Дипломная работа: Мобільний термінал охоронної системи для автомобіля

Окремо для забезпечення електричного зв’язку передбачимо наскрізні (перехідні) металізовані отвори у шарі металізації діаметром d = 0,5 мм. та d = 1 мм.

4.3.4.2  Розрахунок друкованих провідників і відстаней між ними

Розрахуємо номінальне значення ширини  провідника за формулою:

,

де - мінімальне значення номінальної ширини провідника, - нижнє відхилення ширини провідника.

Мінімальне значення номінальної ширини провідника:

,

де ρ- питомий електричний опір провідника (для міді ),

- довжина провідника, м;

- максимальний струм в провідниках кіл живлення ДП;

- максимальний струм в інших колах ДП;

=35мкм - товщина фольги ДП;

 напруга живлення в колах живлення ДП;

 В - напруга живлення в інших колах ДП;

Номінальне значення відстані між сусідніми елементами провідного рисунку, мм:

де  - мінімальна відстань між провідниками, - верхнє відхилення ширини провідника.

Мінімальне значення номінальної ширини провідника становитиме:

1)  Для кіл живлення:

мм.

2)  Для інших кіл:

мм.

Номінальне значення ширини провідника становитиме:

1)  Для кіл живлення:

мм.

2)  Для інших кіл:

 мм.

Номінальне значення відстані між сусідніми елементами провідного рисунку:

 мм.

4.3.5 Розрахунок маси

Розрахунок проводимо за формулою:

,

де - густина склотекстоліту, a, b, h – відповідно довжина, ширина та товщина ДП.

 г.

Для розрахунку маси радіоелементів скористаємося даними таблиці 4.3.3

г.

Масу друкованого вузла розраховуємо за формулою:

 г.

4.4  Розрахунки, що підтверджують працездатність виробу

4.4.1  Розрахунок теплового режиму

Конструктивно розроблений пристрій має вигляд алюмінієвого корпусу з жорстко закріпленою всередині друкованою платою. Проведемо аналіз теплового режиму розробленого радіоелектронного засобу (РЕЗ).

Бокові стінки пристрою мають отвори, тобто розроблений пристрій відноситься до РЕЗ у перфорованому корпусі.

Для проведення аналізу використаємо спрощену теплову модель за. Друкована плата (шасі) з розташованими на ній компонентами має горизонтальну орієнтацію і жорстко закріплена у корпусі з двох боків (останні дві сторони сперті на стінки корпусу). Таким чином конвективні потоки розвиваються тільки у верхньому напрямку, у нижньому відсіку (під шасі) конвекція практично відсутня (рух прошарків повітря затримується поверхнею шасі). При вертикальній орієнтації шасі висхідні та низхідні конвективні потоки розвиваються в обох відсіках. Через високу щільність компонування, променистий теплообмін між компонентами і корпусом РЕЗ пов’язаний лише з поверхнями, які безпосередньо зорієнтовані до корпусу. Теплова модель корпусу представлена на Рис.4.1.

Рис.4.1. Схематичне зображення розробленого РЕЗ (а), його теплова модель (б), теплова схема (в): 1 – корпус; 2 – шасі; 3 – елементи; 4 – нагріта зона. На рисунку позначено:

Р – потужність, яка виділяється в нагрітій зоні;

RЗК – тепловий опір нагріта зона-корпус РЕЗ;

RК – тепловий опір стінки корпусу;

RКС – тепловий опір корпус-середовище;

tЗ – температура нагрітої зони;

tКВ – температура внутрішньої поверхні корпуса;

tКН – температура зовнішньої поверхні корпуса;

tС – температура середовища.

Обравши найгірший випадок умов роботи пристрою, визначимо вихідні дані для терміналу:

·  Термінал встановлений на транспортному засобі під панеллю приладів:

·  Максимальна температура середовища tс=55°С;

·  Максимальна напруга живлення Uж=35 В;

·  Максимальний споживаний струм I=250 мА;

·  Матеріал корпусу – алюміній;

·  Характер навколишнього середовища – повітря.

·  Тиск повітря Н1 = Н2 = 0,1 МПа;

·  Коефіцієнт заповнення КЗ = 0,6;

·  Габаритні розміри корпуса дорівнюють 135х70х30 мм.

Розраховуємо поверхню корпуса блоку за формулою:

Sк = 2∙[L1L2 +L1+L2)L3] =2∙(0,135∙0,07+(0,135+0,07) 0,03)=0,031 м2

Визначаємо умовну поверхню нагрітої зони за формулою:

Sз=2∙[L1L2+(L1+L2)L3Kз]=2∙(0,135∙0,07+(0,135+0,07) 0,03∙0,6)=0,026 м2

Визначаємо питому потужність, яка розсіюється корпусом блоку за формулою:

qк = РЗ/SК,

де РЗ=Uж·I= 1,32– максимальна потужність, яку споживають всі елементи пристрою.

qк = (12·110·10-3)/ 0,031 = 42,31 Вт/м2

Визначаємо питому потужність нагрітої зони за формулою:

qЗ = РЗ/SЗ = 1,32/0,026 = 50,21 Вт/м2

В загальному випадку перегрів корпусу визначається залежністю:

υ1=0,1472∙qк-0,2962∙10-3 qк2+0,3127∙10-6∙qк3,

де qк – питома потужність корпусу приладу, Вт/м2

υ1=0,1472∙42,31 -0,2962∙10-3∙42,312+0,3127∙10-6∙42,313= 5,72°С

Перегрів нагрітої зони визначається аналогічною залежністю

υ2=0,1390∙q3-0,1223∙10-3∙q32+0,0698∙10-6∙q33,

де q3 – питома потужність нагрітої зони, Вт/м2

υ2=0,1390∙50,21 -0,1223∙10-3∙50,212+0,0698∙10-6∙50,213=6,69°С

Зміна атмосферного тиску зовні корпусу впливає на перегрів корпусу приладу відносно температури навколишнього середовища, а в середині корпусу – на перегрів нагрітої зони відносно температури корпусу приладу. Виходячи з цього перегрів нагрітої зони в загальному випадку визначається як:

υз=υ1 КН1+( υ2- υ1) КН2·KП,

де перший доданок є перегрів корпусу:

υк=υ1 КН1,

коефіцієнт КН1 визначається тиском повітря зовні приладу:

КН1=0,82+1/(0,925+4,6∙10-5∙Н1),

а коефіцієнт КН2 залежить від тиску середовища у середині приладу та визначається за формулою:

КН2=0,80+1/(1,25+3,8∙10-6∙Н2),

де Н1 та Н2 – атмосферний тиск, МПа, зовні та у середині приладу відповідно.

Виходячи з цього маємо:

КН1=0,82+1/(0,925+4,6∙10-5∙0,1)=1,9

КН2=0,80+1/(1,25+3,8∙10-6∙0,1)=1,6

KП – коефіцієнт, який враховує перфорацію корпусу:

KП=0,82·0,32·(Sотв/Sпп),

де Sотв – плаща отворів на вході блоку, Sпп – площа поперечного перерізу порожнього блоку.

KП=0,06

υк=5,72 1,9=10,87°С

υз=5,72 1,9+(6,69-5,72)∙1,6·0,06=10,96°С

По отриманим значенням визначаємо перегрів повітря у приладі:

υп=0,5∙( υк +υз),

де υз – перегрів нагрітої зони.

υп=0,5∙(10,87+10,96)=10,92°С

Визначаємо середню температуру повітря у приладі за формулою:

Tп= υп+tc,

де tc – температура оточуючого середовища;

Tп=10,92+55=65,92°С

Визначаємо температуру корпусу приладу за формулою:

Tк= υк+ tc

Tк=10,87+55=65,87°С

Визначаємо температуру нагрітої зони за формулою

Tз= υз+ tc

Tз=10,96+55=65,96°С

Гранично допустима температура для спроектованого пристрою визначається на основі аналізу гранично допустимих температур його елементів. В результаті аналізу гранично допустимих температур всіх складових елементів обирається найменше значення температури. Воно приймається за гранично допустиму температуру. Таким чином серед елементів, які входять до складу розробленого терміналу найнижчу допустиму температуру має GSM модуль, робочий діапазон температур якого складає мінус 30..+80°С. Визначена в результаті розрахунків температура нагрітої зони в найбільш екстремальних умовах теплового навантаження Tз< TGSMдоп. Отже отримані значення температури нагрітої зони задовольняють вимогам до умов експлуатації пристрою.

4.4.2 Оцінка вібростійкості ДП

4.4.2.1.  Розрахунок частоти власних коливань

Для оцінки вібростійкості друкованої плати терміналу скористаємося методикою розрахунку для багатошарових друкованих плат (розроблена плата двостороння).

Сформуємо вихідні дані для розрахунків власної частоти двосторонньої плати:

·  Габаритні розміри:

a=0,128 м; b=0,065м; h=0,0015 м;

·  Матеріал основи плати – склотекстоліт СФ1,5-35-30 з параметрами:

Е2=5,7·1010 Н/м2, ρ2=2,67·103 кг/м3, ε2=0,24;

·  Матеріал плакування – мідна фольга товщиною h1=h3=35·10-6м з параметрами Е1=Е3=13,2·1010 Н/м2; ρ1=ρ3=8,9·103 кг/м3; ε1=ε3=0,3;

·  Маса ЕРЕ m=0,045 кг.

Розрахуємо величину ефективних модулів пружності:

(Н/м2);

(Н/м2)

Розрахуємо приведений коефіцієнт поперечного стискання:

Розрахуємо відстань до нейтральної зони з урахуванням симетричності структури:

Визначимо значення приведеної жорсткості з урахуванням , h1=h3:

Визначимо приведену щільність плати:

Визначимо приведене значення модуля пружності:

,

де M - масса плати, m - маса ЕРЕ.

По таблиці 2.3 [27] знаходимо значення С=127,6

Поправочний коефіцієнт на матеріал:

Розраховуємо власну частоту коливань плати:

4.4.2.2  Розрахунок вібростійкості

Перевіримо умову віброміцності розробленої друкованої плати:

Вихідні умови для розрахунків:

·  Діапазон частот вібрацій за ГОСТ 16019-78 (рухома/автомобільна РЕА): Δf=(10-70) Гц;

·  Коефіцієнт віброперевантаження: Пп=4;

·  Час випробувань: Т=45 хв=2700 с;

·  Габаритні розміри:

o  a=0,128 м; b=0,065м; h=0,0015 м.

·  Частота власних коливань плати: ;

·  Межа пружності для склотекстоліту: ;

·  Логарифмічний декремент загасання: ;

·  Запас міцності: n=10,4.

Розрахуємо коефіцієнти динамічності, при цьому використаємо в якості збуджуючих частот частоту власних коливань плати , нижнє та верхнє значення частоти за ГОСТ 16019-78.

Припустимі напруги при відповідних частотах коливань (власних коливань,нижня, верхня) визначимо з наступного виразу, оскільки Tf<107:

Вигинаючий момент в центрі плати у режимі вібраційних коливань:

, де М – маса встановлених на платі ЕРЕ, кг; g – прискорення вільного падіння,  - коефіцієнт вібраційного перевантаження; .

Розрахункові напруги в центрі плати визначимо наступним чином (умова віброміцності плати):

Таким чином, на всіх трьох частотах розраховані напруги менші за припустимі: ;

4.4.3. Розрахунок надійності

4.4.3.1.  Розрахунок надійності по раптових експлуатаційних відмовах

Надійність за раптовими відмовами характеризують такими показниками, як інтенсивність відмов, середня наробка до відмови, ймовірність безвідмовної роботи.

Проведемо розрахунок надійності, з огляду на зовнішні впливи та вплив теплових і електричних навантажень. Для цього скористаємося формулою для ймовірності безвідмовної роботи [1].

де λj=αj∙λ0j, kλ=kλ1∙kλ2 kλ3, λj - інтенсивність відмов елементів j-ї рівнонадійної групи при експлуатації в заданих умовах; λ0j - інтенсивність відмов елементів j-ї рівнонадійної групи при експлуатації в номінальному режимі; αj-поправочний коефіцієнт інтенсивності відмов j-ї групи, який враховує вплив температури навколишнього середовища та електричне навантаження елемента; t - час безвідмовної роботи; m - кількість рівнонадійних груп; NJ - кількість елементів j-ї групи; kλ - поправочний коефіцієнт, який враховує умови експлуатації РЕА:

kλ1 - вплив механічних факторів; kλ2 - вплив кліматичних факторів; kλ3 - умови роботи при зниженому атмосферному тиску.

Сформуємо вихідні дані для розрахунку коефіцієнта kλ:

·  пристрій працює в стаціонарних умовах експлуатації;

·  вологість повітря становить 80%;

·  висота над рівнем моря до 1 км.

Таким умовам відповідають значення:

kλ1=1,07;

kλ2=1,5;

kλ3=1,0.

Звідси знаходимо коефіцієнт kλ = 1,605 [19].

Розрахуємо коефіцієнт λj та середній час напрацювання на відмову за відповідними формулами

λj=λ0jkн

Вихідні дані та результати розрахунків згруповані в таблиці 4.3.

Таблиця 4.3. – Характеристики надійності по раптових експлуатаційних відмовах

Ймовірність безвідмовної роботи становить:

PС (10000)=exp(-1,605·10000·13,77·10-6)=0,978.

Середній час напрацювання на відмову становить:

Тсер =1/(1,605·13,77·10-6)=45247≈45200 годин.

4.4.3.2   Розрахунок надійності по відмовам на зносостійкість

Для розрахунку СНВ відмов на зносостійкість та старіння (ЗСВ) використаємо вираз:

де ti – напрацювання i-го пристрою з урахуванням тільки ЗСВ; N0 - кількість пристроїв.

Також розрахуємо гамма-процентний ресурс:

де Zдоп - аргумент інтеграла ймовірностей для часу безвідмовної роботи по відмовам на зносостійкість та старінню γ=0,98; σі - середньоквадратичне відхилення напрацювання на відмову від свого середнього значення,

Результати розрахунків приведені в таблиці 4.4.

Таблиця 4.4. – Характеристики надійності по відмовам на зносостійкість

Zдоп = -2,04;

Величина гамма-процентного ресурсу становить:

Трγ = -2,04·83,57+29 916,7 = 29746≈30000 годин.

4.4.3.3  Розрахунок відновлюваності

Для розрахунку відновлюваності використаємо вираз:

де Твj - середній час відновлення елементів j-ої рівнонадійної групи; λj - інтенсивність відмов елементів j-ї групи; m - кількість рівнонадійних груп.

Складемо таблицю 4.5. вихідних даних характеристик відновлюваності.

Таблиця 4.5. – Характеристики відновлюваності

Середній час відновлення становить: Тв=1,34 години.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7