电子设备的隔振技术及减振器选型.docx

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电子设备的隔振技术及减振器选型

电子设备的隔振技术及减振器选型

1、概述

电子设备受到的机械力的形式有多种，其中危害最大的是振动和冲击，它们引起的故障约占80%。

它们造成的破坏主要有两种形式，其一是强度破坏：

设备在某一激振频率下产生振幅很大的共振，最终振动加速度所引起的应力超过设备所能承受的极限强度而破坏；或者由于冲击所产生的冲击应力超过设备的极限强度而破坏。

其二是疲劳破坏：

振动或冲击引起的应力虽远低于材料的强度，但由于长时间振动或多次冲击而产生的应力超过其疲劳极限，使材料发生疲劳损坏。

系统的振动特性受三个参数的影响，即质量、刚度和阻尼。

对于电子设备的振动和冲击隔离来说，隔振系统的质量一般是指电子设备的质量，而刚度和阻尼则由设备的支撑装置提供。

在机械环境的作用下，尤其是在舰船、坦克、越野车辆、飞机等运载工具中，设备及其内部的电子器件、机械结构等都难以承受振动冲击的干扰。

表1各种运载工具振动、冲击和离心加速度参数

单位：

g9.8m/s2

为了减少或防止振动与冲击对电子设备的影响，通常采取两种措施：

a）通过材料选用和合理的结构设计，增强设备及元器件的耐振动耐冲击能力；b）在设备或元器件上安装减振器，通过隔离振动与冲击，有效地减少振动与冲击对电子设备的影响。

2、隔振技术

2.1隔振

隔振就是通过在设备或器件上安装减振装置，隔离或减少它们与外界间的机械振动传递。

在电子设备与基础之间安装弹性支承即减振器，以减少基础的振动对电子设备的影响程度，使电子设备能正常工作或不受损坏；这种对电子设备采取隔离的措施，称为被动隔振。

一般情况下，仪器及精密设备的隔振都是被动隔振。

被动隔振系数：

振动来自基础，其运动用U=Uosin（ωt）表示，也是周期振动。

被动隔振也可用隔振系数η表示其隔振效果，它的含义是被隔离的物体振幅与基础振幅之比（或是振动速度幅值、加速度幅值的比值），

可用下式计算：

η＝xO/UO

=｛［１＋４ξ2（f／fo）２］／［１－（f／fo）２］２＋４ξ2（f／fo）２｝０．５

（1）

式中xO——物体的垂向振幅（m）；

UO——基础的垂向振幅（m）。

式中　　f――振动力的频率（ＨＺ）；

　　　　fo――隔振系统的固有频率（ＨＺ）；

　　　　k――隔振器的刚度（Ｎ／m）；

　　　　m――物体的质量（kg）；

g——重力加速度（9.8m/s2）；

ξ——减振器的阻尼比（橡胶减振器的阻尼比为0.02~0.15）。

从η的表达式可以看出，隔振系数η与频率比（f／fo）及阻尼比ξ有关。

当f／fo＜＜1时，隔振系数η=1。

此时振动力变化缓慢，且其几乎等值传递到基础上。

当f／fo=1时，隔振系数η为最大，振动力有放大现象，此时系统处于共振状态；η值随ξ增大而减小，所以，对于启、停频繁的设备，为防止设备在启动或停机过程中经过共振区域时产生过大的共振，减振器选用时应考虑阻尼大一些的。

当f／fo=

时，隔振系数η=1，振动力等值传递，此时系统无隔振效果；

当f／fo＞

时，隔振系数η＜1，振动力减值传递，此时系统有隔振效果。

因此，要使隔振系统有效果，必须使η＜1，即必须使频率比f／fo＞

。

在电子设备的减振设计中一般取频率比f／fo为2.5~4.5，也就是说要获得满意的隔振效果，应该使隔振支承系统的固有频率为振动力频率的1/2.5~1/4.5。

阻尼在共振区内，阻尼可以抑制传递率的幅值，使物体的振幅不至于过大；在非共振区，阻尼反而使传递率增大。

因此，隔振应强调以下几点：

当f／fo≈1时，发生共振，应力求避免；

不论阻尼大小，只有f／fo＞

，才有隔振效果；

一般情况下，建议把频率比f／fo取为2.5~4.5。

隔振系统中控制振动及其传递主要有三个基本因素：

隔振器的刚度k、被隔离物体质量m及系统支承即隔振器的阻尼比ξ。

它们各自的影响简述如下：

①刚度k——隔振器的刚度越大，隔振效果越差，反之隔振效果越好。

因为：

　　　　　f０=（k/m）0.5/2π　　　　　　

（2）

k越大，f０越大，f／fo越小，η就越大（在隔振区）隔振效果差；

k越小，f０越小，f／fo越大，η就越小（在隔振区）隔振效果好。

因此，就隔振而言，刚度k应尽可能小；必须指出的是，过小的刚度k可能无法承受质量m，就像一个重物将一根弹簧压扁了，无法起到隔振作用，对于一个设计正确的隔振系统，支承的刚度计算既要考虑隔振效果的实现，同时还要兼顾其承载能力。

②质量m——被隔离物体的质量m使支承系统保持相对静止，物体质量越大，在确定振动力的作用下物体振动越小。

同样从式

（2）看出，m越大，则f０越小，在隔振区η就越小，隔振效果好。

增大质量还包括增大隔振底座的面积，以增大物体的惯性矩，可减小物体的摇晃，但质量往往是确定的，增加是有限的。

　　③阻尼比ξ——隔振系统的支承阻尼有以下的作用：

在共振区减小共振峰值，抑制共振振幅；但是，在隔振区，随着ξ的增大，η也变大，隔振效果变差。

因此阻尼的作用有利也有弊，设计时应特别注意。

2.2隔冲

冲击是一种急剧的瞬间作用。

例如飞机的起飞和着陆，火车、汽车的启动与停车，物体的起吊与跌落等都能产生较大的冲击。

在冲击发生时，虽然时间相当短，但作用十分强烈。

冲击作用下，电子设备的零部件的冲击应力超过其最大允许值时将导致设备损坏，有时也会因多次冲击作用形成疲劳积累，使设备发生疲劳破坏。

因此，对冲击的作用也必须进行隔离。

由能量定理可知：

当外来冲击能量一定时，若冲击力作用的时间愈长则设备所受的冲击力愈力小，冲击加速度也愈小。

因此若能延长冲击力作用的接触时间，就可减轻电子设备所受冲击作用的影响。

电子设备大都属于被动隔冲，在支撑基座与电子设备之间装一减振器进行冲击隔离，当外界冲击力作用在支撑基座上时，由于减振器中的弹性元件和阻尼元件产生变形，吸收能量并延长冲击力作用的接触时间，使传递给设备的冲击力减小了很多，达到缓冲的目的。

减振器的刚度越小，阻尼越大，则冲击力的作用接角时间愈长，减振器的变形愈大，设备受到的冲击力也就愈小，缓冲的效果愈好。

2.3机柜背部隔振器设计思路

当设备机柜的高度较高时（一般在1．2米以上），就要考虑在机桓背部上方加装背部隔振器来减小设备机柜的摇晃。

背部隔振器的垂向刚度应趋于零，如无法满足时，应不高于底部隔振器垂向刚度的0．1倍。

3减振器选用原则

（1）使用条件

振源性质：

电子设备使用时所承受到的振动、冲击类型、强度、频率等，从而决定了以隔振为主还是缓冲为主；一般情况下舰用、车用设备以缓冲为主，飞机载设备以减振为主。

原环境条件：

因橡胶减振器有一定的使用温度范围，过冷会硬化，过热则软化，大多数橡胶减振器遇油及光照易老化，当温度范围超出0~80℃或存在油类介质或光照条件下不宜使用橡胶减振器。

外形尺寸：

了解设备的外形、重心位置特别是可以供安置减振器的空间大小，将为选用减振器的类型、数量提供尺寸依据。

耐振抗冲能力：

设备内的元器件的耐振抗冲能力的强弱，决定了设备允许承受的最大振幅和加速度，也就决定了整个隔振缓冲系统的隔振系数的大小，是选用减振器的主要依据。

（2）参数条件

减振器的主要参数包括阻尼比、刚度（或频率）、额定负荷等。

阻尼比ξ：

从减振原理分析看出，阻尼的作用是控制和减少共振振幅，由于设备起动与停止要都要经过（γ=1）共振区，尽管时间很短，但系统阻尼过小时也会产生较大振动。

虽然在隔振区阻尼比越小隔振效果越好，但这仅对激振频率为单一频率才适合。

当振源较复杂，有多种频率时，必须从多方面防止共振，阻尼比夜莺适当选大一些。

从缓冲的角度讲，选用较大的阻尼比也是有利的，综合考虑，减振缓冲系统以选用较大的阻尼比为宜。

刚度k：

刚度是减振器的最主要参数，就减振而言，刚度的大小可由隔振效果要求，通过计算出固有频率而求得，选用的减振器的刚度只要等于或小于计算刚度，就能保证隔振效果的实现；

额定负荷W：

各种类型的减振器的额定负荷都不同，所选减振器的负荷大小主要根据设备重量、重心位置、减振器安装数量来决定，要求所选减振器额定负荷应大于实际承载。

4、常用减震器选型

减振器的作用是隔离或减小振动及冲击对设备及元件的影响，通过其材料、结构的特点，吸收振动、冲击的能量并缓慢地释放，达到减振缓冲的目的。

4.1橡胶型减振器

橡胶减震器的特点是在于他的外形能按需要设计、刚度可调、提供比弹簧更大的阻尼比、抗剪、抗拉、抗压、安装更简单。

他的缺点在于固有频率较高，使用寿命较短，使用环境受限多，一般使用环境温度应控制在-30-70摄氏度之间，一些有化学腐蚀环境应选择合适材质的橡胶减震器才能使用。

（1）常用E、EA型减振器技术参数：

图1E\EA型减振器技术参数

（2）DD型橡胶减振器技术参数：

图2DD型橡胶减振器技术参数

4.2金属弹簧减振器

金属弹簧减振器用弹簧钢板或钢丝绕制面成。

常见的有圆柱形弹簧、圆锥形弹簧及板簧等。

这种减振器的优点是：

对环境条件反应不敏感，适用于恶劣环境，如高温、高寒、油污等；工作性能稳定，不易老化；刚度变化范围宽，可以制作很软，也可很硬。

其缺点是阻尼比很小（ξ≤0.005），共振时很危险。

因此必要时还应另加阻尼器。

这种减振器的固有频率较高，通常用于载荷大、外激频率较高及有冲击的情况。

水平刚度低，易晃动，不易于精密设备的隔振。

4.3阻尼隔振材料

4.3.1自由阻尼结构

将阻尼材料覆盖（粘贴或喷涂）在需要减振的结构物表面，当结构件发生变形时，阻尼材料能将机械振动或声振动转变为热能消耗。

由于覆盖在结构物上的阻尼材料层面无约束，故称为自由阻尼层或自由阻尼结构。

被覆盖的结构物称为基层，阻尼层可以是单面或双面。

4.3.2约束阻尼结构

在自由阻尼层面上再覆盖一层材料，就构成约束阻尼结构，而这一覆盖层称为约束层。

根据需要也可作成多层，基层与约束层统称为结构层，它为阻尼结构提供强度，阻尼层则吸收能量。

4.3.3其它阻尼隔振材料

近年来隔振垫已被应用于产品的减振缓冲。

隔振垫是由具有弹性的材料制成的一种没有确定形状尺寸的软垫，如专用橡胶隔振垫，这种隔振垫具有特久的高弹性，隔振、缓冲性能良好；为满足不同要求其尺寸和形状自由选择；具有一定的阻尼性能，可吸收机械能特别是对高频振动能量的吸收效果好；橡胶同金属表面能实现牢固粘接，易于安装与制造；与其它减振器比，具有价格低廉等优点，目前被动广泛用于产品的隔振缓冲。

在设计机箱及零部件时，尽量选用高阻尼结构材料，如铝、铝镁合金，而钢和铜的阻尼比小于铝，不应作为首选材料。

也可以考虑选择高阻尼的结构型式，各种结构型式的阻尼比依次为：

铸造、铆接、螺接、焊接、整体金属。

（1）ZT型阻尼弹簧减振器（上海青浦振新减振器厂）

ZT型阻尼弹簧减振器（又称预应力弹簧减振器）具有钢弹簧减振器的低频率和阻尼大的双重优点，消除钢弹簧固有的共振振幅现象。

该系列产品共29种规格，其中单只荷载15kg-4800kg各类荷载所应对的固有频率1.6Hz-4.9Hz，阻尼比0.065。

该系列减振器荷载范围广，便于用户选择，固有频率低，隔振效果好，并且结构紧凑，外形尺寸较小，安装更换方便，使用安全可靠，工作寿命长，对工作环境适应性强。

对积极隔振、消极隔振、冲击振动和固体传声的隔离均有明显的效果。

是隔离振动降低噪声、治理振动公害、保护环境的理想减振器。

ZT型阻尼弹簧减振器根据安装方式不同可分为三种：

1、ZT型减振器上下座面有防滑橡胶垫，对于干扰力较小的动力设备，可直接将ZT型减振器置放于设备的机座下，可任意移动调节重心，勿需固定。

2、ZT-I型为上部固定型。

3、ZT-Ⅱ型为上下均可固定，以适合各种安装需要。

图3ZT型阻尼弹簧减振器技术参数

参考文献：

[1]邱成悌电子设备结构设计原理

[2]刘栋金属丝阻尼减振器在电子设备隔振系统中的应用

[3]宋立辉车载电子设备振动分析与控制

对合组合碟簧变形量的计算:

pc=4E/1-u2×t3h0/k1D2×k42=

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