車載機頂盒硬盤固定架優(yōu)化和散熱分析

1、<p><b>　　目 錄</b></p><p>　　摘要…………………………………………………………………………………………1</p><p>　　關鍵詞………………………………………………………………………………………1</p><p>　　1前言………………………………………………………………………………………2<

2、;/p><p>　　1.1車載硬盤固定架的基本問題……………………………………………………2</p><p>　　1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀………………………………………………………………………2</p><p>　　1.3車載硬盤—固定架系統(tǒng)的隔振緩沖…………………………………………………3</p><p>　　2車載機頂盒的總體布局…………………

3、………………………………………………3</p><p>　　3車載硬盤固定架結(jié)構(gòu)設計……………………………………………………………5</p><p>　　3.1固定方式的對比……………………………………………………………………5</p><p>　　3.2初步擬定固定架結(jié)構(gòu)…………………………………………………………………5</p><p>

4、;　　3.3固定架結(jié)構(gòu)分析………………………………………………………………………6</p><p>　　3.3.1固有頻率分析…………………………………………………………………………6</p><p>　　3.3.2靜態(tài)分析………………………………………………………………………………7</p><p>　　3.3.3屈曲分析………………………………………………………

5、………………………9</p><p>　　4隔振器的設計……………………………………………………………………………10</p><p>　　4.1隔振器的設計與選用步驟……………………………………………………………10</p><p>　　4.2工作環(huán)境參數(shù)…………………………………………………………………………11</p><p>　　4

6、.3隔振系數(shù)……………………………………………………………………………12</p><p>　　4.4剛度…………………………………………………………………………………13</p><p>　　5螺釘和墊片的選擇……………………………………………………………………15</p><p>　　6機頂盒的散熱分析……………………………………………………………………16

7、</p><p>　　6.1電子設備熱設計的指標要求………………………………………………………16</p><p>　　6.1.1環(huán)境溫度…………………………………………………………………………16</p><p>　　6.1.2元器件的溫度……………………………………………………………………16</p><p>　　6.1.3系統(tǒng)溫升………

8、…………………………………………………………………17</p><p>　　6.2機箱表面輻射散熱…………………………………………………………………18</p><p>　　6.3機箱表面自然對流散熱……………………………………………………………18</p><p>　　6.4機箱的開孔設計………………………………………………………………………19</p>

9、;<p>　　7試驗測試與驗證………………………………………………………………………20</p><p>　　8結(jié)論…………………………………………………………………………………21</p><p>　　參考文獻……………………………………………………………………………………22</p><p>　　致謝…………………………………………………………

10、………………………………錯誤！未定義書簽。</p><p>　　附錄…………………………………………………………………………………………23</p><p>　　車載機頂盒硬盤固定架優(yōu)化和散熱分析</p><p>　　摘 要：隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，汽車電子已從20世紀70年代的簡單汽車電器發(fā)展成為模塊化、網(wǎng)絡化和智能化地集成電子系統(tǒng)，并作為改善汽車動力性、經(jīng)濟性

11、、安全性、穩(wěn)定性和舒適性等性能的重要技術(shù)措施，已被廣泛應用于各種車輛。汽車電子化的程度已被視為衡量現(xiàn)代汽車水平的重要標志。一方面，由于車輛工作過程中，頻繁的啟動、制動以及外界環(huán)境激勵等因素帶來的沖擊和振動[1]，對車載電子產(chǎn)品來說是一個重大的考驗，尤其是作為核心部件的硬盤對工作環(huán)境要求更是苛刻。另一方面，電子產(chǎn)品本身對散熱也有較高的要求。為此，保證車載硬盤的正常使用對整個車載電子系統(tǒng)變得極為關鍵。本論文根據(jù)汽車工作的實際需求，以車載機頂

12、盒硬盤—固定架系統(tǒng)的減振和機頂盒散熱問題為研究對象，應用隔振緩沖和熱力學等理論對硬盤固定架進行設計、仿真和試驗，達到保護硬盤正常工作的目的。</p><p>　　關鍵詞：車載設備；隔振緩沖；散熱；固有頻率</p><p>　　The Analysis of Vehicle Set-top Box Hard Disk Fixing Frame Optimization and Heat Di

13、ssipation</p><p>　　Abstract: With the rapid development of information technology, automobile electron has already developed to be modular, network and intelligent integration electronic system from the 1970

14、's simple automobile electric appliances, and become an important technical measure in improving automobile's capability on power, economy, safety, stability and comfort. It has been widely applied to various veh

15、icles. Automobile electronic degree has been regarded as an important symbol of the level of modern </p><p>　　Keywords: truck-loaded equipment; eliminating impacts and vibrations;heat dissipation;inherent fr

16、equency</p><p><b>　　前言</b></p><p>　　衛(wèi)星導航被列入新興產(chǎn)業(yè)“十二五”規(guī)劃，發(fā)展自主技術(shù)成為重中之重，汽車前裝市場起了打頭陣的作用。到2015年，前裝導航汽車銷量，年復合增長率將達到40%左右。汽車保有量達2 億輛，其中8000 萬未配備導航設備的7年新車成為導航裝配市場的潛在客戶群。中國汽車導航裝配普及率將將從目前26%成長至

17、50%-55%。因此，中國車載電子產(chǎn)品將有廣闊的發(fā)展前景。</p><p>　　1.1 車載硬盤固定架的基本問題</p><p>　　隨著社會科技的進步，車載數(shù)字移動電視等電子設備得到了越來越廣泛的應用，由于其工作在復雜隨機振動的環(huán)境中，極易造成損壞。由于數(shù)據(jù)的讀取和寫入速度快的優(yōu)勢，目前的存儲設備仍以硬盤為主導地位，而硬盤本身的隔振緩沖能力較差，這是車載電子產(chǎn)品的致命缺陷，提高硬盤隔振

18、緩沖能力就尤為顯得重要。據(jù)統(tǒng)計，在引起車載電子設備的失效環(huán)境因素中，振動因素約占27%。本論文主要是研究車載機頂盒硬盤的隔振緩沖和散熱問題，設計一種3.5英寸硬盤的固定架，提高產(chǎn)品對車載環(huán)境的適應性。</p><p>　　提高車載硬盤固定架系統(tǒng)環(huán)境適應性的主要措施：</p><p>　　1)加固設計，改善固定架薄弱環(huán)節(jié)抵御振動沖擊的能力。</p><p>　　2)隔

19、振緩沖設計，使外界激勵通過隔振緩沖系統(tǒng)傳遞給硬盤的實際值在允許范圍內(nèi)。</p><p>　　3)預期設計，在工作熱環(huán)境比較惡劣，開散熱孔自然散熱方式不能滿足要求的情況下可增裝散熱風扇。</p><p>　　1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀</p><p>　　提高車載硬盤—固定架系統(tǒng)的隔振緩沖能力是保證車載電子產(chǎn)品性能的重要手段，要有效地隔振緩沖，振動控制成為了主要對象。隔

20、振是振動控制的主要途徑之一，它是在支撐基座與電子設備之間安裝減振器進行沖擊隔離，當外界沖擊力作用在支撐基座上時，由于減振器中的彈性元件和阻尼元件產(chǎn)生變形，吸收能量并延長沖擊力作用的接觸時間，使傳遞給設備的沖擊力減小了很多，達到緩沖的目的，主要有兩種方式：主動隔振和被動隔振。主動隔振是在振動物體與安裝基礎之間安裝隔振器，減少機器振動力向基礎的傳遞量，隔振對象是振源。被動隔振是在儀器設備與基礎之間安裝隔振器，以減少基礎的振動對儀器設備的影響

21、，隔振對象是設備。因此，對車載電子產(chǎn)品主要采用被動隔振。目前國內(nèi)的主要隔振器件主要有各種金屬彈簧金屬減振片橡膠及不銹鋼鋼絲繩等[2]。國外開發(fā)的新型隔振器有氣體隔沖器和ERF減震器及美國海軍為戰(zhàn)艦研究的3KIP SAM隔沖器等。目前，對車載設備支架隔振結(jié)構(gòu)的進行動力學分析的主要手段為試驗和數(shù)值仿真。試驗是準確可靠的方法，但是試驗常常受到成本﹑實驗條件等因素的限制。因此基于有限元法﹑模態(tài)分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化理論，考慮車載電子設備實際工作環(huán)境，建

22、立支</p><p>　　1.3 車載硬盤—固定架系統(tǒng)的隔振緩沖</p><p>　　車載電子產(chǎn)品受到的是汽車主體（振源）傳輸來的強迫振動，工作中的振動環(huán)境是中低頻的隨機振動，垂直方向的振動占優(yōu)勢，水平方向的振動相對較小。為避免共振，根據(jù)二倍頻法則[3]，系統(tǒng)的固有頻率應避開振動激勵頻率，且兩者的比值要大于2.5。由于隔離要求的不同，隔離器的性能也不同，為獲得較小的相對位移，要求剛度較大

23、；而為獲得較小的加速度響應，則要求剛度要小。</p><p>　　①剛度k——隔振器的剛度越大，隔振效果越差，反之隔振效果越好。 </p><p>　?、谫|(zhì)量m——被隔離物體的質(zhì)量m使支承系統(tǒng)保持相對靜止，物體質(zhì)量越大，在確定振動力的作用下物體振動越小。 </p><p><b>　?、圩枘岜圈?</b></p><p>

24、;　　由于硬盤工作在高轉(zhuǎn)速狀態(tài)，一般轉(zhuǎn)速超過5400r/min，當受到?jīng)_擊或劇烈震動時，極易造成磁頭損壞或盤區(qū)磁道刮損。因此，對車載機頂盒硬盤固定架需選擇較軟的、剛度低的彈性支撐的阻尼，而硬盤由于受到空間位置的限制又不能取過軟的大阻尼材料，綜合考慮各種因素，一般采用的是阻尼較大的橡膠作為減振材料。</p><p>　　車載機頂盒的總體布局</p><p>　　由于汽車工作過程中本身會產(chǎn)生大

25、量的熱量，使汽車空氣溫度高于室溫，再者考慮到夏天溫度較高，機頂盒自然風冷散熱不足的情況，有必要在固定架下面設計一個備用風扇，以強迫風冷方式幫助散熱。由于機頂盒的PCB板面積尺寸和硬盤尺寸已經(jīng)確定，在這種情況下，固定架最小尺寸大于100X150mm。把硬盤固定架安裝位置與PCB板組合在一起，在加上前端塑膠殼體部分，使整個機頂盒長寬比例盡量滿足接近1:1，符合美學對外觀的要求。在Proe軟件中采取自上而下的方式進行建模[4]，首先在鈑金件建

26、模環(huán)境中建立底座模型，再在底座基礎上對其他模型進行裝配參數(shù)建模，這樣能保證相配合的尺寸的一致性和準確性。在鈑金環(huán)境建立的底座模型圖、總體布局裝配圖分別如下：</p><p><b>　　圖1 底座</b></p><p>　　Figure 1 Base </p><p><b>　　圖2 總體布局</b></p

27、><p>　　Figure 2 General layout</p><p>　　車載硬盤固定架結(jié)構(gòu)設計</p><p>　　3.1 固定方式的對比</p><p>　　目前硬盤固定架主要有兩種固定方式：左右固定和上下兩種方式。從減振結(jié)構(gòu)區(qū)分的話，左右固定方式又可大致分為插槽式、懸掛式和側(cè)板固定式等[5]。從總體布局可知，由于車載硬盤固定架下

28、需要安裝風扇，因此固定架必須設計成支架結(jié)構(gòu)。若選用懸掛式，垂直方向和水平方向上的減振效果都較好，但需要較大的空間，這在日益微型化的機頂盒內(nèi)，空間是不容許的；而插槽式因硬盤的上下表面必須緊密固定卡在槽內(nèi)，所以垂直方向的減振效果不理想；采用側(cè)板固定式則堅固兩方面的優(yōu)點[6]，既能夠做到減少硬盤固定架所占的空間，又在水平方向和垂直方向上有較好的減振效果，因此，本論文設計的車載機頂盒硬盤固定架采用側(cè)板固定式。</p><p&

29、gt;　　3.2 初步擬定固定架結(jié)構(gòu)</p><p>　　根據(jù)硬盤的外觀形狀和尺寸數(shù)據(jù)，能基本確定固定硬盤部分的大致外形尺寸，考慮到固定架在機頂盒內(nèi)所占的空間基本確定，再參照目前公司已有的部分非車載小型機頂盒硬盤固定架結(jié)構(gòu) ，應盡量采用結(jié)構(gòu)簡單，占據(jù)空間位置較小的結(jié)構(gòu)。公司現(xiàn)有固定架圖片如下：</p><p>　　圖3 參考硬盤固定架</p><p>　　Fig

30、ure 3 Reference to hard disk fixing frame</p><p>　　根據(jù)ST3500312CS型號硬盤的結(jié)構(gòu)參數(shù)[7]150X100X20mm，和風扇型號[8]（80X80X20mm），大體確定固定架框架尺寸。側(cè)板開孔間距尺寸從硬盤螺釘孔尺寸確定，孔的大小由減震器尺寸決定。車載硬盤工作在振動的環(huán)境中，硬盤與機頂盒的其他部分連接的數(shù)據(jù)傳輸線比較容易出現(xiàn)松動甚至脫離接口，因此必須

31、設計一結(jié)構(gòu)以防止數(shù)據(jù)線松脫。固定架初步結(jié)構(gòu)如下圖：</p><p><b>　　圖5 固定架結(jié)構(gòu)</b></p><p>　　Figure 5 Structure of fixing frame</p><p>　　3.3 固定架結(jié)構(gòu)分析</p><p>　　3.3.1 固有頻率分析</p><

32、p>　　硬盤的質(zhì)量為420g，根據(jù)公司常用做硬盤固定架的材料為電鍍鋼，試取厚度為為1mm，在solidworks中建立固定架三維模型[9]，然后新建頻率算例，應用材料電鍍鋼與模型，對固定架底面四個支撐點進行固定，作為邊界條件。由于固定架為沖壓件，厚度1mm，因此采用殼體網(wǎng)格劃分方式進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格信息如下表：</p><p><b>　　表1 網(wǎng)格信息</b></p>

33、<p>　　Table 1 Grid information</p><p>　　由于節(jié)數(shù)為7963少于20000，因此采用FFEPlus解算器進行計算較為適當，計算5階頻率分析，結(jié)果如表2：</p><p><b>　　表2 共振頻率</b></p><p>　　Table 2 Resonance frequency</p&g

34、t;<p>　　3.3.2 靜態(tài)分析</p><p>　　選用的材料為電鍍鋼，其屬性參數(shù)如表3：</p><p><b>　　表3 材料屬性參數(shù)</b></p><p>　　Table 3 Material property parameters</p><p>　　材料模型為線性彈性同向性，失敗準則以最

35、大von Mises應力為判斷依據(jù)，其他約束條件同上。新建一個靜態(tài)算例進行結(jié)構(gòu)強度仿真分析，結(jié)果如表4和圖6：</p><p><b>　　表4 靜態(tài)分析結(jié)果</b></p><p>　　Table 4 The results of static analysis</p><p>　　圖6 固定架應力分布</p><p&g

36、t;　　Figure 6 Analysis on stress of fixing frame</p><p>　　此次分析得到固定架的最小安全系數(shù)為64，此外從上圖可知，固定架最大應力3172471N/m2,遠小于材料的屈服極限203943242.6 N/m2，而在四個支腳處發(fā)生了比較大的彎曲變形，說明固定架發(fā)生應力過大導致失效前，首先發(fā)生的是屈曲變形而使固定架失效。</p><p>

37、　　3.3.3 屈曲分析</p><p>　　在對固定架進行靜態(tài)分析的基礎上，新建一個扭曲算例，在尖角處采用自動過渡，仍然進行殼體網(wǎng)格劃分精細劃分網(wǎng)格，節(jié)點數(shù)為19893，接近20000，因此采用Direct sparse解算器計算更加有效，進行屈曲有限元分析。分析結(jié)果如表5和圖7：</p><p><b>　　表5 屈曲分析結(jié)果</b></p>&l

38、t;p>　　Table 5 The results of buckling analysis</p><p>　　圖7 加強前的固定架屈曲分析</p><p>　　Figure 7 Analysis on buckling of fixing frame before strength</p><p>　　由于固定架變形較大，在頻繁的隨機振動沖擊的工作環(huán)境

39、，可能由于疲勞的因素降低其對硬盤的保護功能等，載荷因子有待進一步提高，因此嘗試通過在折彎處做加強筋以提高固定架在支腳折彎處的結(jié)構(gòu)剛度。但是沖壓件又不能像其他機器采用焊接肋板的辦法實現(xiàn)，一方面加工工部較多，提高產(chǎn)品的成本，另一方面此固定架尺寸較小，焊接小肋板亦不便操作，所以選擇在折彎處破口沖壓出一個缺口，起到加強筋的作用。重新建模后再進行仿真分析，結(jié)果如下：</p><p>　　表6加強后屈曲分析結(jié)果</p&

40、gt;<p>　　Table 6 The results of buckling analysis after strength</p><p>　　圖8 加強后固定架的屈曲分析</p><p>　　Figure 8 Analysis on bucking of fixing frame after strength</p><p>　　對比之前的

41、分析發(fā)現(xiàn)，在折彎處沖壓加強筋后，整個結(jié)構(gòu)的載荷因子從原來的1129增加到2217，將近提高一倍，最小安全系數(shù)提高到84，結(jié)構(gòu)的安全性有了較大提升，使得其抵抗變形能力得到了較大改善，即沖壓加強筋后的固定架的穩(wěn)定性得到了改善。</p><p><b>　　隔振器的設計</b></p><p>　　4.1 隔振器的設計與選用步驟</p><p>　

42、　1)根據(jù)設備使用場合，通過測試和分析明確設備所承受的機械力形式以及強度大?。ㄈ鐩_擊次數(shù)、脈沖持續(xù)時間和加速度大??；振動頻率的范圍、主要頻率點及相應的振幅等；</p><p>　　2)根據(jù)允許的激振值(位移、速度、加速度或重量)求出隔振系數(shù)；</p><p>　　3)根據(jù)所要求的隔振系數(shù)由圖確定出頻率比和相應的阻尼比的值；</p><p>　　4)由頻率比和激振頻率

43、求出系統(tǒng)的固有頻率； </p><p>　　5)由決定隔振器的彈簧剛度K[10]，若隔振器的布置與重心不對稱，則應該分別計算隔振器的剛度；</p><p>　　6)根據(jù)隔振器剛度和阻尼比可以查《振動振動機架設計》手冊[11]選擇合適的隔振器。</p><p>　　4.2 工作環(huán)境參數(shù)</p><p>　　根據(jù)所要設計的硬盤固定架為車載工作環(huán)

44、境，查《現(xiàn)代電子設備設計制造手冊》[12]如下表：</p><p>　　表7 振動與沖擊參數(shù)</p><p>　　Table 7 Parameter of vibration isolation and shock</p><p>　　GJB150.16《振動試驗》規(guī)定[13]：由于陸上運輸環(huán)境比海上運輸環(huán)境更為嚴重，所以車載船載電子設備的震動試驗一般按車載通訊

45、設備“卡車”類試驗嚴酷登記進行。查振動與沖擊參數(shù)表得：載重汽車頻率范圍4~80Hz，最大振幅127mm，最大加速度4.1g。</p><p>　　根據(jù)本論文研究的機頂盒型號選用的是ST3500312CS型號的500GB硬盤，可以由表2查得硬盤工作時最大允許沖擊為70Gs at 2ms, 車載硬盤工作時振動頻率范圍4-80Hz，其工作頻段主要在22-80Hz，4-22Hz頻段主要是路面低頻激振，因此允許最大加速度為

46、0.5Gs。</p><p>　　1Gs表示的是一倍重力加速度，因此，硬盤所能承受的沖擊和振動是非常小的，必須采用隔振效果和阻尼都較好的隔振器。</p><p>　　表8 500和320 GB 型號硬盤參數(shù)</p><p>　　Table 8 Drive specifications summary for 500 and 320GB models</p&g

47、t;<p>　　4.3 隔振系數(shù) </p><p>　　(a)主動隔振 (b)被動隔振</p><p>　　圖9 單自由度阻尼振動系統(tǒng)示意圖</p><p>　　Figure 9 Schematic diagram of single degree of freedom vibration damping

48、system</p><p>　　主動隔振：傳到基礎上的力與原振力之比 。</p><p>　　η＝FT/F0 （1）</p><p>　　被動隔振：被隔離的物體振幅與基礎振幅之比 。</p><p>　　η＝XO/ UO

49、 （2）</p><p>　　此處已知條件為加速度，因此用加速度表示隔振系數(shù)</p><p>　　η=a（響應加速度）/a0（激勵加速度） （3）</p><p>　　=0.5/4.1=0.12</p>

50、<p>　　1)當 f / fo ＜＜1時，隔振系數(shù)η=1；</p><p>　　2)當 f / fo =1時， 隔振系數(shù)η為最大，振動力被放大，此時系統(tǒng)處于共振狀態(tài)；</p><p>　　3)當 f / fo =時，隔振系數(shù)η=1，振動力等值傳遞，此時系統(tǒng)無隔振效果；</p><p>　　4)當 f / fo＞時，隔振系數(shù)η＜1，振動力減值傳遞，此時

51、系統(tǒng)有隔振效果。</p><p>　　隔振必要條件，頻率比f / fo＞。</p><p>　　圖10 隔振系數(shù)與頻率比及阻尼比的關系曲線</p><p>　　Figure 10 Isolation coefficient and frequency ratio and damping ratio curve</p><p>　　在電子設

52、備的減振設計中一般取頻率比f / fo為2.5~4.5。在放大（共振）區(qū)內(nèi)，阻尼可以抑制傳遞的幅值，在共振區(qū)減小共振峰值，抑制共振振幅，使物體的振幅不至于過大；在隔振區(qū)，阻尼反而使傳遞增大 ，隨著ξ的增大，η也變大，隔振效果變差。對于不同的阻尼比ξ，曲線明顯分開，表明阻尼對共振的影響大，η值隨ξ增大而減小。要取得比較好的隔振效果，首先必須保證當f / fo＞2，即設計比較低的隔振系統(tǒng)頻率。如果系統(tǒng)激振頻率f比較低，系統(tǒng)設計時很難達到當f

53、 / fo＞2的要求，則必須通過增大隔振系統(tǒng)阻尼的方法以抑制系統(tǒng)的振動響應，所以對于啟、停頻繁的設備，為防止設備在啟動或停機過程中經(jīng)過共振區(qū)域時產(chǎn)生過大的共振，減振器選用時應考慮阻尼大一些的。根據(jù)相關研究資料表明阻尼比 ξ=0.1隔振緩沖效果比較理想[14]。</p><p>　　從圖中可以看出若選取阻尼比為0.1，則頻率比f / fo為3.2，符合二倍頻法則。因為激振頻率為5-80Hz，所以減震器的固有頻率為f

54、o 為1.56-25Hz，試取fo=20Hz。</p><p><b>　　4.4 剛度</b></p><p><b>　　由已知條件：</b></p><p>　　ω0=2πf0 （4）</p&g

55、t;<p><b>　?。?）</b></p><p>　　代入數(shù)據(jù)可以得到： K=142.6KN/mm 則每一個橡膠環(huán)的剛度為35.65KN/mm。橡膠在動載荷下的彈性模量比靜載荷大，兩者比值一般在1~2之間。隨著硬度的增加以及頻率的升高，動態(tài)彈性模量也會變大。采用橡膠減震的系統(tǒng)，其動態(tài)固有頻率于靜態(tài)力學性質(zhì)求得的固有頻率不同，這是由于橡膠具有彈性后效特性之故。當橡膠受力時

56、，變形總是滯后于作用力，即作用力改變時橡膠的變形并不同時改變。所以橡膠的動剛度比靜剛度大，動剛度kd和靜剛度[15]的關系如下：</p><p><b>　　（6）</b></p><p>　　式中nk為動剛度系數(shù)，它隨橡膠硬度增加而增加。橡膠材料的動剛度系數(shù)見表3。</p><p>　　表9 橡膠材料、鋼材的阻尼比和動剛度系數(shù)</p&

57、gt;<p>　　Table 9 Rubber materials, steel, the damping ratio and the dynamic stiffness coefficient</p><p>　　由于丁腈橡膠阻尼比ξ=0.1按插值法查得 nk=1.8,可球的動剛度Kd=64.17KN/mm。</p><p>　　當系統(tǒng)受到?jīng)_擊時，橡膠減震器的沖擊剛度Ks

58、h可用動剛度Kd值表示，關系如下：</p><p>　　Ksh=（1~1.8）Kd （ξ=0.05-0.2） （7）</p><p>　　沖擊剛度比靜剛度、動剛度都大，這對車載設備緩沖減振特別有利。</p><p>　　因為硬盤固定架采用的是側(cè)板固定式，因此減震器為環(huán)柱形：</p>

59、<p>　　圖11 環(huán)柱形減震器示意圖</p><p>　　Figure 11 Schematic diagram of cylindrical shock absorber</p><p><b>　?。?）</b></p><p>　　其中 </p><p>　　

60、已知d=3.5mm和H=1mm求得D=8mm。</p><p>　　由于車載設備的振動主要在垂直方向上，所以水平方向的減振在此不做深入分析，而是根據(jù)導師經(jīng)驗推薦厚度取2mm，靠近硬盤測面部分減振環(huán)外徑15mm，另一側(cè)取12mm，總厚度為5mm。</p><p>　　查《振動設計·機架設計》[16]表17-5-5 得到減震器材料為NR（丁腈橡膠）。</p><p

61、>　　橡膠減震器是以橡膠作為減震器的彈性材料，其優(yōu)點如下：</p><p>　　1)取型和制造比較方便，根據(jù)需要可隨意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，可以大幅度改變橡膠剛度。</p><p>　　2)橡膠自身具有較大的阻尼，使用橡膠減震器的動力機器在通過共振區(qū)時，不致產(chǎn)生過大的振幅，故不需要另加阻尼器。</p><p>　　3)阻尼比隨橡膠硬

62、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，故橡膠減震器特別適合于系統(tǒng)偶爾發(fā)生共振的情況。</p><p><b>　　螺釘和墊片的選擇</b></p><p>　　根據(jù)硬盤的規(guī)格參數(shù)[17]可知，螺孔為美國統(tǒng)一標準英制螺紋孔，因此所使用的緊固件等標準間應統(tǒng)一采用英制標準。由于減震橡膠外側(cè)環(huán)直徑為12mm，為例確保水平方向上有較好的剛度，應盡量選

63、則相近外徑尺寸的墊片，#8窄平頭墊片內(nèi)徑0.188in，外徑0.438in，厚度0.049in，根據(jù)1 in=25.4mm換算得11.12mm、4.78mm和1.24mm，材料選擇Q235。</p><p>　　雖然美國統(tǒng)一標準的英制螺紋的牙角和國標都是60°，但是國標螺紋牙距的表示方法是牙距長度，而英制螺紋則是以每英寸長度所包含的螺牙個數(shù)表示，因此不能選用國標螺釘代替。根據(jù)硬盤規(guī)格表中的6#-32 X

64、 UNC 2B型螺紋孔，選擇相同螺紋型號的開槽大圓頭螺釘。再根據(jù)減振橡膠的厚度為5mm和墊片的厚度1.24mm，選擇螺釘長度為0.312in=7.9mm，旋合長度大于三個螺牙。</p><p>　　圖12 螺釘和墊片示意圖</p><p>　　Figure 12 Schematic diagram of screw and washer</p><p>　　螺釘

65、的材料也選用碳鋼Q235，其許用應力為150Mpa。對螺釘進行強度校核[18]：而剪切的強度條件：</p><p><b>　?。?）</b></p><p>　　其中Q=105g，A=3.14Xd2/4。</p><p>　　τ=Q/A=12Mpa<150Mpa, τ=Q/B =22 Mpa<150Mpa</p>&

66、lt;p>　　故螺釘是滿足強度要求的。</p><p><b>　　機頂盒的散熱分析</b></p><p>　　6.1 電子設備熱設計的指標要求</p><p>　　6.1.1 環(huán)境溫度</p><p>　　電子設備的環(huán)境溫度一般包括設備的存儲溫度和使用溫度，主要根據(jù)國標（行業(yè)標準）的相關規(guī)定[19]，結(jié)合設

67、備的使用環(huán)境和本公司的要求來確定。常規(guī)電子設備的參數(shù)如下：設備存儲溫度：-40℃—70℃；設備使用環(huán)境溫度：室內(nèi)設備-5℃—45℃；室外設備-35℃—40℃。</p><p>　　6.1.2 元器件的溫度</p><p>　　熱設計的最主要目的是確保電子設備中元器件的工作溫度低于其最大的許可溫度。對弟子元器件而言，溫度每超過額定溫度8℃，其壽命降低一半。元器件的最大許可溫度根據(jù)可靠性要求

68、及失效率確定，可以根據(jù)標準GJB/Z 299查的。對于半導體器件和集成電路，主要是控制結(jié)溫tj，熱設計要保證tj≤（0.5—0.8）tjmax，其中tjmax 是器件的最大許可結(jié)溫。一般地，對于tjmax=150℃的器件，tj 應小于120℃； 對于tjmax=125℃的器件，tj 應小于95℃。由于結(jié)溫沒有辦法測量，通常是測量殼溫，再按器件熱阻計算出結(jié)溫。對于發(fā)熱量較大的元器件，還要要防止由于器件管腳熱阻較小，熱量大部分傳到PCB 板

69、，從而引起PCB 局部溫度過高，進而導致PCB 燒黃或損害周圍其它器件的問題，一般通過在PCB板上安裝散熱器解決。</p><p>　　6.1.3 系統(tǒng)溫升</p><p>　　電子設備通常要求有較高的可靠性，優(yōu)良的散熱是電子設備可靠工作的重要保障。設備的系統(tǒng)溫升指設備內(nèi)部空氣的平均溫度與環(huán)境溫度之差，按10℃—15℃要求。我們都知道，熱量傳遞的動力是溫差的存在，熱量總是從高溫區(qū)傳向低溫

70、區(qū)，且高溫區(qū)發(fā)出的熱量必定等于低溫區(qū)吸收的熱量。熱量的傳遞過程可分為穩(wěn)定過程和不穩(wěn)定過程兩類：凡是物體中各點溫度不隨時間而變化的熱傳遞過程稱為穩(wěn)定熱傳遞過程；反之則稱為不穩(wěn)定過程。</p><p>　　熱量的傳遞有三種基本方式：傳導、對流換熱和輻射換熱。它們可以單獨出現(xiàn)，也可能兩種或三種形式同時出現(xiàn)。但是對于不同的散熱系統(tǒng)，一般只有一種或幾種散熱方式起主導作用，其它方式可以忽略。</p><p

71、>　　已知：整機尺寸 300x268x55mm ，環(huán)境溫度 25℃ 。工作時，機箱允許溫升10-15℃ ，硬盤功耗 24W ，電路板總功耗10W。 </p><p><b>　　熱流密度： </b></p><p>　　ρ=Q/A （10）&l

72、t;/p><p>　　=（24+10）/2x(30.0x26.8+30.0x5.5+26.8x5.5)=0.0152 W/cm2</p><p>　　圖13 熱流密度溫升圖</p><p>　　Figure 13 Diagram of heat flowing density on temperature rising</p><p>　　根

73、據(jù)圖表，選擇散熱方式為自然冷卻即能滿足要求，此方式最容易實現(xiàn)，在這個過程中無噪聲振動，無附加功耗，而且費用低，易于維修。自然冷卻機箱的散熱主要是通過表面輻射散熱和空氣自然對流換熱兩種形式。一般地說，機箱的外表面可看作自然對流的擴展表面。</p><p>　　6.2 機箱表面輻射散熱</p><p>　　物體以電磁波形式傳遞能量的過程。輻射不需要介質(zhì)，且有能量形式的轉(zhuǎn)換。輻射散熱[21]的

74、計算公式是：</p><p><b>　?。?1）</b></p><p>　　其中，Q—輻射散熱量，W</p><p><b>　　ε—散熱表面的黑度</b></p><p>　　σ—斯蒂芬-波爾茲曼常數(shù)，5.67X10-8W/m2.K4</p><p>　　T1、T2—分

75、別為物體和環(huán)境的絕對溫度，K</p><p><b>　　當溫升為10℃時：</b></p><p>　　Q1=εAσ(T14-T24)=0.06X0.223㎡X5.67X10-8W/㎡*K4X (3084-298K4)=0.85W</p><p><b>　　當溫升為15℃時：</b></p><p&

76、gt;　　Q1=εAσ(T14-T24) =0.06X0.223㎡X5.67x10-8W/㎡*K4X(313K4-298K4)=1.3W</p><p>　　其中，Q1---輻射散熱量，W</p><p>　　ε---散熱表面的黑度，材料選擇鍍鋅鋼板，黑度為0.06，見表4[20] </p><p>　　A---散熱表面面積，m2</p><p

77、>　　σ---玻爾茲曼常數(shù)，5.67X10-8 W/m2*K4</p><p>　　T1、T2---分別為物體和環(huán)境的絕對溫度。</p><p>　　表10 常見材料的黑度</p><p>　　Table 10 Blackness of common materials</p><p>　　6.3 機箱表面自然對流散熱</p

78、><p>　　對在海平面任意方向尺寸小于600mm 的機箱（柜），表面的自然對流換熱可以用下列簡化公式計算：</p><p>　　Q=2.5CA△t1.25/D0.25 （12）</p><p>　　其中，Q---表面自然對流散熱量

79、,W</p><p>　　C---系數(shù)，水平板時，熱面朝上為0.54，朝下為0.27；豎平板時為0.59</p><p>　　A---散熱面積，m2 </p><p>　　△t---換熱表面與流體（空氣）的溫差，℃</p><p>　　D---特征尺寸，對于豎平板或豎圓柱，特征尺寸為高度H，其它，為（長</p><p

80、><b>　　+寬）/2，m</b></p><p>　　Q2=2.5C*A*△t 1.25/D0.25</p><p>　　表11 各表面散熱計算</p><p>　　Table 11 The calculation of heat dissipation on surfaces</p><p>　　6.4

81、 機箱的開孔設計</p><p>　　當Q1+Q2 小于機箱（柜）的總功耗時，必須在機箱上開通風孔，通風孔的面積為： S=(Q-Q1-Q2)/(2.4X10-3·H0.5·△t1.5) （13）</p><p>　　其中，S---進（出）風口面積，cm2</p><p>　　Q---機箱

82、（柜）總功耗，W</p><p>　　H---機箱（柜）的高度，cm</p><p>　　△t---機箱（柜）的溫升，℃</p><p><b>　　當溫升為10℃時，</b></p><p>　　需要開孔面積 S=（Q-Q1-Q2）/(2.4X10-3·H0.5·△t1.5</p>

83、<p>　　=(34W-0.85W-7.34W)/(2.4x10-3x5.50.5cmx101.5℃)</p><p><b>　　=145cm2</b></p><p><b>　　當溫升為15℃時</b></p><p>　　需要開孔面積 S=（Q-Q1-Q2）/(2.4X10-3·H0.5

84、83;△t1.5）</p><p>　　=(34W-1.3W-12.21W)/(2.4x10-3x5.50.5cmx151.5℃)</p><p>　　=62.65 cm2</p><p>　　機頂盒下表面的面積為804 cm2，則只要開孔面積大于7.8%就可以滿足其溫升15攝氏度以下的自然散熱穩(wěn)定。</p><p><b>　　試

85、驗測試與驗證</b></p><p>　　本試驗的目的在于通過電動振動臺模擬產(chǎn)品工作過程所面對的振動環(huán)境，確定試品遭遇振動環(huán)境時，檢驗其能否正常工作。按GB 2423.10《電工電子產(chǎn)品基本環(huán)境試驗規(guī)程 試驗FC:振動(正統(tǒng))試驗方法》[22]進行振動試驗用電動振動臺系統(tǒng)（以下簡稱振動臺）基本參數(shù)的檢定方法。</p><p><b>　　電動臺的選型：</b&g

86、t;</p><p>　　電動臺推力大小的選擇：F=(M1+M2)a F:試驗所需推力</p><p>　　M1:活動系統(tǒng)重量 M2:試品重量 a:試驗加速度</p><p>　　根據(jù)車載產(chǎn)品的最大加速度為4.1g，選擇3000N電動振動臺，其空載加速度為65g，頻率范圍為5-2000Hz，臺面尺寸φ500。</p>

87、<p>　　夾具上、振動平臺或試件上，很靠近夾持點之堅固位置，檢查點用以確保試驗滿足需求。夾持點少于四點時每一點皆為檢查點。夾持點多于四點時，應于相關規(guī)范中定義具代表性之四個點位為檢查點。本試驗由于主要在于驗證試品能否正常工作，且對固定架系統(tǒng)進行的共振分析表明硬盤中心位置震動幅度最大，因此只選擇了硬盤上表面中心作為檢查點。</p><p>　　在空載和滿載頻率范圍內(nèi)各任選10個頻率，將振幅調(diào)至最大，

88、測得的振動幅值均應符合規(guī)定的最大振動幅值。</p><p>　　圖14 頻率加速度圖</p><p>　　Figure 13 Diagram of frequency acceleration</p><p>　　跌落測試:按照GJB150，將包裝好檢測合格的機臺根據(jù)產(chǎn)品包裝的重量,相應跌落的高度為30.58cm,在水泥地面上做一角、三棱、六面跌落測試（無特殊要

89、求，則按下表標準）每批測試兩箱或兩臺單包裝機器。試驗后打開包裝檢查產(chǎn)品零件無松動、脫落、性能不穩(wěn)定、塑膠、五金沒有變形、裂開等現(xiàn)象。</p><p>　　高溫測試[23]：將產(chǎn)品放置在70℃±2℃的恒溫環(huán)境溫度下，且?guī)щ姽ぷ?小時，無允許有因高溫造成的電氣性故障。</p><p>　　低溫測試：將產(chǎn)品放置在-40℃±3℃的恒溫環(huán)境溫度下，且?guī)щ姽ぷ?4小時，無允許有因高

90、溫造成的電氣性故障。</p><p>　　經(jīng)過測試機頂盒均能正常工作，跌落測試過程中，產(chǎn)品外形有輕微變形，但在允許范圍內(nèi)，也就是說所設計的硬盤固定架滿足機頂盒工作條件。</p><p><b>　　結(jié)論</b></p><p>　　為了解決車載電子設備的硬盤的隔振緩沖和散熱等問題，保證車載電子設備的正常工作，我們在理論分析的基礎上，結(jié)合實際研究

91、設計出了車載硬盤固定架機構(gòu)，在此過程中，進行了大量的理論分析和試驗測試，均證明此固定架能滿足實際要求，對硬盤的保護和壽命延長效果明顯。橡膠具有良好的隔振能力、耐熱、性能穩(wěn)定、易加工且與金屬的粘結(jié)性好等優(yōu)點，成為首選隔振材料。橡膠體作為隔振材料，決定隔振效果的主要因素就是剛度。相交替的承載力的大小同承載面積、變形位移和剛度成正比。橡膠材料的硬度是橡膠隔振器的重要參數(shù)，不同硬度橡膠即使外形尺寸相同，其剛度也不同，若橡膠的硬度過低，承載力過小

92、，會造成變形過大，受到振動沖擊時會產(chǎn)生較大的變形位移，甚至產(chǎn)生不必要的碰撞，橡膠體的選擇除硬度適當有一定的阻尼性能外，還應有合適的使用溫度范圍、耐久性和抗疲勞性并有良好的操作性。</p><p>　　雖然此車載硬盤固定架機構(gòu)有效地提高了硬盤的壽命，但綜合分析表明其隔振緩沖作用尚有改善的余地：例如實際振動問題一般比較復雜，但在此車載硬盤固定架機構(gòu)設計過程中，僅考慮了主要的垂直方向上的振動沖擊的影響，忽略了其他方向上

93、的振動和沖擊對車載電子設備的作用，只建立了單自由度振動模型，而事實上在某些情況下，這些振動沖擊的影響還是比較大的，今后可以考慮建立多自由度振動模型或采用更先進的技術(shù)手段進行研究。此外，還可以考慮選用其他材料（如金屬彈簧，彈簧片等）制作新型隔振系統(tǒng)，使隔振系統(tǒng)的剛度和阻尼達到更佳效果，能適應更加惡劣的工作環(huán)境。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p&g

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