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        某動中通天線罩改進設(shè)計

        2013-04-09 06:54:16郭黎劉永濤
        機械制造與自動化 2013年1期
        關(guān)鍵詞:設(shè)計

        郭黎,劉永濤

        (中國電子科技集團公司 第38 研究所,安徽 合肥 230031)

        0 引言

        在當(dāng)前衛(wèi)星應(yīng)急通信領(lǐng)域中,“動中通”衛(wèi)星通信系統(tǒng)在公安、武警、消防、氣象等部門得到了廣泛的應(yīng)用。所謂動中通衛(wèi)星通信系統(tǒng)是指載體(例如汽車、火車、飛機、輪船等)在高速運動過程中實現(xiàn)與衛(wèi)星的實時通信的系統(tǒng)。本文介紹的是某車載動中通樣機天線為了適應(yīng)市場化要求,快速達到可直接推向市場的商品化產(chǎn)品。充分發(fā)揮工業(yè)設(shè)計思想,在外觀造型[1]、結(jié)構(gòu)工藝以及成本控制方面的一些改進。

        1 改進原則

        a)在形態(tài)上,結(jié)合其主要的安裝載體是CRV 類越野車車型,應(yīng)在滿足功能的基礎(chǔ)上達到載車本身的造型協(xié)調(diào)、呼應(yīng)。可參考國內(nèi)外動中通天線造型風(fēng)格,以適應(yīng)同類設(shè)計潮流性。

        b)在功能性上,保證樣機各設(shè)備的安裝接口。天線罩要滿足上面樣機圓形凸臺材料能透波,下方基座部分可以不透波。

        2 方法概述

        樣機動中通天線主要由天線罩、天線、匯流環(huán)、回轉(zhuǎn)支撐、天線單元、傳動機構(gòu)、微波器件及GPS 等設(shè)備組成。為了簡化內(nèi)部設(shè)備與天線罩之間的復(fù)雜約束關(guān)系,將內(nèi)部設(shè)備簡化表示成包絡(luò),這樣在外觀造型設(shè)計時僅需考慮包絡(luò)與外觀殼體間的接口關(guān)系。其簡化示意圖如圖1 所示。在外觀造型設(shè)計上結(jié)合國際設(shè)計潮流風(fēng)格,從形、色、質(zhì)等方面著手,并考慮其工程化的可行性。同時為了保證研發(fā)的周期和直接開模的風(fēng)險,利用快速成型技術(shù)完成了天線罩底座的設(shè)計加工。

        圖1 內(nèi)部設(shè)備包絡(luò)示意圖

        3 關(guān)鍵技術(shù)

        3.1 天線罩外觀造型設(shè)計

        正樣天線罩整體造型采用流線形造型,將一切“瑣碎”如天線、板卡、匯流環(huán)、插線孔等包容其中,顯得緊湊景致,表面上下部分的腰線進行了錯位設(shè)計,這樣可淡化上部圓臺透波罩的死板與單調(diào),為了和車身上的金屬質(zhì)感相呼應(yīng),腰線采用鍍鉻非金屬膠條,顯得高檔的金屬質(zhì)感,達到整體造型協(xié)調(diào)一致的效果。腰線采用充滿自由和張力的三維曲線,其自由強度更為自然、也更具有生活氣息,富有節(jié)奏韻律的美感。就像產(chǎn)品的表情融合在整體造型中。在基座部分往里挖,采用減法設(shè)計在統(tǒng)一中尋求變化。漏出下面的虛空間,可使整體顯的輕盈。在尺寸上保持了原來透波罩的高度,保證與原來內(nèi)部設(shè)備的安裝的兼容性。其初樣與正樣的外觀對比如圖2、圖3 所示。

        3.2 防水密封設(shè)計

        在上下殼體接縫處,在下殼體邊緣增加U 形密封槽,內(nèi)部放置直徑3 mm 的O 型密封圈來保證上下蓋的密封問題。在天線罩與注塑底座的連接形式上,為了保證上下殼體的緊密性和一致性,通過頂蓋和底座對應(yīng)增加圓型凸臺(22 處),通過底部反上M5 內(nèi)六角螺栓進行固定。緊固點布局原則根據(jù)中軸線對稱布置,并分為內(nèi)外兩圈進行布置。保證受力均勻,其局部連接形式圖如圖4 所示。

        圖4 密封結(jié)構(gòu)示意圖

        另外,因殼體表面跨度大,在邊緣出會產(chǎn)生收縮問題,為了防止這一現(xiàn)象,在下底座邊緣處均布楔形筋。同時針對底部平面處增加放射性環(huán)型筋來保證整個殼體的平面一致性問題。在局部如下底座與頂蓋連接的圓型筋,最高處達55 mm 左右,為了防止其開裂,在圓柱四周增加十字楔形筋進行加強來保證。

        3.3 熱設(shè)計[2]

        由于發(fā)射系統(tǒng)安裝在與外殼有相對運動的轉(zhuǎn)盤上,且工作在一個空間較小的密封罩殼里,加上由于太陽輻射而導(dǎo)入的熱量,擬采用兩組風(fēng)機強迫風(fēng)冷的方式來進行散熱,以保證天線罩內(nèi)溫度不超過70 ℃,其方法簡單可靠、成本低。

        電子設(shè)備中的發(fā)熱元器件盡量貼壁安裝,使其產(chǎn)生的熱量可以傳導(dǎo)至外殼。利用金屬殼體和艙內(nèi)空氣的熱容量,輔以向外進行熱輻射來保證天線系統(tǒng)在規(guī)定的時間內(nèi)正常工作。

        a)熱設(shè)計輸入

        單個功率放大器發(fā)熱量QW=8.3 W;

        功率放大器表面發(fā)射率ε:0.9;

        環(huán)境溫度:50 ℃;

        功率放大器工作溫度限制≤75 ℃;

        b)熱設(shè)計計算

        1)天線罩內(nèi)總發(fā)熱量:

        2)天線罩接收的太陽輻射熱:

        式中,F(xiàn)A—天線罩的頂面積,F(xiàn)A=0.635 8 m2

        A—天線罩外表面對太陽輻射熱的吸收率(如果沒有加熱控涂層,A=0.9;如果選用熱控涂層,可以將其表面控制到輻射率ε=0.87;吸收率A=0.16)。

        3)天線罩外表面對環(huán)境的自然對流換熱量:

        式中,hout—對流換熱系數(shù)(若車處于停車狀態(tài),hout為自然對流換熱系數(shù),取3.5);

        F—為天線罩外表面積,F(xiàn)=1.0 m2;

        t2—天線罩外表面的溫度;

        t 環(huán)—環(huán)境溫度,為50 ℃。

        4)天線罩對環(huán)境的輻射換熱量

        式中,ε—天線罩外表面輻射率(若加熱控涂層ε=0.87,不加選0.9)

        5)天線罩內(nèi)表面的溫度

        整個天線罩看作δ=0.02 m 均勻的壁,天線罩由復(fù)合材料制成,λ=0.7 W/m·K

        6)以天線罩為研究對象,據(jù)能量守恒

        7)天線罩內(nèi)部的空氣溫度tin

        天線罩內(nèi)壁與箱內(nèi)空氣的對流熱量

        式中,tin—天線罩內(nèi)對流換熱系數(shù)(若無風(fēng)機,tin=3.5;若增加風(fēng)機在內(nèi)部攪動則取tin=10)。

        天線罩內(nèi)壁對天線罩內(nèi)空氣的輻射得熱量Q4-1

        8)散熱器的表面溫度tw_qj

        器件帶0.05×0.045,翅片厚0.001 2,間隙為0.003,高0.01 的散熱器。

        散熱器對箱內(nèi)空氣的輻射散熱量

        式中,Δtw—為散熱器與功率管之間的溫差,取Δtw=4 ℃

        聯(lián)解(1)~(13),得

        車在停止情況下(hout=3.5),無熱控涂層,內(nèi)部有風(fēng)機時:

        天線罩外表面接收的太陽輻射熱量Q2=640.9 W

        傳入天線罩內(nèi)部的熱量Q2_傳=249.08 W

        天線罩內(nèi)部的空氣溫度tin=83.12 ℃

        看來太陽輻射熱是影響天線罩內(nèi)溫度的重要因素,必須要采取有效的措施將太陽輻射熱阻隔出去。

        方案:在天線罩外表面涂白漆,該白漆的吸收率A=0.16,輻射率ε=0.87 可以將天線罩表面接收到太陽輻射熱由640.9 W 降到113.9 W。

        Q3=43.3 W,Q4=87.2 W

        t2=62.32 ℃,t1=62.36 ℃,

        tin=63.18 ℃,tw_qj=73.74 ℃

        熱分析得出此方案的天線罩內(nèi)部溫度為59~64 ℃。滿足內(nèi)部電子設(shè)備溫度適應(yīng)性要求(圖5)。

        圖5 內(nèi)部電子設(shè)備溫度

        4 成本控制

        考慮到后續(xù)商品化需求,外殼和天線罩改進方案的重點在于必須進一步優(yōu)化外觀造型、控制成本和兼顧批量化生產(chǎn)要求。綜合考慮結(jié)合本單位現(xiàn)有能力和利用社會資源,針對改進后的外殼和天線罩研制,外殼為一體化天線罩與下座兩部分組成,天線罩采用A 夾層結(jié)構(gòu),利用鑄鋁模胎凹模成型,外表面涂疏水性耐候漆。經(jīng)比較,初樣天線罩和底座平均2 萬元/套,正樣天線罩與下殼體模具費約35 萬,推向市場后。按50 套計算每套為7 000 元,節(jié)約成本約65%。

        5 結(jié)語

        正樣動中通天線罩為了達到快速可推向市場的成熟商品化產(chǎn)品的要求,通過工業(yè)設(shè)計在外觀造型上有了較大提升。同時通過防水密封、通風(fēng)散熱等手段使得電子設(shè)備的穩(wěn)定性和可靠性得到了保證。該系統(tǒng)目前已經(jīng)通過產(chǎn)品各項例試,性能穩(wěn)定,各項指標(biāo)滿足要求,正在豐富產(chǎn)品系列和模塊化的過程中。

        [1]裴文開.工業(yè)造型設(shè)計[M].成都:成都科學(xué)技術(shù)出版社.

        [2]邱成悌,趙惇殳,蔣全興.電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計原理[M].南京:東南大學(xué)出版社.

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