浅谈电子设备的结构设计
发布时间:2019-12-29 17:15:00来源:
1现代电子设备的特点
当前,电子技术广泛地应用于国防、国民经济各部门以及人民生活等各个领域。
由于生产和科学技术的发展,新工艺和新材料应用,超小型化元器件和中大规模、超大规模集成电路的研制和推广,使电子设备在电路上和结构上产生巨大的变化。小型化、超小型化、微型化结构的出现,使得一些传统的设计方法逐渐被机电结合、光点结合等新技术所取代,再加上电子设备要适应更加广泛的用途和恶劣苛刻的工作环境,就使当代电子设备具有不同于过去的特点。这些特点可归纳为以下几方面:
(1)设备组成较复杂。现代电子设备要求具有多种功能,设备组成较复杂,元器件、零部件数量多,且设备体积要小,组装密度大。尤其是超大规模集成电路及其衍生的各种功能模块的出现,使电子设备的组装密度较过去提高了很多。
(2)设备使用环境条件复杂。现代电子设备往往要在恶劣而苛刻的环境条件下工作。有时要承受高温、低温和巨大温差变化;高湿度和低气压;强烈的冲击和振动;外界的电磁干扰等。这些都会对电子设备的正常工作产生影响。
(3)设备可靠性要求高。现代电子设备要求具有较高的可靠性和足够的工作寿命。可靠性低的电子设备将失去使用价值。高可靠性的电子设备,不仅元器件质量要求高,在电路设计和结构设计中都要作出较大的努力。
2 结构设计
结构设计是为了满足电子设备的各项功能、电性能,以及电子设备能在各种给出的既定环境下正常工作所进行的设计,既包含原始设计,也包括改进设计和升级换代的设计。
2.1结构设计要求
结构设计的要求包括:
(1)满足电子设备的安装要求;
(2)满足电子设备电性能的要求,比如安全接地,屏蔽等要求;
(3)满足产品适应环境的要求,包括散热和三防的要求,户外产品要求更严格;
(4)满足产品使用和运输要求,包括吊装,使用和运输过程中的隔振、缓冲等。
2.2结构设计原则
结构设计的任务就是要采取合理有效措施,保证系统各部分在实际的使用环境条件下正常地工作,确保其环境的适应性和总体设计功能的实现,同时满足系统的可靠性、使用性、维修性、安全性、机动性、经济性及美观、实用等要求,主要应遵循以下设计原则:
(1)按照所引用的各类标准及要求进行结构设计;
(2)注重应用已有的先进技术、吸取已有设备的优点和成熟技术,优先采用经实践证明的可靠的设计;
(3)贯彻标准化、模块化、系列化设计思想,以提高设备的可靠性、互换性、降低成本、缩短研制周期;
(4)提高设备集成度,力求做到体积小、重量轻、便于拆装及维修,便于携带、运输,提高设备的机动性;
(5)各分机(或分系统)结构设计应当满足各分机结构设计交接单要求;
(6)各分机(或分系统)内部元器件的布置应均匀、整齐、美观,安装牢固、可靠,可维修性好,尽可能地满足正面维修的要求;
(7)系统适合在复杂地理条件下携带、使用。
2.3 三防设计
通过合理选材,降低面与面互相接触的金属之间的电位差,避免接触腐蚀,对于必须把不允许接触的金属组装在一起时,应采取如下措施:
(1) 在一种金属上镀以允许与另一种金属相接触的金属镀层;
(2) 在两种金属之间涂覆保护层或放置过渡衬垫;
(3) 尽量减少盲孔,如不可避免时,其深度必须在其孔径的50%以内,直径应尽量大些;
(4) 避免积水结构;
(5) 在主要工作面,应避免或少用焊缝,且需保证焊接质量;
(6) 采用小阴极、大阳极结构。例如不锈钢和铝虽是不允许的电化耦,但不锈钢是阴极,故在实际使用中可用不锈钢紧固件安装铝合金零件;
(7) 在调试、检验完毕,所有插件、组合内部喷三防漆。
表面镀涂和化学处理要求如下:
(1)电镀、化学镀、阳极化、化学氧化、磷化等处理,应在零件完成所有的机械加工工序之后进行;
(2)一般镀覆件镀覆前表面粗糙度应不大于Ra12.5,无油漆覆盖层的金属件表面粗糙度应不大于Ra6.3,有光亮要求的零件表面粗糙度应不大于Ra1.6;
(3)铸造的金属零件,原则上不允许采用电镀和化学处理,若必须镀覆时,应将表面的孔隙减少,以至消除,或用适当材料封填铸造微孔后再镀覆,并加强清洗;
(4)循环承受复杂载荷的零件,如弹簧、齿轮等,镀前应进行喷丸处理,以引入有益的压应力,提高疲劳强度,改善抗应力腐蚀破裂的性能。
结构件表面施加覆盖层要求如下:
(1)所有金属结构件(不锈钢除外)必须进行表面处理;
(2)钢件优先采用镀锌后钝化成彩虹色或喷砂处理后再进行喷铝处理的方法;
(3)有导电性能要求的铝件采用化学导电氧化并浸刷电接触保护剂,镁合金采用镀半光亮镍处理;无导电要求的铝件采用阳极氧化处理,镁合金采用等离子微弧氧化处理;暴露在自然环境中的结构件除上述方法处理外,还应涂漆保护;
(4)对热固性塑料和层压塑料以及吸湿性高、透湿性大的非金属材料,在切削加工后,采取浸涂处理;
(5)对于铆接件和点焊件,先镀覆或化学处理后再铆接或点焊,被铆接及点焊所破坏的镀层及化学处理层的部位,用防腐材料进行涂覆处理;
(6)对于焊接件必须施加覆盖层;
(7)弹性零件镀锌、镀镍以及镀硬铬后,应进行去氢处理,以免氢脆断裂。
2.4热设计
热设计是指对产品的元器件、组件及产品整体的温升进行控制的设计。
对产品进行热设计就是要为产品的各个部位营造一个良好的热环境氛围,使产品能够在规定的条件下,按预定的功能正常工作。用热设计来防止由于元器件的热时效造成的产品功能失效;科学的设计能减少由于盲目冷却的经济代价。
热设计的要求如下:
(1)要保证冷却系统具有良好的冷却功能,即保证设备内部的元器件均能在规定的热环境中正常工作;
(2)根据功耗发热、环境温度、允许工作温度、可靠性要求以及尺寸、重量、冷却所需功率、经济性因素等,选择最简单、最有效的冷却方法;
(3)对于密封设备,必须同时考虑内部和外部的两种热设计方案,使其从内部向外部传热的热阻减至最小;
(4)保证冷却系统工作的可靠性,即不管环境如何变化,冷却系统必须能以重复和预定的方式完成所规定的功能;
(5)还要考虑安全性设计,在冷却系统中装有安全保护装置,如流量开关、温度继电器、压力继电器等;
(6)冷却系统良好的适应性,留有可调的余地;
(7)便于维修、检测和元件的更换。
当前,电子技术广泛地应用于国防、国民经济各部门以及人民生活等各个领域。
由于生产和科学技术的发展,新工艺和新材料应用,超小型化元器件和中大规模、超大规模集成电路的研制和推广,使电子设备在电路上和结构上产生巨大的变化。小型化、超小型化、微型化结构的出现,使得一些传统的设计方法逐渐被机电结合、光点结合等新技术所取代,再加上电子设备要适应更加广泛的用途和恶劣苛刻的工作环境,就使当代电子设备具有不同于过去的特点。这些特点可归纳为以下几方面:
(1)设备组成较复杂。现代电子设备要求具有多种功能,设备组成较复杂,元器件、零部件数量多,且设备体积要小,组装密度大。尤其是超大规模集成电路及其衍生的各种功能模块的出现,使电子设备的组装密度较过去提高了很多。
(2)设备使用环境条件复杂。现代电子设备往往要在恶劣而苛刻的环境条件下工作。有时要承受高温、低温和巨大温差变化;高湿度和低气压;强烈的冲击和振动;外界的电磁干扰等。这些都会对电子设备的正常工作产生影响。
(3)设备可靠性要求高。现代电子设备要求具有较高的可靠性和足够的工作寿命。可靠性低的电子设备将失去使用价值。高可靠性的电子设备,不仅元器件质量要求高,在电路设计和结构设计中都要作出较大的努力。
2 结构设计
结构设计是为了满足电子设备的各项功能、电性能,以及电子设备能在各种给出的既定环境下正常工作所进行的设计,既包含原始设计,也包括改进设计和升级换代的设计。
2.1结构设计要求
结构设计的要求包括:
(1)满足电子设备的安装要求;
(2)满足电子设备电性能的要求,比如安全接地,屏蔽等要求;
(3)满足产品适应环境的要求,包括散热和三防的要求,户外产品要求更严格;
(4)满足产品使用和运输要求,包括吊装,使用和运输过程中的隔振、缓冲等。
2.2结构设计原则
结构设计的任务就是要采取合理有效措施,保证系统各部分在实际的使用环境条件下正常地工作,确保其环境的适应性和总体设计功能的实现,同时满足系统的可靠性、使用性、维修性、安全性、机动性、经济性及美观、实用等要求,主要应遵循以下设计原则:
(1)按照所引用的各类标准及要求进行结构设计;
(2)注重应用已有的先进技术、吸取已有设备的优点和成熟技术,优先采用经实践证明的可靠的设计;
(3)贯彻标准化、模块化、系列化设计思想,以提高设备的可靠性、互换性、降低成本、缩短研制周期;
(4)提高设备集成度,力求做到体积小、重量轻、便于拆装及维修,便于携带、运输,提高设备的机动性;
(5)各分机(或分系统)结构设计应当满足各分机结构设计交接单要求;
(6)各分机(或分系统)内部元器件的布置应均匀、整齐、美观,安装牢固、可靠,可维修性好,尽可能地满足正面维修的要求;
(7)系统适合在复杂地理条件下携带、使用。
2.3 三防设计
通过合理选材,降低面与面互相接触的金属之间的电位差,避免接触腐蚀,对于必须把不允许接触的金属组装在一起时,应采取如下措施:
(1) 在一种金属上镀以允许与另一种金属相接触的金属镀层;
(2) 在两种金属之间涂覆保护层或放置过渡衬垫;
(3) 尽量减少盲孔,如不可避免时,其深度必须在其孔径的50%以内,直径应尽量大些;
(4) 避免积水结构;
(5) 在主要工作面,应避免或少用焊缝,且需保证焊接质量;
(6) 采用小阴极、大阳极结构。例如不锈钢和铝虽是不允许的电化耦,但不锈钢是阴极,故在实际使用中可用不锈钢紧固件安装铝合金零件;
(7) 在调试、检验完毕,所有插件、组合内部喷三防漆。
表面镀涂和化学处理要求如下:
(1)电镀、化学镀、阳极化、化学氧化、磷化等处理,应在零件完成所有的机械加工工序之后进行;
(2)一般镀覆件镀覆前表面粗糙度应不大于Ra12.5,无油漆覆盖层的金属件表面粗糙度应不大于Ra6.3,有光亮要求的零件表面粗糙度应不大于Ra1.6;
(3)铸造的金属零件,原则上不允许采用电镀和化学处理,若必须镀覆时,应将表面的孔隙减少,以至消除,或用适当材料封填铸造微孔后再镀覆,并加强清洗;
(4)循环承受复杂载荷的零件,如弹簧、齿轮等,镀前应进行喷丸处理,以引入有益的压应力,提高疲劳强度,改善抗应力腐蚀破裂的性能。
结构件表面施加覆盖层要求如下:
(1)所有金属结构件(不锈钢除外)必须进行表面处理;
(2)钢件优先采用镀锌后钝化成彩虹色或喷砂处理后再进行喷铝处理的方法;
(3)有导电性能要求的铝件采用化学导电氧化并浸刷电接触保护剂,镁合金采用镀半光亮镍处理;无导电要求的铝件采用阳极氧化处理,镁合金采用等离子微弧氧化处理;暴露在自然环境中的结构件除上述方法处理外,还应涂漆保护;
(4)对热固性塑料和层压塑料以及吸湿性高、透湿性大的非金属材料,在切削加工后,采取浸涂处理;
(5)对于铆接件和点焊件,先镀覆或化学处理后再铆接或点焊,被铆接及点焊所破坏的镀层及化学处理层的部位,用防腐材料进行涂覆处理;
(6)对于焊接件必须施加覆盖层;
(7)弹性零件镀锌、镀镍以及镀硬铬后,应进行去氢处理,以免氢脆断裂。
2.4热设计
热设计是指对产品的元器件、组件及产品整体的温升进行控制的设计。
对产品进行热设计就是要为产品的各个部位营造一个良好的热环境氛围,使产品能够在规定的条件下,按预定的功能正常工作。用热设计来防止由于元器件的热时效造成的产品功能失效;科学的设计能减少由于盲目冷却的经济代价。
热设计的要求如下:
(1)要保证冷却系统具有良好的冷却功能,即保证设备内部的元器件均能在规定的热环境中正常工作;
(2)根据功耗发热、环境温度、允许工作温度、可靠性要求以及尺寸、重量、冷却所需功率、经济性因素等,选择最简单、最有效的冷却方法;
(3)对于密封设备,必须同时考虑内部和外部的两种热设计方案,使其从内部向外部传热的热阻减至最小;
(4)保证冷却系统工作的可靠性,即不管环境如何变化,冷却系统必须能以重复和预定的方式完成所规定的功能;
(5)还要考虑安全性设计,在冷却系统中装有安全保护装置,如流量开关、温度继电器、压力继电器等;
(6)冷却系统良好的适应性,留有可调的余地;
(7)便于维修、检测和元件的更换。
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