張 毅，范貽潘，吳 嵐

（中國勞動社會保障出版社有限公司，北京 100029）

0 引言

電子設(shè)備的機箱結(jié)構(gòu)設(shè)計是電子設(shè)備設(shè)計中的一個重要組成部分，不僅包括機箱機械零部件的設(shè)計，還要進行抗振設(shè)計、散熱設(shè)計、電磁兼容性設(shè)計以及三防設(shè)計等，為內(nèi)部的各種功能器件、板卡提供穩(wěn)定、可靠的支撐。因此，設(shè)計人員在設(shè)計電子設(shè)備的機箱結(jié)構(gòu)時，需要綜合考慮上述多方面的因素，并結(jié)合各自產(chǎn)品的實際需求與特點，選擇最優(yōu)的設(shè)計方案，以確保電子設(shè)備可以在復雜環(huán)境中可靠、穩(wěn)定地運行。

電子設(shè)備在壽命周期（研制、生產(chǎn)、儲存、運輸和使用）的各個階段，都會受到各種自然環(huán)境和工作環(huán)境的影響，產(chǎn)生環(huán)境效應(yīng)，制約相關(guān)系統(tǒng)的運行效能。隨著高科技電子產(chǎn)品的快速發(fā)展，電子設(shè)備抵抗外界環(huán)境干擾能力的強弱，直接影響系統(tǒng)的性能和功能，如何提高電子設(shè)備的抗惡劣環(huán)境能力是至關(guān)重要的，而結(jié)構(gòu)機箱作為電子設(shè)備的載體，更是發(fā)揮著決定性的作用[1]。

1 抗振設(shè)計

復雜環(huán)境下的電子設(shè)備由于所處工作環(huán)境惡劣，在運輸或工作過程中容易受到外界振動的干擾而影響設(shè)備的工作性能或使用壽命，需要在機箱結(jié)構(gòu)設(shè)計時，充分考慮振動對電子設(shè)備各器件帶來的不良影響，以及采取何種措施通過抗振設(shè)計提高設(shè)備的抗振性能，減輕或避免振動對設(shè)備的干擾，從而確保電子設(shè)備的可靠運行。

對于工作在復雜環(huán)境下的電子設(shè)備，各種機械力和干擾的存在都有可能影響電子設(shè)備的可靠、穩(wěn)定運行，其中影響最大的是振動和沖擊。造成的危害主要有以下兩種：①電子設(shè)備在某一激振頻率下產(chǎn)生振幅很大的共振，最終因振動加速度超過其所能承受的極限加速度而無法正常工作；或者由于外界沖擊所產(chǎn)生的沖擊力超過電子設(shè)備本身能承受的強度而失去穩(wěn)定性。②電子設(shè)備材料在長時間振動或多次沖擊作用下發(fā)生疲勞破壞，從而導致電子設(shè)備無法正常工作[2]。

上述危害主要表現(xiàn)為接插件從沒有采取緊固措施的插槽中脫落，導致信號開路，并有可能觸碰其他元器件或電路而導致短路或損壞；振動使彈性零件發(fā)生變形，從而使具有觸點的元器件產(chǎn)生接觸不良或開路現(xiàn)象；零件的固有頻率等于激振頻率時，產(chǎn)生共振現(xiàn)象，影響機箱內(nèi)部的電氣元器件；機箱內(nèi)部的機械結(jié)構(gòu)變形，脆性材料會發(fā)生斷裂；機箱的防潮、密封的措施會受到損壞等[3]。

電子設(shè)備結(jié)構(gòu)機箱的抗振設(shè)計主要包括機箱的隔振設(shè)計與功能板卡的抗振設(shè)計兩個方面。

1.1 結(jié)構(gòu)機箱的隔振設(shè)計

電子設(shè)備結(jié)構(gòu)機箱的隔振設(shè)計大多數(shù)通過橡膠減振器和金屬彈簧減振器實現(xiàn)。其中，橡膠減振器可以通過改變橡膠的內(nèi)部構(gòu)造，隨意調(diào)整3 個相互垂直方向上的剛度；橡膠自身具有很大的阻尼，對于高頻振動的能量吸收具有顯著效果，能夠在通過共振區(qū)時不產(chǎn)生過大的振幅；阻尼比隨橡膠硬度的增大而增加；天然的橡膠易于受到環(huán)境條件的限制，當外界環(huán)境溫度高于60℃時，其表面會產(chǎn)生裂紋并逐漸加深，并且耐油性差，對光、臭氧和酸等比較敏感，容易老化[4]。金屬彈簧減振器的材料性能比較穩(wěn)定，對外界環(huán)境條件的反應(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，不易產(chǎn)生蠕變；彈簧的設(shè)計與計算比較成熟，剛度可以通過準確制造加工來保證。

1.2 功能板卡的抗振設(shè)計

從功能板卡的理論模態(tài)分析中可以看出：功能板卡的第一階固有頻率普遍較低，當受到外界應(yīng)力作用時，會產(chǎn)生很大的共振振幅；從共振型圖譜中可以得出，距離安裝固定點位置越近，振幅就越小；反之，距離安裝固定點越遠，板卡的模態(tài)振幅就越大。因此，功能板卡需要進行有針對性的、具有有效措施的抗振設(shè)計。大多數(shù)通過功能板卡與機箱的去諧、提高功能板卡的固有頻率、等剛度機箱結(jié)構(gòu)設(shè)計以及合理選材的方式來實現(xiàn)。

（1）功能板卡與機箱的去諧。按照倍頻原則，功能板卡的固有頻率應(yīng)設(shè)計為結(jié)構(gòu)機箱固有頻率的1 倍以上或者低于1/2。但是如果功能板卡的固有頻率非常低，其組成基板的彎曲強度就無法滿足動態(tài)載荷的應(yīng)力需求，因此，進行結(jié)構(gòu)設(shè)計時需要使板卡的固有頻率遠高于機箱的固有頻率，以避免板卡和結(jié)構(gòu)機箱之間的諧振。

（2）提高功能板卡的固有頻率。結(jié)構(gòu)設(shè)計時，通常通過提高功能板卡的結(jié)構(gòu)剛度和板卡的結(jié)構(gòu)安裝方式來實現(xiàn)，如在板上布置加強筋，增加緊固點，改變電路板尺寸，改用剛度密度比值大的材料，安裝鎖緊條等。

（3）為了避免在機箱內(nèi)部產(chǎn)生共振，需要最大可能地將內(nèi)部組件均勻地布置在機箱內(nèi)部，以保證結(jié)構(gòu)機箱受力均勻，減少局部諧振，避免對該位置的電氣元器件造成破壞。

（4）在機箱結(jié)構(gòu)設(shè)計時，相應(yīng)的機械零部件應(yīng)盡量選用高阻尼的結(jié)構(gòu)材料，如鋁、鎂鋁合金。

2 電磁兼容性設(shè)計

電磁兼容性設(shè)計的根本目的是保證電子設(shè)備不受外界電磁環(huán)境的干擾，增強設(shè)備抵抗外界電磁干擾的能力，使其能夠在比較特殊的電磁環(huán)境下穩(wěn)定、可靠地工作。電磁兼容性設(shè)計的主要方式是控制干擾源的產(chǎn)生和切換電磁波的傳輸途徑。對于結(jié)構(gòu)機箱而言，主要是通過安裝電磁屏蔽材料、采用可靠連續(xù)接地和濾波等方式來實現(xiàn)[5]。

電磁屏蔽主要是指結(jié)構(gòu)設(shè)計時采取的電磁屏蔽措施，即利用屏蔽材料的屏蔽效能減弱或者降低輻射干擾。在結(jié)構(gòu)設(shè)計時，應(yīng)綜合考慮整機采取的電磁屏蔽方法、規(guī)劃合理布局、接地、選擇和安裝屏蔽材料等，盡可能地將內(nèi)部的電磁干擾器件單獨布置，減小彼此之間的電磁干擾。在結(jié)構(gòu)設(shè)計時需要從電路板的布局、線路設(shè)計、機箱內(nèi)部線纜布置等多個方面進行考慮，主要包括以下6 個方面。

（1）機箱結(jié)構(gòu)的主要材料為金屬材料，不僅有足夠的強度支撐電子設(shè)備，同時也具備抗電磁干擾能力，阻斷外界電磁波進入機箱內(nèi)，同時機箱內(nèi)部產(chǎn)生的電磁波發(fā)射也會被阻斷，不會影響其他電子設(shè)備，起到了阻斷電磁波傳播的作用。

（2）對于電子設(shè)備具有前面板操作、觀察顯示需求的，應(yīng)將前面板的液晶屏安裝具有屏蔽效能的屏蔽玻璃，同時利用導電良好的結(jié)構(gòu)件將屏蔽玻璃的四周絲網(wǎng)與前面板進行緊密連接，保證兩者之間導電的連續(xù)性。

（3）機箱箱體的電磁屏蔽通過接觸區(qū)域防護、兩者零部件的接觸區(qū)域增加凹槽設(shè)計、在槽內(nèi)安裝金屬編織絲網(wǎng)襯墊之類的屏蔽材料、在左右通風孔位置裝配波導材料、合理規(guī)劃設(shè)計緊固螺釘?shù)拈g距等措施，提高箱體的電磁屏蔽性能。

（4）為了便于電子設(shè)備的檢測與維修，進行結(jié)構(gòu)設(shè)計時，頂蓋要便于拆卸與安裝，頂蓋的材料應(yīng)選用鋁合金板材并進行導電氧化處理，同時為了實現(xiàn)頂蓋與機箱的電連續(xù)性接觸，需要在兩者的接觸表面粘粘鈹青銅指形簧片。

（5）進行機箱內(nèi)部屏蔽設(shè)計時，可以通過由金屬制成的売、盒、板等屏蔽體，將內(nèi)部電子器件發(fā)射的電磁波局限在某一區(qū)域的方法，即利用導電性良好的屏蔽體將元器件、功能板卡、電纜等的干擾源包起來，形成單獨的密閉空間體，防止內(nèi)部器件產(chǎn)生的電磁波向外傳遞，同時防止敏感器件受到外界電磁的干擾。

（6）電子設(shè)備機箱的接地設(shè)計，可以提高電子設(shè)備工作的穩(wěn)定性。通過接地可以泄放由靜電感應(yīng)在機箱積累的電荷，避免電荷積累形成的高電壓導致內(nèi)部放電而造成干擾，并為設(shè)備提供安全保障。結(jié)構(gòu)機箱可以通過機殼接地的形式，實現(xiàn)靜電屏蔽和電磁屏蔽，一般包括懸浮地、單點接地、多點接地和混合接地的形式。

3 散熱設(shè)計

散熱設(shè)計面臨的最主要問題是電子元器件集成度迅速提高帶來的高熱流密度與冷卻技術(shù)之間的矛盾。機箱散熱設(shè)計主要通過選擇合適的冷卻技術(shù)、電子元器件的合理布局、機箱內(nèi)部氣流的通道、風扇的選擇、散熱器的設(shè)計以及電氣元器件接觸熱阻的控制等方式實現(xiàn)。

機箱結(jié)構(gòu)散熱方式的選擇與內(nèi)部電子元器件的發(fā)熱量、允許熱量、工作環(huán)境以及電子元器件的組裝方式及布局相關(guān)。一般情況下，電子設(shè)備結(jié)構(gòu)機箱的冷卻方式分為自然冷卻和強制冷卻兩種方式。

3.1 自然冷卻

自然冷卻是利用內(nèi)部板卡之間的間隙以及機箱的熱傳導、對流和輻射來達到冷卻的目的，受外界環(huán)境影響比較小，并且穩(wěn)定可靠，但是需要根據(jù)發(fā)熱量進行詳細的熱計算，合理設(shè)計機箱結(jié)構(gòu)形式，從而通過機箱的熱交換實現(xiàn)熱量的平衡傳遞。結(jié)構(gòu)機箱的作用是利用機箱的箱壁作為散熱系統(tǒng)的冷板，將電氣元器件或發(fā)熱電路板的熱量通過熱導傳遞到箱壁冷板，再通過冷板與空氣之間的對流換熱進行熱交換。

自然冷卻形式的結(jié)構(gòu)機箱需要進行導電氧化熱處理，并在表面涂覆一層有機涂料以提高其輻射散熱能力。同時，可以根據(jù)需要將機箱兩側(cè)壁加工成翅板散熱器形狀，這樣可以在降低設(shè)備重量的同時，提高機箱整體的對外散熱面積，便于與四周的冷空氣進行熱交換。

3.2 強制冷卻

強制冷卻分為空氣冷卻和液體冷卻兩種形式：空氣冷卻主要通過在結(jié)構(gòu)機箱上安裝合適的風機，促使電子設(shè)備的熱量與外界大氣之間的氣流進行交換，以實現(xiàn)降低電子設(shè)備內(nèi)部溫度的目的；液體冷卻是通過液體的流動實現(xiàn)熱量傳遞與交換。兩種方式均對機箱結(jié)構(gòu)的設(shè)計提出了比較苛刻的要求?？諝饫鋮s通過選用價格低廉的風機實現(xiàn)，普遍用于電子設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計中。

（1）機箱結(jié)構(gòu)設(shè)計時需要根據(jù)電子設(shè)備內(nèi)部板卡的發(fā)熱量和各種板卡的布局，合理規(guī)劃內(nèi)部的風道流通，避免出現(xiàn)“之”字形風道。

（2）機箱結(jié)構(gòu)設(shè)計需要盡最大可能地減小內(nèi)部功能板卡的風阻，需要根據(jù)內(nèi)部器件的數(shù)量、外形尺寸及特征，結(jié)構(gòu)機箱的進風口位置及面積，通過設(shè)計計算得出結(jié)構(gòu)機箱出風口的位置、出風口的通風面積以及所需要的通風量。

（3）機箱結(jié)構(gòu)設(shè)計所選用的風機設(shè)計時可以選擇并聯(lián)和串聯(lián)的形式，并聯(lián)可以增大機箱的通風量，串聯(lián)可以提升機箱內(nèi)外的風壓。

（4）機箱結(jié)構(gòu)設(shè)計在保證實現(xiàn)電子設(shè)備良好熱設(shè)計的前提下，還需要綜合考慮結(jié)構(gòu)機箱的重量、電磁兼容性的完整性以及防霉菌、鹽霧等因素。

4 三防設(shè)計

三防設(shè)計主要是堅持預防設(shè)計為主的原則，需要與電子設(shè)備的功能與性能、加工工藝同步進行，針對目前電子設(shè)備的高溫、高濕、高鹽霧和霉菌的各種實際使用環(huán)境，電子設(shè)備機箱結(jié)構(gòu)設(shè)計時需要充分借鑒和利用成熟的防腐蝕、防鹽霧、防霉菌的設(shè)計方法，開展三防設(shè)計，對各組成部分進行腐蝕控制，主要從防腐蝕結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料選擇、表面處理及涂覆等方面進行。

4.1 防腐蝕結(jié)構(gòu)設(shè)計

（1）結(jié)構(gòu)設(shè)計時盡可能采用整體設(shè)計方法，以減少不同材料的結(jié)構(gòu)件對表面防護層的破壞和腐蝕。

（2）結(jié)構(gòu)設(shè)計時盡可能采取密封的結(jié)構(gòu)形式，避免各種縫隙結(jié)構(gòu)和搭接結(jié)構(gòu)形式，如必須使用時，需要進行表面防護和縫隙處的密封處理。

（3）結(jié)構(gòu)機箱內(nèi)部避免出現(xiàn)應(yīng)力的部分，降低應(yīng)力腐蝕的可能性，同時需要在關(guān)鍵的位置設(shè)計便于檢查和維修的空間。

（4）機箱的表面要盡可能光滑、連續(xù)，避免出現(xiàn)銳利邊緣、拐角。

（5）某些電子設(shè)備的結(jié)構(gòu)件的縫隙接觸位置，可以通過采用密封膠密封的形式實現(xiàn)，即針對需要經(jīng)常拆卸的操作位置，在接觸面位置加裝密封條。

4.2 材料選擇

機箱結(jié)構(gòu)材料選擇時，需要根據(jù)電子設(shè)備的具體使用環(huán)境，從設(shè)備的重量、散熱、機械強度、腐蝕防護等多個方面綜合考慮，主要零件可以選用易于成型與加工的鋁合金材料；對于載重件或摩擦件，應(yīng)選擇抗拉強度比較高的合金結(jié)構(gòu)鋼或不銹鋼材料；彈簧件應(yīng)選擇具有良好腐蝕性能的不銹鋼彈簧鋼絲；內(nèi)部強度要求不高的結(jié)構(gòu)件優(yōu)選非金屬材料，比如陶瓷、云母板、絕緣膜、絕緣漆等。

4.3 表面處理及涂覆

選用的鋼鐵材料的金屬件采用表面鍍鋅鈍化、鍍鋅鎳合金、鍍硬鉻等措施：選用的鋁合金材料采用陽極氧化及化學氧化的處理方法；電子設(shè)備的結(jié)構(gòu)機箱的零部件需要根據(jù)基體材料選擇相應(yīng)的底漆，并涂覆油漆，內(nèi)部的電子元器件、印制板及機箱的接觸部分區(qū)域需要涂敷三防漆或三防保護劑。

5 結(jié)語

復雜環(huán)境下的電子設(shè)備的機箱結(jié)構(gòu)設(shè)計涉及各個方面，與電子設(shè)備所使用的具體環(huán)境緊密結(jié)合，在具體的設(shè)計應(yīng)用中，應(yīng)仔細分析電子設(shè)備的需求，給出影響等級的層次，綜合考慮需求、經(jīng)濟性、可靠性等原則，從抗振設(shè)計、抗電磁干擾、散熱設(shè)計、三防設(shè)計等方面，進行機箱結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)化，并在實際應(yīng)用中不斷地迭代與創(chuàng)新，研制出性能優(yōu)越、成本低廉的高可靠性的復雜環(huán)境下的結(jié)構(gòu)機箱。