高曉軒

摘 要：本文論述了小型電子組件中減振器設(shè)計和選用的基本原則和方法，根據(jù)相關(guān)的設(shè)計準(zhǔn)則對減振器在某電子組件中的應(yīng)用及其效果進(jìn)行了分析，證明了減振器應(yīng)用的有效性。

關(guān)鍵詞：電子組件;減振器;應(yīng)用

1 引言

在機(jī)載、彈載、星載等平臺中大量安裝了各種小型電子組件，在其壽命周期內(nèi)，面臨著惡劣的機(jī)械環(huán)境，各種機(jī)械力和干擾形式都有可能造成危害，其中危害最大的是振動，低頻大振幅、高頻小振幅、長時間振動、應(yīng)力水平過高均會縮短結(jié)構(gòu)或元器件的疲勞壽命。

為了提高電子組件在振動環(huán)境下的可靠性及壽命，需要進(jìn)行振動控制設(shè)計。振動控制的常用方法包括消除振源、結(jié)構(gòu)剛性化、隔離、去耦、阻尼減振等，其中性價比較高的方法是采取措施將產(chǎn)品與振源進(jìn)行隔離，使振源傳遞給產(chǎn)品的振動得以減弱甚至消除。在工程中，采用能夠減弱振動和沖擊傳遞的減振器進(jìn)行振動隔離是減弱振動沖擊對產(chǎn)品干擾的一種主要措施。

2 減振設(shè)計的準(zhǔn)則和方法

2.1 減振設(shè)計的基本原則

電子組件的減振設(shè)計應(yīng)根據(jù)力學(xué)環(huán)境條件、自然環(huán)境條件、體積質(zhì)量、結(jié)構(gòu)特點、壽命及可靠性要求開展，應(yīng)盡量采用成熟技術(shù)，以盡可能小的結(jié)構(gòu)質(zhì)量和體積滿足振動控制要求;振動控制結(jié)構(gòu)應(yīng)便于安裝使用、布局合理，具備較高的可靠性和良好的維修性。

2.2 減振設(shè)計的方法

電子組件產(chǎn)品減振設(shè)計方法分為整體隔振和局部隔振。

整體隔振常用的有阻尼器隔振、阻尼底板隔振、阻尼器和阻尼底板復(fù)合隔振、三向阻尼隔振、隔振器和阻尼器綜合隔振等結(jié)構(gòu)形式。整體隔振在寬頻帶振動激勵下，有良好的抑制共振峰的能力和良好的高頻隔振性能及一定緩沖效果，適用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)、不規(guī)則外形結(jié)構(gòu)以及剛性結(jié)構(gòu)，不適用于質(zhì)量很小的產(chǎn)品。其中阻尼器隔振系統(tǒng)（如圖1）因其設(shè)計計算、結(jié)構(gòu)組成、安裝使用相對簡單，阻尼器易于加工成形，有較好的通用性、較高的減振效率而得到廣泛應(yīng)用，其余幾種結(jié)構(gòu)形式因結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，應(yīng)用相對較少。

局部隔振是對部件級和一些敏感的電子元器件的振動控制，常用的方法有阻尼印制板、阻尼安裝板、環(huán)氧樹脂粘固、彈性材料灌封去耦等。局部隔振能夠減小產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)尺寸、質(zhì)量，適用于敏感元器件和部件級的振動防護(hù)。

3 減振器的選用

3.1 減振器的基本特性

隔振系統(tǒng)的剛度由減振器中的彈簧確定，橡膠和金屬彈簧減振器因其結(jié)構(gòu)緊湊、工藝成熟、適用性強(qiáng)、可靠性高而應(yīng)用廣泛。

1）橡膠減振器

橡膠減振器以橡膠作為彈性材料，其成型和制造方便，可根據(jù)需要選擇三個相互垂直方向上的剛度，改變橡膠的內(nèi)部構(gòu)造，可以大幅度改變彈簧剛度;橡膠自身具有較大的阻尼，對高頻振動（60Hz以上）的能量吸收有顯著效果，在共振區(qū)時不致產(chǎn)生過大的振幅，不需要另加阻尼器;橡膠的阻尼比隨硬度的增大而增加，長時間處于共振狀態(tài)時，橡膠會發(fā)生蠕變而使阻尼失效，故橡膠減振器適合于系統(tǒng)偶爾發(fā)生共振的情況，也適合于靜位移小而瞬時位移可能很大的沖擊;橡膠在動載荷下的彈性模量比靜載荷大，動剛度比靜剛度大，沖擊剛度比靜剛度、動剛度都大，對緩沖特別有利。

2）金屬彈簧減振器

金屬彈簧減振器以金屬作為彈性材料，材料的性能穩(wěn)定，對環(huán)境條件反應(yīng)不敏感，可在油污、高低溫等惡劣環(huán)境下工作，不易老化;動剛度和靜剛度基本相同，而且剛度的取值范圍很大，適用于靜態(tài)位移要求較大的減振器;金屬材料幾乎無阻尼（D<0.05 ），容易傳遞高頻振動，或者由于自激振動而傳遞中頻振動。在共振區(qū)時會產(chǎn)生過大的振幅，有時需另加阻尼器或在加入橡膠墊層、金屬絲網(wǎng)等，以克服這一缺點。

3.2 減振器選用和設(shè)計的考慮因素

選用減振器的一般原則是：結(jié)構(gòu)緊湊、材料適宜、形狀合理、尺寸盡量小、隔振效率高，并注意以下因素：

（1）電子組件的支撐大多采用幾何對稱布置，而其重心往往會由于內(nèi)部布局不平衡的原因而偏離幾何對稱軸;選用減振器時需考慮各支撐部位的重力大小，以確定每個減振器的實際承載量，使安裝減振器后，其安裝平面與承載面平行;

（2）減振器的總剛度應(yīng)滿足隔振系數(shù)的要求，使各支撐部位的減振器剛度對稱于系統(tǒng)的慣性主軸;

（3）減振器應(yīng)能有效隔離高頻振動，降低共振峰值，并應(yīng)有一定的阻尼作用，使組件在共振時的響應(yīng)不超過其中元器件所允許的振動量級;

（4）減振器的總阻尼要考慮系統(tǒng)通過共振區(qū)時對振幅的要求，安裝減振器后系統(tǒng)的一階諧振頻率應(yīng)遠(yuǎn)離設(shè)備中敏感元器件的敏感頻率，同時要考慮頻率較高時對振動衰減的要求;

減振器應(yīng)盡量選用標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，對于無標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品可用的特殊場合，可根據(jù)需要自行設(shè)計減振器，要著重考慮系統(tǒng)固有頻率和減振器剛度、系統(tǒng)通過共振區(qū)的振幅、系統(tǒng)使用環(huán)境條件和使用期限等要求。

4 減振系統(tǒng)的設(shè)計

電子組件減振系統(tǒng)的設(shè)計過程主要包括：

a）設(shè)計輸入要求

（1）組件的物理數(shù)據(jù)：包括外形結(jié)構(gòu)、安裝尺寸、重量和重心位置、振動量級、需要達(dá)到的減振效率、內(nèi)部易損零部件的位置、允許承受的振動量級及固有頻率。

（2）環(huán)境條件：機(jī)械環(huán)境如使用平臺、振源方向、激振頻帶、實際工況頻率、位移和加速度振幅、沖擊脈沖形式;氣候環(huán)境如溫度、濕度、鹽霧、霉菌等;

（3）減振器資料：減振器的安裝尺寸、許用載荷范圍、安裝方式、動態(tài)性能、阻尼比、壽命等。

b）減振系統(tǒng)設(shè)計

（1）根據(jù)組件結(jié)構(gòu)選擇減振器的支承位置和方式，安裝減振器的設(shè)備支承面應(yīng)是整個結(jié)構(gòu)最剛強(qiáng)的部位之一。

（2）減振器支承理想的布置方式是將減振器安裝在產(chǎn)品的重心平面。若重心較高，可將重量大的零部件盡量移至底部或在底部增加大質(zhì)量塊，也可增加產(chǎn)品支承面的尺寸和減振器的間距。

（3）根據(jù)能夠承受的振動量級選擇隔振系統(tǒng)的固有頻率，在激振頻率帶寬內(nèi)，系統(tǒng)響應(yīng)的最大值應(yīng)不大于內(nèi)部零部件能夠承受的振動量級，確定系統(tǒng)應(yīng)達(dá)到的最小衰減量，即減振效率的最小值;盡可能使固有頻率遠(yuǎn)離實際工況中經(jīng)常出現(xiàn)的激振頻率。

（4）求彈簧剛度：根據(jù)固有頻率計算減振器承載方向的彈簧剛度kz，包括平衡產(chǎn)品重量所需的靜變形。

（5）選用或設(shè)計減振器：根據(jù)求出的彈簧剛度和剛度比選擇減振器，除性能需達(dá)到設(shè)計要求外，還應(yīng)考慮是否滿足其他環(huán)境的要求，基本的原則是如果使用時溫差不大，基本處于常溫狀態(tài)且油類、溶劑污染以及潮濕、霉菌的侵蝕等不至于使性能產(chǎn)生明顯的改變，則可選用橡膠減振器，否則應(yīng)選用金屬型減振器。

（6）試驗驗證：電子組件由于組成復(fù)雜，難以精確地描述內(nèi)部各零部件結(jié)構(gòu)關(guān)系的力學(xué)模型。在設(shè)計時的模型存在較大誤差，應(yīng)對減振系統(tǒng)進(jìn)行機(jī)械環(huán)境模擬試驗，以驗證設(shè)計的有效性。當(dāng)試驗中發(fā)現(xiàn)某些結(jié)構(gòu)在某個頻率上不正常，應(yīng)將其視作“危險頻率”，分析出現(xiàn)的原因，并對系統(tǒng)參數(shù)或結(jié)構(gòu)進(jìn)行修正。

5 小型電子組件中減振器的應(yīng)用案例

某型號電子組件需要承受惡劣的力學(xué)環(huán)境和自然環(huán)境，其中的主要元器件為電磁繼電器，是力學(xué)敏感元器件，容易在振動條件下發(fā)生失效，需考慮減振設(shè)計。遵循前述的減振系統(tǒng)設(shè)計和減振器的選用原則和方法，根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點及環(huán)境條件要求，選用了合適的減振器并對其性能進(jìn)行分析和驗證。

5.1? 設(shè)計要求

減振器負(fù)載：采用4點支撐，每個產(chǎn)品安裝4組減振器，質(zhì)量不大于4kg;

減振器安裝孔尺寸：φ15;安裝螺釘：M5;

減振器的諧振頻率：安裝減振器后的負(fù)載上所測得的X、Y、Z三個方向的一階諧振頻率不高于400Hz;

減振器的放大倍數(shù)及減振效率：在隨機(jī)振動條件下，諧振點放大倍數(shù)小于4，保證減振效率在60%以上;在沖擊條件下，減振器的放大倍數(shù)小于2.5。

貯存溫度：-55℃～+65℃;貯存時間：15年;工作溫度：-45℃～260℃;

隨機(jī)振動條件：見表1;

三防要求：耐濕熱、鹽霧、霉菌。

5.2? 減振器的選用

根據(jù)減振器設(shè)計輸入要求，結(jié)合電子組件的結(jié)構(gòu)形式、重量、安裝位置等實際情況選用了JZP1068-3型金屬彈簧減振器，其金屬彈簧由不銹鋼絲經(jīng)過螺旋成型拉長，相互纏繞模壓而成，具有類似橡膠的彈性，如圖2所示。金屬減振器材料全部選用不銹鋼材料，但卻具有金屬和橡膠共同的特點，不易老化，可以很好的工作在高溫、低溫、腐蝕性介質(zhì)等環(huán)境中，對溫度不敏感，在高低溫下減振效率幾乎不受影響，貯存壽命長。改變金屬絲的材料、直徑及密度等物理參數(shù)，可以使減振器具有不同的剛度及阻尼減振性能。

5.3? 試驗驗證

將減振器安裝到電子組件上進(jìn)行隨機(jī)振動試驗驗證，對內(nèi)部電磁繼電器的振動響應(yīng)進(jìn)行監(jiān)測，試驗譜形圖如圖3所示。

試驗的激勵均方根加速度值為21.3g，繼電器上的響應(yīng)最大均方根加速度值為8.3g，減振效率不小于61%，一階諧振頻率為275Hz，諧振點放大倍數(shù)為2.56，減振器的減振效率、一階諧振頻率、諧振點放大倍數(shù)滿足設(shè)計輸入要求。

6 結(jié)束語

本文論述了小型電子組件中減振設(shè)計的準(zhǔn)則和方法、減振器選用和設(shè)計的考慮因素、介紹了隔振系統(tǒng)設(shè)計的過程，對某型號電子組件的減振器選用及其減振效果進(jìn)行了分析，證明了其有效性。隨著軍用電子組件應(yīng)用平臺向著高超聲速、高機(jī)動性、高軌道發(fā)展，所面臨的力學(xué)環(huán)境越發(fā)惡劣，振動控制對可靠性越來越重要。電子組件的振動控制是一項復(fù)雜的工程，大量電子器件以及機(jī)械結(jié)構(gòu)的組裝使得結(jié)構(gòu)動力學(xué)特性的計算和模擬非常困難，通過深入研究和應(yīng)用振動控制特別是減振器設(shè)計方面的理論和工程設(shè)計方法，加強(qiáng)計算機(jī)仿真技術(shù)的應(yīng)用，并結(jié)合實際產(chǎn)品試驗技術(shù)及試驗數(shù)據(jù)的研究，產(chǎn)品的設(shè)計水平和使用可靠性可得到更進(jìn)一步的提高。

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