減振器在小型電子組件中的應用淺析

高曉軒

摘 要：本文論述了小型電子組件中減振器設計和選用的基本原則和方法，根據相關的設計準則對減振器在某電子組件中的應用及其效果進行了分析，證明了減振器應用的有效性。

關鍵詞：電子組件;減振器;應用

1 引言

在機載、彈載、星載等平臺中大量安裝了各種小型電子組件，在其壽命周期內，面臨著惡劣的機械環境，各種機械力和干擾形式都有可能造成危害，其中危害最大的是振動，低頻大振幅、高頻小振幅、長時間振動、應力水平過高均會縮短結構或元器件的疲勞壽命。

為了提高電子組件在振動環境下的可靠性及壽命，需要進行振動控制設計。振動控制的常用方法包括消除振源、結構剛性化、隔離、去耦、阻尼減振等，其中性價比較高的方法是采取措施將產品與振源進行隔離，使振源傳遞給產品的振動得以減弱甚至消除。在工程中，采用能夠減弱振動和沖擊傳遞的減振器進行振動隔離是減弱振動沖擊對產品干擾的一種主要措施。

2 減振設計的準則和方法

2.1 減振設計的基本原則

電子組件的減振設計應根據力學環境條件、自然環境條件、體積質量、結構特點、壽命及可靠性要求開展，應盡量采用成熟技術，以盡可能小的結構質量和體積滿足振動控制要求;振動控制結構應便于安裝使用、布局合理，具備較高的可靠性和良好的維修性。

2.2 減振設計的方法

電子組件產品減振設計方法分為整體隔振和局部隔振。

整體隔振常用的有阻尼器隔振、阻尼底板隔振、阻尼器和阻尼底板復合隔振、三向阻尼隔振、隔振器和阻尼器綜合隔振等結構形式。整體隔振在寬頻帶振動激勵下，有良好的抑制共振峰的能力和良好的高頻隔振性能及一定緩沖效果，適用于復雜結構、不規則外形結構以及剛性結構，不適用于質量很小的產品。其中阻尼器隔振系統（如圖1）因其設計計算、結構組成、安裝使用相對簡單，阻尼器易于加工成形，有較好的通用性、較高的減振效率而得到廣泛應用，其余幾種結構形式因結構相對復雜，應用相對較少。

局部隔振是對部件級和一些敏感的電子元器件的振動控制，常用的方法有阻尼印制板、阻尼安裝板、環氧樹脂粘固、彈性材料灌封去耦等。局部隔振能夠減小產品的結構尺寸、質量，適用于敏感元器件和部件級的振動防護。

3 減振器的選用

3.1 減振器的基本特性

隔振系統的剛度由減振器中的彈簧確定，橡膠和金屬彈簧減振器因其結構緊湊、工藝成熟、適用性強、可靠性高而應用廣泛。

1）橡膠減振器

橡膠減振器以橡膠作為彈性材料，其成型和制造方便，可根據需要選擇三個相互垂直方向上的剛度，改變橡膠的內部構造，可以大幅度改變彈簧剛度;橡膠自身具有較大的阻尼，對高頻振動（60Hz以上）的能量吸收有顯著效果，在共振區時不致產生過大的振幅，不需要另加阻尼器;橡膠的阻尼比隨硬度的增大而增加，長時間處于共振狀態時，橡膠會發生蠕變而使阻尼失效，故橡膠減振器適合于系統偶爾發生共振的情況，也適合于靜位移小而瞬時位移可能很大的沖擊;橡膠在動載荷下的彈性模量比靜載荷大，動剛度比靜剛度大，沖擊剛度比靜剛度、動剛度都大，對緩沖特別有利。

2）金屬彈簧減振器

金屬彈簧減振器以金屬作為彈性材料，材料的性能穩定，對環境條件反應不敏感，可在油污、高低溫等惡劣環境下工作，不易老化;動剛度和靜剛度基本相同，而且剛度的取值范圍很大，適用于靜態位移要求較大的減振器;金屬材料幾乎無阻尼（D<0.05 ），容易傳遞高頻振動，或者由于自激振動而傳遞中頻振動。在共振區時會產生過大的振幅，有時需另加阻尼器或在加入橡膠墊層、金屬絲網等，以克服這一缺點。

3.2 減振器選用和設計的考慮因素

選用減振器的一般原則是：結構緊湊、材料適宜、形狀合理、尺寸盡量小、隔振效率高，并注意以下因素：

（1）電子組件的支撐大多采用幾何對稱布置，而其重心往往會由于內部布局不平衡的原因而偏離幾何對稱軸;選用減振器時需考慮各支撐部位的重力大小，以確定每個減振器的實際承載量，使安裝減振器后，其安裝平面與承載面平行;

（2）減振器的總剛度應滿足隔振系數的要求，使各支撐部位的減振器剛度對稱于系統的慣性主軸;

（3）減振器應能有效隔離高頻振動，降低共振峰值，并應有一定的阻尼作用，使組件在共振時的響應不超過其中元器件所允許的振動量級;

（4）減振器的總阻尼要考慮系統通過共振區時對振幅的要求，安裝減振器后系統的一階諧振頻率應遠離設備中敏感元器件的敏感頻率，同時要考慮頻率較高時對振動衰減的要求;

減振器應盡量選用標準產品，對于無標準產品可用的特殊場合，可根據需要自行設計減振器，要著重考慮系統固有頻率和減振器剛度、系統通過共振區的振幅、系統使用環境條件和使用期限等要求。

4 減振系統的設計

電子組件減振系統的設計過程主要包括：

a）設計輸入要求

（1）組件的物理數據：包括外形結構、安裝尺寸、重量和重心位置、振動量級、需要達到的減振效率、內部易損零部件的位置、允許承受的振動量級及固有頻率。

（2）環境條件：機械環境如使用平臺、振源方向、激振頻帶、實際工況頻率、位移和加速度振幅、沖擊脈沖形式;氣候環境如溫度、濕度、鹽霧、霉菌等;

（3）減振器資料：減振器的安裝尺寸、許用載荷范圍、安裝方式、動態性能、阻尼比、壽命等。

b）減振系統設計

（1）根據組件結構選擇減振器的支承位置和方式，安裝減振器的設備支承面應是整個結構最剛強的部位之一。

（2）減振器支承理想的布置方式是將減振器安裝在產品的重心平面。若重心較高，可將重量大的零部件盡量移至底部或在底部增加大質量塊，也可增加產品支承面的尺寸和減振器的間距。

（3）根據能夠承受的振動量級選擇隔振系統的固有頻率，在激振頻率帶寬內，系統響應的最大值應不大于內部零部件能夠承受的振動量級，確定系統應達到的最小衰減量，即減振效率的最小值;盡可能使固有頻率遠離實際工況中經常出現的激振頻率。

（4）求彈簧剛度：根據固有頻率計算減振器承載方向的彈簧剛度kz，包括平衡產品重量所需的靜變形。

（5）選用或設計減振器：根據求出的彈簧剛度和剛度比選擇減振器，除性能需達到設計要求外，還應考慮是否滿足其他環境的要求，基本的原則是如果使用時溫差不大，基本處于常溫狀態且油類、溶劑污染以及潮濕、霉菌的侵蝕等不至于使性能產生明顯的改變，則可選用橡膠減振器，否則應選用金屬型減振器。

（6）試驗驗證：電子組件由于組成復雜，難以精確地描述內部各零部件結構關系的力學模型。在設計時的模型存在較大誤差，應對減振系統進行機械環境模擬試驗，以驗證設計的有效性。當試驗中發現某些結構在某個頻率上不正常，應將其視作“危險頻率”，分析出現的原因，并對系統參數或結構進行修正。

5 小型電子組件中減振器的應用案例

某型號電子組件需要承受惡劣的力學環境和自然環境，其中的主要元器件為電磁繼電器，是力學敏感元器件，容易在振動條件下發生失效，需考慮減振設計。遵循前述的減振系統設計和減振器的選用原則和方法，根據其結構特點及環境條件要求，選用了合適的減振器并對其性能進行分析和驗證。

5.1? 設計要求

減振器負載：采用4點支撐，每個產品安裝4組減振器，質量不大于4kg;

減振器安裝孔尺寸：φ15;安裝螺釘：M5;

減振器的諧振頻率：安裝減振器后的負載上所測得的X、Y、Z三個方向的一階諧振頻率不高于400Hz;

減振器的放大倍數及減振效率：在隨機振動條件下，諧振點放大倍數小于4，保證減振效率在60%以上;在沖擊條件下，減振器的放大倍數小于2.5。

貯存溫度：-55℃～+65℃;貯存時間：15年;工作溫度：-45℃～260℃;

隨機振動條件：見表1;

三防要求：耐濕熱、鹽霧、霉菌。

5.2? 減振器的選用

根據減振器設計輸入要求，結合電子組件的結構形式、重量、安裝位置等實際情況選用了JZP1068-3型金屬彈簧減振器，其金屬彈簧由不銹鋼絲經過螺旋成型拉長，相互纏繞模壓而成，具有類似橡膠的彈性，如圖2所示。金屬減振器材料全部選用不銹鋼材料，但卻具有金屬和橡膠共同的特點，不易老化，可以很好的工作在高溫、低溫、腐蝕性介質等環境中，對溫度不敏感，在高低溫下減振效率幾乎不受影響，貯存壽命長。改變金屬絲的材料、直徑及密度等物理參數，可以使減振器具有不同的剛度及阻尼減振性能。

5.3? 試驗驗證

將減振器安裝到電子組件上進行隨機振動試驗驗證，對內部電磁繼電器的振動響應進行監測，試驗譜形圖如圖3所示。

試驗的激勵均方根加速度值為21.3g，繼電器上的響應最大均方根加速度值為8.3g，減振效率不小于61%，一階諧振頻率為275Hz，諧振點放大倍數為2.56，減振器的減振效率、一階諧振頻率、諧振點放大倍數滿足設計輸入要求。

6 結束語

本文論述了小型電子組件中減振設計的準則和方法、減振器選用和設計的考慮因素、介紹了隔振系統設計的過程，對某型號電子組件的減振器選用及其減振效果進行了分析，證明了其有效性。隨著軍用電子組件應用平臺向著高超聲速、高機動性、高軌道發展，所面臨的力學環境越發惡劣，振動控制對可靠性越來越重要。電子組件的振動控制是一項復雜的工程，大量電子器件以及機械結構的組裝使得結構動力學特性的計算和模擬非常困難，通過深入研究和應用振動控制特別是減振器設計方面的理論和工程設計方法，加強計算機仿真技術的應用，并結合實際產品試驗技術及試驗數據的研究，產品的設計水平和使用可靠性可得到更進一步的提高。

參考文獻

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