电子设备的抗振设计：基本原理与常用隔振方式

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为什么要做抗振设计
一旦产品过了质保期，基本就进入了“偶然失效期”，这个阶段产品发生故障的概率进入比较低的阶段。那么这个阶段，产品一般在稳定使用，也不会出现搬运，高低温（室内设备）的考验。通过下图，可以看出，电子设备的故障由于环境应力的因素比重。

随机振动，我们可以看到其在失效原因中排在非常靠前的位置。电子设备在运输使用过程中，会受到各种机械力的干扰，有周期性的振动，也有非周期性干扰，还有做非直线运动时受到的加速度和无规则运动对设备产生的随机振动干扰。这些恶劣的机械环境都可能造成伤害，其中最大的伤害就是振动和冲击。

由于电子设备内部电子元器件的种类和数量都比较多，许多元器件承受的机械环境的能力都较弱，因此机械作用力而引起设备损坏和故障率也很高。故在进行电子设备的结构设计时，因根据使用场合，了解环境条件对设备的影响。采用针对性的措施，以低成本的方式解决伤害问题。

结构抗振设计

1. 结构设计时应该提高结构刚性

a) 框架结构应尽量采用三角形稳定结构

b) 避免在大面积的支撑结构上连续开孔

c) 竟可能采用焊接、铸造结构，在使用螺栓连接的场合，应具备足够的紧固力并有防松脱措施。

d) 设备内部的各个组件的刚度应该与整体保持一致，薄弱环节需要做加固处理。

2. 避免共振
a) 当振动源的激励频率很低的时候，应增强设备结构的刚性，提高设备及元器件的固有频率和振动源激励频率的比值，使得隔振系数接近于1，以防止发生共振。

隔振系数：
根据激振源的不同，隔振可分为两类。对于本身是振源的设备，为了减少它对周围机器、仪器和建筑物的影响，将它与支承隔离开，以便减小传给支承上的不平衡惯性力，称为积极隔振，又称主动隔振。水泵、发动机、锻锤机械等的隔振就属此类。

积极隔振系数ηz表示积极隔振效果；它等于隔振后传到地基上的力除以未隔振时传到支承上去的力。对于振源来自支承振动的情况，为了减少外界振动传到系统中来，把系统安装在一个隔振的台座上，使之与地基隔离，这种措施称为消极隔振，又称被动隔振。车辆的乘座、精密仪器的安装、环境运输的包装、舰艇上导弹发射架的隔振等都属此类。

消极隔振系数ηb表示消极隔振效果，它等于隔振后机器设备的振幅除以支承运动的振幅。隔振系数小表示隔振效果好。两类隔振系数的计算公式是相同的。

对于单自由度隔振系统：

式中η为隔振系数，λ=ωj/ωn，ωj为激励频率，ωn为隔振系统固有频率；c为粘性阻尼系数，cc为临界阻尼系数。

图1 隔振系数曲线

隔振系数公式可用图1中的曲线表示。从图上可以看出：

① 只有当频率比λ > sqrt(2)时，才有隔振效果，且随着λ增加，隔振效果也逐渐增大，实用中取λ = 2.5〜5；

② 增大阻尼可以减小机器在起动和停车过程中经过共振区(见线性振动)的振幅，但在λ > sqrt(2)时，阻尼的增加反而减小隔振效果；

③ 常用的隔振器材由于阻尼系数不大，在λ=2.5〜5范围内计算隔振系数时，可按无阻尼情况考虑。

隔振系数公式依据下列假设：机器或设备是刚体，地基是无限大的刚体；隔振器由无质量的线性弹簧和无质量的粘性阻尼器组成。实际情况和假设有出入，故隔振系数的实际公式也同理论公式有出入。

近代研究发现隔振器在用于低频激振时很有效，但用在高频时效果不够理想。当激振力频率增大时，隔振系数的曲线中出现了一系列峰值(图2)。主要原因是高频振动在结构中以弹性波形式传播，激起了结构介质的波动效应。为了改善高频时的隔振效果，除采用波动效应小的橡胶弹簧代替金属弹簧外，目前还发展了双质量隔振系统，并已用于舰船等设备中。

图2 考虑波动效应后的隔振系数曲线

有时被隔振的机械或仪器可能受到几个方面的激励(见振动)，此时隔振设计应按多自由度系统进行，即应考虑被隔振物体的直线振动、扭转振动以及它们之间的耦合振动。

b) 隔振设计要点

隔振设计的要点是：首先要对环境振源进行调査，包括振源类别、量级、方向和频率范围等项目；其次根据隔振体本身的重量和隔振要求，按频率比λ ≥ 2.5〜5进行计算，选择减振器型式、装配方式和参量(阻尼系数、刚度)；最后用仪器测试校核隔振效果，验算隔振系数。

图3 隔振体系

常用的隔振器材有天然或人造橡胶制品、金属弹簧制品、不锈钢丝网制品以及近十年出现的多种高分子化合物的粘弹性材料制品。这些器材既可用来隔振，又能起抗冲、降噪作用。

把机械安装在合适的弹性装置上以隔离机械振动传播的措施。依振源的不同有两种性质不同的隔振措施(图3)。如果机械本身是振源，应使它与支承隔离，以减少对周围的影响，这称为主动隔振。如振源来自支承的运动，为减少外界振动对机械的影响，须使支承与机械隔离，这称为被动隔振。

具体的隔振措施有设置弹性支撑物和防振沟等。对于隔振效果要求很高的精密仪器，一般采用多层隔板；对于多向激励、多种响应的复杂隔振系统，则要考虑直线振动、扭转振动和它们之间的耦合，隔振系数须按多自由度模型进行计算。当频率比λ变化较大时，如宽频带激励和重量变化大的机械，采用非线性隔振系统可以收到较好的隔振效果。在隔振设计中，根据振源振动量的大小、方向和频率,以及被隔振机械的尺寸、重量和隔振要求，确定隔振装置的参数和结构型式。


隔振材料选用：

隔离振动所用的材料一般有软木、毛毡、泡沫乳胶、橡胶、金属弹簧和空气弹簧等。相应地也形成了海绵隔振垫、橡胶隔振器、金属弹簧隔振器、空气弹簧隔振器等。空气弹簧隔振器固有频率接近1Hz，是一种比较理想的高效能隔振器，但辅助系统太复杂，仅用在有特殊要求的精密仪器上。目前在电子设备中广泛使用的是橡胶隔振器和金属隔振器。

橡胶隔振器是以金属作为支撑骨架，并与橡胶在压模内硫化而成的。它具有较大阻尼(对高频振动的能量吸收有特效)、造价低、且制造比较简单方便，所以应用比较广泛，在早期的舰艇上应用非常普遍。但橡胶本身的性质受温度、光照、油性环境等影响比较大，容易老化，现在已经逐渐被金属隔振器所取代。采用三维库仑阻尼和粘性复合阻尼的新型橡胶隔振器改变了结构，能在低频有效地抑制共振，当振动频率高于12-15Hz时具有良好的隔离效果，对冲击衰减也很明显，已经在声呐、雷达、车载电台上广泛采用，但由于要给橡胶件以变形空间，所以尺寸较大。

金属隔振器对环境条件反应不敏感，不易老化、性能稳定，设计和计算比橡胶的容易，但它的阻尼过小，容易传递高频振动，在经过共振区时，设备会产生过大的振幅，有时需要另加阻尼器或在隔振器中附加零件作为摩擦元件形成阻尼。电子设备中经常采用的GS型全金属钢丝绳隔振器，如下图所示，它是利用多股钢丝绳之间相对滑移而产生的非线性干摩擦滞后，来大量吸收和耗散系统运动能量，以改善系统运行的动态平稳性，保护设备安全工作的。这种隔振器尺寸较小，在比较狭小的场合内比较合适，例如航空、航天领域的电子设备中，在舰艇上也大量应用。

在电子设备中另一种常用的金属隔振器是GWF型无谐振峰隔振器，其典型结构如上图。它采用刚度拟合技术和干摩擦阻尼技术来实现低固有频率、无共振放大、并可兼顾缓冲的结构设计，调节螺旋簧可以调节隔振器的载荷，调节阻尼簧可以调节阻尼特性，因而可实现在三个座标轴方向全频带(例如0～5000Hz)内无谐振峰。

• 橡胶隔振器：承载能力低，阻尼大(阻尼系数0.15~0.3)有蠕变效应，可做成各种形状。
• 空气弹簧隔振器：刚度由压缩空气的内能决定。阻尼系数0.15~0.3。
• 金属弹簧隔振器：承载能力高，变形量大，刚度小(阻尼系数0.01)，水平刚度较竖直刚度小，易晃动。
• 泡沫橡胶和泡沫塑料：弹性强，刚度小，阻尼系数为0.1~0.15，固有频率可设计的很低，承载能力低，性能不稳定，易老化
• 金属弹簧隔振器
  

泡沫橡胶和泡沫塑料

c) 尽量提高设备的固有振动频率，电子设备机柜的固有频率应为最高强迫频率的两倍，电子组件因为机柜的两倍。如舰船和潜水艇的振动频率一般的振动频率为12~33Hz，机柜固有振动频率应该不低于60Hz，电子元器件的固有频率应该高于120Hz。
电路抗振设计

1. 选择剥离强度高的基板材料
PCB基板剥离强度测试：

2. PCB采用大面积的焊盘和导电图形

3. 对元器件采用局部或者整体加固

4. 必要时PCB加金属框架

5. 电阻器安装应该考虑由于温升导致的膨胀，电阻器好固定电容器的重量大于15g时，不得用引线作为支撑，引出线的元器件的端部到焊点的距离不得超过25mm。

6. 凡是依靠自身引线支撑的元器件，轴向引线元器件每根引线承载重量不得大于7g，径向引线元器件每根引线承载重量大于3.5g时，需要加固；单体重量大于31g时，需要加固。并且注明加固方法：粘固、绑扎。

7、冲击振动环境恶劣的情况下，PCB设计面积尺寸不宜过大。否则，采用结构加固措施。

8. 加固材料

a) 加固材料一般采用单组分硅橡胶，特殊要求元器件采用透明环氧树脂加固。透明环氧树脂是双组份的胶凝材料，按体积比：A组比B组=2.5ML比1ML即A组25克，B组10克；按质量A组比B组=3g比1g。使用时两组混合后一定要顺同一个方向搅拌均匀到位。一般透明树脂都自带消泡剂，如气温过低或滴加后产品有气泡需抽真空，进行排气。抽真空时最好加防护罩，避免污染，全生产过程注意不要弄脏产品。偏大的产品会有明显的体积收缩。一般25摄氏度60-80分钟固化。

b) 加固材料的相容性控制：硅橡胶加固时，不能选用聚氨酯类图层，硅橡胶与这类图层附着力差，容易剥落；应选用邮寄硅类图层。

c) 加固时，产品黏附部分呈水平状态，防止平稳；加固材料低于引线与PCB连接处，或者元器件与PCB之间的位置。固化，形成支撑物24h后，以60度烘烤半小时，出去挥发性副产物，实现气体排出，结构结实。

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