Мобильный телефон стандарта GSM Nokia 1208

Введение



Любая небольшая коммерческая компания или организация, имеющая в своем распоряжении автомобильный транспорт, заинтересована в его целевом использовании и снижении до минимума материальных потерь. Сегодня решить эти и ряд других проблем, связанных с содержанием различных видов транспорта, способна мобильная система мониторинга - система GSM.

Мониторинговая система позволяет установить контроль за передвижением любого количества транспортных средств в режиме реального времени с минимальными затратами. Слежение за транспортом, которое осуществляется с помощью GSM мониторинговой системы, способно выявить такие явления, как нецелевое использование транспорта, несоблюдение установленного маршрута, нарушение скоростного режима. 

Установив системы мониторинга автотранспорта GSM, предприятие или организация получают постоянный доступ к информации о том, где находится то или иное принадлежащее ей транспортное средство. Практика показывает, что GSM мониторинг позволяет также существенно увеличить срок эксплуатации автопарка.

 Одним из важных моментов внедрения систем  мониторинга транспорта является повышение безопасности перевозок. С машины, оборудованной GSM модулем, водитель может мгновенно подать тревожный сигнал в случае возникновения опасной ситуации. Прямыми результатами внедрения в практику работы транспортного предприятия систем GSM мониторинга является экономия горюче-смазочных материалов, уменьшение пробега автомобилей, повышение дисциплинированности  персонала.                                      











                                                                                                             

                                                                                                      

 

                                                                                                                           













Изм.

Лист

№  докум.

Подп.

Дата



Разраб.

Гаршин 







Система слежения автотранспорта на основе средств GSM









Лит.

Лист

Листов

Руковод.

Несмелов В.С









У







Консульт.

Несмелов







                                                                    

ИРТС

                                                                                   

Н. контр.











Зав. каф.

Увайсов












Исследовательский раздел



1.1. Анализ исходных данных



Большая часть предложенных на рынке систем мониторинга автотранспорта содержит много ненужных для мелких компаний опций, из-за которых цена даже самой простой системы становится дорогим капиталовложением, особенно если учесть ежемесячную абонентскую плату за техническую поддержку. Ниже рассмотрены простые и практичные системы GSM мониторинга.



Анализ аналогов



Аналог 1. Мобильный телефон стандарта GSM Nokia 1208.

Цена: 1 500 рублей. Общие характеристики: Стандарт GSM 900/1800. Антенна встроенная. Вес: 77 г. Размеры: (ШxВxТ) 44x102x18 мм. Питание: Тип аккумулятора: Li-Ion. Емкость аккумулятора: 700 мАч. Время разговора: 7:00 ч:мин. Время ожидания: 365 ч.

Это самый дешевый прибор для  мониторинга транспорта, но достоверность информации зависит от честности и дисциплины водителя, который сообщает владельцу автотранспорта эту информацию.

Недостатки: аналог не может контролировать скорость и о ее нарушении сообщать владельцу компании. О местоположении транспортного средства мы также узнаем со слов водителя транспортного средства. В следствии перечисленных недостатков аналог не удовлетворяет предъявленным требованиям.

Аналог 2. Трэкфон-авто.

Технические характеристики:

Режимы передачи данных: EDGE class 6 (скорость передачи данных до 177,4 kbps). GPRS class 10 (скорость передачи данных до 85,6 kbps). SMS (text/data). GPS приёмник: 20 каналов; технология SiRF Star III; чувствительность -159dBm. Электропотребление: номинальное: 100mAh Max; во время передачи данных по GPRS: 400mAh Max. Рабочее напряжение: 10-30В. Температурный режим: рабочий: -25С...+55С; хранение: -40С...+70С. Габариты: 07x86x37 мм 

Внутренний аккумулятор и встроенный контроллер зарядки 

- 3 цифровых и 3 аналоговых входа для мониторинга состояния внешних датчиков;

- 3 цифровых выхода для управления внешними устройствами;

Цена: 13 800 рублей. Годовая абонентская плата: 6 000 рублей.

 «ТРЭКФОН» улавливает сигналы со спутников, определяя свои координаты. Для точного определения местоположения необходимо уловить сигнал как минимум с 3-х спутников. При этом погрешность на открытом пространстве составляет не более 10-50 метров. Для работы ТРЭКФОНА в него ставиться SIM-карта GSM стандарта. Она необходима для передачи координат полученных ТРЭКФОНОМ по SMS или GPRS.

Недостатком является использование дополнительного GPS модуля, в следствии чего цена становится более высокой. Вся информация о местоположении так же попадает на сервер продавца устройства. Данное устройство не может контролировать скорость транспортного средства и оповещать владельца компании о нарушениях скоростного режима.

Аналог 3. GSM сигнализатор для автомобиля G4x4

GSM cигнализатор G4x4 предназначен для оперативного оповещения о попытке проникновения в автомобиль, определения местоположения автомобиля, дистанционного управления звуковыми и световыми сигналами, системами дистанционного запуска и блокировки. 

GSM cигнализатор G4x4 поддерживает режим GPS ТРЕКЕР, при котором получать координаты автомобиля можно как в режиме ОХРАНА, так и при включенном зажигании (во время движения) и без уведомления водителя автомобиля об этой возможности. 

Таким образом, с помощью GSM сигнализатора G4х4 можно вести скрытое наблюдение за местонахождением автомобиля в любой момент времени, под видом установленной в нем сигнализации. 

Предусмотрена передача GPS координат на компьютер и совместное использование с навигационными картами. Включает: 

-  Встроенный модуль SIEMENS MC55; 

-  4 входных канала подключения датчиков или концевиков; 

-  4 выходных канала (Выход +12В, 1.5А) для подключения сирен и реле управления фарами; 

-  Телефонная книга на 4 телефонных номера для отправки оповещения; 

-  Кнопка Valet включения/отключения режимов; 

-  Двухцветный индикатор СИД индикации режимов функционирования; 

-  Разъем подключения внешнего GPS приемника (для версии V2);

-  При срабатывании входных каналов или переключении режима: 

1) отправка оповещения на мобильный телефон через SMS сообщение или звонок;

2) включение звуковой и световой сигнализации; 

-  При дозвоне на мобильный телефон - звуковое оповещение о включенном режиме или сработанном канале; 

-  Большой набор программируемых функций; 

-  Программирование всех функций через SMS команды; 

-  Проверка состояния всех текущих параметров в ответ на посылаемые в сигнализатор SMS запросы; 

-  Включение/отключение выходных каналов через SMS команды; 

-  Совместимость по подключению разъема входных каналов с двухзонным радарным датчиком объема SATURN MMS-2; 

-  Совместимость разъема GPS приемник по подключению с GPS приемником BR-305/355 PS/2 

GSM cигнализатор G4x4 является микропроцессорным устройством со встроенным GSM модулем, устанавливается внутри салона под торпедо автомобиля, предназначен для оповещения владельца автомобиля о попытке приближения или проникновения в автомобиль, а также о местоположении автомобиля по GPS координатам. 

Оповещение осуществляется через SMS сообщения или звонком на мобильный телефон. 

Для получения GPS координат местоположения автомобиля, к сигнализатору должен быть подключен GPS приемник BR-305/355 PS/2.

Цена: 8 800 рублей

Недостатком данной системы является то, что координаты он может получить только при подключении дополнительно GPS приемника, так же в нем отсутствует датчик за контролем скоростного режима.

Единственный плюс состоит в том, что она объединяет охранную систему с системою контроля автотранспорта.



Анализ потребительских свойств



Рассмотренные аналоги не соответствуют требованиям технического задания на проектирование. Им соответствуют системы, цены на которые значительно выше, конструкции намного сложнее и, вдобавок, имеют абонентскую плату за обслуживание. Цена такой системы вместе с ежемесячными платежами составляет от 15 000рублей (цена системы, плюс ежемесячный платеж от 2 000 рублей до 5 000 рублей).  Данное предложение не актуально для мелких компаний.

Поэтому лучшим решением будет спроектировать мониторинговую GSM систему с заданными свойствами, отталкиваясь от электрических схем на автомобильную GSM сигнализацию.

Учитывая недостатки рассмотренных аналогов, мы должны учесть самое важное, что должна иметь наша мониторинговая система:

- датчик контроля скорости, при нарушении скоростного режима система должна оповестить об этом владельца автопарка;

- при нарушении скорости в салоне автомобиля должен быть включен предупредительный сигнал водителю в виде сигнала или мигания сигнализатора;

- у водителя должна быть под рукою тревожная кнопка, при нажатии на которую приходило бы оповещение владельцу автопарка;

- система должна присылать координаты нахождения автомобиля.



. Разработка технического задания



Наименование изделия: GSM мониторинговая система автотранспорта.

Назначение: мониторинг автотранспорта.

Выполняемые функции: мониторинг транспорта и передача данных при срабатывании датчиков на автомобиле.

Класс объекта установки: наземная РЭС, возимая на автомобиле.

Основные параметры функционирования:

- значение тока в дежурном режиме: 15-35 мА;

- значение тока в режиме непрерывной передачи данных: 0,3-0,5 А;

- напряжение питания: 7-25 В;

- диапазон частот GSM-GPRS: 900/1800/1900 МГц  

Условия эксплуатации:

- температура: Т= -30, Т= 70 С;

- относительная влажность при 20 С: 80%

Конструкционные особенности: модуль собран на одной системной плате.

Критерии, показатели качества: 

- высокие эксплутационные характеристики;

- минимальная себестоимость;

Класс объекта – наземная  РЭС, возимая на автомобиле (У)

Климатическое исполнение – умеренный климат (У).

Комплектность изделия: один блок.

Значения климатических факторов внешней среды для данной категории исполнения (по ГОСТ 15150-69):

максимальная температура окружающей среды: ?С: +60;

минимальная температура окружающей среды: ?С: -40;

изменение температуры воздуха  за 8 ч: ?С 10;

относительная влажность воздуха при температуре (40±2)?С, %: 95±3; 

Значения механических воздействий, действующих на аппаратуру, установленную на автомобиле (по ГОСТ 16019-2001):

вибрационные нагрузки при эксплуатации:						диапазон частот: 10-70 Гц;

максимальное ускорение: 0,8-3,8 g;

продолжительность испытаний: 8 часов;

ударные нагрузки при эксплуатации:							максимальное ускорение: 15 g;	

длительность удара: 5-10 мс;

число ударов в минуту: 40-80;

продолжительность испытаний: 100 ударов;

линейные нагрузки при эксплуатации:							максимальное ускорение: 25 g.

Блок должен быть защищен  от проникновения посторонних тел, грязи, и при этом надежно и безотказно работать в течение требуемого срока службы. Защита от коррозии должна осуществляться лакокрасочными, гальваническими, химическими покрытиями или их сочетаниями.

Показатели качества: высокая надежность системы мониторинга, простота обслуживания и ремонта, компактность, эффективность работы, дешевизна, наличие полезных дополнительных функций.

Требования к конструкции: внешний вид системы мониторинга должен отвечать современным требованиям и гармонировать с интерьером автомобиля; минимальные массогабаритные характеристики; конструкция блока должна быть снабжена выступами для крепления блока.

Основные требования: минимальная себестоимость производства, высокие эксплутационные характеристики.

Потребительские качества: использование современной элементной базы, возможность быстрой установки на автомобиль.

Надежность устройства: вероятность безотказной работы на время 8000 часов не менее 0,95.

Тип производства: мелкосерийный.

Технико-экономические характеристики: группа по стоимости 1 (изделие с минимальной стоимостью).






Специальный (конструкторский) раздел



Определение массогабаритных размеров ячейки





Разработанная плата должна устанавливаться в покупной корпус КМ-31NJ, габаритные размеры платы должны быть 107х73х29 мм.

Площадь платы должна быть 7811 мм2.

Рассчитаем возможность размещения данных радиоэлементов на плату.

1) Определение установочных площадей Sустi элементов

Установочная площадь каждого отдельно взятого элемента выбирается из таблицы 2.1. «Перечень элементов схемы и их характеристики».

	Суммарная установочная площадь элементов, расположенных на плате определяется по формуле:



Sуст = 1,3Sустi                                                (2.1)



где Sуст - суммарная установочная площадь элементов, расположенных на плате, м2;

Sустi – установочная площадь i–го элемента, м2  (см. таблицу 2.1);

n - количество элементов схемы, шт;

1,3 - коэффициент, учитывающий необходимость свободного пространства между соседними элементами.

Sуст = 1,3х2895,59 = 3764,27х10-6 м2.

3) Площадь печатной платы определяется по формуле:



S n.n. = ,                                                 (2.2)



где  S n.n. – площадь печатной платы, мм2;

Ks – коэффициент заполнения площади печатной платы

Ks = 0,8.

Sn.n  =  = 4706 мм2

4) Из расчетов видим, что рассчитанная площадь печатной платы меньше установочной в корпус, следовательно, возможно разместить на плате данные радиоэлементы.  Плата изготовлена из фольгированного стеклотекстолита СФ-2-50-1,5 и соответствует ГОСТ 10316-78.

5) Определение габаритных размеров ячейки

Высота ячейки определяется по формуле:



Hяч = hn.n+ max hэл1+ max hэл2 ,                                                 (2.3)



где Hяч – высота ячейки, мм;

hn.n – толщина печатной платы, мм;

max hэл1 – высота самого высокого элемента на плате стороны первой, мм (см. таблицу 2.1);

max hэл2 – высота самого высокого элемента на плате стороны второй, мм (см. таблицу 2.1).

Hяч = 1,5 + 3+24,5 =29 мм

Данная высота удовлетворяет установочным размерам корпуса.

6) Масса ячейки определяется по формуле:



mяч = mnn + ,                                              (2.4)



где mяч – масса ячейки, кг;

mnn – масса печатной платы, кг;

mi – масса элемента, кг; масса каждого  элемента представлена в таблице 2.1. «Перечень элементов схемы и их характеристики».



mnn = ?V ,                                                    (2.5)



где ? – плотность материала печатной платы, кг/м3

V – объем печатной платы, м3.

mnn = 2,4103  11,710-6 = 28,110-3 кг;

mяч = 28,110-3 + 46,7210-3 = 74,8210-3 кг.

Определены габаритные размеры ячейки LхBхH = 107х73х29 мм и масса mяч = 74,8210-3 кг.

7) Выбор способа крепления платы в блоке

Плата в корпусе блока крепится горизонтально. Она устанавливается на 4 стойки по углам платы. При закрывании корпуса блока крышкой, плата фиксируется стойками крышки по тем же углам.

8) Определение компоновочных характеристик корпуса блока зажигания включает в себя два этапа:

- определение габаритных размеров корпуса блока;

- определение общей массы конструкции блока.

Габаритные размеры корпуса блока нам заранее известны, так как мы печатный узел устанавливаем в закупочный корпус, который имеет крепежные части.

Габаритные размеры корпуса показаны на чертеже корпуса в приложении 114х80х35 мм.

Масса конструкции блока складывается из массы корпуса и массы узла.

Масса корпуса нам известна, она равна 0,1 кг.

Масса конструкции блока равна m =100*10-3+74,82*10-3= 174,8210-3 кг

Расчет теплового режима



Выбор системы охлаждения



В первую очередь необходимо определить систему обеспечения теплового режима. 

При выборе системы охлаждения необходимы следующие исходные данные:

Потребляемая мощность устройства P = U*I = 0,5А*4,5В = 2,25 Вт.

Площадь поверхности, с которой отводится тепло с учетом коэффициента заполнения  S = 0,01960 м2

допустимая температура корпуса наименее теплостойкого элемента, t = 70°С;

максимальная температура окружающей среды, t о.ср. = 65°С;

минимальное давление окружающей среды, Но. ср. = 610 мм. рт.ст.

Значение теплового потока можно определить по формуле:



                                 Р = Pпит(1 - ?),                                                         (2.6)



где Р - значение теплового потока, Вт;

Pпит – мощность, потребляемая от источника питания, Вт;

? – коэффициент полезного действия устройства, ? = 0,6.

Р = 2,25(1-0,6) = 1,35 Вт

Поверхностная плотность теплового потока определяется по формуле:



                               q = ,                                                             (2.7)



где q - поверхностная плотность теплового потока, Вт/м2;

Кн – поправочный коэффициент на давление окружающей среды;



Кн =1/ ,                                                   (2.8)



где Н – нормальное давление, Н = 760 мм.рт.ст.

Кн =1/ = 1,12;

q =  = 77 Вт/м2

lgq = 1,8.

Допустимый перегрев в блоке:  = 70 – 25 = 45 = 318 К.

где tiмин - допустимая температура наименее стойкого элемента блока;

tос - температура окружающей среды, К.

В соответствии с полученными значениями, используя диаграмму выбора системы охлаждения (рисунок 2.1), можно сделать вывод, что разрабатываемое изделие попадает в область естественного воздушного охлаждения.



Рисунок 2.1  – Диаграмма систем охлаждения



Расчет теплового режима блока



Обеспечение необходимых условий работы заключается в создании установившегося режима, когда количество рассеиваемого тепла в окружающую среду равно выделенному количеству.

Расчет теплового режима блока производят в два этапа:

		определение температуры корпуса блока tк;

определение среднеповерхностной температуры нагретой зоны tн.з.

Для выполнения расчета теплового режима необходимы следующие исходные  данные:

		размеры корпуса блока: длина L = 0,114 м; ширина B = 0,08 м; высота H = 0,035 м;

		размеры нагретой зоны lbh, м   0,1070,0730,029 м;

		величина воздушного зазора между нагретой зоной и нижней поверхностью корпуса hн = 0,0015 м, 

		нагретой зоной и верхней поверхностью корпуса hв = 0,006 м;

		мощность радиоэлементов, расположенная непосредственно на корпусе блока; на корпусе блока элементы не располагаются;

		температура окружающей среды tо = 60 оС

Этап 1. Определение температуры корпуса.

Удельная поверхностная мощность корпуса блока рассчитана, 

 q = 77 Вт/м2.

2) Перегрев корпуса блока в первом приближении tк = 5оС.

3) Определяем коэффициент лучеиспускания для верхней лв, боковой лб, нижней лн поверхности корпуса:



лi = ?i5,67[()4 – ()4] /tк ,                         (2.9)



	где  ?i – степень черноты i-й наружной поверхности корпуса, ?лi = 0,92.

	При расчете получилось: лв = лб = лн = 7,8.

	4) Для определяющей температуры tm = to+ 0,5tк рассчитываем число Грасгофа Gr для каждой поверхности корпуса:

	

	Grmi = m g tк ,                                        (2.10)

	

	где  Lопрi – определяющий размер i-й поверхности корпуса,

	m – коэффициент объемного расширения, для газов

	

	m = (tm+ 273)-1 ;                                             (2.11)

	

	g – ускорение свободного падения, g = 9,8 мс-2;

	?m – кинетическая вязкость газа, ?m = 23,1310-6 м2/с;

	tm = 60 + 0,5  5 = 62,5oC;

	m = (62,5+273)-1 = 0,003;

	Grmв = Grmб = Grmн = 0,0031  9,8 5 = 9,4

	5) Определяем число Прандтля Рr: Рr = 0,696

	6) Находим режим движения газа, обтекающего каждую поверхность корпуса: (GrРr)mв = (GrРr)mн = (GrРr)mб =6,5. Так как (GrРr)mi5102, то режим переходный к ламинарному.

	7) Рассчитываем коэффициенты теплообмена конвекцией для каждой поверхности корпуса блока кi:

	

	кi = 1,18(GrРr)1/8mNi ,                                  (2.12)

	

	где  m – теплопроводность газа, m = 2,910-2 Вт/мК,

	Ni – коэффициент, учитывающий ориентацию поверхности корпуса:

	Ni = 

	кн = 1,18(6,5)1/80,7 = 0,27;

	кб = 1,18(6,5)1/81 = 0,38;

	кв = 1,18(6,5)1/81,3 = 0,49.

	8) Определяем тепловую проводимость между поверхностью корпуса и окружающей средой ?к:

	

	                       ?к = (кн+лн) Sн+(кб+лб) Sб+(кв+лв) Sв,                 (2.13)

	

	где Sн, Sб, Sв – площади нижней, боковой и верхней поверхностей корпуса соответственно;

	

	Sн = Sв = LB = 0,114  0,08 = 0,00912 м2

	Sб = 2H (L+B) = 2  0,035  (0,114 + 0,08) = 0,014 м2

	При расчете получилось: ?к = 0,26

	9) Рассчитываем перегрев корпуса блока во втором приближении по формуле:

	

	tко = (Ро/ ?к) КкпКн1,                                      (2.14)

	

	где Ккп – коэффициент, зависящий от коэффициента перфорации корпуса блока, Ккп = 1

	Кн1 – коэффициент, учитывающий атмосферное давление окружающей среды,Кн1 = 1

	tко = (1,35 / 0,26)11= 5,19оС

	10) Определяем ошибку расчета по формуле:

	

	 = / tко                                    (2.15)

	

	 =  / 5,19 = 0,03

	Так как < 0,1, то расчет можно закончить.

	11)  Рассчитываем температуру корпуса блока по формуле:

	

	tк = to + tко                                              (2.16)

	

	tк = 60 + 5,19 = 65,19 oC

	Этап 2. Определение среднеповерхностной температуры нагретой зоны.

	1) Вычисляем условную удельную поверхностную мощность нагретой зоны блока q3 по формуле:

	

                                         q3 =  ,                                      (2.17)

		

	где Р3 – мощность, рассеиваемая в нагретой зоне, Р3 = Ро - Рк

	Расчет: q3 =  = 56,25 Вт/м2

	2) Перегрев нагретой зоны относительно температуры, окружающей блок среды в первом приближении: tз =  12 оС

	3) Определяем коэффициент теплообмена излучением между нижними злн, верхними злв и боковыми злб поверхностями нагретой зоны и корпуса:

	

	злi = ?пi5,67[()4 – ()4] / (tз - tко)           (2.18)

	

	где ?пi – приведенная степень черноты i-й поверхности нагретой зоны и корпуса:

	

	?пi = [ + (- 1) ]-1,                                     (2.19)

	

	где ?3i и ?ki – степень черноты и площадь i-й поверхности нагретой зоны.

	При расчете получилось: злв = злн = злб = 4,42

	4) Для определяющей температуры tm=(tк+to+tз) / 2 = (65,19+60+12) / 2 = 68,59oC

	Находим числа Грасгофа и Прандтля: Grmн = Grmв = 13,45  Grmб = 9,17

	Рr = 0,692

	5) Рассчитываем коэффициенты конвективного теплообмена между нагретой зоной и корпусом для каждой поверхности:

	для нижней поверхности:

	

		зкн = m / hн ,                                                   (2.20)

	

	для верхней поверхности:

	

	                                                  зкв = m / hв  ,                                                 (2.21)

	для боковой поверхности:

	

	зкб = m / hб .                                              (2.22)

	

	где m – теплопроводность газа  0,0281 Вт/мК

	При расчетах получилось: зкн = 0,41; зкв = 7,3; зкб = 4,5

	6) Определяем тепловую проводимость между нагретой зоной и корпусом:

	

	?зк = К? (злi + зкi) Sзi ,                              (2.23)

	

	где К? – коэффициент, учитывающий кондуктивный теплообмен, К?=1

	При расчете получилось: ?зк  = 0,23

	7) Рассчитываем перегрев нагретой зоны tзо во втором приближении:

	

	tзо = tко +  ,                                (2.24)

	

	где Кw – коэффициент, учитывающий внутреннее перемещение воздуха, Кw = 1;

	Кн2 – коэффициент, учитывающий давление воздуха внутри блока, Кн2 =1.

	tзо = 5,19 +  = 11,05 оС

	8) Определяем ошибку расчета:

	

	= ,                                                           (2.25)

	

	                                            =  = 0,08

	

	Так как < 0,1, то расчет может быть закончен.

	9) Рассчитываем температуру нагретой зоны:

	

	t3 = to + tзо                                                         (2.26)

	

	t3 = 60 + 11,05 = 71,05 оС



Рассчитанное значение температуры нагретой зоны показывает, что все элементы электрической схемы (см. таблицу 2.1.) имеют рабочую температуру выше полученного значения температуры в нагретой зоне. Реальный тепловой режим разработанной конструкции уточняется в процессе испытания опытных образцов.



	Расчет на механические воздействия

	

	

	Целью расчета является определение действующих на элементы изделия перегрузок при действии вибрации и ударов, а также максимальных перемещений и определение защищенности от механических воздействий.

	Для выполнения расчета механических воздействий необходимы следующие исходные данные:

	геометрические размеры платы: lbh, м: 0,1070,00730,0015;

	диапазон частот вибрации: fвиб = 10-70 Гц;

	длительность удара: ? = 10 мс;

	амплитуда ускорения при ударе: Ну = 10 g;

	предельное ускорение, выдерживаемое элементами блока без разрушения:

	при вибрации: 6 g;

	при ударах: 14,7 g;

	при линейных ускорениях: 25 g;

	2.3.1. Расчет на действие вибрации

	

	Расчет собственных колебаний конструкции является трудоемкой задачей. Поэтому заменим конструкцию эквивалентной расчетной схемой. Определяем частоту собственных колебаний отдельных конструкционных элементов.

Частота собственных колебаний равномерно нагруженной пластины вычисляется по формуле:

пластины при точечном закреплении, Гц:



                                   (2.27)

	        

	где a и b – длина и ширина пластины, м;

	D – цилиндрическая жесткость пластины, Нм;

	

	D = ? h3/12 (1-) ,                                         (2.28)

	

	где  - коэффициент Пуасонна

	 Кa – коэффициент, зависящий от способа закрепления сторон платы, определяется по формуле:

? - коэффициент , зависящий от числа точек закрепления пластины:

- четырехточечное закрепление



? = 1 / a2;                                                          (2.29)



	? – модуль упругости, Н/м2;

	h – толщина пластины, м;

	m – масса пластины, с элементами, кг.

	

	D =  = 9,9 Нм;

	

	fo = 444,5 Гц

	

	Для печатного узла должно выполняться условие fo > 3fb. 

	Так как fo >> 3fb, 444,5 >> 210, то обеспечивается защищенность конструкции системы GSM мониторинга от вибрационных воздействий, за счет отстройки собственной частоты печатного узла от максимальной частоты внешних вибрационных воздействий.

	

	2.3.2. Расчет на действие удара

	

	Движение системы, вызываемое ударной силой, в течение времени действия этой силы определяется законом вынужденных колебаний. После прекращения действия ударной силы, движение системы подчиняется закону свободных колебаний. Начальными условиями при этом являются смещение и скорость движения в момент прекращения действия удара. Блок зажигания и автомобиль, на котором он установлен, имеют конечную упругость, поэтому действующее ускорение не может передаваться на элементы конструкции.

	a) Определяем условную частоту ударного импульса:

	

	,                                                         (2.30)

	

	где - длительность ударного импульса, с.

	

	

	

	Определяем коэффициент передачи при ударе:

	

	Ку = 2 sin ,                                                        (2.31)

	

	где  - коэффициент расстройки,  = 

	

	 = 314,16 /2?  402 = 0,124

	Ку = 2 sin = 0,438 ;

	

	c) Рассчитываем ударное ускорение:

	

	= HуКg  ,                                                       (2.32)

	

	где Ну – амплитуда ускорения ударного импульса

	

	= 10  0,438 = 4,38 g

	

	d) Определяем максимальное относительное перемещение:

	

	Zmax =  sin ,                                                   (2.33)

	

	Zmax =  sin  = 0,00157 м

	

	e) Проверяется выполнение условий ударопрочности по следующим критериям:

	ударное ускорение должно быть меньше допустимого, т.е. < , 

	где  определяется из анализа элементной базы,  = 14,7 g.

	Zmax < 0,03 b2,

	где     b- размер максимальной стороны ПП.

	Zmax < 0,00343,

	Так как условия ударопрочности выполняются для ЭРЭ и печатной платы, считаем что блок зажигания защищен от воздействий удара.

	3) Расчет линейных перегрузок.

	В ходе расчета определяются возникшие в ПП напряжения и необходимый запас прочности ПП при воздействии линейных ускорений или одновременном воздействии вибрации и линейных перегрузок.

	Расчет прогиба ПП при линейных ускорениях в наихудшем случае:

	

	Zб = Az ,                                    (2.34)

	

	где  Az – коэффициент, зависящий от способа закрепления концов полоски ПП, Az=0,031;

	a,b – соответственно длина и ширина ПП, м;

	Е – модуль упругости ПП, Н/м2;

	hnn – толщина ПП, м;

	V – величина линейного ускорения, м/с2;

	g – ускорение свободного падения, м/с2;

	mэ – масса элементов на ПП, кг;

	mn – масса ПП, кг;

	l – либо длина a, либо ширина в ПП, м

	Из полученных двух значений выбирается Zб = max {Zб1,  Zб2}

	Должно выполняться условие Zб  ,

	где     - допустимый размер прогиба ПП на длине 1 м, = 0,03 м.

	В результате расчета получены следующие значения:

	;

	

	Выбираем 

	Условие выполняется  Zб < 343  10-6 м

	Расчет максимального напряжения в опасных точках ПП при линейном ускорении:

	

	? = ,                                       (2.35)

	

	где А? – коэффициент, зависящий от способов закрепления сторон ПП, А? = 16

	l – либо длина а, либо ширина в ПП, м.

	Из полученных двух значений выбирается ? = max {?1, ?2}

	?1 = 1867 Па,

	?2 = 4012 Па.

	Выбираем ? = 4012 Па.

	Определение запаса прочности ПП при линейном ускорении:

	

	n = ?n/?,                                                  (2.36)

	

	где Gn – предельное допустимое напряжение, МПа

	Для того чтобы гарантировать работоспособность, запас прочности должен быть более некоторой величины:

	,

	где n1 = 1,2…1,5 – коэффициент достоверности определения расчетных нагрузок и напряжений, n = 1,4;

	n2 = 1…1,5 – коэффициент ответственности детали, n = 1,2;

	n3 = 1,2…3,0 – коэффициент неоднородности свойств материала, n3= 1,8.

	

	 32402

	n > 3,024

	Определение прогиба ПП при одновременном воздействии линейных ускорений и вибраций:

	

	Z = Zб + Zв ,                                                   (2.37)

	

	где Zв – максимальная амплитуда колебаний ПП при вибрации, Zв = 0,310-6м

	Z = 27 10-9+ 0,3 10-6 = 0,327 10-6м

	Условие Z < 0,003 a2 выполняется 

	Расчет напряжения в материале:

	

	,                                             (2.38)

	

	Из двух полученных значений выбирается ? = max {?1, ?2}

	Из расчета определили: ?1 = 22622 Па, ?2 = 48601Па 

	Выбираем ? = 48601 Па.

	Задание предела выносливости материала платы для знакопеременных нагрузок:

	

	?в = 0,2 ?n – для стеклотекстолита,                      (2.39)

	

	?в = 0,2  130 = 26 Мпа

	Определения запаса прочности:

	

	n = ?в/?,                                                       (2.40)

	

	Для того чтобы гарантировать работоспособность, запас прочности должен быть более некоторой величины:

	,

	

	534

	n > 3,024

	Поскольку при расчетах выполняются все необходимые условия, то обеспечивается защищенность блока при воздействии линейных ускорений или одновременном воздействии вибраций и линейных перегрузок.

	

	2.4. Анализ надежности

	

Расчет надежности заключается в определении показателей надежности изделия по известным характеристикам надежности составляющих компонентов и условиям эксплуатации.

Надежность электротехнической системы и отдельных ее элементов – свойство системы выполнять заданные функции, сохраняя во времени значения установленных эксплуатационных показателей в необходимых пределах, соответствующих заданным режимам и условиям использования, технического обслуживания, ремонта, хранения и транспортирования (ГОСТ 13377-75). Система может находиться в одном из двух состояний: исправном и неисправном. Если система соответствует всем требованиям нормативно-технической документации (в том числе и второстепенным, характеризующим внешний вид и удобство эксплуатации), то она исправна, при несоответствии хотя бы одному требованию – неисправна. 

Состояние системы, при котором она способна выполнять заданные функции, сохраняя требуемые значения определенных параметров, называется работоспособным. Система находится в неработоспособном состоянии, если хотя бы один параметр, характеризующий способность системы выполнять заданные функции, не соответствует требованиям нормативно-технической документации.

Событие, состоящее в частичной или полной утрате работоспособности и приводящее к невыполнению или неправильному выполнению тестов или задач, называется отказом (ГОСТ 16325-88).

Расчет надежности выполняется на основе логической модели безотказной работы РЭС. При составлении модели предполагается, что отказы элементов независимы, а элементы и в целом РЭС могут находиться в одном из двух состояний: работоспособном и неработоспособном. Используются две логические схемы надежности: 

		последовательная, когда отказ любого элемента ведет к отказу всего устройства;

		параллельная, когда отказ любого элемента не вызывает отказа всего устройства.

Последовательные схемы надежности характерны для не резервированных РЭС, параллельные – для РЭС с резервированием.

Основными количественными характеристиками надежности являются:

		вероятность безотказной работы РЭС;

		среднее время наработки на отказ ;

где     t – время непрерывной работы изделия;

э – эксплуатационное значение интенсивности отказов РЭС.

Т.к. заданием не предусмотрены, в проектируемом устройстве, схемы резервирования, то схема надежности будет последовательной.

	Определение надежности проводится с помощью упрощенных расчетов. 

	Исходными данными для расчета являются:

	1) Электрическая принципиальная схема.

	2) Значение коэффициентов электрической нагрузки.

	3) Характеристика элементной базы.

1) Определяются интенсивности отказов элементов с учетом условий эксплуатации изделия:



(Кн, t) ,                                (2.41)



где  - номинальная интенсивность отказов, см. табл. 2.2;

К1 и К2 – поправочные коэффициенты в зависимости от воздействия механических факторов, К1 = 1,35, К2 = 1,08;

К3 – поправочный коэффициент в зависимости от воздействия влажности и температуры, К3 = 2,5;

К4 – поправочный коэффициент в зависимости от давления воздуха,              К4 = 1,14;

(Кн, t) – поправочный коэффициент в зависимости от температуры поверхности элемента (t) и коэффициента нагрузки (Кн).



         (2.42)



Результаты расчета представлены в т.......................