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航空电子设备通用机箱结构设计

作者:东莞市钧成实业有限公司 来源:dgjfsy 发布时间:2017-03-23 浏览:2497

机载电子设备机箱是把设备内部各种电子元器件、组件、模块和机械零部件合理组装成为有机整体,使其免受各种复杂环境影响和干扰,确保电性能的基础结构。作为高技术产品的现代航空电子设备的机箱设计,早已不再是单纯机械安装、支撑和结构外壳设计的概念[1],而是以满足设备功能和环境要求为基本设计内容,体现电子设备总体设计思想的综合技术。

为推动机载电子设备机箱设计技术的快速发展,促进机箱结构设计的标准化、通用化、系列化、组合化,提高产品质量、降低制造成本,方便使用和维修,有必要专门开发满足相关标准及使用要求的航空电子设备通用机箱。本文基于此需求开发了折叠式3、4MCU( 可更换标准设备) 航空电子设备通用机箱,可作为各种军民用机载平台条件下模块化航空电子设备的标准LRU( 现场可更换设备) 机箱使用,即可将按要求设计的完成独立调试的功能模块、组件通过简单快捷的机械、电气互联组装成一个标准LRU 机箱式电子设备,同时满足各种电气性能、机械连接性能、使用维护性能和环境适应性能。

1 机箱设计标准及典型结构形式

1.1 机箱设计标准

国外发达国家特别是欧美很早就推行了军民用航空电子设备机箱的标准化、系列化设计工作,典型的航空电子设备机箱设计标准如下[2]

( 1) ARINC404 及ARINC404A 规范

美国航空无线电公司( Aeronautical Radio Inc.)1956 年制定了ARINC404 规范,规定航空电子设备外形尺寸代号为ATR,ATR 取自该公司电子设备结构设计师Austin Trumbull 的名字AT 及Radio 的首字母R。其特点是: 所有电子设备一律为长方体,高度**相同( 7. 625 英寸) ,不同设备可选不同的长度和宽度; 对外电气接口全部采用安装在设备后壁上的DPX - 2 矩形电连接器完成; 前面板尽可能不设置圆形连接器以避免交错给维修和电磁兼容带来困难; 冷却气流从安装架冷却通风系统进入设备,便于使用飞机环境控制系统; 采用统一的设备紧固与安装方式。该公司1974年又推出ARINC404A 规范,增加了矮小型1 /4ATR、短1ATR 两种尺寸。


( 2) ARINC600 规范

由于前述标准机箱采用英制单位、机箱宽度系列间距较大、对外连线增多等因素,美国航空无线电公司1977 年发布了ARINC600 规范,将设备外形尺寸系列代号改称为MCU,与ARINC404 及404A 相比,外形尺寸采用国际单位制,可选尺寸宽度*小为25.4mm( 1MCU) ,*宽为388.4mm( 12MCU) ,共12 档; 用600型矩形连接器代替DPX - 2 矩形电连接器,可安装600根接插件并可安装同轴、光纤、电源和识别销等接插件。目前多数民用客机上的电子设备均采用该标准。

( 3) DOD - STD - 1788 标准

1985 年美国军方发行的采用国际单位制的“航空电子设备接口设计标准”,规定电子设备外形尺寸系列代号为LRU,其尺寸与ARINC600 的MCU 尺寸系列**相同,只是少一个25. 4 mm( 1MCU) 的宽度,共11档; 后部安装M600 型**矩形连接器可安装750根接插件,高度比600 型矩形连接器小46.61 mm,从而使后壁有冷却空气风道位置,增强散热功能。

我国航空电子设备机箱标准起草于80 年代末,主要有GJB441—88《机载电子设备机箱和安装架的安装形式和基本尺寸》和HB7390—96《民用飞机电子设备接口要求》。前者尺寸系列代号称为ATR,接近于美军标DOD - STD - 1788 的LRU 系列标准,但在尺寸基准、安装接口、冷却风道等细节上有很多不同,使用时要注意甄别。后者基本等同于ARINC600 规范,但细节上也有一些区别。

1.2 典型机箱结构形式

所有机箱设计标准只规定机箱的外形尺寸系列、接口要求等,不规定机箱如何构形的问题,即无论如何拼装,只要满足外形尺寸系列及接口要求即可。从机箱构形上可以简单地分为独立箱体式、积木组合式、混合型3 种。独立箱体式指机箱相对独立,构成设备的外壳,内部可安装各种模块和组件。积木组合式指不存在单独的机箱,机箱由设备各组成单元像垒积木一样搭建而成。混合型机箱则兼具前面两种特征。根据独立式机箱内模块的安装形式又可分为插板式、书页式两种,其中书页式可像书页一样折叠展开,方便机箱及模块的安装、检测与维护。

2 折叠式MCU 通用机箱设计方案

2.2 总体设计方案

折叠式MCU 航空电子设备通用机箱设计满足HB7390 标准[3],同时贯彻执行通用化、系列化、模块化设计准则,提高机箱标准化及互换性水平。机箱详细设计注重人机工程、外观造型及表面处理,使设备美观大方,有良好的维修性和可操作性。通过研究借鉴国内外同类产品设计经验,确定本折叠式MCU 通用机箱采用铣制铝合金零部件螺装组合而成的结构总体方案,避免板筋件机箱易变形、不适合零星生产的缺点。机箱由面板、后框、顶板、底板、左侧门、右侧门等主要结构件以及其他功能零部件组成,左右侧门可绕机箱后框上的转轴折叠展开,其外观、组成及尺寸见图1 ~图3。

 

图1 折叠式MCU 机箱外观

 

图2 折叠式MCU 机箱组成

 

图3 4MCU 机箱外形尺寸

2.2 模块布局

折叠式3、4MCU 通用机箱一般可安装4 个功能模块和1 个接口模块。4MCU 通用机箱内4 个功能模块布局如图4所示,模块1 安装于左侧门上,中部模块2、模块3分别安装于机箱中隔板上( 也可直接安装于机箱顶板及底板上的中模块安装件上) ,模块4 安装于右侧门上,3MCU 机箱内尺寸划分有适当变化。

 

图4 4MCU 机箱内功能模块布局

接口模块位于机箱尾部,包含满足ARINC600 标准的高低频组合式接插件、相关电路板及其功能组件,见图5。

 

图5 接口模块功能布局

2.3 接口设计

2.3.1 模块安装机械接口

在机箱设计方案中,各个功能模块按机箱规定的机械接口要求螺装于对应的机箱结构件上,从而实现机箱与功能模块的独立设计、加工。

1) 机箱侧门上模块安装机械接口尺寸见图6,左右侧门镜像对称。

 

图6 机箱侧门模块安装机械接口

2) 机箱中部模块安装机械接口尺寸见图7,左右镜像对称。

 

图7 机箱中部模块安装机械接口

3) 接口模块电气组件机械接口尺寸见图8。

 

图8 机箱接口模块安装机械接口

2.3.2 模块电气互联接口

模块间互联电气接口需根据整机及模块详细设计及机箱结构特点确定,主要通过接口模块实现。可采用专用高低频电缆、刚柔板、排线等传送模块间高低频电信号,机箱中部模块2、3 之间可以采用直接对插的硬连接方式。采用本机箱设计方案的某电子设备通过接口模块实现各模块低频互联的电气连接件方案如图9 所示。

 

图9 某4MCU 电子设备模块间互联方案

2.4 面板布局与标识设计

机箱面板上布置显控器件、安装及使用维护组件,在适当位置标识功能代号、功能名称或使用说明字符。在前面板上方中央距上边5mm 处粘贴可识别研制生产单位的企业标识,在前面板下方中央距下边6mm处铆接设备铭牌。机箱面板布局见图10。

 

图10 4MCU 机箱面板布局

3 专题设计与分析

3.1 散热设计

MCU通用机箱一般采用外部环控风冷的强迫通风冷却方案,环控冷却风通过机箱底部进风口进入设备内部,通过内部风道直接冷却各主要发热模块或组件,出风口设置于机箱顶部。机箱底部进风口设计除需满足标准规定的进风口区域要求外,还要根据内部模块布局、热源集中区域分布等特点进行布局优化设计,确保冷却介质对热源集中区域进行**散热。机箱顶部出风口设计要同时考虑流道风阻、EMC、外观防护等要素。内部风道优化设计主要考虑模块特点及布局要求,尽量提高换热效率,降低流道风阻,必要时增加内部导流设计将冷却介质直接从进风口导入热源集中区域以实现环控供风条件下的{zj0}整机散热方案。图11 即是根据内部模块布局设计的进风口设计方案。图12 即是采用该通用机箱的某电子设备( 单机热耗300 W) 的热分析及流阻特性分析情况。

 

图11 4MCU 机箱底部进风口设计图

 

图12 某4MCU 电子设备散热及流阻特性分析

通过分析可知,在该机箱设计散热条件下,设备内部散热充分,流场均匀,流阻特性满足设计条件下机箱入口处*小供风静压力500 Pa 的要求[4]

3.2 抗振设计

随着航空技术的发展,航空电子设备使用寿命的延长,对航空电子设备耐恶劣机械环境的要求也相应提高。本通用机箱主体为铣加工的金属结构件多向螺装拼接而成,可折叠展开的左右侧门在设备调试完成后与机箱主体再次螺装加固,可充分满足典型航空电子设备恶劣机械环境使用要求。图13 和表1 即是采用该通用机箱的某电子设备的抗振分析结果。

 

图13 某4MCU 电子设备机箱模态分析

表1 模态分析结果

 

根据仿真分析结果,整机及模块的一阶谐振频率已达到245 Hz 以上,远高于一般印制板组件的安装固有频率,具有较高的结构刚强度。

3.3 电磁兼容设计

为考虑整机设备的电磁兼容性特殊要求,设备整体设计成电磁密封式机箱,对机箱顶板通风散热孔阵进行了电磁兼容优化设计,加装了屏蔽网,对机箱左右侧门采用嵌入式设计,在安装接缝处加装了导电橡胶电磁兼容屏蔽密封条。同时改进接插件、指控元器件以及机箱底部安装面的设计,确保接插件外壳、机箱外壳良好接地。

该通用机箱不加装屏蔽网时的屏蔽效能分析结果见图14。从分析情况看,机箱屏蔽效能可达40dB以上,在常用的U/V 频段屏蔽效能更高[5]

 

图14 某4MCU 电子设备机箱电磁屏蔽效能

4 定制设计与开发

折叠式MCU 通用机箱由于采用了开放式架构,各主要结构件相互独立铣制而成,因此非常便于特殊情况下的定制开发与适应性改进设计,即不需对机箱方案进行大的调整,仅更改局部组成部件便可满足机箱的特殊使用需求。

( 1) 机箱散热、密封方式的改进设计

机箱顶板及底板按HB7390 的规定开出了布局合理的通风散热孔阵,一方面实际产品研发时可根据内部模块特征、热源分布对进出风口进行改进优化设计以明显提高散热效率,另一方面如整机设备散热量不大且对机箱有密封要求,可取消机箱顶板及底板的通风散热孔阵而采用表面自然散热。

( 2) 机箱左、右侧门与功能模块一体化设计

为节约空间,减小重量,可将机箱左、右侧门直接作为功能模块结构件使用,即实现机箱左、右侧门与功能模块1、4 的一体化设计方案。

( 3) 模块厚度分配改进设计

如机箱设计方案中4 个模块的厚度分配不满足需求,可对机箱顶、底板上的中模块安装件安装位置进行适应性改进设计,以便对模块厚度空间进行相互调整以满足特殊厚度分配的需求。

5 结束语

综上所述,本文根据相关标准开发了折叠式3、4MCU 航空电子设备通用机箱,具有如下技术特点:

1) 机箱设计为独立LRU 设备,通过标准设备安装架安装,机箱外形及对外机械、电气接口满足HB7390《民用飞机电子设备接口要求》,采用后部矩形电连接器实现电气连接[5]

2) 采用折叠式机箱总体结构,机箱左右侧门可绕机箱后框上的转轴折叠展开,机箱使用时可将各独立调试完成的功能模块安装于机箱左右侧门及中隔板上,非常便于模块的安装、检测与维护。

3) 为增强机箱的通用性,整个机箱为开放式结构,通过铣制结构件组合螺装而成,拆装方便,同时便于特殊情况下的改进及适应设计。

4) 使用环境条件参考DO - 160 - F《机载设备的环境条件与试验程序》及GJB150 执行,机箱可采用自然散热或强迫风冷散热方式,强迫风冷散热时按下部进风、上部出风方式进行散热设计,满足HB7390—1996《民用飞机电子设备接口要求》规定的机械接口及冷却风道接口要求,冷却风穿过机箱直接对内部各功能模块进行**散热。

5) 结构设计参照**电子设备/系统有关设计规范执行,可同时满足抗冲击振动、散热、电磁兼容、电气互联、可靠性、维修性、**性、三防、人机工程、包装运输及交付等方面的需求。

6) 采用铣制铝合金零部件螺装组合而成的结构总体方案,加工工艺性好,适合于零星或小批量生产。

本文论述的折叠式MCU 通用机箱设计方案为实现航空电子设备机箱的标准化、系列化开辟了很好的思路,其产品已实际运用于某型飞机平台的通信电子装备中,取得了较好的效果,因此其产品和设计方案可供现代军、民用航空电子设备直接参考或选用

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