ВИБРОЗАЩИТНОЕ УСТРОЙСТВО ЭЛЕКТРОННОГО ПРИБОРА И ЭЛЕКТРОННЫЙ ПРИБОР

Область техники, к которой относится полезная модель
Полезная модель относится к области приборостроения и может использоваться для защиты приборов от вибрационного и ударного воздействия.
Уровень техники
Хорошо известно, что любая механическая конструкция может быть условно представлена в виде системы масс, пружин и демпферов. Демпферы поглощают энергию, а массы и пружины - нет. Подвешенная на пружине масса образует колебательную систему, которая имеет резонанс на характерной для нее собственной частоте. Собственная частота идеальной системы масса-пружина без демпфирования определяется соотношением:
где Fn - собственная частота; k - коэффициент упругости пружины; m- масса.
С увеличением жесткости пружины увеличивается и собственная частота, а с увеличением массы собственная частота падает. В реальных условиях эксплуатации механические воздействия, включая вибрацию, носят случайный характер в широкой полосе частот. Таким образом, виброзащитное устройство должно обеспечивать эффективное подавление вибрации в некоторой полосе частот, а конструкция устройства не должна иметь резонансных частот в этой полосе. Вывести резонансную частоту за пределы области рабочих частот можно либо увеличивая, либо уменьшая ее значение. При повышении жесткости упругих элементов резонансная частота виброзащитного устройства возрастает, но вместе с этим значительно снижается эффективность подавления вибраций в низкочастотной области. Таким образом, для обеспечения эффективной работы виброзащитного устройства его резонансная частота должна быть ниже минимального значения рабочей полосы частот. Это требование может быть выполнено при снижении жесткости упругих элементов виброзащитного устройства.
С другой стороны, если система обладает демпфированием, а это справедливо для всех реальных физических систем, то резонансная частота окажется несколько ниже рассчитанного по приведенной выше формуле значения и будет зависеть от величины демпфирования. Таким образом, применяя демпфирование, можно добиться значительного снижения резонансной частоты
вплоть до ее вывода за пределы рабочей полосы частот или в диапазон низких частот, в котором может быть применен какой-либо другой вид компенсации воздействия вибрации, например, электронная компенсация.
Известен ряд устройств, использующих для амортизации вибрационного воздействия пружинные системы амортизации. Однако применение таких систем не обеспечивает эффективное подавление вибрации, так как эти конструкции обладают слабым демпфированием, то есть поглощением механической энергии.
Применение в конструкции виброзащиты демпфера, как отдельного элемента, значительно усложняет конструкцию и приводит к увеличению габаритных размеров. Необходимость применения демпфера в виде отдельного элемента связана с тем, что обычно амортизирующие материалы обладают слабым демпфированием. Однако возможно воспользоваться демпфирующими свойствами упругого троса, основанными на взаимном трении волокон троса друг о друга. Кроме того, трос обладает и упругими свойствами, что позволяет применять трос как упруго-демпфирующий элемент. Аналитическое описание физических свойств троса затруднено, так как он представляет собой сложную анизотропную структуру. Поэтому реальные механические свойства тросового виброзащитного устройства определяют по экспериментальным данным, полученным в ходе испытаний образцов.
Применение в виброзащитном устройстве тросов, как упругодемпфирующих элементов, позволяет получить практически минимально возможные размеры виброзащитного устройства при условии обеспечения эффективного подавления вибрации. Как упругодемпфирующий материал, трос нашел применение в виброзащитных устройствах различного рода, см. например, публикации FR 1372335 и FR 2624233. В этих патентах для подавления вибрации используются упругодемпфирующие свойства троса при его работе на изгиб. Такой способ применения троса предоставляет широкие возможности по изменению свойств виброзащитных устройств, например, при увеличении радиуса петли, в которую сгибается трос, упругость петли снижается, что позволяет снизить резонансную частоту виброзащитного устройства при сохранении работоспособности, для чего необходимо обеспечить отсутствие провисания петли троса за счет повышения жесткости троса. Недостатком предложенных виброзащитных устройств является то, что они не обеспечивают идентичность механических свойств подвески по разным направлениям. В этих устройствах есть предпочтительный вариант установки, относительно действия вектора вибраций.
Наиболее близким аналогом заявляемой полезной модели является виброзащитное устройство электронного прибора по документу US 3204911. Это устройство содержит опорный корпус, опирающийся блок (электронный блок) и несколько петель упругодемпфирующего троса, причем каждая петля соединяет точку крепления опорного корпуса и точку крепления опирающегося блока. В одном из вариантов осуществления петли располагаются с двух сторон опирающегося блока между стенками опорного корпуса, при этом электронный блок оказывается подвешенным над опорным корпусом. С каждой стороны опирающегося блока расположено по две петли троса, сориентированные друг к другу в равновесном состоянии под прямым углом. Такое устройство весьма удобно для демпфирования малых вибрационных нагрузок во всех направлениях, что и требуется для виброзащиты электронных приборов, в частности, с использованием кварцевых устройств стабилизации частоты, таких как кварцевые генераторы.
Недостатком известного виброзащитного устройства является то, что при малых размерах петель троса реализуемая резонансная частота виброзащитного устройства имеет высокое значение, что ухудшает виброзащитные свойства такого устройства. С другой стороны, при увеличении размера петель с условием сохранения ее упругих свойств для снижения резонансной частоты виброзащитного устройства, недопустимо увеличиваются размеры этого устройства. Таким образом, недостатком рассмотренного виброзащитного устройства является невозможность обеспечения его малой резонансной частоты при сохранении малых габаритных размеров.
Раскрытие полезной модели
Задачей настоящей полезной модели является создание виброзащитного устройства электронного прибора, одновременно обладающего следующими свойствами:
обеспечение защиты от вибрационных воздействий по всем направлениям,
резонансная частота находится в низкочастотном диапазоне,
минимизированные габаритные размеры.
Указанными свойствами обладает виброзащитное устройство электронного прибора, имеющего корпус и установленный в нем посредством виброзащитного устройства электронный блок, причем виброзащитное устройство выполнено в виде, по меньшей мере, трех кольцеобразно изогнутых отрезков упругодемпфирующего троса, каждый из которых зафиксирован своими концами на противоположных сторонах электронного блока и, по меньшей мере, в одной точке, расположенной
между концами, закреплен на корпусе, причем, по меньшей мере, два кольцеобразно изогнутых отрезка упругодемпфирующего троса лежат в пересекающихся плоскостях.
Под термином «отрезок упругодемпфирующего троса» понимается отрезок троса, каната, кабеля или другого аналогичного устройства, состоящего из нескольких проволок, нитей, волокон и т.п., а также, возможно, сердечника и/или оплетки. Как правило, трос выполняется из металла, но, в случае необходимости, могут быть использованы и другие конструкционные материалы, обладающие необходимыми характеристиками прочности и гибкости.
Кольца, образуемые отрезками тросов, могут иметь различную ориентацию, однако в предпочтительном варианте исполнения кольцеобразно изогнутые отрезки тросов закреплены равноудаленным в точках крепления к корпусу от соседних отрезков тросов образом.
В предпочтительном варианте осуществления виброзащитное устройство содержит четыре кольцеобразно изогнутых отрезка упругодемпфирующего троса, закрепленных таким образом, что они отстоят от смежных с ними отрезков на угловое расстояние, по существу равное 90 градусов. При этом корпус в предпочтительном варианте имеет форму прямоугольного параллелепипеда.
Концы отрезков тросов могут крепиться к электронному блоку любым подходящим способом, например приклеиванием, сваркой, пайкой, механическим зажимом и т.п. В предпочтительном варианте для закрепления концов отрезков тросов с каждой стороны электронного блока используется по одному средству крепления, причем с помощью указанного средства крепления закрепляются все отрезки тросов, которые подходят к той стороне электронного блока, на которой установлено средство крепления.
В одном из вариантов концы отрезков тросов упругодемпфирующего троса с каждой стороны электронного блока закреплены в непосредственной близости друг от друга, что предоставляет преимущества при монтаже отрезков тросов, так как в этом случае нет необходимости крепить конец каждого троса по отдельности, поскольку отрезки тросов в своих концевых частях могут быть закреплены в устройствах крепления, которые затем крепятся к электронному блоку по одному на противоположных сторонах.
В предпочтительном варианте концы отрезков тросов упругодемпфирующего троса закреплены над и под центром масс, предпочтительно на одинаковых расстояниях от центра масс электронного блока, так как в этом случае будет обеспечено стабильное положение электронного блока в статичном положении.
Последнее условие может быть соблюдено и при закреплении концов отрезков тросов не над и под центром масс электронного блока, однако в этом случае для того, чтобы виброзащитное устройство имело заданные свойства и сохраняло свою работоспособность, необходимо подбирать распределения длин отрезков, диаметров и жесткостей тросов и размеров петель, образуемых кольцеобразными отрезками тросов, и мест закрепления концов отрезков тросов.
Резонансные свойства виброзащитного устройства зависят от многих параметров компонентов, входящих в его состав. В предпочтительном варианте длины отрезков, диаметры, жесткости, упругости и демпфирующие свойства упругодемпфирующего троса, а также размеры петель, образуемых кольцеобразными отрезками тросов, подобраны так, чтобы устройство имело минимальную резонансную частоту при условии сохранения упругости элементов виброзащитного устройства.
Закрепление кольцеобразно изогнутых отрезков тросов на корпусе в предпочтительном варианте осуществления производится в точках, которые расположены на средних участках отрезков тросов.
Другой задачей настоящей полезной модели является создание электронного прибора, обладающего улучшенными виброзащитными и массогабаритными характеристиками.
Эта задача решена в электронном приборе, содержащем корпус и электронный блок, закрепленный в корпусе посредством виброзащитного устройства, виброзащитное устройство выполнено в виде, по меньшей мере, трех кольцеобразно изогнутых отрезков упругодемпфирующего троса, каждый из которых зафиксирован своими концами на противоположных сторонах электронного блока и, по меньшей мере, в одной точке, расположенной между концами, закреплен на корпусе. При этом корпус, в котором закреплен посредством виброзащитного устройства электронный блок, имеет форму по существу прямоугольного параллелепипеда, предпочтительно куба. Другие вышеизложенные варианты осуществления виброзащитного устройства, также могут быть применены в электронном приборе согласно полезной модели.
В одном из вариантов электронный блок, входящий в состав электронного прибора, дополнительно заключен в упругую оболочку, причем в предпочтительном варианте упругая оболочка имеет шарообразную форму. Упругая оболочка предназначена для защиты от ударных воздействий, в результате которых электронный блок может соударяться с корпусом прибора, в котором он установлен. Шарообразная форма упругой оболочки является предпочтительной из-за того, что
в случае ударного воздействия при соприкосновении упругой оболочки с корпусом прибора площадь контакта увеличивается постепенно, и обеспечивается поглощение энергии удара в любом направлении.
Краткое описание чертежей
На чертежах изображен пример выполнения виброзащитного устройства и электронного прибора с этим устройством.
На фиг.1 изображено виброзащитное устройство электронного прибора.
На фиг.2 изображено виброзащитное устройство, в котором электронный блок генератора заключен в упругую шарообразную оболочку.
На фиг.3 изображено виброзащитное устройство, закрепленное в корпусе электронного прибора.
На фиг.4 приведен график деградации относительной плотности мощности фазовых шумов кварцевого генератора без виброзащиты.
На фиг.5 приведен график деградации относительной плотности мощности фазовых шумов кварцевого генератора с применением предлагаемого виброзащитного устройства.
На графиках деградации относительной плотности мощности фазовых шумов кварцевого генератора, приведенных на фиг.4 и 5, нижняя кривая показывает фазовый шум без вибрационного воздействия, а верхняя кривая - с вибрационным воздействием.
Осуществление полезной модели
На фиг.1 представлено виброзащитное устройство согласно настоящей полезной модели на примере кварцевого генератора частоты. К электронному блоку 1 кварцевого генератора в центральных частях дна и крышки крепятся концы четырех кольцеобразно изогнутых отрезков тросов 2. Каждый из отрезков тросов 2 одним своим концом крепится в центре верхней поверхности 3 электронного блока 1 кварцевого генератора, а другим концом - в центре нижней поверхности 4, таким образом, верхние и нижние концы всех отрезков тросов закреплены на противоположных сторонах электронного блока. Крепление отрезков тросов производится таким образом, что кольца, образуемые отрезками тросов 2, размещаются в двух взаимно перпендикулярных плоскостях. Крепление концов отрезков тросов 2 на электронном блоке производится с помощью пайки.
В примере осуществления, показанном на фиг.3, электронный блок 1 генератора дополнительно заключен в упругую защитную оболочку 5, имеющую
шарообразную форму. В случае ударного воздействия упругая шарообразная оболочка 5 взаимодействует со стенками 7 корпуса так, что площадь контакта упругой шарообразной оболочки 5 и стенки 7 корпуса увеличивается постепенно, вследствие чего ударное воздействие на электронный блок 1 кварцевого генератора оказывается не коротким, а распределенным на некоторый промежуток времени и имеющим меньшее значение вследствие постепенного гашения энергии удара.
На фиг.3 показано, что электронный блок 1 в шарообразной защитной оболочке 5 с кольцеобразными отрезками тросов 2 крепится путем фиксации отрезков тросов 2 в средних частях образуемых тросами колец (в данном примере - в точках 6). Такая фиксация производится на стенках 7 корпуса в виде прямоугольного параллелепипеда, предпочтительно куба, в который заключен электронный блок 1 кварцевого генератора с виброзащитным устройством. При установке электронного блока 1 кварцевого генератора с виброзащитным устройством во корпус вибрационные воздействия, поступающие извне к электронному прибору, воспринимаются отрезками троса 2. Благодаря упругодемпфирующим свойствам троса на электронный блок передается лишь незначительная часть вибрационных воздействий, благодаря чему существенно увеличивается стабильность и точность работы электронного прибора, например кварцевого генератора частоты. Благодаря тому, что электронный блок окружен кольцеобразно изогнутыми отрезками упругодемпфирующего троса, со всех сторон равномерно расположенными вокруг него, электронный блок защищен от механических воздействий, поступающих к прибору с любого пространственного направления. При этом обеспечивается также малогабаритность прибора, т.к. кольцеобразная форма отрезков троса позволяет иметь минимальные расстояния между электронным блоком и корпусом прибора.
Предложенное противовибрационное устройство имеет следующие свойства. Резонансная частота такого виброзащитного устройства может иметь относительно низкое значение резонансной частоты. При сравнении графиков деградации относительной плотности мощности фазовых шумов генератора без виброзащиты (фиг.4) и с применением предлагаемого противовибрационного устройства (фиг.5) можно отметить, что деградация плотности мощности фазовых шумов наблюдается только в нижней части диапазона (до 10 Гц). Отсюда следует, что резонансная частота виброзащитного устройства имеет значение ниже 10 Гц.
Резонансные частоты виброзащитного устройства в зависимости от направления действия вектора вибрации различаются на 1-2 Гц, что составляет достаточно малое значение для виброзащитного устройства. Близость резонансных
частот указывает на то, что защита от вибрационного воздействия производится по всем направлениям, причем во всех направлениях виброзащитные свойства устройства согласно настоящей полезной модели являются одинаковыми.
Этот факт можно объяснить тем, что резонансная частота зависит от демпфируемой массы, упругости виброзащитного устройства и демпфирующих свойств тросов. Поскольку масса является постоянной, а демпфирующие свойства тросов одинаковы, то можно сделать вывод о том, что упругость виброзащитного устройства одинакова во всех направлениях, а значит, виброзащитные свойства являются одинаковыми. Одним из дополнительных свойств виброзащитного устройства согласно полезной модели является то, что оно не имеет предпочтительной ориентации и положения при эксплуатации вследствие одинаковости виброзащитных свойств по всем направлениям.
Предложенное виброзащитное устройство обладает минимальными габаритами при сохранении работоспособности, поскольку для обеспечения минимальной резонансной частоты виброзащитного устройства кольца, образуемые отрезками тросов, должны иметь максимально большой диаметр при условии сохранения упругости, и закрепление концов отрезков тросов в центре электронного блока уменьшает расстояние от электронного блока до точки крепления отрезка троса на корпусе, требующееся для размещения петли, образуемой отрезком троса. При закреплении концов отрезков тросов на сторонах электронного блока, максимально удаленных от точек крепления отрезков тросов на корпусе, будут появляться дополнительные напряжения в конструкции виброзащитного устройства, например, направленные на разворот электронного блока, которые будут ухудшать виброзащитные свойства устройства согласно настоящей полезной модели.