車載機(jī)頂盒硬盤固定架優(yōu)化和散熱分析

1、<p><b>　　目 錄</b></p><p>　　摘要…………………………………………………………………………………………1</p><p>　　關(guān)鍵詞………………………………………………………………………………………1</p><p>　　1前言………………………………………………………………………………………2<

2、;/p><p>　　1.1車載硬盤固定架的基本問題……………………………………………………2</p><p>　　1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀………………………………………………………………………2</p><p>　　1.3車載硬盤—固定架系統(tǒng)的隔振緩沖…………………………………………………3</p><p>　　2車載機(jī)頂盒的總體布局…………………

3、………………………………………………3</p><p>　　3車載硬盤固定架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)……………………………………………………………5</p><p>　　3.1固定方式的對(duì)比……………………………………………………………………5</p><p>　　3.2初步擬定固定架結(jié)構(gòu)…………………………………………………………………5</p><p>

4、;　　3.3固定架結(jié)構(gòu)分析………………………………………………………………………6</p><p>　　3.3.1固有頻率分析…………………………………………………………………………6</p><p>　　3.3.2靜態(tài)分析………………………………………………………………………………7</p><p>　　3.3.3屈曲分析………………………………………………………

5、………………………9</p><p>　　4隔振器的設(shè)計(jì)……………………………………………………………………………10</p><p>　　4.1隔振器的設(shè)計(jì)與選用步驟……………………………………………………………10</p><p>　　4.2工作環(huán)境參數(shù)…………………………………………………………………………11</p><p>　　4

6、.3隔振系數(shù)……………………………………………………………………………12</p><p>　　4.4剛度…………………………………………………………………………………13</p><p>　　5螺釘和墊片的選擇……………………………………………………………………15</p><p>　　6機(jī)頂盒的散熱分析……………………………………………………………………16

7、</p><p>　　6.1電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)的指標(biāo)要求………………………………………………………16</p><p>　　6.1.1環(huán)境溫度…………………………………………………………………………16</p><p>　　6.1.2元器件的溫度……………………………………………………………………16</p><p>　　6.1.3系統(tǒng)溫升………

8、…………………………………………………………………17</p><p>　　6.2機(jī)箱表面輻射散熱…………………………………………………………………18</p><p>　　6.3機(jī)箱表面自然對(duì)流散熱……………………………………………………………18</p><p>　　6.4機(jī)箱的開孔設(shè)計(jì)………………………………………………………………………19</p>

9、;<p>　　7試驗(yàn)測(cè)試與驗(yàn)證………………………………………………………………………20</p><p>　　8結(jié)論…………………………………………………………………………………21</p><p>　　參考文獻(xiàn)……………………………………………………………………………………22</p><p>　　致謝…………………………………………………………

10、………………………………錯(cuò)誤！未定義書簽。</p><p>　　附錄…………………………………………………………………………………………23</p><p>　　車載機(jī)頂盒硬盤固定架優(yōu)化和散熱分析</p><p>　　摘 要：隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，汽車電子已從20世紀(jì)70年代的簡(jiǎn)單汽車電器發(fā)展成為模塊化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化地集成電子系統(tǒng)，并作為改善汽車動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性

11、、安全性、穩(wěn)定性和舒適性等性能的重要技術(shù)措施，已被廣泛應(yīng)用于各種車輛。汽車電子化的程度已被視為衡量現(xiàn)代汽車水平的重要標(biāo)志。一方面，由于車輛工作過程中，頻繁的啟動(dòng)、制動(dòng)以及外界環(huán)境激勵(lì)等因素帶來的沖擊和振動(dòng)[1]，對(duì)車載電子產(chǎn)品來說是一個(gè)重大的考驗(yàn)，尤其是作為核心部件的硬盤對(duì)工作環(huán)境要求更是苛刻。另一方面，電子產(chǎn)品本身對(duì)散熱也有較高的要求。為此，保證車載硬盤的正常使用對(duì)整個(gè)車載電子系統(tǒng)變得極為關(guān)鍵。本論文根據(jù)汽車工作的實(shí)際需求，以車載機(jī)頂

12、盒硬盤—固定架系統(tǒng)的減振和機(jī)頂盒散熱問題為研究對(duì)象，應(yīng)用隔振緩沖和熱力學(xué)等理論對(duì)硬盤固定架進(jìn)行設(shè)計(jì)、仿真和試驗(yàn)，達(dá)到保護(hù)硬盤正常工作的目的。</p><p>　　關(guān)鍵詞：車載設(shè)備；隔振緩沖；散熱；固有頻率</p><p>　　The Analysis of Vehicle Set-top Box Hard Disk Fixing Frame Optimization and Heat Di

13、ssipation</p><p>　　Abstract: With the rapid development of information technology, automobile electron has already developed to be modular, network and intelligent integration electronic system from the 1970

14、's simple automobile electric appliances, and become an important technical measure in improving automobile's capability on power, economy, safety, stability and comfort. It has been widely applied to various veh

15、icles. Automobile electronic degree has been regarded as an important symbol of the level of modern </p><p>　　Keywords: truck-loaded equipment; eliminating impacts and vibrations;heat dissipation;inherent fr

16、equency</p><p><b>　　前言</b></p><p>　　衛(wèi)星導(dǎo)航被列入新興產(chǎn)業(yè)“十二五”規(guī)劃，發(fā)展自主技術(shù)成為重中之重，汽車前裝市場(chǎng)起了打頭陣的作用。到2015年，前裝導(dǎo)航汽車銷量，年復(fù)合增長(zhǎng)率將達(dá)到40%左右。汽車保有量達(dá)2 億輛，其中8000 萬(wàn)未配備導(dǎo)航設(shè)備的7年新車成為導(dǎo)航裝配市場(chǎng)的潛在客戶群。中國(guó)汽車導(dǎo)航裝配普及率將將從目前26%成長(zhǎng)至

17、50%-55%。因此，中國(guó)車載電子產(chǎn)品將有廣闊的發(fā)展前景。</p><p>　　1.1 車載硬盤固定架的基本問題</p><p>　　隨著社會(huì)科技的進(jìn)步，車載數(shù)字移動(dòng)電視等電子設(shè)備得到了越來越廣泛的應(yīng)用，由于其工作在復(fù)雜隨機(jī)振動(dòng)的環(huán)境中，極易造成損壞。由于數(shù)據(jù)的讀取和寫入速度快的優(yōu)勢(shì)，目前的存儲(chǔ)設(shè)備仍以硬盤為主導(dǎo)地位，而硬盤本身的隔振緩沖能力較差，這是車載電子產(chǎn)品的致命缺陷，提高硬盤隔振

18、緩沖能力就尤為顯得重要。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在引起車載電子設(shè)備的失效環(huán)境因素中，振動(dòng)因素約占27%。本論文主要是研究車載機(jī)頂盒硬盤的隔振緩沖和散熱問題，設(shè)計(jì)一種3.5英寸硬盤的固定架，提高產(chǎn)品對(duì)車載環(huán)境的適應(yīng)性。</p><p>　　提高車載硬盤固定架系統(tǒng)環(huán)境適應(yīng)性的主要措施：</p><p>　　1)加固設(shè)計(jì)，改善固定架薄弱環(huán)節(jié)抵御振動(dòng)沖擊的能力。</p><p>　　2)隔

19、振緩沖設(shè)計(jì)，使外界激勵(lì)通過隔振緩沖系統(tǒng)傳遞給硬盤的實(shí)際值在允許范圍內(nèi)。</p><p>　　3)預(yù)期設(shè)計(jì)，在工作熱環(huán)境比較惡劣，開散熱孔自然散熱方式不能滿足要求的情況下可增裝散熱風(fēng)扇。</p><p>　　1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀</p><p>　　提高車載硬盤—固定架系統(tǒng)的隔振緩沖能力是保證車載電子產(chǎn)品性能的重要手段，要有效地隔振緩沖，振動(dòng)控制成為了主要對(duì)象。隔

20、振是振動(dòng)控制的主要途徑之一，它是在支撐基座與電子設(shè)備之間安裝減振器進(jìn)行沖擊隔離，當(dāng)外界沖擊力作用在支撐基座上時(shí)，由于減振器中的彈性元件和阻尼元件產(chǎn)生變形，吸收能量并延長(zhǎng)沖擊力作用的接觸時(shí)間，使傳遞給設(shè)備的沖擊力減小了很多，達(dá)到緩沖的目的，主要有兩種方式：主動(dòng)隔振和被動(dòng)隔振。主動(dòng)隔振是在振動(dòng)物體與安裝基礎(chǔ)之間安裝隔振器，減少機(jī)器振動(dòng)力向基礎(chǔ)的傳遞量，隔振對(duì)象是振源。被動(dòng)隔振是在儀器設(shè)備與基礎(chǔ)之間安裝隔振器，以減少基礎(chǔ)的振動(dòng)對(duì)儀器設(shè)備的影響

21、，隔振對(duì)象是設(shè)備。因此，對(duì)車載電子產(chǎn)品主要采用被動(dòng)隔振。目前國(guó)內(nèi)的主要隔振器件主要有各種金屬?gòu)椈山饘贉p振片橡膠及不銹鋼鋼絲繩等[2]。國(guó)外開發(fā)的新型隔振器有氣體隔沖器和ERF減震器及美國(guó)海軍為戰(zhàn)艦研究的3KIP SAM隔沖器等。目前，對(duì)車載設(shè)備支架隔振結(jié)構(gòu)的進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析的主要手段為試驗(yàn)和數(shù)值仿真。試驗(yàn)是準(zhǔn)確可靠的方法，但是試驗(yàn)常常受到成本﹑實(shí)驗(yàn)條件等因素的限制。因此基于有限元法﹑模態(tài)分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化理論，考慮車載電子設(shè)備實(shí)際工作環(huán)境，建

22、立支</p><p>　　1.3 車載硬盤—固定架系統(tǒng)的隔振緩沖</p><p>　　車載電子產(chǎn)品受到的是汽車主體（振源）傳輸來的強(qiáng)迫振動(dòng)，工作中的振動(dòng)環(huán)境是中低頻的隨機(jī)振動(dòng)，垂直方向的振動(dòng)占優(yōu)勢(shì)，水平方向的振動(dòng)相對(duì)較小。為避免共振，根據(jù)二倍頻法則[3]，系統(tǒng)的固有頻率應(yīng)避開振動(dòng)激勵(lì)頻率，且兩者的比值要大于2.5。由于隔離要求的不同，隔離器的性能也不同，為獲得較小的相對(duì)位移，要求剛度較大

23、；而為獲得較小的加速度響應(yīng)，則要求剛度要小。</p><p>　?、賱偠萲——隔振器的剛度越大，隔振效果越差，反之隔振效果越好。 </p><p>　?、谫|(zhì)量m——被隔離物體的質(zhì)量m使支承系統(tǒng)保持相對(duì)靜止，物體質(zhì)量越大，在確定振動(dòng)力的作用下物體振動(dòng)越小。 </p><p><b>　?、圩枘岜圈?</b></p><p>

24、;　　由于硬盤工作在高轉(zhuǎn)速狀態(tài)，一般轉(zhuǎn)速超過5400r/min，當(dāng)受到?jīng)_擊或劇烈震動(dòng)時(shí)，極易造成磁頭損壞或盤區(qū)磁道刮損。因此，對(duì)車載機(jī)頂盒硬盤固定架需選擇較軟的、剛度低的彈性支撐的阻尼，而硬盤由于受到空間位置的限制又不能取過軟的大阻尼材料，綜合考慮各種因素，一般采用的是阻尼較大的橡膠作為減振材料。</p><p>　　車載機(jī)頂盒的總體布局</p><p>　　由于汽車工作過程中本身會(huì)產(chǎn)生大

25、量的熱量，使汽車空氣溫度高于室溫，再者考慮到夏天溫度較高，機(jī)頂盒自然風(fēng)冷散熱不足的情況，有必要在固定架下面設(shè)計(jì)一個(gè)備用風(fēng)扇，以強(qiáng)迫風(fēng)冷方式幫助散熱。由于機(jī)頂盒的PCB板面積尺寸和硬盤尺寸已經(jīng)確定，在這種情況下，固定架最小尺寸大于100X150mm。把硬盤固定架安裝位置與PCB板組合在一起，在加上前端塑膠殼體部分，使整個(gè)機(jī)頂盒長(zhǎng)寬比例盡量滿足接近1:1，符合美學(xué)對(duì)外觀的要求。在Proe軟件中采取自上而下的方式進(jìn)行建模[4]，首先在鈑金件建

26、模環(huán)境中建立底座模型，再在底座基礎(chǔ)上對(duì)其他模型進(jìn)行裝配參數(shù)建模，這樣能保證相配合的尺寸的一致性和準(zhǔn)確性。在鈑金環(huán)境建立的底座模型圖、總體布局裝配圖分別如下：</p><p><b>　　圖1 底座</b></p><p>　　Figure 1 Base </p><p><b>　　圖2 總體布局</b></p

27、><p>　　Figure 2 General layout</p><p>　　車載硬盤固定架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)</p><p>　　3.1 固定方式的對(duì)比</p><p>　　目前硬盤固定架主要有兩種固定方式：左右固定和上下兩種方式。從減振結(jié)構(gòu)區(qū)分的話，左右固定方式又可大致分為插槽式、懸掛式和側(cè)板固定式等[5]。從總體布局可知，由于車載硬盤固定架下

28、需要安裝風(fēng)扇，因此固定架必須設(shè)計(jì)成支架結(jié)構(gòu)。若選用懸掛式，垂直方向和水平方向上的減振效果都較好，但需要較大的空間，這在日益微型化的機(jī)頂盒內(nèi)，空間是不容許的；而插槽式因硬盤的上下表面必須緊密固定卡在槽內(nèi)，所以垂直方向的減振效果不理想；采用側(cè)板固定式則堅(jiān)固兩方面的優(yōu)點(diǎn)[6]，既能夠做到減少硬盤固定架所占的空間，又在水平方向和垂直方向上有較好的減振效果，因此，本論文設(shè)計(jì)的車載機(jī)頂盒硬盤固定架采用側(cè)板固定式。</p><p&

29、gt;　　3.2 初步擬定固定架結(jié)構(gòu)</p><p>　　根據(jù)硬盤的外觀形狀和尺寸數(shù)據(jù)，能基本確定固定硬盤部分的大致外形尺寸，考慮到固定架在機(jī)頂盒內(nèi)所占的空間基本確定，再參照目前公司已有的部分非車載小型機(jī)頂盒硬盤固定架結(jié)構(gòu) ，應(yīng)盡量采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，占據(jù)空間位置較小的結(jié)構(gòu)。公司現(xiàn)有固定架圖片如下：</p><p>　　圖3 參考硬盤固定架</p><p>　　Fig

30、ure 3 Reference to hard disk fixing frame</p><p>　　根據(jù)ST3500312CS型號(hào)硬盤的結(jié)構(gòu)參數(shù)[7]150X100X20mm，和風(fēng)扇型號(hào)[8]（80X80X20mm），大體確定固定架框架尺寸。側(cè)板開孔間距尺寸從硬盤螺釘孔尺寸確定，孔的大小由減震器尺寸決定。車載硬盤工作在振動(dòng)的環(huán)境中，硬盤與機(jī)頂盒的其他部分連接的數(shù)據(jù)傳輸線比較容易出現(xiàn)松動(dòng)甚至脫離接口，因此必須

31、設(shè)計(jì)一結(jié)構(gòu)以防止數(shù)據(jù)線松脫。固定架初步結(jié)構(gòu)如下圖：</p><p><b>　　圖5 固定架結(jié)構(gòu)</b></p><p>　　Figure 5 Structure of fixing frame</p><p>　　3.3 固定架結(jié)構(gòu)分析</p><p>　　3.3.1 固有頻率分析</p><

32、p>　　硬盤的質(zhì)量為420g，根據(jù)公司常用做硬盤固定架的材料為電鍍鋼，試取厚度為為1mm，在solidworks中建立固定架三維模型[9]，然后新建頻率算例，應(yīng)用材料電鍍鋼與模型，對(duì)固定架底面四個(gè)支撐點(diǎn)進(jìn)行固定，作為邊界條件。由于固定架為沖壓件，厚度1mm，因此采用殼體網(wǎng)格劃分方式進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格信息如下表：</p><p><b>　　表1 網(wǎng)格信息</b></p>

33、<p>　　Table 1 Grid information</p><p>　　由于節(jié)數(shù)為7963少于20000，因此采用FFEPlus解算器進(jìn)行計(jì)算較為適當(dāng)，計(jì)算5階頻率分析，結(jié)果如表2：</p><p><b>　　表2 共振頻率</b></p><p>　　Table 2 Resonance frequency</p&g

34、t;<p>　　3.3.2 靜態(tài)分析</p><p>　　選用的材料為電鍍鋼，其屬性參數(shù)如表3：</p><p><b>　　表3 材料屬性參數(shù)</b></p><p>　　Table 3 Material property parameters</p><p>　　材料模型為線性彈性同向性，失敗準(zhǔn)則以最

35、大von Mises應(yīng)力為判斷依據(jù)，其他約束條件同上。新建一個(gè)靜態(tài)算例進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度仿真分析，結(jié)果如表4和圖6：</p><p><b>　　表4 靜態(tài)分析結(jié)果</b></p><p>　　Table 4 The results of static analysis</p><p>　　圖6 固定架應(yīng)力分布</p><p&g

36、t;　　Figure 6 Analysis on stress of fixing frame</p><p>　　此次分析得到固定架的最小安全系數(shù)為64，此外從上圖可知，固定架最大應(yīng)力3172471N/m2,遠(yuǎn)小于材料的屈服極限203943242.6 N/m2，而在四個(gè)支腳處發(fā)生了比較大的彎曲變形，說明固定架發(fā)生應(yīng)力過大導(dǎo)致失效前，首先發(fā)生的是屈曲變形而使固定架失效。</p><p>

37、　　3.3.3 屈曲分析</p><p>　　在對(duì)固定架進(jìn)行靜態(tài)分析的基礎(chǔ)上，新建一個(gè)扭曲算例，在尖角處采用自動(dòng)過渡，仍然進(jìn)行殼體網(wǎng)格劃分精細(xì)劃分網(wǎng)格，節(jié)點(diǎn)數(shù)為19893，接近20000，因此采用Direct sparse解算器計(jì)算更加有效，進(jìn)行屈曲有限元分析。分析結(jié)果如表5和圖7：</p><p><b>　　表5 屈曲分析結(jié)果</b></p>&l

38、t;p>　　Table 5 The results of buckling analysis</p><p>　　圖7 加強(qiáng)前的固定架屈曲分析</p><p>　　Figure 7 Analysis on buckling of fixing frame before strength</p><p>　　由于固定架變形較大，在頻繁的隨機(jī)振動(dòng)沖擊的工作環(huán)境

39、，可能由于疲勞的因素降低其對(duì)硬盤的保護(hù)功能等，載荷因子有待進(jìn)一步提高，因此嘗試通過在折彎處做加強(qiáng)筋以提高固定架在支腳折彎處的結(jié)構(gòu)剛度。但是沖壓件又不能像其他機(jī)器采用焊接肋板的辦法實(shí)現(xiàn)，一方面加工工部較多，提高產(chǎn)品的成本，另一方面此固定架尺寸較小，焊接小肋板亦不便操作，所以選擇在折彎處破口沖壓出一個(gè)缺口，起到加強(qiáng)筋的作用。重新建模后再進(jìn)行仿真分析，結(jié)果如下：</p><p>　　表6加強(qiáng)后屈曲分析結(jié)果</p&

40、gt;<p>　　Table 6 The results of buckling analysis after strength</p><p>　　圖8 加強(qiáng)后固定架的屈曲分析</p><p>　　Figure 8 Analysis on bucking of fixing frame after strength</p><p>　　對(duì)比之前的

41、分析發(fā)現(xiàn)，在折彎處沖壓加強(qiáng)筋后，整個(gè)結(jié)構(gòu)的載荷因子從原來的1129增加到2217，將近提高一倍，最小安全系數(shù)提高到84，結(jié)構(gòu)的安全性有了較大提升，使得其抵抗變形能力得到了較大改善，即沖壓加強(qiáng)筋后的固定架的穩(wěn)定性得到了改善。</p><p><b>　　隔振器的設(shè)計(jì)</b></p><p>　　4.1 隔振器的設(shè)計(jì)與選用步驟</p><p>　

42、　1)根據(jù)設(shè)備使用場(chǎng)合，通過測(cè)試和分析明確設(shè)備所承受的機(jī)械力形式以及強(qiáng)度大?。ㄈ鐩_擊次數(shù)、脈沖持續(xù)時(shí)間和加速度大?。徽駝?dòng)頻率的范圍、主要頻率點(diǎn)及相應(yīng)的振幅等；</p><p>　　2)根據(jù)允許的激振值(位移、速度、加速度或重量)求出隔振系數(shù)；</p><p>　　3)根據(jù)所要求的隔振系數(shù)由圖確定出頻率比和相應(yīng)的阻尼比的值；</p><p>　　4)由頻率比和激振頻率

43、求出系統(tǒng)的固有頻率； </p><p>　　5)由決定隔振器的彈簧剛度K[10]，若隔振器的布置與重心不對(duì)稱，則應(yīng)該分別計(jì)算隔振器的剛度；</p><p>　　6)根據(jù)隔振器剛度和阻尼比可以查《振動(dòng)振動(dòng)機(jī)架設(shè)計(jì)》手冊(cè)[11]選擇合適的隔振器。</p><p>　　4.2 工作環(huán)境參數(shù)</p><p>　　根據(jù)所要設(shè)計(jì)的硬盤固定架為車載工作環(huán)

44、境，查《現(xiàn)代電子設(shè)備設(shè)計(jì)制造手冊(cè)》[12]如下表：</p><p>　　表7 振動(dòng)與沖擊參數(shù)</p><p>　　Table 7 Parameter of vibration isolation and shock</p><p>　　GJB150.16《振動(dòng)試驗(yàn)》規(guī)定[13]：由于陸上運(yùn)輸環(huán)境比海上運(yùn)輸環(huán)境更為嚴(yán)重，所以車載船載電子設(shè)備的震動(dòng)試驗(yàn)一般按車載通訊

45、設(shè)備“卡車”類試驗(yàn)嚴(yán)酷登記進(jìn)行。查振動(dòng)與沖擊參數(shù)表得：載重汽車頻率范圍4~80Hz，最大振幅127mm，最大加速度4.1g。</p><p>　　根據(jù)本論文研究的機(jī)頂盒型號(hào)選用的是ST3500312CS型號(hào)的500GB硬盤，可以由表2查得硬盤工作時(shí)最大允許沖擊為70Gs at 2ms, 車載硬盤工作時(shí)振動(dòng)頻率范圍4-80Hz，其工作頻段主要在22-80Hz，4-22Hz頻段主要是路面低頻激振，因此允許最大加速度為

46、0.5Gs。</p><p>　　1Gs表示的是一倍重力加速度，因此，硬盤所能承受的沖擊和振動(dòng)是非常小的，必須采用隔振效果和阻尼都較好的隔振器。</p><p>　　表8 500和320 GB 型號(hào)硬盤參數(shù)</p><p>　　Table 8 Drive specifications summary for 500 and 320GB models</p&g

47、t;<p>　　4.3 隔振系數(shù) </p><p>　　(a)主動(dòng)隔振 (b)被動(dòng)隔振</p><p>　　圖9 單自由度阻尼振動(dòng)系統(tǒng)示意圖</p><p>　　Figure 9 Schematic diagram of single degree of freedom vibration damping

48、system</p><p>　　主動(dòng)隔振：傳到基礎(chǔ)上的力與原振力之比 。</p><p>　　η＝FT/F0 （1）</p><p>　　被動(dòng)隔振：被隔離的物體振幅與基礎(chǔ)振幅之比 。</p><p>　　η＝XO/ UO

49、 （2）</p><p>　　此處已知條件為加速度，因此用加速度表示隔振系數(shù)</p><p>　　η=a（響應(yīng)加速度）/a0（激勵(lì)加速度） （3）</p><p>　　=0.5/4.1=0.12</p>

50、<p>　　1)當(dāng) f / fo ＜＜1時(shí)，隔振系數(shù)η=1；</p><p>　　2)當(dāng) f / fo =1時(shí)， 隔振系數(shù)η為最大，振動(dòng)力被放大，此時(shí)系統(tǒng)處于共振狀態(tài)；</p><p>　　3)當(dāng) f / fo =時(shí)，隔振系數(shù)η=1，振動(dòng)力等值傳遞，此時(shí)系統(tǒng)無(wú)隔振效果；</p><p>　　4)當(dāng) f / fo＞時(shí)，隔振系數(shù)η＜1，振動(dòng)力減值傳遞，此時(shí)

51、系統(tǒng)有隔振效果。</p><p>　　隔振必要條件，頻率比f(wàn) / fo＞。</p><p>　　圖10 隔振系數(shù)與頻率比及阻尼比的關(guān)系曲線</p><p>　　Figure 10 Isolation coefficient and frequency ratio and damping ratio curve</p><p>　　在電子設(shè)

52、備的減振設(shè)計(jì)中一般取頻率比f(wàn) / fo為2.5~4.5。在放大（共振）區(qū)內(nèi)，阻尼可以抑制傳遞的幅值，在共振區(qū)減小共振峰值，抑制共振振幅，使物體的振幅不至于過大；在隔振區(qū)，阻尼反而使傳遞增大 ，隨著ξ的增大，η也變大，隔振效果變差。對(duì)于不同的阻尼比ξ，曲線明顯分開，表明阻尼對(duì)共振的影響大，η值隨ξ增大而減小。要取得比較好的隔振效果，首先必須保證當(dāng)f / fo＞2，即設(shè)計(jì)比較低的隔振系統(tǒng)頻率。如果系統(tǒng)激振頻率f比較低，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)很難達(dá)到當(dāng)f

53、 / fo＞2的要求，則必須通過增大隔振系統(tǒng)阻尼的方法以抑制系統(tǒng)的振動(dòng)響應(yīng)，所以對(duì)于啟、停頻繁的設(shè)備，為防止設(shè)備在啟動(dòng)或停機(jī)過程中經(jīng)過共振區(qū)域時(shí)產(chǎn)生過大的共振，減振器選用時(shí)應(yīng)考慮阻尼大一些的。根據(jù)相關(guān)研究資料表明阻尼比 ξ=0.1隔振緩沖效果比較理想[14]。</p><p>　　從圖中可以看出若選取阻尼比為0.1，則頻率比f(wàn) / fo為3.2，符合二倍頻法則。因?yàn)榧ふ耦l率為5-80Hz，所以減震器的固有頻率為f

54、o 為1.56-25Hz，試取fo=20Hz。</p><p><b>　　4.4 剛度</b></p><p><b>　　由已知條件：</b></p><p>　　ω0=2πf0 （4）</p&g

55、t;<p><b>　　（5）</b></p><p>　　代入數(shù)據(jù)可以得到： K=142.6KN/mm 則每一個(gè)橡膠環(huán)的剛度為35.65KN/mm。橡膠在動(dòng)載荷下的彈性模量比靜載荷大，兩者比值一般在1~2之間。隨著硬度的增加以及頻率的升高，動(dòng)態(tài)彈性模量也會(huì)變大。采用橡膠減震的系統(tǒng)，其動(dòng)態(tài)固有頻率于靜態(tài)力學(xué)性質(zhì)求得的固有頻率不同，這是由于橡膠具有彈性后效特性之故。當(dāng)橡膠受力時(shí)

56、，變形總是滯后于作用力，即作用力改變時(shí)橡膠的變形并不同時(shí)改變。所以橡膠的動(dòng)剛度比靜剛度大，動(dòng)剛度kd和靜剛度[15]的關(guān)系如下：</p><p><b>　?。?）</b></p><p>　　式中nk為動(dòng)剛度系數(shù)，它隨橡膠硬度增加而增加。橡膠材料的動(dòng)剛度系數(shù)見表3。</p><p>　　表9 橡膠材料、鋼材的阻尼比和動(dòng)剛度系數(shù)</p&

57、gt;<p>　　Table 9 Rubber materials, steel, the damping ratio and the dynamic stiffness coefficient</p><p>　　由于丁腈橡膠阻尼比ξ=0.1按插值法查得 nk=1.8,可球的動(dòng)剛度Kd=64.17KN/mm。</p><p>　　當(dāng)系統(tǒng)受到?jīng)_擊時(shí)，橡膠減震器的沖擊剛度Ks

58、h可用動(dòng)剛度Kd值表示，關(guān)系如下：</p><p>　　Ksh=（1~1.8）Kd （ξ=0.05-0.2） （7）</p><p>　　沖擊剛度比靜剛度、動(dòng)剛度都大，這對(duì)車載設(shè)備緩沖減振特別有利。</p><p>　　因?yàn)橛脖P固定架采用的是側(cè)板固定式，因此減震器為環(huán)柱形：</p>

59、<p>　　圖11 環(huán)柱形減震器示意圖</p><p>　　Figure 11 Schematic diagram of cylindrical shock absorber</p><p><b>　?。?）</b></p><p>　　其中 </p><p>　　

60、已知d=3.5mm和H=1mm求得D=8mm。</p><p>　　由于車載設(shè)備的振動(dòng)主要在垂直方向上，所以水平方向的減振在此不做深入分析，而是根據(jù)導(dǎo)師經(jīng)驗(yàn)推薦厚度取2mm，靠近硬盤測(cè)面部分減振環(huán)外徑15mm，另一側(cè)取12mm，總厚度為5mm。</p><p>　　查《振動(dòng)設(shè)計(jì)·機(jī)架設(shè)計(jì)》[16]表17-5-5 得到減震器材料為NR（丁腈橡膠）。</p><p

61、>　　橡膠減震器是以橡膠作為減震器的彈性材料，其優(yōu)點(diǎn)如下：</p><p>　　1)取型和制造比較方便，根據(jù)需要可隨意選擇三個(gè)相互垂直方向上的剛度，改變橡膠的內(nèi)部構(gòu)造，可以大幅度改變橡膠剛度。</p><p>　　2)橡膠自身具有較大的阻尼，使用橡膠減震器的動(dòng)力機(jī)器在通過共振區(qū)時(shí)，不致產(chǎn)生過大的振幅，故不需要另加阻尼器。</p><p>　　3)阻尼比隨橡膠硬

62、度的增大而增加。長(zhǎng)時(shí)間處于共振狀態(tài)時(shí)，橡膠會(huì)發(fā)生蠕變而使阻尼失效，故橡膠減震器特別適合于系統(tǒng)偶爾發(fā)生共振的情況。</p><p><b>　　螺釘和墊片的選擇</b></p><p>　　根據(jù)硬盤的規(guī)格參數(shù)[17]可知，螺孔為美國(guó)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)英制螺紋孔，因此所使用的緊固件等標(biāo)準(zhǔn)間應(yīng)統(tǒng)一采用英制標(biāo)準(zhǔn)。由于減震橡膠外側(cè)環(huán)直徑為12mm，為例確保水平方向上有較好的剛度，應(yīng)盡量選

63、則相近外徑尺寸的墊片，#8窄平頭墊片內(nèi)徑0.188in，外徑0.438in，厚度0.049in，根據(jù)1 in=25.4mm換算得11.12mm、4.78mm和1.24mm，材料選擇Q235。</p><p>　　雖然美國(guó)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的英制螺紋的牙角和國(guó)標(biāo)都是60°，但是國(guó)標(biāo)螺紋牙距的表示方法是牙距長(zhǎng)度，而英制螺紋則是以每英寸長(zhǎng)度所包含的螺牙個(gè)數(shù)表示，因此不能選用國(guó)標(biāo)螺釘代替。根據(jù)硬盤規(guī)格表中的6#-32 X

64、 UNC 2B型螺紋孔，選擇相同螺紋型號(hào)的開槽大圓頭螺釘。再根據(jù)減振橡膠的厚度為5mm和墊片的厚度1.24mm，選擇螺釘長(zhǎng)度為0.312in=7.9mm，旋合長(zhǎng)度大于三個(gè)螺牙。</p><p>　　圖12 螺釘和墊片示意圖</p><p>　　Figure 12 Schematic diagram of screw and washer</p><p>　　螺釘

65、的材料也選用碳鋼Q235，其許用應(yīng)力為150Mpa。對(duì)螺釘進(jìn)行強(qiáng)度校核[18]：而剪切的強(qiáng)度條件：</p><p><b>　?。?）</b></p><p>　　其中Q=105g，A=3.14Xd2/4。</p><p>　　τ=Q/A=12Mpa<150Mpa, τ=Q/B =22 Mpa<150Mpa</p>&

66、lt;p>　　故螺釘是滿足強(qiáng)度要求的。</p><p><b>　　機(jī)頂盒的散熱分析</b></p><p>　　6.1 電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)的指標(biāo)要求</p><p>　　6.1.1 環(huán)境溫度</p><p>　　電子設(shè)備的環(huán)境溫度一般包括設(shè)備的存儲(chǔ)溫度和使用溫度，主要根據(jù)國(guó)標(biāo)（行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)）的相關(guān)規(guī)定[19]，結(jié)合設(shè)

67、備的使用環(huán)境和本公司的要求來確定。常規(guī)電子設(shè)備的參數(shù)如下：設(shè)備存儲(chǔ)溫度：-40℃—70℃；設(shè)備使用環(huán)境溫度：室內(nèi)設(shè)備-5℃—45℃；室外設(shè)備-35℃—40℃。</p><p>　　6.1.2 元器件的溫度</p><p>　　熱設(shè)計(jì)的最主要目的是確保電子設(shè)備中元器件的工作溫度低于其最大的許可溫度。對(duì)弟子元器件而言，溫度每超過額定溫度8℃，其壽命降低一半。元器件的最大許可溫度根據(jù)可靠性要求

68、及失效率確定，可以根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GJB/Z 299查的。對(duì)于半導(dǎo)體器件和集成電路，主要是控制結(jié)溫tj，熱設(shè)計(jì)要保證tj≤（0.5—0.8）tjmax，其中tjmax 是器件的最大許可結(jié)溫。一般地，對(duì)于tjmax=150℃的器件，tj 應(yīng)小于120℃； 對(duì)于tjmax=125℃的器件，tj 應(yīng)小于95℃。由于結(jié)溫沒有辦法測(cè)量，通常是測(cè)量殼溫，再按器件熱阻計(jì)算出結(jié)溫。對(duì)于發(fā)熱量較大的元器件，還要要防止由于器件管腳熱阻較小，熱量大部分傳到PCB 板

69、，從而引起PCB 局部溫度過高，進(jìn)而導(dǎo)致PCB 燒黃或損害周圍其它器件的問題，一般通過在PCB板上安裝散熱器解決。</p><p>　　6.1.3 系統(tǒng)溫升</p><p>　　電子設(shè)備通常要求有較高的可靠性，優(yōu)良的散熱是電子設(shè)備可靠工作的重要保障。設(shè)備的系統(tǒng)溫升指設(shè)備內(nèi)部空氣的平均溫度與環(huán)境溫度之差，按10℃—15℃要求。我們都知道，熱量傳遞的動(dòng)力是溫差的存在，熱量總是從高溫區(qū)傳向低溫

70、區(qū)，且高溫區(qū)發(fā)出的熱量必定等于低溫區(qū)吸收的熱量。熱量的傳遞過程可分為穩(wěn)定過程和不穩(wěn)定過程兩類：凡是物體中各點(diǎn)溫度不隨時(shí)間而變化的熱傳遞過程稱為穩(wěn)定熱傳遞過程；反之則稱為不穩(wěn)定過程。</p><p>　　熱量的傳遞有三種基本方式：傳導(dǎo)、對(duì)流換熱和輻射換熱。它們可以單獨(dú)出現(xiàn)，也可能兩種或三種形式同時(shí)出現(xiàn)。但是對(duì)于不同的散熱系統(tǒng)，一般只有一種或幾種散熱方式起主導(dǎo)作用，其它方式可以忽略。</p><p

71、>　　已知：整機(jī)尺寸 300x268x55mm ，環(huán)境溫度 25℃ 。工作時(shí)，機(jī)箱允許溫升10-15℃ ，硬盤功耗 24W ，電路板總功耗10W。 </p><p><b>　　熱流密度： </b></p><p>　　ρ=Q/A （10）&l

72、t;/p><p>　　=（24+10）/2x(30.0x26.8+30.0x5.5+26.8x5.5)=0.0152 W/cm2</p><p>　　圖13 熱流密度溫升圖</p><p>　　Figure 13 Diagram of heat flowing density on temperature rising</p><p>　　根

73、據(jù)圖表，選擇散熱方式為自然冷卻即能滿足要求，此方式最容易實(shí)現(xiàn)，在這個(gè)過程中無(wú)噪聲振動(dòng)，無(wú)附加功耗，而且費(fèi)用低，易于維修。自然冷卻機(jī)箱的散熱主要是通過表面輻射散熱和空氣自然對(duì)流換熱兩種形式。一般地說，機(jī)箱的外表面可看作自然對(duì)流的擴(kuò)展表面。</p><p>　　6.2 機(jī)箱表面輻射散熱</p><p>　　物體以電磁波形式傳遞能量的過程。輻射不需要介質(zhì)，且有能量形式的轉(zhuǎn)換。輻射散熱[21]的

74、計(jì)算公式是：</p><p><b>　?。?1）</b></p><p>　　其中，Q—輻射散熱量，W</p><p><b>　　ε—散熱表面的黑度</b></p><p>　　σ—斯蒂芬-波爾茲曼常數(shù)，5.67X10-8W/m2.K4</p><p>　　T1、T2—分

75、別為物體和環(huán)境的絕對(duì)溫度，K</p><p><b>　　當(dāng)溫升為10℃時(shí)：</b></p><p>　　Q1=εAσ(T14-T24)=0.06X0.223㎡X5.67X10-8W/㎡*K4X (3084-298K4)=0.85W</p><p><b>　　當(dāng)溫升為15℃時(shí)：</b></p><p&

76、gt;　　Q1=εAσ(T14-T24) =0.06X0.223㎡X5.67x10-8W/㎡*K4X(313K4-298K4)=1.3W</p><p>　　其中，Q1---輻射散熱量，W</p><p>　　ε---散熱表面的黑度，材料選擇鍍鋅鋼板，黑度為0.06，見表4[20] </p><p>　　A---散熱表面面積，m2</p><p

77、>　　σ---玻爾茲曼常數(shù)，5.67X10-8 W/m2*K4</p><p>　　T1、T2---分別為物體和環(huán)境的絕對(duì)溫度。</p><p>　　表10 常見材料的黑度</p><p>　　Table 10 Blackness of common materials</p><p>　　6.3 機(jī)箱表面自然對(duì)流散熱</p

78、><p>　　對(duì)在海平面任意方向尺寸小于600mm 的機(jī)箱（柜），表面的自然對(duì)流換熱可以用下列簡(jiǎn)化公式計(jì)算：</p><p>　　Q=2.5CA△t1.25/D0.25 （12）</p><p>　　其中，Q---表面自然對(duì)流散熱量

79、,W</p><p>　　C---系數(shù)，水平板時(shí)，熱面朝上為0.54，朝下為0.27；豎平板時(shí)為0.59</p><p>　　A---散熱面積，m2 </p><p>　　△t---換熱表面與流體（空氣）的溫差，℃</p><p>　　D---特征尺寸，對(duì)于豎平板或豎圓柱，特征尺寸為高度H，其它，為（長(zhǎng)</p><p

80、><b>　　+寬）/2，m</b></p><p>　　Q2=2.5C*A*△t 1.25/D0.25</p><p>　　表11 各表面散熱計(jì)算</p><p>　　Table 11 The calculation of heat dissipation on surfaces</p><p>　　6.4

81、 機(jī)箱的開孔設(shè)計(jì)</p><p>　　當(dāng)Q1+Q2 小于機(jī)箱（柜）的總功耗時(shí)，必須在機(jī)箱上開通風(fēng)孔，通風(fēng)孔的面積為： S=(Q-Q1-Q2)/(2.4X10-3·H0.5·△t1.5) （13）</p><p>　　其中，S---進(jìn)（出）風(fēng)口面積，cm2</p><p>　　Q---機(jī)箱

82、（柜）總功耗，W</p><p>　　H---機(jī)箱（柜）的高度，cm</p><p>　　△t---機(jī)箱（柜）的溫升，℃</p><p><b>　　當(dāng)溫升為10℃時(shí)，</b></p><p>　　需要開孔面積 S=（Q-Q1-Q2）/(2.4X10-3·H0.5·△t1.5</p>

83、<p>　　=(34W-0.85W-7.34W)/(2.4x10-3x5.50.5cmx101.5℃)</p><p><b>　　=145cm2</b></p><p><b>　　當(dāng)溫升為15℃時(shí)</b></p><p>　　需要開孔面積 S=（Q-Q1-Q2）/(2.4X10-3·H0.5

84、83;△t1.5）</p><p>　　=(34W-1.3W-12.21W)/(2.4x10-3x5.50.5cmx151.5℃)</p><p>　　=62.65 cm2</p><p>　　機(jī)頂盒下表面的面積為804 cm2，則只要開孔面積大于7.8%就可以滿足其溫升15攝氏度以下的自然散熱穩(wěn)定。</p><p><b>　　試

85、驗(yàn)測(cè)試與驗(yàn)證</b></p><p>　　本試驗(yàn)的目的在于通過電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)模擬產(chǎn)品工作過程所面對(duì)的振動(dòng)環(huán)境，確定試品遭遇振動(dòng)環(huán)境時(shí)，檢驗(yàn)其能否正常工作。按GB 2423.10《電工電子產(chǎn)品基本環(huán)境試驗(yàn)規(guī)程 試驗(yàn)FC:振動(dòng)(正統(tǒng))試驗(yàn)方法》[22]進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)用電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱振動(dòng)臺(tái)）基本參數(shù)的檢定方法。</p><p><b>　　電動(dòng)臺(tái)的選型：</b&g

86、t;</p><p>　　電動(dòng)臺(tái)推力大小的選擇：F=(M1+M2)a F:試驗(yàn)所需推力</p><p>　　M1:活動(dòng)系統(tǒng)重量 M2:試品重量 a:試驗(yàn)加速度</p><p>　　根據(jù)車載產(chǎn)品的最大加速度為4.1g，選擇3000N電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)，其空載加速度為65g，頻率范圍為5-2000Hz，臺(tái)面尺寸φ500。</p>

87、<p>　　夾具上、振動(dòng)平臺(tái)或試件上，很靠近夾持點(diǎn)之堅(jiān)固位置，檢查點(diǎn)用以確保試驗(yàn)滿足需求。夾持點(diǎn)少于四點(diǎn)時(shí)每一點(diǎn)皆為檢查點(diǎn)。夾持點(diǎn)多于四點(diǎn)時(shí)，應(yīng)于相關(guān)規(guī)范中定義具代表性之四個(gè)點(diǎn)位為檢查點(diǎn)。本試驗(yàn)由于主要在于驗(yàn)證試品能否正常工作，且對(duì)固定架系統(tǒng)進(jìn)行的共振分析表明硬盤中心位置震動(dòng)幅度最大，因此只選擇了硬盤上表面中心作為檢查點(diǎn)。</p><p>　　在空載和滿載頻率范圍內(nèi)各任選10個(gè)頻率，將振幅調(diào)至最大，

88、測(cè)得的振動(dòng)幅值均應(yīng)符合規(guī)定的最大振動(dòng)幅值。</p><p>　　圖14 頻率加速度圖</p><p>　　Figure 13 Diagram of frequency acceleration</p><p>　　跌落測(cè)試:按照GJB150，將包裝好檢測(cè)合格的機(jī)臺(tái)根據(jù)產(chǎn)品包裝的重量,相應(yīng)跌落的高度為30.58cm,在水泥地面上做一角、三棱、六面跌落測(cè)試（無(wú)特殊要

89、求，則按下表標(biāo)準(zhǔn)）每批測(cè)試兩箱或兩臺(tái)單包裝機(jī)器。試驗(yàn)后打開包裝檢查產(chǎn)品零件無(wú)松動(dòng)、脫落、性能不穩(wěn)定、塑膠、五金沒有變形、裂開等現(xiàn)象。</p><p>　　高溫測(cè)試[23]：將產(chǎn)品放置在70℃±2℃的恒溫環(huán)境溫度下，且?guī)щ姽ぷ?小時(shí)，無(wú)允許有因高溫造成的電氣性故障。</p><p>　　低溫測(cè)試：將產(chǎn)品放置在-40℃±3℃的恒溫環(huán)境溫度下，且?guī)щ姽ぷ?4小時(shí)，無(wú)允許有因高

90、溫造成的電氣性故障。</p><p>　　經(jīng)過測(cè)試機(jī)頂盒均能正常工作，跌落測(cè)試過程中，產(chǎn)品外形有輕微變形，但在允許范圍內(nèi)，也就是說所設(shè)計(jì)的硬盤固定架滿足機(jī)頂盒工作條件。</p><p><b>　　結(jié)論</b></p><p>　　為了解決車載電子設(shè)備的硬盤的隔振緩沖和散熱等問題，保證車載電子設(shè)備的正常工作，我們?cè)诶碚摲治龅幕A(chǔ)上，結(jié)合實(shí)際研究

91、設(shè)計(jì)出了車載硬盤固定架機(jī)構(gòu)，在此過程中，進(jìn)行了大量的理論分析和試驗(yàn)測(cè)試，均證明此固定架能滿足實(shí)際要求，對(duì)硬盤的保護(hù)和壽命延長(zhǎng)效果明顯。橡膠具有良好的隔振能力、耐熱、性能穩(wěn)定、易加工且與金屬的粘結(jié)性好等優(yōu)點(diǎn)，成為首選隔振材料。橡膠體作為隔振材料，決定隔振效果的主要因素就是剛度。相交替的承載力的大小同承載面積、變形位移和剛度成正比。橡膠材料的硬度是橡膠隔振器的重要參數(shù)，不同硬度橡膠即使外形尺寸相同，其剛度也不同，若橡膠的硬度過低，承載力過小

92、，會(huì)造成變形過大，受到振動(dòng)沖擊時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的變形位移，甚至產(chǎn)生不必要的碰撞，橡膠體的選擇除硬度適當(dāng)有一定的阻尼性能外，還應(yīng)有合適的使用溫度范圍、耐久性和抗疲勞性并有良好的操作性。</p><p>　　雖然此車載硬盤固定架機(jī)構(gòu)有效地提高了硬盤的壽命，但綜合分析表明其隔振緩沖作用尚有改善的余地：例如實(shí)際振動(dòng)問題一般比較復(fù)雜，但在此車載硬盤固定架機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，僅考慮了主要的垂直方向上的振動(dòng)沖擊的影響，忽略了其他方向上

93、的振動(dòng)和沖擊對(duì)車載電子設(shè)備的作用，只建立了單自由度振動(dòng)模型，而事實(shí)上在某些情況下，這些振動(dòng)沖擊的影響還是比較大的，今后可以考慮建立多自由度振動(dòng)模型或采用更先進(jìn)的技術(shù)手段進(jìn)行研究。此外，還可以考慮選用其他材料（如金屬?gòu)椈?，彈簧片等）制作新型隔振系統(tǒng)，使隔振系統(tǒng)的剛度和阻尼達(dá)到更佳效果，能適應(yīng)更加惡劣的工作環(huán)境。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p&g

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