車載電子機柜的緩沖設計

朱繼元

(桂林電子科技大學信息科技學院，廣西 桂林 541004)

高科技戰爭越來越依賴于電子技術，為了滿足電子系統的高度集成化要求，電子設備的結構設計廣泛采用了柜式結構。這種結構造價低廉，安裝簡便，并且和插入組件易于配合。在車載的環境下，由于地面的凸凹不平，使結構受到振動沖擊作用，從而使電子機柜結構疲勞和強度下降。有文獻報道了在一些雷達電子設備中，沖擊引起的故障約占振動引起故障的1/4。

為了克服沖擊對電子機柜的破壞，工程實際中常常是通過對電子機柜進行加固設計和采用緩沖設計，來保證電子機柜的正常工作。加固設計的成本通常較高，而采用緩沖設計，不但可以有效地抑制沖擊的破壞作用，而且調整方便，工作可靠，成本經濟，因而在生產實踐中應用較為廣泛。

1 電子機柜的理論模型

如圖1所示，為電子機柜的結構圖，電子機柜的總質量為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特性時，便可以將其簡化為如圖2所示的力學模型[1]，其力學模型為一個質量m、一個線性阻尼元件c和一個線性彈簧k組成的單自由度系統。

圖1 電子機柜的結構圖

圖2 電子機柜的力學模型

從而得電子機柜的位移[1]

由式（2）可得電子機柜的位移

式中，

2 電子機柜的無阻尼緩沖設計

當電子機柜的阻尼為0時，阻尼比為ζ=0，此時式(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，系統的固有頻率越低，則電子機柜所受到的沖擊加速度越小，此時緩沖效率也越高；但由式(6)可知，輸入的階躍速度不變，系統的固有頻率越低，緩沖系統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是不存在的，提高緩沖效率是以增大變形量為代價的，為了取得良好的緩沖效果，緩沖系統要能產生較大的變形，容許電子機柜產生較大的相對位移。

但由于工作性能及結構要求或受空間的限制，電子機柜不容許產生較大的相對位移，在這種情況下，如果滿足變形條件，緩沖效率就受到了限制，如果此時緩沖效率滿足不了設計要求，就不能用上述方法來進行緩沖設計，必須采用其他方法或將緩沖系統設計成非線性的[4]。

3 電子機柜的阻尼緩沖設計

可以求得出現最大加速度幅值的時刻tmax，

將式(10)代入式(8)和式(9)可得

由式(11)和式(12)可知，當輸入的階躍速度不變時，當阻尼比為一確定值時，最大變形量是固有頻率的函數，當取阻尼比為0.4時，這時，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，當輸入階躍速度和阻尼比不變時，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。所以在進行電子機柜緩沖設計時，在滿足緩沖的變形條件下，設計機柜的剛度和強度。

為了討論阻尼比對最大變形量的影響，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 阻尼比對變形量的影響

圖6 阻尼比對加速度的影響

由圖5可知，當輸入階躍速度和系統的固有頻率不變時，阻尼比越小，緩沖系統的變形量越大，沖擊持續的時間就會越長。所以在緩沖設計時，增大阻尼比，可以減小緩沖系統的變形量。而由圖6可知，當輸入階躍速度和系統的固有頻率不變時，阻尼比取的過大或過小，加速度的值都比較大。由此可見，存在最優阻尼比。對式(12)對阻尼比求導，并令其等于0，對其進行數值求解，得到當沖擊的持續時間較短時，阻尼比取在0.265附近時，電子機柜的最大加速度最小。

4 結束語

無阻尼緩沖設計時，系統的固有頻率越低，則電子機柜所受到的沖擊加速度越小，此時緩沖效率也越高，而此時緩沖系統的最大變形量就越大；而在有阻尼緩沖設計時，系統固有頻率的影響和無阻尼的情況相同，系統的固有頻率越低，電子機柜的受到加速度越小，緩沖系統的變形越大。而阻尼比的增大，可以減小緩沖系統的變形量，阻尼比的過大或過小，都會使加速度值較大，當阻尼比取在0.265附近時，電子機柜的最大加速度最小。

[1]季 馨．電子設備振動分析與試驗[Z]．南京：東南大學出版社，1992.

[2]魯守來，季馨譯．電子設備振動分析[Z]．南京：南京工學院241教研組，1983.

[3]丁文鏡．減振理論[M]．北京：清華大學出版社，1988.

[4]馬志宏，李金國．軍用裝備抗振動、抗沖擊設計方法[J]．裝備環境工程，2006，(10)：70-73.