飛機電源用控制器機箱的結構設計

王艷 余成功

摘 要：本設計適用于電源控制器用機箱，針對飛機電源用控制器機箱的印制板數量、機箱重量、環境和電磁屏蔽要求，給予外部結構、內部布局、屏蔽設計、材料選擇和表面處理五個方面的解決方法。

關鍵詞：結構；布局；屏蔽；材料；表面處理

1 概述

飛機用電源控制器機箱有四方面的作用，一是給控制用元器件或接插件元件以及印制板等提供空間，通過機箱內部的支撐、支架以及各種螺釘、螺母或端子等連接器將這些元器件或者印制板固定在機箱內部，形成一個集約型的整體。二是堅固的外殼保護著印制板和印制板上的各種敏感元器件，設計時通過對機箱材料方面的表面處理，能夠滿足防壓、防沖擊、防塵、防溫-濕度沖擊等環境要求。三是良好的電磁兼容性。電磁兼容性是飛機用電源控制器機箱設計中不可忽略的問題，直接影響到飛機電源系統的可靠性、穩定性和品質指標。通過對機箱結構的優化設計，能夠起到防電磁干擾的作用，發揮電磁兼容性保護功能。最后，機箱的空間結構優勢，可以讓設計者從容的增加各種清晰的標識，讓非設計者一目了然，更加便于操作。

2 機箱設計流程

根據機箱長度、寬度、高度和重量的要求，設計者必須從空間浪費最少，產品零部件尺寸的互換性和產品尺寸的協調性上考慮機箱的內部結構和布局；必須考慮機箱內元器件之間的電磁干擾，以提高電性能的穩定性；必須注意機箱的強度問題，以免產生形變，引起運轉期間接觸不良、接插件卡滯，甚至受振后損壞，必須按實際工作環境和使用條件，采用相應的措施以提高設備的可靠性和使用壽命，保證產品技術指標的實現。為了便于機箱的操作使用與安裝維修，必須使機箱的結構設計符合使用者的心理特點和操作習慣，同時還要求結構簡單，拆裝方便。

本論文通過一個舉例來解析機箱設計的流程。在給出機箱長度、寬度、高度和外部固定尺寸之后，要求帶有屏蔽，內部能安裝五個印制板，且其中一個印制板與其他四個印制板通過接插件連接，要求滿足國標規定的水、鹽霧、濕熱、高低溫度等方面的環境要求，采集和輸出信號采用兩個連接器與外部連接。機箱的總設計流程如圖1所示。

2.1 機箱整體結構設計

在給出長度、寬度、高度尺寸要求的前提下，為保證機箱內部最大的利用空間，同時重量盡可能輕的原則，機箱的外部結構設計如圖2所示。機箱總體結構的設計分為機箱上端蓋、機箱下端蓋、機箱前端蓋和箱體本身。箱體的前、后、左、右四個端面采用焊接方式拼接，只要材料選擇合適，操作工藝可以保證密封性和緊固性要求。

2.2 機箱內部布局設計

為滿足機箱內五個印制板的排列布局要求，考慮在箱體內部安裝四個凸臺。凸臺之間的尺寸和位置關系，要考慮兩方面的需求：一是定位印制板的安裝位置，防止印制板之間的元器件發生電磁干擾或者物理性擠壓；二是固定夾緊印制板，防止印制板晃動給元器件造成不可逆的損傷。

機箱內部元器件的排列是根據電原理圖，主要元器件的外形尺寸和相關關系，并考慮通風、減振、屏蔽及走線的方便美觀程度等進行綜合考慮。 這個涉及到印制板的設計問題，在此論文中不進行贅述。本論文給出了兩種排列結構，如圖3（a）和圖3（b）所示的橫向和縱向印制板排列組合結構。

綜合考慮機箱給予的尺寸要求、印制板尺寸最大化原則、空間利用最大化原則、拆裝最方便原則和輸入輸出的線路最優原則，選用圖3（b）縱向印制板排列方式。

印制板的元器件布局完成以后，機箱內部固定印制板的凸臺位置要綜合考慮印制板上元器件的電磁干擾和輻射、最小間隙等要求，電磁間隙和電磁干擾的問題可以查詢相關國家標準或者軍標的標準，經理論計算以后，最終箱體內部的凸臺的位置結構設計如圖4所示。

凸臺1和凸臺2在箱體內部均采用左右對稱結構，凸臺1是為了定位印制板1-4的位置并通過鎖緊塊固定，凸臺2是為定位印制板5的位置，通過螺釘固定。

2.3 機箱的屏蔽設計

現代電子設備對可靠性要求越來越高，尤其是對電磁兼容性提出了很高的要求。如何設計出結構合理，屏蔽效能良好的飛機用電源控制器機箱是本論文追求的目標。 本論文從機箱的結構設計出發，提出了一系列抗干擾措施，具體從箱體縫隙的屏蔽，輸入、輸出信號的濾波屏蔽，接地屏蔽三方面考慮。

2.3.1 箱體縫隙處屏蔽設計

縫隙指的是連接后需要拆卸的部分，比如機箱的上端蓋、下端蓋、前端蓋和箱體的連接縫隙，這類連接通常用螺釘固定。實際工程中，即使對機箱每一個組成部件都采用屏蔽體，但是機箱的結合面都會有孔縫，這是結構設計時無法避免的問題。這類情形增加屏蔽的方法一般有以下五種：

（a）增大箱體與其他端蓋的接觸面積；

（b）結合面增加導電襯墊；

（c）縮短螺釘間距；

（d）結合面涂導電涂料；

（e）提高結合面的加工精度。

上述方法可以單一使用，也可以組合使用，其中方法（d）結合面涂導電涂料， 在螺釘、鉚釘這類緊固件的縫隙交疊處，配合表面微觀上是凹凸不平的，結合面上只能是部分點接觸，而導電涂料是一種呈流體狀的液體，極易流入縫隙，填補結合面上的不平部位。但是考慮拆卸，這個方法不適用于研發階段的機箱設計。而方法（e）提高結合面的加工精度，結合面越光滑，縫隙的貼合性越好，但是這需要很高的加工工藝，成本費用也會相應增加。

因此，本論文的機箱設計最終采用前三種方式組合的形式。保證印制板上尺寸滿足電路要求的前提下，增大箱體與其他端面的接觸面積。在三個結合面上設置導電襯墊，在結構可能的條件下盡量增加連接端面的螺釘數量，減小螺紋間距，使縫隙長度相應減小。

2.3.2濾波屏蔽

電路中的干擾信號常常通過電源線、信號線和控制線進入電路造成干擾，所以一般要設置濾波電路。

對電源用機箱來說，穿入和穿出箱體的電源線是一個很大的干擾源，而穿出機箱的信號線和控制線，也需要干凈的信號輸出，否則容易引起電源系統的誤動作。因此，把電源濾波、浪涌抑制、信號濾波進行一體化設計組成濾波器，很好地抑制、阻斷噪聲干擾的傳播徒徑。

濾波器的安裝不能破壞機箱的屏蔽，濾波器需要與機箱壁有連續而良好的電接觸且需保證所有的輸入輸出信號都必須經過濾波器。因此，將濾波器金屬殼體與前面板固定為一體即能滿足以上要求。圖5為濾波器安裝示意及濾波效果示意圖。

2.3.3 接地屏蔽

接地是電磁兼容性設計中一個很重要的抗干擾辦法，正確的接地方法可以減少或避免電路間的相互干擾。通常電路接地有串連一點接地、并聯一點接地和多點接地三種方式。

一般將模擬電路、數字電路、機箱殼體三者分開，各自獨立接地，避免相互之間的干擾，最后三地合一介入大地，這種方式較好的抑制了電磁噪聲，減少了數字信號和模擬信號之間的干擾。

3 材料選擇

任何結構的設計，都需要考慮重量的要求。飛機用控制器機箱的設計也存在減重的必要性，結合材料和結構兩方面考慮減重。

合理選用金屬材料，盡量選用化學性能穩定的金屬材料，比如不銹鋼或者鋁合金。不銹鋼的特點是耐蝕好，光亮度好，強度高，有一定彈性，但是價格昂貴。鋁合金的特點是較輕的金屬結材材料，具有良好的耐蝕性、導電性，但是鋁合金的硬度不夠。在重量要求上，鋁合金有絕對優勢，鋁合金可以通過退火的方式去除應力，增加硬度，同時通過表面導電氧化處理的方式，增強抗腐蝕性。本論文的機箱采用鋁合金的材料。

結構上，在盡可能增大結合面的情況下，將箱體、上端蓋、下端蓋和前端蓋的厚度減小，同時為了滿足堅固性要求，可以增加鈑金，以達到穩固性要求。

4 表面處理

為滿足飛機用器件的“三防”要求，機箱材料的表面必須采用耐腐蝕的覆蓋層，通常包括金屬覆蓋層、非金屬覆蓋層、化學處理層等。本論文機箱采用鋁合金材料，鋁合金材料的表面可以通過導電氧化處理化學處理方式，增強抗腐蝕性。為達到雙重保險，機箱表面還進行了底漆和三防漆的非金屬覆蓋層的處理。實際設計中，機箱內部的印制板電路也進行了噴涂三防漆的處理。

5 其他設計

機箱設計時，為避免拆卸導致螺釘類緊固件丟失，在不影響機箱尺寸的前提下，設計了不脫螺釘。為防止印制板插拔錯誤，設計時，印制板之間采用防差錯連接器，并在機箱的對應位置設置清晰的標識。所有一切設計都通過圖紙進行清晰的表達。

6 總結

本論文闡述了飛機電源用控制器機箱的設計思路和流程，針對不同的印制板數量、機箱重量、環境和電磁屏蔽要求，給予外部結構、內部布局、屏蔽設計、材料選擇和表面處理五個方面的設計構思和解決方法。

參考文獻

[1]中華人民共和國機械國家標準.JB/T5109_2001

[2]路純紅等.精通Auto CAD機械設計.電子工業出版社，2006

[3]李杞儀.趙韓.機械原理.武漢：武漢理工大學出版社，2001

[4]成大先.機械設計手冊.北京：化學工業出版社，2004

[5]朱龍根.機械設計.北京：機械工業出版社，2006