shí)緩沖效率滿足不了設(shè)計(jì)要求，就不能用上述方法來(lái)進(jìn)行緩沖設(shè)計(jì)，必須采用其他方法或?qū)⒕彌_系統(tǒng)設(shè)計(jì)成非線性的[4]。

3 電子機(jī)柜的阻尼緩沖設(shè)計(jì)

可以求得出現(xiàn)最大加速度幅值的時(shí)刻tmax，

將式(10)代入式(8)和式(9)可得

由式(11)和式(12)可知，當(dāng)輸入的階躍速度不變時(shí)，當(dāng)阻尼比為一確定值時(shí)，最大變形量是固有頻率的函數(shù)，當(dāng)取阻尼比為0.4時(shí)，這時(shí)，可以得到如圖3和圖4的曲線圖。

圖3 最大變形量隨固有頻率變化曲線圖

圖4 最大加速度隨固有頻率變化曲線圖

由圖3和圖4可知，當(dāng)輸入階躍速度和阻尼比不變時(shí)，最大變形量隨固有頻率的增大而減小，而最大加速度隨固有頻率的增大而增大，這和無(wú)阻尼的情況一致。這意味著較小沖擊傳遞率的情況下，緩沖系統(tǒng)的變形往往滿足不了條件，滿足了緩沖變形條件，又得不到最理想的傳遞率。所以在進(jìn)行電子機(jī)柜緩沖設(shè)計(jì)時(shí)，在滿足緩沖的變形條件下，設(shè)計(jì)機(jī)柜的剛度和強(qiáng)度。

為了討論阻尼比對(duì)最大變形量的影響，在式(8)中把 ωnt看作自變量，把看作因變量，可以得到如圖5所示的曲線圖。討論阻尼比對(duì)加速度的影響，在式（9）中把 ωnt看作自變量，把看作因變量，可以得到如圖6所示的曲線圖。

圖5 阻尼比對(duì)變形量的影響

圖6 阻尼比對(duì)加速度的影響

由圖5可知，當(dāng)輸入階躍速度和系統(tǒng)的固有頻率不變時(shí)，阻尼比越小，緩沖系統(tǒng)的變形量越大，沖擊持續(xù)的時(shí)間就會(huì)越長(zhǎng)。所以在緩沖設(shè)計(jì)時(shí)，增大阻尼比，可以減小緩沖系統(tǒng)的變形量。而由圖6可知，當(dāng)輸入階躍速度和系統(tǒng)的固有頻率不變時(shí)，阻尼比取的過大或過小，加速度的值都比較大。由此可見，存在最優(yōu)阻尼比。對(duì)式(12)對(duì)阻尼比求導(dǎo)，并令其等于0，對(duì)其進(jìn)行數(shù)值求解，得到當(dāng)沖擊的持續(xù)時(shí)間較短時(shí)，阻尼比取在0.265附近時(shí)，電子機(jī)柜的最大加速度最小。

4 結(jié)束語(yǔ)

無(wú)阻尼緩沖設(shè)計(jì)時(shí)，系統(tǒng)的固有頻率越低，則電子機(jī)柜所受到的沖擊加速度越小，此時(shí)緩沖效率也越高，而此時(shí)緩沖系統(tǒng)的最大變形量就越大；而在有阻尼緩沖設(shè)計(jì)時(shí)，系統(tǒng)固有頻率的影響和無(wú)阻尼的情況相同，系統(tǒng)的固有頻率越低，電子機(jī)柜的受到加速度越小，緩沖系統(tǒng)的變形越大。而阻尼比的增大，可以減小緩沖系統(tǒng)的變形量，阻尼比的過大或過小，都會(huì)使加速度值較大，當(dāng)阻尼比取在0.265附近時(shí)，電子機(jī)柜的最大加速度最小。

[1]季 馨．電子設(shè)備振動(dòng)分析與試驗(yàn)[Z]．南京：東南大學(xué)出版社，1992.

[2]魯守來(lái)，季馨譯．電子設(shè)備振動(dòng)分析[Z]．南京：南京工學(xué)院241教研組，1983.

[3]丁文鏡．減振理論[M]．北京：清華大學(xué)出版社，1988.

[4]馬志宏，李金國(guó)．軍用裝備抗振動(dòng)、抗沖擊設(shè)計(jì)方法[J]．裝備環(huán)境工程，2006，(10)：70-73.