ВЛИЯНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ НА ИЗДЕЛИЯ АВТОМОБИЛЬНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

Основными механическими воздействиями являются вибрационные, ударные линейные и акустические нагрузки. Одним из наиболее опасных видов механического воздействия в эксплуатации является вибрация. Под вибрацией изделий и систем АЭ понимают колебания самих изделий, каких-либо их частей или их составных элементов, например, печатной платы или кристалла микросхемы на подложке. Вибрация вызывает деформации и механические напряжения в конструктивных элементах электронного изделия. Возникновение вибрации изделий и систем АЭ обусловлено работой ДВС и вибрацией элементов кузова или шасси транспортного средства из-за неровностей покрытия дорожного полотна.

Вибрация, возникающая при работе силового агрегата, характеризуется высокой частотой, кратной примерно половине числа оборотов двигателя. Вибрации, связанные с неровностями покрытия дорожного полотна и характером дорожного движения (разгон, резкое торможение и т.д.), отличаются нерегулярностью и охватывают широкий частотный диапазон.

В зависимости от характера колебаний изделий и систем АЭ различают детерминированную и случайную вибрации.

В свою очередь, детерминированная вибрация может быть гармонической и периодической. При пренебрежении начальной фазой колебаний для гармонической вибрации справедлива следующая зависимость:

X(t) = Л sin (со/),

где X(t) — перемещение от положения равновесия в период времени t, м; 0)/= 2л;/— угловая частота колебаний, с-1; Л — амплитуда перемещений, м.

Графическое изображение зависимости гармонической вибрации представлено на рис. 1.1, а. Спектр такой вибрации состоит из одной составляющей/, (рис. 1.1, б).

Под периодической вибрацией понимают вибрацию, описываемую функцией, которая меняет свои значения через одинаковые интервалы Тх. В случае гармонических колебаний функция X(t) имеет строго синусоидальную форму, а в случае периодических — произвольную форму (рис. 1.2, а). Периодические колебания могут иметь различные амплитуду и частоту. Аналитически это осуществляется путем разложения периодических колебаний в ряд Фурье

График гармонической вибрации (а) и ее спектр частот (б)

Рис. 1.1. График гармонической вибрации (а) и ее спектр частот (б)

а) б)

а)

О

График периодической вибрации (а) и ее спектр (б)

Рис. 1.2. График периодической вибрации (а) и ее спектр (б)

и их представления в виде суммы бесконечного числа гармонических составляющих с амплитудами Аі и частотами //, т.е.

оо

дс(0 = 4) + Х 4-с°8(2то/), ;=1

где / — порядок гармоник; А, — амплитуда соответствующей гармоники, м; Л0 — начальная амплитуда, м.

Поэтому периодические колебания часто называют полигармо-ническими. Частота каждой из гармоник кратна основной частоте периодического колебания/, = 1/Г].

Приведенной формуле соответствует дискретный спектр (рис. 1.2, б).

Периодическую вибрацию с небольшими нелинейными искажениями часто относят к гармоническим колебаниям, а степень искажения подсчитывают с помощью коэффициента нелинейных искажений.

гг _ 2 + А3 + ••• + А2

А2

где А,- — амплитуда /-й гармоники.

В эксплуатации на изделия и системы АЭ воздействует случайная вибрация (Г,). В отличие от детерминированной вибрации она не может быть описана точным математическим соотношением (рис. 1.3):

Дх) = Нш

Рі [Х| < х(/) < х, + Ах] Ах

где Ах —> 0.

Однако о случайной вибрации с определенной вероятностью можно сказать, что мгновенное значение вибрации Х(/) попадает в произвольно выбранный интервал отх, доХ]+Ах. Эту вероятность можно определить так:

П

5>,

Р[х < х(!) < х, + Ах] = Нш—-,

т

п

где т —> о«; 2^А/, — суммарная продолжительность нахождения ам-/=1

плитуды вибрации в интервале [х,;х, + Ах] за время наблюдения т.

г

Рис. 1.3. График случайной вибрации:

ДГ1( ДГ2, Д?з — интервалы времени максимальных значений амплитуд случайной вибрации; х, + Ах — произвольно выбранный интервал и его ширина; т — временной

интервал мгновенных значений амплитуд вибрации

При х —» °° отношение в правой части уравнения все более точно будет описывать вероятность события. Поскольку эта вероятность зависит от ширины интервала Дд, для описания непрерывной случайной величины X используют плотность вероятности.

Вид функции плотности вероятности определяется согласно закону распределения случайной величины, например, закону Гаусса. Тогда случайную вибрацию можно охарактеризовать математическим ожиданием и генеральной или выборочной дисперсией. Математическое ожидание М[Х представляет собой среднее арифметическое мгновенных значений перемещений Xза время наблюдений, а выборочная дисперсия а2 — разброс мгновенных значений амплитуд перемещений относительно среднего значения.

На практике возникают такие случаи, когда при одинаковых М[Х и о2 процессы случайной вибрации отличаются друг от друга растянутостью частот по времени. В этих случаях используют метод частотного анализа, который позволяет описывать случайный процесс не во временной, а в частотной области. Поэтому случайную вибрацию рассматривают как сумму бесконечно большого числа гармонических колебаний, которая будет характеризоваться спектральной мощностью. Спектральная мощность, представляющая собой суммарную мощность всех синусоидальных составляющих в рассматриваемом диапазоне частот, пропорциональна сумме квадратов амплитуд этих синусоидальных составляющих в данной частотной полосе. При этом пользуются не мгновенными значениями амплитуд гармонических составляющих, а их дисперсией а2.

Дисперсия а2, отнесенная к рассматриваемой полосе частот Д/=/, -/2, называется спектральной плотностью Д(/) мощности колебательного процесса в исследуемой полосе частот: Д(/) = а2/Д/ Среднее значение дисперсии рассматриваемой случайной вибрации в интервале частот измеряют с помощью полосового фильтра с узким диапазоном пропускания и усредняют возведенную в квадрат функцию на выходе из фильтра. Это усредненное

значение приближается к точному значению при / -> оо.

Спектральная плотность 5(/) является мощностью колебательного процесса, приходящегося на единицу частотного диапазона. Различие между двумя случайными вибрациями с одинаковыми параметрами закона Гаусса состоит в том, что одинаковая суммарная мощность сосредоточивается в различных интервалах частот.

Разновидностью случайной вибрации является белый шум. Эта вибрация представляет собой меняющийся шумовой сигнал, частотный спектр которого постоянен и равномерен и обладает равной мощностью на ширину полосы рассматриваемого диапазона частот (рис. 1.4). Спектральную мощность белого шума можно представить в виде:

?(/) = а2//с при /с;

Д(/) = 0 при />/.,

где/с— частота среза, т.е. высокая частота рассматриваемого процесса.

Спектральная плотность мощности вибрации белого шума (5)

Рис. 1.4. Спектральная плотность мощности вибрации белого шума (50)

Следует отметить: если частота возбуждающей силы совпадает с собственной частотой изделия, то возникнет резонанс. В этом случае нагрузки на изделие возрастут в несколько раз, и может произойти разрушение конструкции. С точки зрения конструкционной прочности изделие обладает добротностью (вычисляется как отношение резонансной частоты к двойной ширине резонансной полоски частот):

(3 =/о / ш

где/0 — резонансная частота изделия; Д/=/2 -/,, где/2 и /, — частоты вблизи резонансной частоты, когда амплитуда колебаний уменьшается до 0,7 значения при резонансе.

Экспериментально значения определяются следующим

образом. После настройки изделия на резонанс на вибростенде измеряют амплитуду колебаний. Затем уменьшают и увеличивают частоту до значения амплитуды колебаний, равного 0,7 амплитуды при резонансе, и определяют резонансную полосу частот 2Д/=/2 ~/.

Поскольку изделия и системы АЭ являются довольно сложными, состоят из корпусных деталей, сложных электрических разъемов (до 56 выводов), односторонних и многослойных печатных плат и керамических подложек, в ряде случаев приходится определять резонансные частоты конструктивных элементов так называемым «поузловым методом». Он заключается в том, что при расчете резонансных частот элементов конструкции их принимают как изолированные элементы с определенными способами закрепления, например, конденсаторы и резисторы на печатной плате. В этих случаях частоту колебаний определяют методом Рэлея из условия постоянства полной энергии системы при пренебрежении механическим сопротивлением и возмущающихся сил, воздействующих на компоненты платы.

Ударные нагрузки воздействуют на изделия и системы АЭ при резком изменении скорости или направления движения автомобиля, а также в случае его движения по очень большим неровностям дорожного полотна. В последнем случае ударные нагрузки (возникающую вибрацию) в процессе движения называют тряской.

К основным параметрам ударного импульса можно отнести пиковое ударное ускорение, длительность действия ударного ускорения и форму ударного импульса. Результат воздействия таких ударных нагрузок на изделие определяется его динамическими свойствами, которые характеризуются его массой, жесткостью конструкции и частотой собственных колебаний.

 
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ     След >