飞机电源用控制器机箱的结构设计

王艳 余成功

摘 要：本设计适用于电源控制器用机箱，针对飞机电源用控制器机箱的印制板数量、机箱重量、环境和电磁屏蔽要求，给予外部结构、内部布局、屏蔽设计、材料选择和表面处理五个方面的解决方法。

关键词：结构；布局；屏蔽；材料；表面处理

1 概述

飞机用电源控制器机箱有四方面的作用，一是给控制用元器件或接插件元件以及印制板等提供空间，通过机箱内部的支撑、支架以及各种螺钉、螺母或端子等连接器将这些元器件或者印制板固定在机箱内部，形成一个集约型的整体。二是坚固的外壳保护着印制板和印制板上的各种敏感元器件，设计时通过对机箱材料方面的表面处理，能够满足防压、防冲击、防尘、防温-湿度冲击等环境要求。三是良好的电磁兼容性。电磁兼容性是飞机用电源控制器机箱设计中不可忽略的问题，直接影响到飞机电源系统的可靠性、稳定性和品质指标。通过对机箱结构的优化设计，能够起到防电磁干扰的作用，发挥电磁兼容性保护功能。最后，机箱的空间结构优势，可以让设计者从容的增加各种清晰的标识，让非设计者一目了然，更加便于操作。

2 机箱设计流程

根据机箱长度、宽度、高度和重量的要求，设计者必须从空间浪费最少，产品零部件尺寸的互换性和产品尺寸的协调性上考虑机箱的内部结构和布局；必须考虑机箱内元器件之间的电磁干扰，以提高电性能的稳定性；必须注意机箱的强度问题，以免产生形变，引起运转期间接触不良、接插件卡滞，甚至受振后损坏，必须按实际工作环境和使用条件，采用相应的措施以提高设备的可靠性和使用寿命，保证产品技术指标的实现。为了便于机箱的操作使用与安装维修，必须使机箱的结构设计符合使用者的心理特点和操作习惯，同时还要求结构简单，拆装方便。

本论文通过一个举例来解析机箱设计的流程。在给出机箱长度、宽度、高度和外部固定尺寸之后，要求带有屏蔽，内部能安装五个印制板，且其中一个印制板与其他四个印制板通过接插件连接，要求满足国标规定的水、盐雾、湿热、高低温度等方面的环境要求，采集和输出信号采用两个连接器与外部连接。机箱的总设计流程如图1所示。

2.1 机箱整体结构设计

在给出长度、宽度、高度尺寸要求的前提下，为保证机箱内部最大的利用空间，同时重量尽可能轻的原则，机箱的外部结构设计如图2所示。机箱总体结构的设计分为机箱上端盖、机箱下端盖、机箱前端盖和箱体本身。箱体的前、后、左、右四个端面采用焊接方式拼接，只要材料选择合适，操作工艺可以保证密封性和紧固性要求。

2.2 机箱内部布局设计

为满足机箱内五个印制板的排列布局要求，考虑在箱体内部安装四个凸台。凸台之间的尺寸和位置关系，要考虑两方面的需求：一是定位印制板的安装位置，防止印制板之间的元器件发生电磁干扰或者物理性挤压；二是固定夹紧印制板，防止印制板晃动给元器件造成不可逆的损伤。

机箱内部元器件的排列是根据电原理图，主要元器件的外形尺寸和相关关系，并考虑通风、减振、屏蔽及走线的方便美观程度等进行综合考虑。 这个涉及到印制板的设计问题，在此论文中不进行赘述。本论文给出了两种排列结构，如图3（a）和图3（b）所示的横向和纵向印制板排列组合结构。

综合考虑机箱给予的尺寸要求、印制板尺寸最大化原则、空间利用最大化原则、拆装最方便原则和输入输出的线路最优原则，选用图3（b）纵向印制板排列方式。

印制板的元器件布局完成以后，机箱内部固定印制板的凸台位置要综合考虑印制板上元器件的电磁干擾和辐射、最小间隙等要求，电磁间隙和电磁干扰的问题可以查询相关国家标准或者军标的标准，经理论计算以后，最终箱体内部的凸台的位置结构设计如图4所示。

凸台1和凸台2在箱体内部均采用左右对称结构，凸台1是为了定位印制板1-4的位置并通过锁紧块固定，凸台2是为定位印制板5的位置，通过螺钉固定。

2.3 机箱的屏蔽设计

现代电子设备对可靠性要求越来越高，尤其是对电磁兼容性提出了很高的要求。如何设计出结构合理，屏蔽效能良好的飞机用电源控制器机箱是本论文追求的目标。 本论文从机箱的结构设计出发，提出了一系列抗干扰措施，具体从箱体缝隙的屏蔽，输入、输出信号的滤波屏蔽，接地屏蔽三方面考虑。

2.3.1 箱体缝隙处屏蔽设计

缝隙指的是连接后需要拆卸的部分，比如机箱的上端盖、下端盖、前端盖和箱体的连接缝隙，这类连接通常用螺钉固定。实际工程中，即使对机箱每一个组成部件都采用屏蔽体，但是机箱的结合面都会有孔缝，这是结构设计时无法避免的问题。这类情形增加屏蔽的方法一般有以下五种：

（a）增大箱体与其他端盖的接触面积；

（b）结合面增加导电衬垫；

（c）缩短螺钉间距；

（d）结合面涂导电涂料；

（e）提高结合面的加工精度。

上述方法可以单一使用，也可以组合使用，其中方法（d）结合面涂导电涂料， 在螺钉、铆钉这类紧固件的缝隙交叠处，配合表面微观上是凹凸不平的，结合面上只能是部分点接触，而导电涂料是一种呈流体状的液体，极易流入缝隙，填补结合面上的不平部位。但是考虑拆卸，这个方法不适用于研发阶段的机箱设计。而方法（e）提高结合面的加工精度，结合面越光滑，缝隙的贴合性越好，但是这需要很高的加工工艺，成本费用也会相应增加。

因此，本论文的机箱设计最终采用前三种方式组合的形式。保证印制板上尺寸满足电路要求的前提下，增大箱体与其他端面的接触面积。在三个结合面上设置导电衬垫，在结构可能的条件下尽量增加连接端面的螺钉数量，减小螺纹间距，使缝隙长度相应减小。

2.3.2滤波屏蔽

电路中的干扰信号常常通过电源线、信号线和控制线进入电路造成干扰，所以一般要设置滤波电路。

对电源用机箱来说，穿入和穿出箱体的电源线是一个很大的干扰源，而穿出机箱的信号线和控制线，也需要干净的信号输出，否则容易引起电源系统的误动作。因此，把电源滤波、浪涌抑制、信号滤波进行一体化设计组成滤波器，很好地抑制、阻断噪声干扰的传播徒径。

滤波器的安装不能破坏机箱的屏蔽，滤波器需要与机箱壁有连续而良好的电接触且需保证所有的输入输出信号都必须经过滤波器。因此，将滤波器金属壳体与前面板固定为一体即能满足以上要求。图5为滤波器安装示意及滤波效果示意图。

2.3.3 接地屏蔽

接地是电磁兼容性设计中一个很重要的抗干扰办法，正确的接地方法可以减少或避免电路间的相互干扰。通常电路接地有串连一点接地、并联一点接地和多点接地三种方式。

一般将模拟电路、数字电路、机箱壳体三者分开，各自独立接地，避免相互之间的干扰，最后三地合一介入大地，这种方式较好的抑制了電磁噪声，减少了数字信号和模拟信号之间的干扰。

3 材料选择

任何结构的设计，都需要考虑重量的要求。飞机用控制器机箱的设计也存在减重的必要性，结合材料和结构两方面考虑减重。

合理选用金属材料，尽量选用化学性能稳定的金属材料，比如不锈钢或者铝合金。不锈钢的特点是耐蚀好，光亮度好，强度高，有一定弹性，但是价格昂贵。铝合金的特点是较轻的金属结材材料，具有良好的耐蚀性、导电性，但是铝合金的硬度不够。在重量要求上，铝合金有绝对优势，铝合金可以通过退火的方式去除应力，增加硬度，同时通过表面导电氧化处理的方式，增强抗腐蚀性。本论文的机箱采用铝合金的材料。

结构上，在尽可能增大结合面的情况下，将箱体、上端盖、下端盖和前端盖的厚度减小，同时为了满足坚固性要求，可以增加钣金，以达到稳固性要求。

4 表面处理

为满足飞机用器件的“三防”要求，机箱材料的表面必须采用耐腐蚀的覆盖层，通常包括金属覆盖层、非金属覆盖层、化学处理层等。本论文机箱采用铝合金材料，铝合金材料的表面可以通过导电氧化处理化学处理方式，增强抗腐蚀性。为达到双重保险，机箱表面还进行了底漆和三防漆的非金属覆盖层的处理。实际设计中，机箱内部的印制板电路也进行了喷涂三防漆的处理。

5 其他设计

机箱设计时，为避免拆卸导致螺钉类紧固件丢失，在不影响机箱尺寸的前提下，设计了不脱螺钉。为防止印制板插拔错误，设计时，印制板之间采用防差错连接器，并在机箱的对应位置设置清晰的标识。所有一切设计都通过图纸进行清晰的表达。

6 总结

本论文阐述了飞机电源用控制器机箱的设计思路和流程，针对不同的印制板数量、机箱重量、环境和电磁屏蔽要求，给予外部结构、内部布局、屏蔽设计、材料选择和表面处理五个方面的设计构思和解决方法。

参考文献

[1]中华人民共和国机械国家标准.JB/T5109_2001

[2]路纯红等.精通Auto CAD机械设计.电子工业出版社，2006

[3]李杞仪.赵韩.机械原理.武汉：武汉理工大学出版社，2001

[4]成大先.机械设计手册.北京：化学工业出版社，2004

[5]朱龙根.机械设计.北京：机械工业出版社，2006