CN109041463B - 一种车载电子设备的防水密封结构设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种车载电子设备的防水密封结构设计方法，涉及防水密封技术领域，输入输出接口插座为分离式结构，包括壳体密封连接件和板载插座连接件，壳体密封连接件和板载插座连接件采用对插的方式连接；上壳体和下壳体之间通过成型密封圈进行整体密封，通过计算得出成型密封圈和密封槽的尺寸，并按照公差补偿的方式计算允许的制造公差；本发明车载电子设备的防水密封设计方法便于整机线束安装和拆卸维护，同时解决了板载插座连接器需要多次焊接的问题，提高了大电流输入输出应用的可靠性和热耗，降低了制造和安装定位工艺精度要求，实现了低成本安装。

Description

一种车载电子设备的防水密封结构设计方法

技术领域

本发明涉及防水密封技术领域，具体为一种车载电子设备的防水密封结构设计方法。

背景技术

随着车载电子设备的功能要求越来复杂强大，车内的紧张空间已不可能完全满足电子设备在车箱内的安装。大功率电子设备由于体积、重量、散热和与其他设备互连等需求，要求设备安装在车体恶劣工作环境，因而车载电子设备要求具备IP67防护功能，其壳体防护设计不仅要考虑上下壳体密封设计，还要考虑输入输出接口的密封设计。

现有的车载大功率电子设备部件的IP67防护设计一般采用上下壳体灌封或全灌封设计实现防护要求，其输入输出接口采用防水插座在壳体本体安装，然后输入、输出线再与设备印刷电路板连接，实现输入输出接口的防护要求。现有的设计方案具有对制造工艺和工装要求高、制造工序复杂、制造效率低、成本高、拆卸和维护困难等缺点。

现有的另一种车载大功率电子设备部件的IP67防护设计的上下壳体仍采用防水胶密封槽灌封方式，输入输出接口采用防水密封板载连接插座设计。虽然可靠性得到改进，但是需要分步焊接，需要隔离之前的焊脚，否则容易导致虚焊等故障的发生，制造工艺复杂，工装定位精度要求更高，安装和拆卸困难，成本高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种车载电子设备的防水密封结构的设计方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种车载电子设备的防水密封结构设计方法，车载电子设备的上壳体与下壳体之间通过成型密封圈进行密封，成型密封圈的尺寸及密封槽的尺寸均通过计算得出，并按照公差补偿计算允许的制造公差；其中，密封槽的槽深h按照如下公式计算：

式中，H为成型密封圈的厚度，由成型密封圈的生产工艺决定；c1为成型密封圈厚度H的制造公差；ε_min是成型密封圈预压紧量的最小值，ε_max是成型密封圈预压紧量的最大值；c2是密封槽槽深h的制造公差。

进一步的，成型密封圈的最小宽度为下壳体壁厚的三分之一。

进一步的，密封槽的槽宽b按照如下公式计算：

b＝H×W/h；

式中，W是成型密封圈的宽度。

进一步的，上壳体与下壳体之间还通过n个螺钉紧固，螺钉的最小直径d按照如下公式计算：

式中，P为每个螺钉需要提供的拧紧力，[σ_S]是螺钉的屈服极限；

每个螺钉需要提供的拧紧力P按照如下公式计算：

P＝S×ε×Ep/n；

式中，S是成型密封圈与上壳体的接触面积，ε是成型密封圈的压缩量，Ep是成型密封圈的弹性模量，n为螺钉的个数。

进一步的，对于成型密封圈的压缩量ε，选取0.15≤ε≤0.35，优选的，成型密封圈的压缩量ε＝0.3。

进一步的，输入输出接口插座是分离式的，包括壳体密封连接件及板载插座连接件；所述板载插座连接件焊接于PCB板底部，所述壳体密封连接件固定连接在下壳体的底部；所述壳体密封连接件及所述板载插座连接件通过对插的方式连接。

进一步的，板载插座连接件与PCB板之间采用表面贴装技术进行焊接。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.采用密封槽与成型密封圈的设计，使加工工艺变得简单、设计成本降低，并可方便安装、拆卸，便于维护和安装；且按照公差补偿设计的方法得出密封槽与成型密封圈的尺寸，使车载电子设备适应恶劣的应用环境，提高车载电子设备防水密封结构的使用寿命。

2.输入输出接口分为壳体密封连接器和板载插座连接器两部分，壳体密封连接器与板载插座连接器采用对插方式连接，通过壳体结构设计实现精确定位、固定，便于整机线束安装和拆卸维护，同时解决了板载插座连接器需要多次焊接的问题，大大提高了大电流输入输出应用的可靠性和热耗，大大降低了制造和安装定位工艺精度要求，实现了低成本安装。

3.本发明车载电子设备的防水密封结构设计方法能够实现车载电子设备的低成本大批量制造，并且能够达到IP67的防护安全级别。

附图说明

图1是本发明车载电子设备的结构示意图；

图2是本发明车载电子设备中密封槽与成型密封圈的横剖面图；

图3是本发明车载电子设备中下壳体的俯视图。

附图标记中：1、下壳体；11、密封槽；12、容纳槽；2、上壳体；3、PCB板；4、输入输出接口插座；41、壳体密封连接件；42、板载插座连接件；5、成型密封圈；6、螺钉；7、支板；8、电子元件。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种车载电子设备的防水密封结构设计方法，如图1所示，车载电子设备包括下壳体1、上壳体2、PCB板3、输入输出接口插座4、密封圈5、螺钉6、支板7及电子元件8。输入输出接口插座4采用分离式设计，包括壳体密封连接件41、板载插座连接件41两部分。

下壳体1为顶部开口的壳状，内部是容纳槽12，用于容纳电子元件8，且下壳体1的顶部四周开设有密封槽11。上壳体2为板状，固定连接于下壳体1的顶部，上壳体2完全覆盖住容纳槽12和密封槽11，使容纳槽12和密封槽11完全密封。密封槽11内设置有成型密封圈5，实现上壳体2与下壳体1之间连接处的防水防尘，保护容纳槽12中的电子元件8。螺钉6均匀分布在上壳体2的四周，紧固上壳体2与下壳体1，并且向成型密封圈5提供压紧力，使成型密封圈5紧贴上壳体2与下壳体1，并使成型密封圈5压缩，从而实现成型密封圈5的防水防尘密封效果。PCB板3设置在容纳槽12内，支板7连接PCB板3和下壳体1，用于支撑PCB板3。电子元件8焊接在PCB板3的中央，板载插座连接件42焊接在PCB板3的两侧，且电子元件8和板载插座连接件42位于PCB板3与下壳体1之间。壳体密封连接件41安装在下壳体1的底部两侧，且壳体密封连接件41位于板载插座连接件42的正下方，壳体密封连接件41和板载插座连接。下壳体1件42通过对插的方式的底部两侧向上凹陷，使壳体密封连接件41的底部位于下壳体1的底部上方，便于车载电子设备的安装。板载插座连接件42与PCB板3之间采用表面贴装技术进行焊接，解决了输入输出接口密封插座的焊接工艺问题，大大提高了大电流输入输出应用的可靠性和热耗，大大降低了制造和安装定位工艺精度要求，实现了低成本安装。由于输入输出接口4采用分离式的设计，先将板载插座连接件42焊接在PCB板3上，在通过对插的方式连接壳体密封连接件41与板载插座连接件42，不需要多次焊接及隔离之前的焊脚，简化了制造工艺，能够实现车载电子设备的低成本大批量制造。

密封槽11和成型密封圈5的尺寸按照如下公式计算得出，并按照公差补偿的方式计算允许的制造公差，如图2所示：成型密封圈5的最小宽度Wmin是下壳体1的壁厚M的三分之一，本实施例中，下壳体1的壁厚M为7mm，成型密封圈5的宽度W应为W≥M/3，考虑到存在制造公差，选取成型密封圈5的宽度W为2.8±0.2mm。成型密封圈5的厚度H由成型密封圈5的生产工艺决定，例如，本实施例中成型密封圈5选用硅橡胶料6141压延成型而成，厚度H为3mm，制造公差c1是0.13mm。

密封槽11的槽深h按照如下公式计算：

式中，ε_min是成型密封圈5预压紧量的最小值，ε_max是成型密封圈5预压紧量的最大值；c2是密封槽的槽深h的制造公差。成型密封圈5的预压紧量是成型密封圈5厚度的预压缩形变量与其未压缩时的厚度的比值；当成型密封圈5的预压紧量过小时，不能起到密封防水的作用；但当成型密封圈5的预压紧量过大时，会是成型密封圈5产生疲劳现象加速老化甚至破裂。在本实施中，由于成型密封圈5采用硅橡胶，通常取成型密封圈5预压紧量的最小值ε_min＝0.15，成型密封圈5预压紧量的最大值ε_max＝0.35。计算后可以得到，密封槽11的槽深h应选择2.23mm，制造公差为0.2mm。

密封槽11的槽宽b按照公式b＝H×W/h计算，并考虑到制造公差，密封槽11的槽宽b为3.9±0.1mm。

本实施例中，螺钉6的数量n为16，16个螺钉6均匀分布在上壳体2的四周，每个螺钉6需要提供的拧紧力P按照如下公式计算:

P＝S×ε×Ep/n；

式中ε是成型密封圈5的压缩量，选取成型密封圈5的压缩量ε为0.3。Ep是成型密封圈5的弹性模量，对于硅橡胶料6141，成型密封圈5的弹性模量Ep为65.75kg/cm²。，S是成型密封圈5与上壳体2的接触面积，成型密封圈5与上壳体2的接触面积S即是密封槽11的顶部开口面积。如图2所示，密封槽11的开口形状是转角处为圆角的方形环状，密封槽11的圆角外侧的半径R为0.826mm，长边的长度B为23.94mm，短边的长度L为14.2mm，计算得出，成型密封圈5与上壳体2的接触面积S为228.116cm²，每个螺钉6需要提供的拧紧力P为281.23kg；

螺钉6的最小直径d按照如下公式计算：

式中，[σ_S]是螺钉6的屈服极限，螺钉6一般采用低碳钢制造，螺钉6的屈服极限[σ_S]是100MPa；计算得出螺钉6的最小直径d是4.4mm，选用型号为M5的螺钉6紧固即可满足防水密封要求。

由于采用上述方法设计车载电子设备的防水密封结构的密封圈与密封槽的尺寸，不需要采用防水胶灌封即可降低制造和安装的定位工艺精度要求，降低了设计成本，便于大规模的批量生产；同时使分离的壳体密封连接件41和板载插座连接件42之间对插连接时，壳体密封连接件41和板载插座连接件42之间的定位更精确，防止壳体密封连接件41和板载插座连接件42在对插连接过程中互相磨损从而造成接触不良，影响车载电子设备的正常工作。

本发明车载电子设备的防水密封结构能够大大降低设计及生产成本，实现车载电子设备的大规模批量生产，并且能够达到IP67的防护安全级别，保证车载电子设备的防水防尘密封性能，使其能够在车体恶劣的工作环境中正常工作。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种具有防水密封结构的车载电子设备，其特征在于：

车载电子设备具有上壳体、下壳体、PCB板、输入输出接口插座、密封圈、螺钉,输入输出接口插座包括以对插方式连接的壳体密封连接件和板载插座连接件,上壳体为板状,下壳体为顶部开口的売状,内部是容纳槽,容纳槽内容纳PCB板,上、下壳体通过螺钉实现固定连接,板载插座连接件位于上、下壳体内且与PCB板焊接,壳体密封件位于上、下壳体外且 通过板载插座连接件与PCB板电连接；下壳体顶部四周开设有密封槽,上壳体完全覆盖容纳槽和密封槽,密封槽内设有有成型密封圈,

车载电子设备的上壳体与下壳体之间通过成型密封圈进行密封，成型密封圈的尺寸及密封槽的尺寸均通过计算得出，并按照公差补偿计算允许的制造公差；成型密封圈与密封槽的尺寸满足如下公式

式中，h是密封槽槽深，H为成型密封圈的厚度，由成型密封圈的生产工艺决定；c1为成型密封圈厚度H的制造公差；ε_min是成型密封圈预压紧量的最小值，ε_max是成型密封圈预压紧量的最大值；c2是密封槽槽深h的制造公差；

密封槽的槽宽b满足如下公式：b＝H×W/h；式中，W是成型密封圈的宽度，

h是密封槽槽深，H为成型密封圈的厚度。

2.根据权利要求1所述的具有防水密封结构的车载电子设备，其特征在于：成型密封圈的最小宽度为下壳体壁厚的三分之一。

3.根据权利要求1所述的具有防水密封结构的车载电子设备，其特征在于：上壳体与下壳体之间还通过n个螺钉紧固，螺钉的最小直径d按照如下公式计算：

式中，P为每个螺钉需要提供的拧紧力，[σ_S]是螺钉的屈服极限；

每个螺钉需要提供的拧紧力P按照如下公式计算：

P＝S×ε×Ep/n

式中，S是成型密封圈与上壳体的接触面积，ε是成型密封圈的压缩量，Ep是成型密封圈的弹性模量，n为螺钉的个数。

4.根据权利要求1所述的具有防水密封结构的车载电子设备，其特征在于：对于成型密封圈的压缩量ε，选取0.15≤ε≤0.35。

5.根据权利要求4所述的具有防水密封结构的车载电子设备，其特征在于：输入输出接口插座是分离式的，包括壳体密封连接件及板载插座连接件；所述板载插座连接件焊接于PCB板底部，所述壳体密封连接件固定连接在下壳体的底部；所述壳体密封连接件及所述板载插座连接件通过对插的方式连接。

6.根据权利要求5所述的具有防水密封结构的车载电子设备，其特征在于：板载插座连接件与PCB板之间采用表面贴装技术进行焊接。

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