车载电子设备的抗振设计

张亚峰

(中国电子科技集团公司第54研究所，河北 石家庄050081)

摘 要：针对振动和冲击对车载设备的危害，分析了车载电子设备机箱、

机柜、印制板等的抗振措施，及隔振系统的选型和合理布局。

关键词：振动；固有频率；隔振器

1引言

随着现代军事技术的飞速发展，移动或车载装备也越来越普遍，电子设备频繁地受到振动、冲击、碰撞等机械环境的损害，这样就对车载电子设备的可靠性提出了越来越高的要求。电子设备在振动和冲击环境下造成的危害表现在以

下两个方面：

（1）设备在某个激振频率下发生振幅较大的共振； （2）长期的振动和冲击，易使电子设备产生疲劳破坏。 因而，对车载电子设备的抗振动冲击问题应加以足够重视。

车载电子设备的抗振设计主要采取下面二个措施：

（1）加固设计

提高电子设备结构上的薄弱环节，对薄弱环节进行加固，提高设备的固有频率，使其容许的冲击应力和疲劳极限高于其实际响应值，保证电子设备的正

常工作。

（2）采用隔振缓冲系统

对电子设备整机进行隔振缓冲设计，使外部激励通过隔振缓冲系统的减

弱后，传递给设备的实际作用力，小于设备的许用值。

2电子设备的加固设计

电子设备的加固设计应遵循层次结构和二倍频规则。如：电子设备机柜，机架

为主层次结构，插箱为次层结构，则安装在插箱内的印制板、电源模块等设备则为第三层次结构，按线性系统振动理论，下层次结构的一阶固有频率与其安装的上层次的一阶固有频率的比值β=fi+1/fi≥2，则其基础的激振力不放大，此时可将这两个层次结构视为刚性连接。这就是倍频法则，在此情况下各层次结构可保证不发[CM(22)生局部共振。但实际上实现所有层次结构频率比β≥2在工程上很难，一般取β≥1.5。此时，局部共振的放大因子λ必须满足λ≤3的要求。

下面分别讨论这几个层次的刚性设计。

2.1机柜的刚性设计

机柜是设备的承载体，一般包括上下围框和与之相联的四根立柱，立柱一般有铝型材立柱和钢型材及钢板折弯等形式，各分机通过钢质导轨与机架相连。可见，机架立柱的刚性好坏直接影响到机架的刚强度大小，首先选择合理的截面形状和尺寸，从材料力学知道，构件的材料一定时，则抗扭刚度，抗弯刚度取决于构件的截面形状和尺寸，同等截面积的情况下，空心截面立柱的刚度几十倍于实心立柱的刚度，另外，增加壁缘也可有效提高刚度，因此在满足结构要求、工艺性、重量指标的情况下，选择截面惯性矩较大的截面形状，是提高弯曲刚度的有效措施。其次， 提高机柜各部分的连接刚度，一般车载机柜立柱与上下围框采用螺

栓联接，只是同等焊接连接效果的1/3， 为了提高机柜的联接刚度，应加强左、右侧板、面板与框架的连接刚度。侧板应有加强筋，螺钉的直径、数量、布局方

式应有利于结构加强。 2.2插箱的抗振设计

插箱一般通过导轨、面板和机架相连，导轨选用高强度结构，作为横跨机柜两侧立柱之间，增大了机柜前后向刚度。同时为防止导轨、插箱调好后在振

动、冲击时发生窜动，采用打止动螺钉结构。

插箱底板是电子设备的安装平台，一般底板采用薄钢板打弯或中厚铝板材料，可能的情况下增加限位措施(如安装螺钉等)可减少自由振动面积，另外，增加壁

3

厚(由抗弯刚度公式I=bh/12，其中h为板厚)可成倍提高抗弯刚度，有效提高其

固有频率。

2.3印制板的刚度设计

如图1所示：印制板在三轴向的一阶固有频率在如图所示Z向最低，Z向的一阶固有频率不仅与板自身几何尺寸有关，而且与印制板所处的支承状态（边界条

件）有关，与板上元件的分布与重量有关。

缩小印制板的外形尺寸， 可以提高其固有频率，另外，增加板厚固有频率也会增大，表1是几种印制板在常见支撑情况下其一阶固有频率的(不同板厚)

对照情况：（已知a=200mm，b=180mm，a、b为印制板长、宽尺寸）

由上可知：缩小印制板的尺寸，增大板厚，改善板的支承条件，都可以

有效地提高其固有频率。

3隔振系统设计

当刚性连接的机箱、机柜等无法满足环境试验要求时，可采用隔振缓冲系统，

在大多数情况下是为了通过隔振系统降低设备受到的振动冲击激励量值。即属于

被动隔振。

3.1机柜底部隔振器选择

采用底部隔振器的机柜系统隔振传递系数由下面公式给出。

式中：η为隔振传递率；D为阻尼比；

γ为频率比，即激振频率与隔振系统固有频率之比。

由上式可绘出η-γ隔振传递率曲线（见图2）。

由图2中可看出不同阻尼情况下η随着频率比γ变化的规律。得出： 1）当时，响应振幅大于激励振幅，系统发生共振，峰值出现在γ≈1位置，即系统的固有频率随近，隔振系统产生放大作用。较大的阻尼

比有利于抑制共振。

2）当，无论D大小，均有η=1。

3）当时，响应振幅小于激励振幅，这就是隔振作用。随

着激振频率的升高，系统的响应迅速衰减，同时，较小的阻尼比D效果较好。 可见，理想的隔振器应该是使隔振系统的固有频率低，有可变的阻尼特性，即在系统的共振区有较大阻尼，使系统不会发生共振放大，而在隔振区有较

小的阻尼，使系统具有良好的隔振频率，而且抗冲击和稳定性要好。 在我们以往工程中，经常使用的JF型隔振器，如JF-60型，其固有频率24Hz，如果机柜底部安装4个对称布置的隔振器，依照国军标《GJB150.16-86车载电子设备振动试验》规定，激励频率P从5Hz～40Hz，当P=5Hz时，代入公式，得fn<3.5Hz，显然JF-60型隔振器远远大于这一指标，不可避免地会引起设备共振，对于某些使用环境比较恶劣，系统可靠性指标要求较高的

情况下，应考虑采用低固有频率、无共振放大的无谐振峰隔振器。 东南大学生产的GWF型库仑阻尼型金属隔振器，其固有频率fn约为5Hz，略大于3.5Hz，因为有阻尼存在，所以满足要求，另外它采用刚度拟合技术和库仑阻尼技术，具有低固频，无共振放大并可兼顾缓冲特性，能较好地满足

GJB150-86有关振动和冲击试验要求。

3.2机柜背部隔振器选择

一般车载电子设备机柜受到的角加速度较大。同时，底部承载隔振器对于水平方向的刚度都较弱，因而都须加上背部隔振器以加强隔振缓冲系统的水平刚度。

选用背部隔振器应遵循的原则： 1）背架隔振器的垂向刚度应近似为0。

2）水平刚度应关于机柜静平衡位置对称，以消除耦联共振。

3）背架隔振器应与底部隔振器刚度阻尼特性相匹配。

对于第三条，非承载的背部隔振器和底部的承载隔振器的弹性阻尼特性的要求是不同的，并且只有在两者相匹配时，才能获得较好的无共振，低耦合的系统动态特性，具体的说，背部隔振器的弹簧刚度和底部隔振器的弹簧刚度是关

于隔振系统质心处力矩平衡。

目前应用较多的是钢丝绳隔振器，无谐振峰背架隔振器等，我所研制的机柜后背架式隔振支架，支架主体采用铝合金铸造，内部嵌装JC-150型橡胶金属隔振器，具有结构简单、重量轻、水平刚度大的特点。其Z向（前后方向）静刚度1000kg/cm，Z向动刚度1500kg/cm，阻尼比D=0.05，X向（左右方向）静刚度120kg/cm，X向动刚度180kg/cm，公称负荷时Z向固有频率为13Hz。垂直方向上留有跳动余量，近似刚度为0，保持机柜垂直方向解耦。较好地满足了车

载设备隔振的需要。 3.3隔振器的合理配置

一般车载机柜隔振系统安装方式采用底部安装隔振系统，即框架底部安装四个相同特性的隔振器，上框架后部安装两个相同的背部隔振器的安装方式。对于多个机柜拼接的情况，也可以采用整体隔振措施，即整个拼柜通过横向的刚度较大的过渡板与若干隔振器相连，这样可减少隔振器的数目，如四拼柜，底部只须装8个隔振器即可，四角的隔振器刚度要小一些，中间靠近拼柜整体质心的隔振器

刚度要大一些。

隔振器的安装方式和组合形式确定了隔振器的动态特性和稳定性，总的配置原则是使机柜六个自由度方向上的耦联运动消除，调整电子设备机柜隔振系统的刚度重心与质量重心重合，即保证底部安装隔振器后，机柜底部平面平行于安装地板，这就要求隔振器具有外型尺寸不变，但可调整载重量的特性。 对于机柜重心偏移不太大，四个支点的实际承载量在隔振器公称载荷的允许偏差范围内时，可以选用公称载荷相同的隔振器，以使隔振系统的固有频率相接近。

4结束语

车载电子设备的抗振设计是比较复杂的技术，对于某些精度要求较高的车载雷达系统而言，抗振设计更是重要。随着新一代阻尼隔振技术的研究和应用，动测试技术的不断完善和振动分析水平的提高，隔振设计方法会更加丰富和完

善，来满足车载设备的需要。

参考文献

1 邱成悌等. 电子设备结构设计原理. 南京：东南大学出版社，2002 2 颜肖龙等. 无谐振隔振原理的理论分析与应用. 电子机械工程, 98, (1)

3 GWF型无谐振峰隔振器. 东南大学校办总厂