19 in型材機(jī)箱結(jié)構(gòu)分析及優(yōu)化研究

周錦華

（上海惠安系統(tǒng)控制有限公司，上海 200233）

0 引言

19 in機(jī)箱泛指裝設(shè)在19 in機(jī)柜內(nèi)的電子設(shè)備，為能夠裝在機(jī)柜內(nèi)，電子設(shè)備外形設(shè)計(jì)成長(zhǎng)方體并遵守特定高度的限制。GB/T 19520系列標(biāo)準(zhǔn)對(duì)電子設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu)19 in系列機(jī)械結(jié)構(gòu)尺寸的面板、機(jī)架、格距、插箱等尺寸均有詳細(xì)的規(guī)定，統(tǒng)一了19 in電子設(shè)備儀器外形尺寸，便于快速組裝抽換，利于維護(hù)[1]。

19 in機(jī)箱按結(jié)構(gòu)分為鈑金機(jī)箱和型材機(jī)箱。近年來(lái)隨著電子工業(yè)的發(fā)展，型材機(jī)箱已被廣泛使用在電子設(shè)備上。由于采用了型板，機(jī)加工工作量小，工藝簡(jiǎn)單，機(jī)箱的強(qiáng)度與剛度均較好[2]。

19 in型材機(jī)箱結(jié)構(gòu)影響因素主要有：橫梁結(jié)構(gòu)和配合的導(dǎo)軌安裝方式。19 in型材機(jī)箱使用的橫梁和配合使用的導(dǎo)軌有多種，本文運(yùn)用SolidWorks Simulation Press軟件對(duì)不同的橫梁進(jìn)行強(qiáng)度校核、受力分析對(duì)比，結(jié)合配合的導(dǎo)軌安裝方式，提出合理優(yōu)化的橫梁結(jié)構(gòu)和導(dǎo)軌安裝方式。

1 型材橫梁分析

1.1 機(jī)箱結(jié)構(gòu)

19 in型材機(jī)箱整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由前面板、橫梁、側(cè)板、耳板、蓋板、導(dǎo)軌、總線板安裝條等零部件組成，其中橫梁是關(guān)鍵零件之一，橫梁的強(qiáng)度直接關(guān)系到機(jī)箱的強(qiáng)度和模塊的插拔是否順暢[3]。

圖1 19 in型材機(jī)箱整體結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 橫梁受力

機(jī)箱內(nèi)橫梁受力主要來(lái)自兩個(gè)方面：一方面橫梁兩端面受力（以下簡(jiǎn)稱端面受力），即機(jī)箱兩側(cè)板固定安裝的壓力；另一方面橫梁的承重力（以下簡(jiǎn)稱承重力），即插入模塊通過(guò)橫梁上的導(dǎo)軌傳遞給橫梁的壓力。

運(yùn)用SolidWorks Simulation Press 應(yīng)力分析軟件對(duì)3種不同結(jié)構(gòu)的橫梁進(jìn)行端面和承重力應(yīng)力分析。基礎(chǔ)條件：橫梁長(zhǎng)度L=431.73 mm，材料：鋁合金6063-T5。橫梁受力分別如圖2、圖3所示[4]。

1）端面受力。橫梁兩端面的螺紋孔固定，橫梁兩側(cè)面垂直向內(nèi)施加F1=10 N，如圖2所示，以橫梁1為例。

圖2 端面受力示意圖

2）承重受力。橫梁兩端面固定，安裝導(dǎo)軌面垂直向下施加F2=50 N，如圖3所示，以橫梁1為例。

圖3 承重受力示意

1.3 橫梁應(yīng)力分析

3種結(jié)構(gòu)橫梁應(yīng)力分析數(shù)據(jù)、變形圖和最大變形量，以及最低安全系數(shù)FOS，如表1所示。

通過(guò)受力分析，SolidWorks Simulation Press應(yīng)力分析軟件模擬的橫梁的變形圖和最大變形量數(shù)據(jù)分析，橫梁前后寬度越寬，抗彎強(qiáng)度越高，同時(shí)側(cè)面2個(gè)定位孔比1個(gè)定位孔固定更穩(wěn)定，避免安裝橫梁出現(xiàn)橫梁旋轉(zhuǎn)的問(wèn)題。

從表1可以得出，無(wú)論是側(cè)面受力還是承重受力，橫梁3變形量最小，同時(shí)2個(gè)孔安裝比1孔安裝更穩(wěn)定外，機(jī)箱的變形量更小。

表1 橫梁受力分析

2 導(dǎo)軌分析

2.1 導(dǎo)軌的安裝偏移和變形

圖1所示導(dǎo)軌固定在機(jī)箱的橫梁上, 主要在X方向發(fā)生偏移，在Y方向產(chǎn)生變形。

1）X方向偏移。X方向上導(dǎo)軌安裝變形有2個(gè)偏移。

a.偏移1。如圖4所示，機(jī)箱后視圖中第5根導(dǎo)軌上下位置在X方向的位置應(yīng)一致，距離第一根導(dǎo)軌距離均為116.84，但實(shí)際上因加工誤差和安裝誤差等因素，第5根導(dǎo)軌上下會(huì)發(fā)生錯(cuò)位，第5根導(dǎo)軌（上）距離第一根導(dǎo)軌距離為116.81-d1，第5根導(dǎo)軌（下）距離第一根導(dǎo)軌距離為116.81+d2，最終第5根導(dǎo)軌上、下2根導(dǎo)軌之間的距離錯(cuò)位d1+d2。上下鏡像對(duì)稱安裝的2根導(dǎo)軌在X方向發(fā)生偏移。

b.偏移2。圖4中剖視圖A-A中，第5根導(dǎo)軌（下）一端固定在中下橫梁，另一端固定在后下橫梁，同理，因加工誤差和安裝誤差等因素，造成第5根導(dǎo)軌（下）兩端頭在X方向位置偏移，偏移距離為d3+d4。本應(yīng)垂直X軸安裝的導(dǎo)軌發(fā)生角度偏移。

以上2個(gè)方面引起了導(dǎo)軌偏移，導(dǎo)致插入模塊不能垂直插入機(jī)箱，模塊斜插入機(jī)箱進(jìn)行配合，從而造成模塊變形、配合困難和插拔困難。插入模塊的變形，對(duì)模塊有損傷的同時(shí)，同時(shí)對(duì)導(dǎo)軌有應(yīng)力作用，偏移越大，插拔越困難，內(nèi)應(yīng)力越大。

2）Y方向變形。導(dǎo)軌是標(biāo)準(zhǔn)零件，安裝距離是定值，如圖4中剖視圖A-A中，Z方向上導(dǎo)軌安裝尺寸A是有尺寸要求的。圖5是安裝尺寸等于導(dǎo)軌安裝距離示意圖。

圖4 X方向?qū)к壸冃?/p>

圖5 安裝尺寸等于導(dǎo)軌安裝距離示意圖

導(dǎo)軌安裝尺寸A不滿足導(dǎo)軌的安裝要求，都會(huì)引起導(dǎo)軌在Y方向的變形，從而影響機(jī)箱的變形和插件的安裝。

a.安裝距離＞導(dǎo)軌安裝距離。導(dǎo)軌受拉力安裝在橫梁上，導(dǎo)軌發(fā)生變形，兩頭翹起（如圖6），導(dǎo)致Y方向上下導(dǎo)軌兩頭之間插拔模塊的距離變小，模塊插入上下導(dǎo)軌組成的導(dǎo)槽發(fā)生困難。同時(shí)固定在橫梁上變形的導(dǎo)軌為恢復(fù)自身的長(zhǎng)度，產(chǎn)生對(duì)橫梁的拉力，機(jī)箱產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，使機(jī)箱發(fā)生變形，進(jìn)一步導(dǎo)致插件插拔困難。

圖6 安裝尺寸大于導(dǎo)軌安裝距離示意圖

b.安裝距離＜導(dǎo)軌安裝距離。導(dǎo)軌受壓力安裝在橫梁上，導(dǎo)軌發(fā)生變形，中間凹陷（如圖7），導(dǎo)致Y方向上下導(dǎo)軌中間部位插拔模塊的距離變小，模塊插入上下導(dǎo)軌組成的導(dǎo)槽后，因上下導(dǎo)軌之間間隙越來(lái)越小，插拔越來(lái)越困難，甚至引起模塊卡死現(xiàn)象。同時(shí)固定在橫梁上變形的導(dǎo)軌為恢復(fù)自身的長(zhǎng)度，對(duì)橫梁產(chǎn)生推力，機(jī)箱產(chǎn)生應(yīng)內(nèi)力，使機(jī)箱發(fā)生變形，更進(jìn)一步導(dǎo)致模塊插拔困難。

圖7 安裝尺寸小于導(dǎo)軌安裝距離示意圖

X、Y兩個(gè)方向的變形是導(dǎo)軌變形的兩個(gè)主要問(wèn)題，解決導(dǎo)軌兩個(gè)方向變形，機(jī)箱內(nèi)變形會(huì)改善，模塊插拔更順暢。

2.2 常用導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)和安裝

常用導(dǎo)軌有3種，對(duì)應(yīng)安裝不同結(jié)構(gòu)的橫梁上。

1）導(dǎo)軌1。對(duì)應(yīng)安裝在橫梁1上（如圖8），導(dǎo)軌1通過(guò)與橫梁上3孔以及側(cè)面卡扣進(jìn)行定位安裝。優(yōu)點(diǎn)：固定牢固，不容易松動(dòng)。缺點(diǎn)：a.導(dǎo)軌安裝固定尺寸對(duì)機(jī)箱加工和裝配的要求較高；b.導(dǎo)軌在X、Y方向變形無(wú)補(bǔ)償，加工、裝配產(chǎn)生的偏差或積累誤差只能通過(guò)導(dǎo)軌變形來(lái)實(shí)現(xiàn)。導(dǎo)軌變形，機(jī)箱內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)力使插拔困難。

圖8 導(dǎo)軌1安裝在橫梁1上

2）導(dǎo)軌2。對(duì)應(yīng)安裝在橫梁2上（如圖9），導(dǎo)軌2通過(guò)卡扣結(jié)構(gòu)固定在橫梁方孔上，在Z方向間隙配合，導(dǎo)軌在Z方向上可以小范圍移動(dòng)。

圖9 導(dǎo)軌2安裝在橫梁2上

優(yōu)點(diǎn)：a.固定牢固，不容易松動(dòng)；b.因Z方向的間隙配合，導(dǎo)軌Y方向變形得到補(bǔ)償，導(dǎo)軌基本不發(fā)生變形，對(duì)橫梁不會(huì)產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。缺點(diǎn)：a.導(dǎo)軌安裝固定尺寸對(duì)機(jī)箱加工和裝配的X方向上要求稍高；b.導(dǎo)軌X方向無(wú)補(bǔ)償，X方向上的加工、裝配產(chǎn)生的偏差或積累誤差只能通過(guò)導(dǎo)軌變形來(lái)實(shí)現(xiàn)。導(dǎo)軌變形，機(jī)箱內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)力使插拔困難。

3）導(dǎo)軌3。以卡槽形式固定在橫梁的導(dǎo)軌安裝條上，間接固定在橫梁3上（如圖10）。導(dǎo)軌安裝條在橫梁的卡槽間X方向和Z方向均間隙配合。

圖10 導(dǎo)軌3安裝在橫梁3上

優(yōu)點(diǎn)：a.導(dǎo)軌安裝方便；b.因X方向和Z方向的間隙配合，導(dǎo)軌在X、Y方向均得到補(bǔ)償，導(dǎo)軌基本不變形，導(dǎo)軌安裝后不受力，處于自然狀態(tài)，機(jī)箱內(nèi)無(wú)內(nèi)應(yīng)力，機(jī)箱變形最??；c.插件插拔、配合順利。缺點(diǎn)：增加開模的導(dǎo)軌安裝條零件。

2.3 最優(yōu)導(dǎo)軌選擇

通過(guò)導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)和安裝分析，以及各導(dǎo)軌優(yōu)缺點(diǎn)的對(duì)比，得出導(dǎo)軌3最佳。

3結(jié)論

綜合橫梁受力分析、導(dǎo)軌的變形和結(jié)構(gòu)安裝，得出：橫梁3+導(dǎo)軌3是最佳結(jié)構(gòu)方式。

橫梁3采用2點(diǎn)定位，橫梁安裝時(shí)不旋轉(zhuǎn)，同時(shí)同等受力環(huán)境下變形量最小。導(dǎo)軌3固定橫梁3上，加工、裝配產(chǎn)生的偏差或積累誤差在X、Y方向均可得到補(bǔ)償，對(duì)機(jī)箱加工精度要求不高，導(dǎo)軌基本不變形，機(jī)箱內(nèi)應(yīng)力變形最小。導(dǎo)軌不會(huì)對(duì)插拔模塊有應(yīng)力作用而造成損傷，插拔模塊基本無(wú)變形。

4 結(jié)語(yǔ)

本文綜合機(jī)箱橫梁和導(dǎo)軌安裝，優(yōu)化出合適的型材機(jī)箱的橫梁和導(dǎo)軌安裝方式，為機(jī)箱設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。優(yōu)化后的機(jī)箱在實(shí)際使用中，機(jī)箱結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，插拔更加方便，完全符合優(yōu)化設(shè)計(jì)的要求。