第四章 电子设备的减振与缓冲

第四章电子设备的减振与缓冲4．1振动与冲击对电子设备的危害4.1.1 机械作用的分类电子设备在使用和运输过程中，不可避免地会受到振动、冲击等机械力的作用，具体有以下四种类型。

1.周期性振动这是指机械力的周期性运动对设备产生的振动干扰，并引起设备作周期性往复运动。

表征周期性振动的主要参数有：振动幅度和振动频率。

2.非周期性干扰——碰撞和冲击这是指机械力在作非周期性扰动对设备的作用。

其特点是作用时间短暂，但加速度很大。

根据对设备作用的频繁程度和强度大小，非周期性扰动力又可分为：（1）碰撞设备或元件在运输和使用过程中经常遇到的一种冲击力。

这种冲击作用的特点是次数较多，具有重复性，波形一般是正弦波。

（2）冲击设备或元件在运输和使用过程中遇到的非经常性的、非重复性的冲击力。

其特点是次数较少，不经常遇到但加速度大。

表征碰撞和冲击的参数：波形、峰值加速度、碰撞或冲击的持续时间、碰撞时间、碰撞次数等。

3.离心加速度这是指运载工具作非直线运动时设备受到的加速度。

4.随机振动这是指机械力的无规则运动对设备产生的振动干扰。

随机振动在数学分析上不能用确切的函数来表示，只能用概率和统计的方法来描述其规律。

随机振动主要是外力的随机性引起的，4.1.2 振动与冲击对电子设备的危害上述四种机械作用均会对电子设备造成影响，其中危害最大的是振动与冲击，如果结构设计不当，就会导致电子设备的损坏或无法工作。

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。

振动和冲击电子对电子设备造成的危害具体表现在：1．没有附加锁紧装置的接插装置会从插座中跳出来，并碰撞其他元器件而造成破坏。

2．电真空器件的电极变形、短路、折断；或者由于各电极作过多的相对运动而产生噪声，不能正常工作。

3．振动引起弹性元件产生变形，使具有触点的元件（电位器、波段开关、插头座等）产生接触不良或开路。

4．指示灯忽亮忽暗，仪表指针不断抖动（或指针脱落），使观察人员读数不准，视觉疲劳。

5．当零部件的固有频率和激振频率相同时，会产生共振现象。

例如，可变电容器极片共振时，会使电容量发生周期性变化等。

6．安装导线变形及位移，使其相对位置改变，引起电感量和分布电容发生变化，从而使电感电容的耦合发生变化。

7．机壳和基础变形，脆性材料（如玻璃、陶瓷、胶木、聚苯乙烯）断裂。

8．防潮和密封措施受到破坏。

9．锡焊和熔焊处断开，焊锡屑掉落在电路中间而造成短路故障。

10．螺钉、螺母松开甚至脱落，并撞击其它零部件，造成短路和破坏。

有些用来调整电气特性的螺丝受振后会产生偏移。

由此看出，振动与冲击对电子设备的影响是多方面的，一般振动引起的是元器件或材料的疲劳损坏，而冲击则是由于瞬时加速度很大而造成元器件或材料的强度破坏；振动引起的故障约占80%，冲击引起的故障约占20%。

4．2减振和缓冲基本原理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。

4.2.1隔振的基本原理1.振动系统的组成机械振动是物体受交变力的作用，在某一位置附近作往复运动。

如电动机放在一简支梁上，当电动机旋转时，由于转子的不平衡，质量的惯性力引起电动机产生上下和左右方向的往复运动，当限制其左右运动时，就构成最简单的单自由度自由振动系统，其组成有振动物体m和弹性物体k，故又称为m-k系统。

2.隔振原理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。

（1）主动隔振与被动隔振主动隔振——在振动物体与安装基础之间安装弹性支承即隔振器，减少机器振动力向基础的传递量，使振动物体的振动得以有效的隔离；这种对振动物体采取隔离的措施称为主动隔振。

一般情况下，风机、水泵、压缩机及冲床的隔振都是主动隔振。

被动隔振——在仪器设备与基础之间安装弹性支承即隔振器，以减少基础的振动对仪器设备的影响程度，使仪器设备能正常工作或不受损坏；这种对仪器设备采取隔离的措施，称为被动动隔振。

一般情况下，仪器及精密设备的隔振都是被动隔振。

（2）隔振系数真正危害电子设备正常工作的是受到的外部持续不停的机械作用，因为这种持续不停的机械作用补充了阻尼消耗的能量，使振动一直持续。

因此，必须采取隔振措施，使这种持续不停的机械作用对设备的影响降到最小。

主动隔振系数：设外力Ｆ０＝sin(ωt)垂直作用在物体Ｍ上，通过弹性与阻尼作用使基础同时受到弹簧力及阻尼力，此时物体同样也受到弹簧力及阻尼力，物体按一定的规律运动。

把基础所受到的弹簧力及阻尼力的合力ＦＴ与作用在物体上的ＦＯ力相比，这个比值η称为隔振系数，用式(4.1)表示：η＝ＦＴ／ＦＯ(4.1)隔振系数的含义是：传到基础上的力是原振动力的百分之几。

如果物体直接固定在基础上，那么振动力就全部传到基础上，此时ＦＴ＝ＦＯ，η＝１。

所以，只有当η小于１时，才有隔振效果。

隔振系统的隔振系数可由下式计算：η＝｛［１＋４ξ2（f／f o）２］／［１－（f／f o）２］２＋４ξ2（f／f o）２｝０．５(4.2) 被动隔振系数：振动来自基础，其运动用U=U o sin(ωt)表示，也是周期振动。

与主动隔振一样，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），用式(4.3)计算：η＝x O/ U O=｛［１＋４ξ2（f／f o）２］／［１－（f／f o）２］２＋４ξ2（f／f o）２｝０．５（4.3）式中x O——物体的垂向振幅(m)；U O——基础的垂向振幅(m)。

式中f――振动力的频率（ＨＺ）；f o――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）。

被动隔振系数与积极隔振的振动传递率计算表达式完全一样从η的表达式可以看出，隔振系数η与频率比（f／f o）及阻尼比ξ有关，三者关系如图所示的曲线。

隔振系数η与频率比（f／f o）及阻尼比ξ关系曲线从图可以看出：当f／f o＜＜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／f o =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；对于不同的阻尼比ξ，曲线明显分开，表明阻尼对共振的影响大，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／f o =2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／f o＞2时，隔振系数η＜1，振动力减值传递，此时系统有隔振效果，η值可按式(4.2) 计算或从图中的曲线查出。

因此，要使隔振系统有效果，必须使η＜1，即必须使频率比f／f o＞2。

在电子设备的减振设计中一般取频率比f／f o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。

阻尼的作用在振动传递率曲线上看得很清楚，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，隔振与主动隔振，都应强调以下几点：当f／f o≈1时，发生共振，应力求避免；不论阻尼大小，只有f／f o＞2，才有隔振效果；一般情况下，建议把频率比f／f o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(4.4)k越大，f０越大，f／f o越小，η就越大（在隔振区）隔振效果差；k越小，f０越小，f／f o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(4.4)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。

4.2.2 隔冲的基本原理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。

和隔振一样，隔冲同样分为主动隔冲与被动隔冲，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。

因此冲击减振器实际上是一个储能装置。

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。

所以对一些易损坏的器件，在运输时常用刚度很小的橡皮筋带或钢丝弹簧将器材吊起，使之与支撑基座隔离。

但是，对一般电子设备来说，采用刚度很小的弹性体来缓冲是有困难的，因为刚度很小的弹性体在吸收冲击能量时，要产生相当大的位移，而电子设备的安装条件一般是不允许的。

为了解决这个矛盾，在缓冲时可使用橡胶金属减振器，其受力与变形的关系是非线性，刚度随着受力的增大而增大。