КОНСТРУКТОРСКОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ
Анализ существующих конструкции и выбор метода конструирования
К несущей конструкции блока предъявляются высокие требования. Он должен обеспечивать: жесткое закрепление плат и соединение их выводов с переходами, предназначенными для связи с внешними цепями; защиту плат и ЭРЭ от внешних климатических, механических и других воздействий; экранирование схемы от внешних электромагнитных излучений и наводок. Кроме того, корпус должен быть технологичным, экономически выгодным, обеспечивать возможность сборки схемы, контроль, надстройку, ремонт.
По типу конструкции корпусы подразделяются на коробчатые, рамочные, пенальные, пластинчатые, составные и др.
Проведем анализ существующих конструкций и рассмотрим сравнительные технические характеристики аналогичных конструктивных решений устройства с учетом требований миниатюризации, надежности, качества. При этом учитывая особенности проектирования конструкции РЭА в зависимости от функционального назначения, условий эксплуатации, размещения и свойств объекта-носителя.
При проектировании современной РЭА на базе ИС применяют в основном три варианта конструкций блоков: книжный, разъемный и кассетный.
Книжный вариант конструкции блока —это пакет функциональных узлов, шарнирно соединенных между собой. Электрическое соединение узлов в таком блоке осуществляется с использованием объединительной платы гибкими печатными, ткаными или опрессованными кабелями, а также объемными проводниками. Конструкция книжного варианта блока достаточно сложна, но позволяет получать высокое значение коэффициента заполнения. Книжный вариант конструкции обеспечивает свободный доступ к ИС и микросборкам, навесным элементам и монтажным электрическим соединениям, находящимся во включенном состоянии.
Таким образом, становится ясным, что такой вариант конструкции не удовлетворяет схеме данной в ТЗ
Разъемный вариант конструкции блока также представляет собой набор функциональных узлов с разъемами врубного типа. Конструкция отличается простотой, высокой технологичностью и ремонтопригодностью, однако имеет сравнительно низкую надежность разъемного соединения и меньшее значение коэффициента заполнения по сравнению с книжным вариантом. Кассетный вариант конструкции блока сочетает в себе книжный и разъемный варианты конструкций, обеспечивает функциональную законченность составных частей блока за счет объединения ячеек в кассету и их легкосъемность.
Такая конструкция тоже не подходит, так как рассматриваемая схема сигнализатора моносхемна.
На этом анализ основных существующих вариантов конструкций завершен, так как в данном разделе вопрос формообразования не имеет места, и был необходим лишь поиск принципов несущих конструкций всех структурных уровней проектируемого устройства.
При выборе элементов НК рекомендуется использовать специализированные профили, выполненные из алюминиевых сплавов АД31. Масса НК РЭА состовляет примерно 70% от общей массы аппаратуры. Поэтому необходимо уменьшить массу БНК. С такой целью при проектировании НК для автомобильного охранного сигнализатора следует придерживаться следующих правил:
ü выполнять все элементы конструкции равнопрочными без большого запаса по прочности;
ü обеспечивать высокую жесткость способами, не требующими увеличения массы;
ü упрощать несущую конструкцию до наименьшего числа деталей;
ü широко применять легкие сплавы и пластмассы;
ü выбирать рациональную форму профилей несущих конструкций;
ü вводить в детали различные отверстия, выемки, проточки, чтобы избежать лишнего материала, не несущего нагрузки;
ü вводить в тонколистовые детали отбортовки и выдавки, позволяющие повысить жесткость конструкции;
ü использовать гальванические и лакокрасочные покрытия, имеющие минимальную массу.
Материалы НК необходимо выбирать исходя из удельной прочности и жесткости или обобщенного коэффициента:
─ удельная прочность 
, где 
– условный предел текучести, представляющий собой напряжение, которое вызывает в материале остаточную деформацию 0.2%; 
- плотность материала; 
- допустимое напряжение, характеризующее предел прочности материала
─ удельная жесткость 
, где 
- модуль упругости материала
─ обобщенный коэффициент 
при выборе материала деталей, работающих на прочность, необходимо пользоваться значением 
, а работающих на жесткость 
. Обобщенный коэффициент позволяет выбрать материал, выдерживающий высокие нагрузки при наименьших деформациях и, главное, массе.
При выборе материала корпуса необходимо учитывать требования уменьшения массы, снижения стоимости изготовления, соответствия температурных коэффициентов линейного расширения материалов корпуса и плат, возможность пайки и хорошую теплопроводность.
Отметим следующие марки материалов, применяемых в НК:
t стали углеродистые, качественные – СТ.20 – СТ. 60;
t алюминиевые сплавы – литейные АЛ, деформируемые – АМц, АМг, Д, АД;
t латуни Л, ЛС и т.д.
Для изготовления корпусов РЭА в основном используют пластмассу, реже встречаются конструкции из различных сплавов алюминия или листовой бумаги. Классическим используемым вариантом несущей конструкции является прямоугольный корпус с крышкой. Крышка корпуса может быть как съемной, на винтах, так и откидной. В зависимости от модели верхняя часть выполняется непрозрачной, может иметь смотровое окно или изготавливается полностью из прозрачного пластика.
Материал обладающий более высокими характеристиками чем пластик – это алюминий. Алюминиевый материал для конструкции обладает высокой прочностью, менее подвержен внешним воздействиям, таким как попадение жидкости во внутрь НК или воздействию высоких температур, так как такой корпус сам по себе является теплоотводом.
Таким образом, прежде всего необходимо выбрать материал подложек микрополосковых плат. Для платы сигнализатора выбираем фольгированный стеклотекстолит. В качестве материала несущих конструкций блока выбирается алюминиевый сплав Д16. Этот материал обеспечивает достаточную герметичность, хорошо обрабатывается, легок и дешев.
Так же немаловажным является учитывание выбора покрытий, их назначение, условия эксплуатации, материал детали, свойства покрытия, способ нанесения покрытия. В основном при разработке НК применяют лакокрасочные, металлические и неметаллические покрытия. Для покрытия стали широко используют кадмий (Кд), цинк (Ц), хром (Х), латуни (Л), никель (Н), алюминия – химическе и анодное оксидирование. Среди лакокрасочных покрытий при внешней отделке НК применяют лаки, грунтовки, шпатлевки, краски.
Для защиты материалов от атмосферных воздействий необходимы покрытия. На проводники микрополосковых плат усилителей наносим защитное антикоррозионное покрытие олово-свинец методом гальванического осаждения. Для корпуса используем покрытие Хим. Н12.М3.0 — Ви (99,7) 12 — покрытие химическое, никель 12 мкм, медь 3 мкм, олово-висмут (99,7 % олова).
На основе проведенного анализа существующих конструкций далее по плану веберем метод конструирования устройства в целом и его составных частей. Существующие методы конструирования РЭА подразделяются на три взаимосвязанные группы:
· по видам связей между элементами;
· по способу выявления и организации структуры связей между элементами;
· по степени автоматизации конструирования РЭА зависит от назначения аппаратуры и ее функций, преобладающего вида связей,
· уровня унификации, автоматизации и т. д.
Не рассматривая всю совокупность существующих методов по отдельности, проведем анализ наиболее оптимального варианта для схемы сигнализатора данного в ТЗ.
Метод проектирования моноконструкций. Основан на минимизации числа связей в конструкции, он применяется для создания функциональных узлов, блоков, РЭА на основе оригинальной несущей конструкции в виде моноузла (моноблока) с оригинальными элементами. Разработка моноконструкций РЭА связана с многочисленными трудностями и имеет ряд недостатков, а именно: значительное время конструирования и внедрения в серийное производство, ограниченные возможности типизации и унификации, недостаточно высокая надежность, низкая степень ремонтопригодности, сложность внесения изменений в электрическую схему без переделки конструкции, значительная стоимость разрабатываемых и изготавливаемых конструкций.
Таким образом, такой метод, со всеми недостатками, является самым оптимальным методом конструирования для моносхемной конструкции, которое будет размещено на одном конструктивном элементе.
Анализ элементной базы предполагает изучение следующих вопросов:
· совместимость ЭРЭ и ИС (конструктивная, электрическая, электромагнитная, по условиям эксплуатации);
· соответствие элементной базы условиям эксплуатации, указанным в расширенном ТЗ;
· совместимость элементной базы по надежности.
Массогабаритные характеристики элементов и данные по условиям эксплуатации взяты из литературы [4, 5].
Анализ электрической схемы и элементной базы автомобильного охранного сигнализатора, где в числе исходных данных – электрическая схема блока с перечнем элементов. Его электрическая принципиальная схема приведена на рис. 1.1.
Как было указано выше, в разделе 2.1.5 схема устройства представляет собой функционально законченный узел, который находится на одном конструктивном элементе. Поэтому разрезание в схеме производиться не будет.
Определим размеры печатной платы сигнализатора
Перечень используемых в сигнализаторе радиоэлементов приведен в табл. 3.1. В данную таблицу 3.1 сведены элементы сигнализатора, где 
- число элементов определенного типа, 
- установочная площадь i-го типа элемента ФЗЧ:
,
Установочная площадь микроконтроллера:
Установочная площадь стабилизатора:
Установочная площадь реле:
Установочная площадь диодов:
Установочная площадь конденсаторов:
Установочная площадь резисторов:
Установочная площадь кварцевого генератора:
Установочная площадь светодиода:
Установочная площадь транзисторов:
– физическая площадь элемента, 
- площадь, занимаемая монтажом элемента, 
- дополнительная площадь, где размещение других элементов ФЗЧ затруднено из-за сложности конфигурации i-го элемента. В итоге определяется сумма установочных площадей всех элементов ФЗЧ:
Значения которых сведены в таблицу 3.1:
Таблица 3.1
| № п\п | Наименование элемента | ,
см2
|
|  ,
см2
|
| МК DD1 | 1.5 | 1.5 | ||
| Стабилизатор DA1 | 1.1 | 1.1 | ||
| Реле K1 – K3 | 0.6 | 1.8 | ||
| Диоды VD1 – VD7 | 0.2 | 1.4 | ||
| Конденсаторы C1 – C4 | 0.3 | 1.2 | ||
| Резисторы R1 – R17 | 0.3 | 5.1 | ||
| Кварцевый генератор ZQ1 | 0.5 | 0.5 | ||
| Светодиод HL1 | 0.4 | 0.4 | ||
| Транзисторы VT1 – VT5 | 0.4 | |||
| В сумме |
Функциональное разбиение представляет собой расчленение электрической принципиальной схемы сигнализатора на функционально законченные узлы, исходя из результатов раздела 2.1.5, и на компоненты схемы которые не могут быть размещены на самой печатной плате.
Часть электрических компонентов, такие как устройства управления и индикации, выходные и входные элементы электрической коммутации, не могут быть размещены на ПП, поэтому они устанавливаются на переднюю панель изделия.
Более точно определить габариты элементов можно на этапе предварительной компоновки, когда будут выбраны варианты конструкции блока и его размеры.
Далее по плану определяется площадь печатной платы. ПП ФЗЧ:
Где 
- коэффициент заполнения по площади печатной платы (
).
Также необходимо выбрать габариты платы ФЗЧ:
Где 
- размеры ПП
Проведем размещение ПП в объеме кожуха (рис. 3.1)
Печатная плата моносхемна, и размещается на одном конструктивном элементе, на основании прибора. С каждой стороны печатной платы оставлен зазор расстоянием равным 1см.
Рис.3.1 Компоновочный эскиз сигнализатора.
Для этого варианта компоновки определяются следующие компоновочные характеристики изделия:
t Габариты L1=8см, L2=7см, L3=2,5см., то есть границы размещения компоновочных элементов по осям Х,Y, Z
t Коэффициент заполнения по объему 
:
где 
– установочный объем i-го компоновочного элемента, N- чисто компоновочных элементов, 
- общий объем изделия, определяемый габаритами L1, L2, L3.
