Анализ элементной базы по условиям эксплуатации

Оглавление

Введение	2

1 Техническое задание на разработку	3

1.1 Наименование, назначение и область применения.	3

1.1.1 Наименование	3

2 Анализ технического задания	5

3 Конструкторский анализ электрической схемы блока	7

3.1 Анализ электрической принципиальной схемы	7

3.2 Анализ элементной базы по условиям эксплуатации	7

4 Компоновка блока	10

4.1 Расчет ожидаемых объема и массы блока	10

5 Разработка конструкции блока	13

5.1 Выбор метода конструирования	13

5.2 Выбор компоновочной схемы блока	13

5.3 Выбор способа охлаждения блока	14

5.4 Разработка конструкции функциональной ячейки	15

5.5 Выбор основных материалов	16

5.5.1 Выбор материала печатных плат	16

5.5.2 Выбор материалов для изготовления корпуса	17

5.6 Описание конструкции блока	17

6 Расчет показателей качества конструкции	19

6.1 Расчет вибропрочности блока	19

6.2 Расчет теплового режима блока	21

6.2.1 Определение тепловой модели блока	21

6.2.2 Расчет среднеповерхностной температуры корпуса	21

6.3 Расчет массогабаритных  показателей конструкции	24

Заключение	26

Библиографический список	27

Нормативные ссылки	28



	

Введение

Универсальное устройство управления (УУУ) содержит в себе функции нескольких устройств, которые сильно облегчают жизнь людям, автоматизируя жилую площадь.

	УУУ имеет такие функции, как:

	Отображение времени в формате «чч - мм - сс» (время автоматически синхронизируется с компьютером, к которому устройство подключено по USB-интерфейсу).

	5 будильников с возможностью подключения внешнего, более громкого сигнализатора (например, рупора). Все настройки будильников можно сохранять во встроенной энергонезависимой памяти, которая имеет до 1000000 циклов записи/стирания.

	2 термометра (минус 55С …плюс 125С) с 8-каннальным  термостатом (термостаты не автономные).

	Управление 8 нагрузками (лампы, люстры, насосы, электромоторы и другие электроприборы) с помощью пульта дистанционного управления (ПДУ) или компьютера. 

Целью данной работы является разработка конструкции устройства удаленного управления. В ходе работы должен быть проведен конструкторский анализ электрической схемы, разработана конструкция печатного узла и всего изделия в целом. Также должен быть проведен анализ вибропрочности печатного узла и расчёт массогабаритных показателей конструкции.




Техническое задание на разработку

Наименование, назначение и область применения.

 Наименование

	Устройство удалённого управления (далее в тексте УУУ).

 Назначение.

	Предназначено для удаленного управления функциями будильник, термометр, нагрузки (лампы, насосы, электроприборы), а так же с помощью пульта дистанционного управления можно управлять функциями windows.

 Область применения 

	Наземные ЭС.

Основание для разработки

	Основанием разработки является задание на курсовое проектирование, выданное на кафедре Арзамасского Политехнического Института (Арзамасского Филиала Нижегородского Государственного Технического Университета им. Р.Е. Алексеева) и утвержденное приказом 

			по вузу от «__».2017г №	

	Источник разработки

		http://eldigi.ru/site/house/29.php

	Цель выполнения разработки

		Целью работы является разработка конструкции блока устройства удаленного управления.



Тактико-технические требования

	 Состав изделия:

	-блок устройства удаленного управления;

	-инструкция по применению;

	-паспорт.

. Показатели назначения:

	-питание от химических элементов питания с выходным напряжением 5В; питание через USB.

		-максимальное время готовности - 1 с;

	максимальная потребляемая мощность - 0,15 Вт;

 Требования к конструкции

	Устройство должно иметь моноблочное исполнение.



	Условия эксплуатации

 Диапазон рабочих температур от минус10°С до плюс 50°С.

	Относительная влажность 80% при 25°С.

	Вибрации 1-80 Гц, максимальное ускорение 3g.

	Потребляемая мощность 0,4 Вт.

	Требования к транспортировке и хранению

	Устройство в упаковочной таре (заводской упаковке) должно храниться при температуре от минус 10 до плюс50 °С.

Изделие должно сохранять свои характеристики при хранении в течении 15 лет.

Устройство, упакованное в транспортную тару должно сохранять работоспособность после транспортирования любым видом транспорта без ограничения расстояния.

Транспортная тара должна быть изготовлена согласно ГОСТ 17527-2003.

	Требование к ремонтопригодности

Блок относится к восстанавливаемым и ремонтируемым изделиям. Ремонт допускается проводить на предприятии-изготовителе или на специальной ремонтной базе.

	Требования к эргономике

Блок должен быть удобен в эксплуатации.

 Требования к элементной базе и комплектующим изделиям.

В изделии допускается применение комплектующих зарубежного производства.

 Требования к стандартизации и унификации

Изделие должно быть разработано с максимальным использованием стандартизованных и нормализованных деталей, узлов и конструктивных изделий.

Все элементы конструкции выполнять в соответствии с государственными стандартами.

	Требования к безопасности

Согласно ГОСТ Р 52161.1-2004 прибор должен быть сконструирован так, чтоб при нормальной эксплуатации он работал безопасно, чтобы не возникала опасность для работающего с ним человека и окружающей среды, даже в случае небрежного обращения с прибором, возможного при эксплуатации.

Пробор должен быть сконструирован так чтоб была достаточная защита пользователя от случайного контакта с токоведущими частями.

Материалы изделия не должны выделять токсичных, вредных для здоровья человека веществ.

Внешний вид и качество покрытий должны соответствовать нормам. Номенклатура материалов, применяемых в изделии, должна быть минимально возможной и соответствовать требованиям стандартов и действующим ограничительным перечням.

Корпус изделия не должен содержать острых углов и элементов, во избежание травмирования пользователя.




Анализ технического задания

Блок устройства удаленного управления входит в состав наземной переносной ЭС. Т.к. конструкция блока переносная, то устройство будет подвергаться вибрациям. Но, исходя из специфики работы прибора, его элементы не подвергаются большим вибрациям и нагрузкам, поэтому дополнительных мер защиты от механических воздействий не требуется.

Учитывая то, что устройство является наземной ЭС и эксплуатируется при комнатных условиях, то защиты от климатических воздействий оно не требует. К тому же отсутствие покрытия снижает долю вероятности появления паразитных емкостей, поскольку диэлектрическая проницаемость лака в шесть раз больше воздуха. Среда с меньшей проницаемостью, в свою очередь, позволяет обеспечить лучшую помехоустойчивость устройства и электромагнитную совместимость (ЭМС).

Выбор материала корпуса необходимо вести с учетом основных параметров (масса, теплопроводность, прочность, безопасность, и себестоимость). Выбор типа корпуса по защите от внешних воздействий (герметичный или негерметичный) важен, т.к. напрямую зависит стоимость изделия. Т.к. разрабатываемый блок будет эксплуатироваться в помещениях, то следует разрабатывать негерметичный корпус.

Для защиты от влияния внешних электрических и магнитных полей для блока целесообразно использовать металлический корпус, так же это улучшит теплообмен с окружающей средой.

Высокую надежность аппаратуры можно обеспечить за счет использования элементной базы высокой степени интеграции и минимизации числа электрических соединений между функциональными ячейками блока. Это достигается на этапе выбора элементной базы и при разукрупнении электрической схемы блока на функциональные узлы.

При современных типовых методиках изготовления печатных плат целесообразно использовать двусторонний фольгированный диэлектрик, это позволит значительно упростить технологический процесс трассировки проводящего рисунка, уменьшить габариты платы и обеспечить лучшие условия по ЭМС. Выбор диэлектрика как основного материала печатной платы основывается на его свойствах и требованиях, предъявляемых к печатной плате. Наиболее доступными материалами на сегодняшний день остаются такие диэлектрики как стеклотекстолит и гетинакс. Материал печатной платы необходимо выбрать в процессе разработки, в ходе анализа свойств материала диэлектрика.

Исходя из особенностей использования данного устройства необходимо разработать конструкцию блока так, чтоб она отвечала требованиям эргономики. Чтобы избежать возникновения бликов, поверхность корпуса должна быть матовой. Цвет корпуса необходимо выбрать таким образом, чтобы он оказывал благоприятное воздействие на оператора. Надписи на корпусе должны быть хорошо видимыми, легко читаемыми и нестираемыми. Блок должен обеспечивать надежное считывание информации при заданных в ТЗ условиях. Пользоваться устройством можно в любой момент времени.

Время готовности к работе блока после включения питания не более 1 с. Масса и габариты конструкции не велики, что позволяет с легкостью переносить устройство.

Существует два различных подхода к разрабатываемой конструкции ЭС: Метод моноконструкций предполагает реализацию конструкции в виде моноблока на основе оригинальной несущей конструкции (НК). Его использование наиболее характерно для ракетных ЭС, к которым предъявляются жесткие требования по габаритам, массе и форме, а также для бытовых ЭС, для которых на первом плане стоит оригинальность дизайна.

Базовый метод основан на широком использовании в ЭС унифицированных несущих конструкций, принимаемых за основу (базу) для создания различных изделий, аналогичных или близких по функциональному назначению. Этот метод используется, в основном, при проектировании стационарной, подвижной и переносной аппаратуры специального назначения.

Таким образом, при компоновке блока целесообразно использовать основные правила функционально-узлового метода, который является разновидностью базового метода конструирования.


 Конструкторский анализ электрической схемы блока

3.1 Анализ электрической принципиальной схемы

Основой устройства является микроконтроллер DD1 - ATmega16, он работает на частоте 16 МГц. Его питание может быть от USB порта или внешнего блока питания (выбор питания выполняется установкой перемычки в разъём Х4). 

На устройстве есть 2 дисплея: DIS1 -  символьный 16х2, и сегментный (2 штуки по 4 сегмента HG1, HG2). Сегментный предназначен для отображения времени и температуры. Символьный - для удобства управления некоторыми функциями устройства, но его ставить совсем не обязательно.

Микросхема DD2 - это ПЗУ AT24C64 предназначена для сохранения настройки будильника, ROM адресов термодатчиков и еще некоторых настроек.

IR1 – это TSOP1738 (лучше установить TSOP1736) - приемник ИК сигналов с пульта дистанционного управления.

USB - разъем для подключения устройства к компьютеру.

SG1 - сигнализатор для будильника. Обязательно со встроенным генератором.

HL1 - инфракрасный светодиод. В настройках будильника его можно выбрать в качестве сигнализатора. Для чего он нужен? Если, к примеру в комнате находиться несколько людей но утром нужно чтобы проснулись только Вы, тогда можно собрать простейший приемник ИК сигнала, который будет вибрировать при появлении инфракрасных лучей, и прицепить его на руку, тогда утром устройство активизирует ИК-передатчик и Ваше устройство завибрирует, разбудив Вас.

DD3 – DD6 – это 4 сдвиговых регистра 74HC595. Предназначены для управления светодиодами, сегментным дисплеем и нагрузками.

8 светодиодов (HL3-HL10) –отображают режим работы и выполняемые функции.

DD7 - ULN2003 - это сборка Дарлингтона, Микросхема предназначена для управления нагрузками, таким образом, к каждому выходу (кроме восьмого) можно подключить нагрузку до 500мА.

VT3 - IRFZ44N - полевой транзистор, управляет восьмой нагрузкой. DA2 - линейный стабилизатор на 5 В.

3.2 Анализ элементной базы по условиям эксплуатации

Анализ элементной базы выполним с целью проверки соответствия использованных в схеме блока электрорадиоэлементов требованиям условий эксплуатации ТЗ. Для выполнения анализа по условиям эксплуатации составим таблицу 3.1 допустимых значений эксплуатационных характеристик ЭРЭ

Таблица 3.1

Наименование

Температура, °С

Механические воздействия

Влажность (t=+250C),%



min

max

Вибрации,Гц

Линейное

ускорение,

g



1

2

3

4

5

6

Микросхемы











ATmega16

-60

+85

1-600

50

98

7805

-60

+75

1-600

50

98

74HC595

-40

+85

1-600

50

98

ULN2003A

-20

+85

1-600

50

98

AT24C64A

-55

+125

1-600

50

98

Транзисторы











BC547

-65

+150

1-800

50

98

IRFZ44N

-55

+175

1-800

50

98

Диоды











1N4728

-65

+175

1-800

50

98

2KBP005

-40

+150

1-600

50

98

ИК и светодиоды











L-7113F3C

-40

+85

1-600

50

98

L-1154LD(RD)

-40

+85

1-600

50

98

Индикаторы

-45

+85

1-600

50

98

WH1602B

-20

+70

1-500

50

98

KW4-563ASA

-40

+80

1-600

50

98

Приёмник ИК











TSOP1736

-25

+85

1-600

50

98

Звукоизлучатель











KPX-1212UB

-30

+80

1-500

50

98

Резонаторы











РПК01-HC49/S

-30

+60

1-500

50

98

РПК01-АА

-30

+60

1-500

50

98

Термодатчик











DS18B20

-55

+125

1-600

50

98

Разъёмы











USB(A)

-40

+60

1-500

50

98

20.95MH/xx-E

-40

+105

1-400

40

98

Кнопки тактовые











KLS7-TS6601

-20

+70

1-500

50

98

Конденсаторы











GRM series

-55

+85

1-800

50

98

Резисторы











Р1-12

-55

+125

1-800

50

98

3306-1-102

-25

+100

1-600

50

98

Предельные условия эксплуатации элементов по сравнению с заданными в п 1.6 ТЗ условиями эксплуатации имеют ощутимый запас.

Вывод: указанные в таблице 3.1 ЭРЭ полностью соответствуют заданным параметрам п 1.6 ТЗ




Компоновка блока

Под компоновкой блоков понимают взаимную ориентацию ячеек или других конструктивных зон (электрической коммутации, механических элементов и т.п.) в заданном объеме блока. Для выбора компоновочной схемы решающее значение имеют следующие факторы: вид ЭС (бортовая, наземная и др.), условия эксплуатации (уровни механических, тепловых и др. воздействий), требования к ремонтопригодности, вид используемой элементной базы, способ выполнения электрических соединений и др.

При компоновке блока необходимо определить рациональные величины зазоров между элементами конструкции. Эти зазоры, с одной стороны, должны обеспечивать удобство сборки блока, а с другой достаточно высокую плотность упаковки компонентов в блоке.

4.1 Расчет ожидаемых объема и массы блока

Расчет ожидаемых объема и массы проектируемого блока проводится для проверки выполнимости требований ТЗ к его массогабаритным характеристикам при заданном схемотехническом построении. Оценку этих характеристик произведем, используя следующие соотношения:

,                                                        (4.1)

,                                                       (4.2)

	где V? - суммарный установочный объем всех ЭРЭ в блоке;

m? - суммарная установочная масса всех ЭРЭ в блоке;

qv - коэффициент дезинтеграции объема для заданного типа конструкции;

qm - коэффициент дезинтеграции массы для заданного типа конструкции.

Необходимые для расчета параметры сведем в таблицу 4.1.

Таблица 4.1

Наименование ЭРЭ

Кол-во n, шт.

Установочные параметры





mi, г

?mi, г

Vi, см3

?Vi, см3

1

2

3

4

5

6

Микросхемы











ATmega16

1

10

10

3,4

3,4

7805

1

2

2

0,6

0,6

74HC595

4

2

8

0,5

1

ULN2003A

1

2

2

0,64

0,64

AT24C64A

1

1,5

1,5

0,17

0,17

Транзисторы











BC547

2

0,5

1

0,09

0,18

IRFZ44N

1

2,5

2,5

0,72

0,72

Диоды











1N4728

2

0,5

0,5

0,015

0,03

2KBP005

1

4

4

1,785

1,785

Конденсаторы











GRM series

6

0,01

0,06

0,00015

0,0009

Резисторы











Р1-12

27

0,02

0,54

0,0003

0,81

3306-1-102

1

0,6

0,6

0,24

0,24

Индикаторы











WH1602B

1

25

25

28

28

KW4-563ASA

2

4

8

7,6

15,2

Приёмник ИК











TSOP1736

1

0,5

0,5

0,2

0,2

Звукоизлучатель











KPX-1212UB

1

2

2

0,85

0,85

Резонаторы











РПК01-HC49/S

1

0,5

0,5

0,16

0,16

РПК01-АА

1

0,3

0,3

0,02

0,02

Термодатчик











DS18B20

1

0,4

0,4

0,1

0,1

Разъёмы











USB(A)

1

2

2

1,3

1,3

20.95MH/2-E

2

1

2

1,16

2,32

20.95MH/3-E

1

1,6

1,6

1,67

1,67

20.95MH/12-E

1

6,5

6,5

6,26

6,26

Кнопки тактовые











KLS7-TS6601

5

1

5

0,18

1,62

ИК и светодиоды











L-7113F3C

1

0,5

0,5

0,16

0,16

L-1154LD(RD)

9

0,5

4,5

0,16

1,44

Суммарные показатели





91,5



68,9

Необходимо задать коэффициенты дезинтеграции для требуемого типа конструкции qm=1,3 и qv=1,2. [1]

Определим ожидаемые объем и массу УУУ:





полученные значения удовлетворяют требованиям ТЗ на массу и объем Универсального Устройства Управления.




Разработка конструкции блока

5.1 Выбор метода конструирования

	Существует два различных подхода к разработке конструкций ЭС. Первый из них основан на широком использовании в ЭС унифицированных несущих конструкций, принимаемых за базу (основу) для создания различных изделий, аналогичных или близких по функциональному назначению. Этот метод называется методом базовых несущих конструкций (БНК), где под БНК понимают несущие конструкции, габаритные, установочные и присоединительные размеры которых стандартизированы и обеспечивают размерную взаимозаменяемость аппаратуры. Такой подход позволяет сократить затраты на проектирование, освоение, производство и эксплуатацию ЭС. [1]

	Второй подход заключается в создании ЭС на основе оригинальных несущих конструкций. Его использование наиболее характерно для ракетных ЭС, к которым предъявляются жесткие требования по габаритам, массе и форме, а также для бытовых ЭС, для которых на первом плане стоит оригинальность дизайна.

При компоновке блока целесообразно использовать основные правила функционально-узлового метода, который является разновидностью базового метода конструирования.

5.2 Выбор компоновочной схемы блока

Под компоновкой блоков понимают взаимную ориентацию ячеек или других конструктивных зон (электрической коммутации, механических элементов и т.п.) в заданном объеме блока. Для выбора компоновочной схемы решающее значение имеют следующие факторы: вид ЭС (бортовая, наземная и др.), условия эксплуатации (уровни механических, тепловых и др. воздействий), требования к ремонтопригодности, вид используемой элементной базы, способ выполнения электрических соединений и др.

В результате анализа схемы был определен оптимальный вариант  компоновки блока, в котором функциональная ячейка (УУУ) крепится к задней стенке корпуса 4-мя винтами. И сверху закрывается крышкой, в которой проделаны отверстия под кнопки управления, устройства индикации и подключение разъёмов. Это позволяет обеспечить полный доступ ко всем элементам схемы во время ремонта, а также улучшить тепловой режим конструкции за счет прямого отвода тепла от платы УУУ  на корпус.

При компоновке блока необходимо определить рациональные величины зазоров между элементами конструкции. Эти зазоры, с одной стороны, должны обеспечивать удобство сборки блока, необходимую степень изоляции между токонесущими элементами, нормальный тепловой режим блока и т.п., а с другой - достаточно высокую плотность упаковки компонентов в блоке.

С учетом этих требований разработана компоновка блока, которая представлена сборочным чертежом в графической части КП.

5.3 Выбор способа охлаждения блока

Материальные характеристики блока в значительной мере зависят от способа его охлаждения, который в свою очередь должен обеспечить нормальный тепловой режим конструкции.

	Чтобы определить потребляемую мощность блока P потр.бл, составим таблицу 5.1

Таблица 5.1

Наименование ЭРЭ

Кол-во, шт.

, мВт

 мВт

1

2

3

4

Микросхемы







ATmega16

1

5

5

7805

1

10

10

74HC595

4

5

20

ULN2003A

1

20

20

AT24C64A

1

5

5

Транзисторы







BC547

2

5

5

IRFZ44N

1

20

20

Диоды







1N4728

2

5

10

2KBP005

1

50

50

Резисторы







Р1-12

27

5

135

3306-1-102

1

10

10

ИК и светодиоды







L-7113F3C

1

5

5

L-1154LD(RD)

9

5

45

Индикаторы







WH1602B

1

5

5

KW4-563ASA

2

50

50

Звукоизлучатель







KPX-1212UB

1

20

20

Термодатчик







DS18B20

1

2

2







417



Полученное значение P потр.бл = 0,417(Вт) является завышенным, так как ее составляющие Р пот.i определены по справочникам, где приводятся максимальные значения потребляемых мощностей. 

Примем значение теплового потока рассеивания блоком равным потребляемой мощности:

,                                       (5.1)

Рассчитаем поправочный коэффициент на давление окружающей среды:

                                    (5.2)

Рассчитаем площадь блока

,        (5.3)

Определим удельный поток рассеивания:

,                     (5.4)

,                                                (5.5)

Рассчитаем допустимый перегрев конструкции:

,                            (5.6)

где – допустимая температура наименее теплостойкого элемента схемы;

 – максимальная температура окружающей среды.

По диаграмме определяем, что для обеспечения нормального теплового режима конструкции необходимо естественное воздушное охлаждение. [1]

5.4 Разработка конструкции функциональной ячейки

Для увеличения технологичности конструкции и экономии материалов необходимо функциональные блоки разместить на одной плате.

Компоненты на плату могут быть установлены с одной или с двух сторон. Выбранная элементная база позволяет применить в конструкции ФЯ двухстороннее расположение компонентов.

При разработке конструкции ФЯ были выбраны способы установки компонентов на печатную плату, которые рассмотрены ниже.

SMD компоненты устанавливаются на нижней стороне платы, а навесные компоненты на верхней стороне. ЖК дисплей крепится к плате четырьмя винтами М2,5.

Компоненты устанавливаются на плату стандартными способами по ГОСТ 29137-91.

Конструкция разработанной функциональной ячейки представлена на сборочном чертеже в графической части курсового проекта.



5.5 Выбор основных материалов

5.5.1 Выбор материала печатных плат

Для изготовления печатных плат комбинированными методами рекомендуется использовать стеклотекстолиты марок СФ-2, СФ-2Н, СТФ-2 и др. Параметры этих материалов приведены в таблице 5.2.

Таблица 5.2 

Параметр

СФ-2

СФ-2Н

СТФ-2

Диапазон рабочих

температур, 0С

-60…+120

-60…+120

-60…+110

Водопоглощение, %

21

21

21

Средняя плотность, 10-3 кг/м3

2,28

2,28

2

Модуль упругости Е, 10-9 н/м2

30,2

30,2

33

Коэффициент Пуассона ?

0,22

0,279

0,238

Отн. оптовая стоимость Сотн

1

1,2

1,35

Выбор материала ПП произведем по комплексному показателю качества [2]. Учитывая область применения и условия эксплуатации блока, в число сравниваемых параметров включим:, Е и относительную стоимость.

Примем тенденцию повышения качества материала при увеличении каждого из показателей и составим таблицу 5.3.

Таблица 5.3 

№

Материал

?-1

Е

Сотн-1

1

СФ-2

0,44

30,2 . 109

1

2

СФ-2Н

0,44

30,2 . 109

0,83

3

СТФ-2

0,5

33 . 109

0,74

Пронормировав показатели качества относительно наибольшего значения в каждом столбце, получим таблицу 5.4.

Таблица 5.4

№

Материал

?-1

Е

Сотн-1

1

СФ-2

0,88

0,92

1

2

СФ-2Н

0,88

0,92

0,83

3

СТФ-2

1

1

0,74



i

0,2

0,2

0,6

где i - значения весовых коэффициентов параметров, назначенных из условия i = 1.

Рассчитаем комплексные показатели качества:

К1 = 0,880,2 + 0,920,2 + 10,6 = 0,96

К2 = 0,880,2 + 0,920,2 + 0,830,6 = 0,858

К3 = 10,2 + 10,2 + 0,740,6 = 0,844

Таким образом, оптимальным материалом является стеклотекстолит марки СФ-2. Для изготовления ПП выберем листовой стеклотекстолит с 50 микронной фольгой и толщиной основы 2 мм: СФ-2-50-2.

5.5.2 Выбор материалов для изготовления корпуса

Основание и крышку корпуса можно выполнить из ударопрочной пластмассы или из металлических сплавов. Пластмассы по сравнению со сплавами имеют ряд преимуществ: меньшую массу, более низкую стоимость, лучший дизайн, необязательность использования покрытий и др. С другой стороны, для обеспечения ЭМС корпус блока должен обладать высокими экранирующими свойствами. Известные способы металлизации пластмассовых корпусов достаточно трудоемки и дороги и оправдывают себя только при металлизации больших партий корпусов. Таким образом, для изготовления корпуса разрабатываемой конструкции целесообразно использовать металлический сплав.

В качестве металлических конструкционных материалов в ЭС чаще всего используются алюминиевые сплавы АЛ2 (АК12), Д16, АМЦ и другие. В качестве материала для изготовления корпуса наиболее целесообразно использовать дюралюминий Д16, толщиной 3 мм. Среди многих свойств и характеристик этих материалов в нашем случае необходимо в первую очередь учесть технологичность. Так как основание и крышка корпуса являются не сложными, то следует использовать обрезку и штамповку заготовок согласно схеме раскроя.

5.6 Описание конструкции блока

Универсальное Устройство Управления (УУУ) выполнено в негерметичном металлическом корпусе. Массогабаритные характеристики изделия следующие:

масса mБ = 0,5кг;

габаритные размеры 140х140х25 мм.

Корпус блока состоит из основания и крышки, выполненных из легкого алюминиевого сплава. Основание корпуса является основным несущим элементом конструкции блока, на котором крепится печатная плата, с установленными радиоэлементами. 

Функциональная ячейка Универсального Устройства Управления (ФЯ УУУ) установлена на диэлектрические бобышки основания и закреплены на нем при помощи четырех стальных винтов М2,5. 

Сборка основания и крышки корпуса производится с помощью четырёх винтов, которые ввинчиваются со стороны задней стенки.

На передней стенке (панели) блока имеются два окна, предназначенное для считывания показаний индикаторов и ЖК дисплея, а так же кнопки управления, светодиоды для отображения режима работы и выполняемых функций. Прорезь для приёма ИК сигнала от пульта управления и прохода звукового сигнала от звукоизлучателя. Так же на переднюю панель выведена ручка подстроечного резистора, для регулировки яркости ЖК дисплея.




Расчет показателей качества конструкции

6.1 Расчет вибропрочности блока

В процессе изготовления, транспортировки и эксплуатации ЭС подвергаются различным видам механических воздействий: линейным ускорениям, вибрации, ударам.

Для расчета вибропрочности ЭС необходимо выбрать наиболее «слабые» элементы конструкции блока. К таким элементам в первую очередь относятся функциональные ячейки, которые, как правило, являются наиболее крупноформатными, плоскими и слабо закрепленными элементами конструкции. 

Так как схема располагается на одной плате, то для расчета выберем ячейку УУУ.

Рассчитаем частоту резонанса данного блока по формуле Релея.

,                                           (6.1)

,                                     (6.2)

,                                             (6.3)

,                                            (6.4)

,                                           (6.5)

где ?- коэффициент, зависящий от формы и способа закрепления платы (p=1; q = 2; r=l);

a, b – размеры платы (а>b), м;

D – цилиндрическая жесткость платы, нм;

Е – модуль упругости, н/м2;

? – коэффициент Пуассона;

h – толщина платы, м;

mn, mk – масса платы и компонентов, кг (mк=0,0915 кг).

,



 Нм ,



кг,



 кг/м2,



Гц.>80Гц ,ТУ

Собственная частота конструкции блока не входит в диапазон частот внешних воздействий. Отсюда следует, что резонанса платы не будет. Однако при длительных воздействиях вибраций может произойти отказ блока из-за усталостных разрушений. 

Для обеспечения усталостной долговечности необходимо, чтобы собственная частота удовлетворяла условию:



 ,                                         (6.6)



где nв - вибрационные перегрузки;

	b - меньшая сторона ПП, мм.

	

	                                                (6.7)

	

	                                               (6.8)

	

	 Гц

	

	Гц – условие выполнено

	Усталостная долговечность обеспечивается в данной конструкции.

	

6.2 Расчет теплового режима блока

В соответствии с выбранной ранее системой охлаждения расчет теплового режима блока производится при условии естественного воздушного охлаждения.

Критериями, определяющими нормальную работу блока, являются предельно-допустимые температуры применяемых в нем элементов в соответствие с ТЗ на соответствующие элементы.

Температура элементов в условиях эксплуатации блока при максимальной температуре окружающей среды и максимальной рассеиваемой мощности не должна превышать допустимую, оговоренную в ТЗ.

Целью расчета теплового режима является проверка обеспечения нормального теплового режима конструкции в заданных условиях эксплуатации при выбранной системе охлаждения. Тепловой режим ЭС считается нормальным, если температуры всех его деталей и узлов не превышают предельно допустимых значений, указанных в ТЗ на них.



6.2.1 Определение тепловой модели блока

Конструкцию блока можно охарактеризовать следующим образом: вид охлаждения корпуса - естественное воздушное; количество нагретых зон - одна; вид корпуса - негерметичный (глухой).

Для определения тепловой модели блока примем следующие допущения:

- тепловой режим блока является стационарным;

- поверхности корпуса и нагретых зон изотермические;

- теплообмен между корпусом и окружающей средой осуществляется излучением и конвекцией;

- нагретые зоны являются однородными изотропными телами и теплообмен между ними не осуществляется.

Тепловая модель блока приводится на рисунке 6.2.













Р







Рис. 6.2. Тепловая модель блока.



6.2.2 Расчет среднеповерхностной температуры корпуса

Расчет среднеповерхностной температуры корпуса произведем методом последовательных приближений[1]:

1)Зададим перегрев корпуса ?tIк относительно окружающей среды,

в первом приближении равный 5...10 °С.

Примем °С.

2)Определим температуру корпуса в первом приближении:

                                              (6.9)

°С

3)Найдем среднюю температуру ?tIm между корпусом и средой в первом приближении:

                                         (6.10)

°С

4)Рассчитаем площадь Sk поверхности корпуса:                                   

                                      (6.11)

м2

5)Найдем определяющий размер L эквивалентного куба:

                                             (6.12)

м

6)Определим вид теплового потока от корпуса в среду по условию(Lв мм[1])

                                         (6.13)





Так как условие выполняется, то существует закон степени 1/4.

7)Найдем по номограммам коэффициент конвекции ?к от корпуса в среду и аналогичный коэффициент лучеиспускания (излучения)

                                            (6.14)

где ?’л - значение этого коэффициента по номограмме. 

к = 3,2 Вт/м2С

?’л= 6,6 Вт/м2С

 Вт/м2С

8)Рассчитаем суммарную тепловую проводимость GI? от корпуса в среду:

                             (6.15)

 Вт/°С

9)Найдем реальный перегрев корпуса ?tIкр в первом приближении:

                                         (6.16)

°С

10)Проверим условие:

°С                                      (6.17)

°С

11)Так как условие не выполняется, то проводим расчет во втором приближении, принимая ?tIIк= ?tIкр=0,87 °С

12)Определим температуру корпуса во втором приближении:

                                           (6.18)

°С

13)Найдем среднюю температуру ?tIIm между корпусом и средой во втором приближении:

                                        (6.19)

°С

14)Определим вид теплового потока от корпуса в среду по условию

                                         (6.20)





Так как условие выполняется, то существует закон степени 1/4.

15)Найдем по номограммам коэффициент конвекции ?к от корпуса в среду и аналогичный коэффициент лучеиспускания (излучения)

                                       (6.21)

где ?’л - значение этого коэффициента по номограмме. 

к = 2,2 Вт/м2С

?’л= 6 Вт/м2С

 Вт/м2С

16)Рассчитаем суммарную тепловую проводимость GII? от корпуса в среду:

                           (6.22)

 Вт/°С

17)Найдем реальный перегрев корпуса ?tIIкр во втором приближении:

	                                          (6.23)

°С

18)Проверим условие:

                                     (6.24)



°С

19)Так как условие выполняется, то принимаем перегрев корпуса: 

°С                                    (6.25)

20)Среднеповерхностная температура корпуса:

°С                        (6.26)



В результате анализа элементной базы можно сделать вывод, что все элементы сохраняют работоспособность и свои характеристики при эксплуатации в случае перегрева устройства. На основании этого можно сделать вывод о том, что для данной конструкции обеспечен нормальный тепловой режим.

6.3. Расчет массогабаритных показателей конструкции 

Определим основные показатели качества разработанной конструкции и выполним краткий анализ их уровня.

Определим массу БП по формуле:

,                                             (6.27)

где - масса платы, кг;

- масса элементов, установленных на платах;

Масса платы определяется как:

   (6.28)

Тогда получим:



Масса корпуса

     (6.29)

Масса всего блока:



Габаритные размеры блока определяются согласно сборочного чертежа:

LxBxH=140x140x25 мм.

Объем блока: VБ = 0,49 дм3.




Заключ.......................