RU2216885C2

RU2216885C2 - Electronic unit

Info

Publication number: RU2216885C2
Application number: RU2001129646A
Authority: RU
Inventors: Л.А. Ростовцев; В.В. Забелин
Original assignee: Государственное унитарное предприятие "Конструкторское бюро приборостроения"
Priority date: 2001-11-01
Filing date: 2001-11-01
Publication date: 2003-11-20

Abstract

FIELD: electronic units for apparatuses liable to heavy mechanical impacts. SUBSTANCE: electronic unit liable to acceleration due to thrust of rocket engines and shots has package of printed-circuit boards carrying radio components and shields separating printed-circuit boards and joined to them by means of fastening frames and rods; shields are made in the form of arches pre-stressed in direction opposing that of overload action, arches with central bore and seats made on convex surfaces of arches and meant to mount radio components set on adhesive. Radial slots and central bore coaxial to that of arches are made in boards between rods. Fastening frame is provided with bushing disposed in central bore of arches and boards. EFFECT: enhanced operating reliability at overloads; reduced mass. 1 cl, 2 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к конструкциям радиоэлектронных блоков, которые могут использоваться в аппаратуре, подвергающейся значительному механическому воздействию. Это удары, вибрация на сухопутном транспорте, судах, в самолетах и управляемых ракетах, а также удары в результате грубого обращения при перевозках. The present invention relates to designs of electronic blocks that can be used in equipment subjected to significant mechanical stress. These are shock, vibration in land transport, ships, in airplanes and guided missiles, as well as shock resulting from rough handling during transportation.

Особенно велики нагрузки в виде пикового толчка, возникающие при выстреле, когда за несколько миллисекунд величина ускорения достигает порядка нескольких тысяч и каждый грамм радиоэлектронного блока воздействует на элементы конструкции десятками килограммов, что вызывает механические напряжения, которые выводят из строя детали радиоэлектронного блока и нарушают монтаж радиоэлементов. Particularly high loads in the form of a peak jolt occurring during a shot when, in a few milliseconds, the acceleration reaches about several thousand and each gram of the electronic block affects tens of kilograms of structural elements, which causes mechanical stresses that damage the parts of the electronic block and disrupt the installation of radioelements .

Поэтому радиоэлектронный блок должен быть прочный, виброустойчивый, с надежным монтажом и в то же время легковесный. Однако эти технические требования противоречивы между собой и нахождение компромиссного решения является актуальной задачей. Therefore, the electronic unit must be durable, vibration-proof, with reliable installation and at the same time lightweight. However, these technical requirements are contradictory and finding a compromise solution is an urgent task.

Известна конструкция электронного блока [1], состоящего из пакета печатных плат. Эти платы располагаются параллельно друг другу, на фиксированном расстоянии при помощи полых распорных втулок, сквозь которые проходят винты, стягивающие весь пакет плат в единый блок. The known design of the electronic unit [1], consisting of a package of printed circuit boards. These boards are located parallel to each other, at a fixed distance with the help of hollow spacers, through which screws pass, tightening the entire package of boards into a single unit.

Крайняя нижняя плата пакета имеет концевые втулки с резьбой для стягивающих винтов, крепящих весь пакет плат в месте установки. Вдоль одной (предпочтительно продольной) кромки к каждой печатной плате снизу прикрепляется профильная деталь из электроизоляционного материала, служащая одновременно распорной деталью между платами и для закрепления гибкого плоского кабеля, соединяющего между собой все платы. Кроме того, у концов этих же кромок плат устанавливаются ленточные U-образные пружины, при помощи которых, предварительно сняв винты, стягивающие пакет, можно весь пакет раскрыть подобно книге и получить хороший доступ к каждой плате. The bottommost board of the package has threaded end sleeves for tightening screws securing the entire package of boards at the installation site. Along one (preferably longitudinal) edge, a profile piece of electrical insulation material is attached to the bottom of each printed circuit board, which serves as a spacer between the boards and for fixing a flexible flat cable connecting all the boards. In addition, tape U-shaped springs are installed at the ends of the same edges of the boards, with which, having previously removed the screws tightening the package, you can open the entire package like a book and get good access to each board.

Недостаток конструкции состоит в том, что электронный блок не обладает прочностью, виброустойчивостью и надежностью монтажа при воздействии значительных перегрузок, которые приводят к прогибу плат, растрескиванию ее диэлектрической подложки и обрыву печатных токопроводников, так как платы опираются локальной плоскостью на отдельные втулки и не закрепляется вся плоскость плат. А зазор между платами, определяемый втулками, позволяет в нем им вибрировать вместе с радиоэлементами. Также не обеспечивает жесткость плат и профильная деталь, так как закрепляет их только вдоль продольной кромки, а не по всей плоскости плат. Кроме того, наличие U-образных пружин увеличивает массу блока, что при больших перегрузках дополнительно создает механические нагрузки на конструкцию блока. The design drawback is that the electronic unit does not have the strength, vibration resistance and reliability of installation when exposed to significant overloads that lead to the deflection of the circuit boards, cracking of its dielectric substrate and the breakage of printed current conductors, since the circuit boards are supported by a local plane on separate bushings and the whole is not fixed board plane. And the gap between the boards, determined by the bushings, allows them to vibrate in it along with the radio elements. Also, the rigidity of the boards and the profile part does not provide, since it fixes them only along the longitudinal edge, and not along the entire plane of the boards. In addition, the presence of U-shaped springs increases the mass of the block, which at large overloads additionally creates mechanical stresses on the design of the block.

Известен также блок в виде пакета печатных плат с заданными промежутками между ними [2]. Also known block in the form of a package of printed circuit boards with predetermined gaps between them [2].

Конструкция этого блока позволяет упростить операции контроля, ремонта и настройки радиоэлектронной аппаратуры и более полно использовать площадь печатных плат за счет отказа от традиционно используемых электрических разъемов. В состав блока входят по крайней мере две печатные платы с односторонним монтажом радиодеталей на них. По одному краю печатной платы в проводниках, соединяемых с другими печатными платами, сверлятся отверстия. Печатные платы набираются в пакет с совмещением указанных отверстий, в которые вставляются упругие проводники, например из фосфористой бронзы. Проводники пайкой соединяются с соответствующими печатными проводниками печатной платы с сохранением заданного расстояния между печатными платами. Противоположный край печатной платы крепится в пазах рамки с таким же расстоянием между ними. The design of this unit allows to simplify the operations of monitoring, repair and tuning of electronic equipment and more fully use the area of printed circuit boards due to the rejection of traditionally used electrical connectors. The unit includes at least two printed circuit boards with one-sided mounting of radio components on them. Holes are drilled along one edge of a printed circuit board in conductors connected to other printed circuit boards. Printed circuit boards are typed in a package with a combination of these holes, into which elastic conductors, for example of phosphor bronze, are inserted. Soldered conductors are connected to the corresponding printed conductors of the printed circuit board while maintaining a predetermined distance between the printed circuit boards. The opposite edge of the circuit board is mounted in the grooves of the frame with the same distance between them.

Недостатком конструкции является невозможность использования ее при перегрузках, так как расстояние между платами определяется проводниками, которые механически недостаточно закрепляют платы из-за своих упругих свойств. Кроме того, отсутствие жесткого крепления плат в их центральной части снижает собственную резонансную частоту блока, а следовательно, и способность выдерживать вибрационные нагрузки, так как резко возрастает амплитуда колебаний плат, которая разрушает платы и повреждает монтаж. The disadvantage of the design is the impossibility of using it in case of overload, since the distance between the boards is determined by conductors that do not mechanically fasten the boards due to their elastic properties. In addition, the absence of rigid mounting of the boards in their central part reduces the unit's own resonant frequency, and therefore the ability to withstand vibration loads, since the amplitude of the board oscillations increases sharply, which destroys the boards and damages the installation.

Дополнительно следует отметить, что современная малогабаритная аппаратура, как правило, сложна, потому что выполняет многочисленные функции и состоит из большого числа плотно размещенных радиоэлементов на печатных платах. In addition, it should be noted that modern small-sized equipment, as a rule, is complex, because it performs numerous functions and consists of a large number of tightly placed radio elements on printed circuit boards.

Поэтому даже покрытие блока заливочной смолой не дает желаемых результатов, так как увеличивается масса блока из-за слоя смолы над корпусами радиоэлементов. Кроме того, плотное расположение радиоэлементов и печатных плат ведет к нeзаполнению (непроливу) смолой всего объема блока, образуются раковины внутри блока, в которых радиоэлементы, особенно малогабаритные, оказываются незакрепленными смолой и не сохраняется их надежность монтажа при воздействии больших перегрузок. Therefore, even coating the block with casting resin does not give the desired results, since the mass of the block increases due to the resin layer above the radioelement housings. In addition, the dense arrangement of radioelements and printed circuit boards leads to non-filling (non-spilling) of resin throughout the block volume, shells are formed inside the block, in which radioelements, especially small ones, turn out to be loose resin and their installation reliability is not preserved under the influence of large overloads.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемому радиоэлектронному блоку является конструкция блока, которая основана на способе защиты элементов печатных плат от механических повреждений [3] , содержащая пакет большого числа печатных плат, в котором платы разделены щитами или пластинами из вспененных полимерных материалов, выполняющих защитные функции. Одна из сторон пластины обращена к печатной плате и имеет форму, повторяющую объемную конфигурацию платы. Плата и защитная пластина удерживаются обрамляющим креплением. В печатных платах и защитных пластинах предусмотрены отверстия для установки крепящих стягивающих стержней. The closest in technical essence and the achieved effect to the proposed electronic block is the block design, which is based on the method of protecting printed circuit elements from mechanical damage [3], containing a package of a large number of printed circuit boards, in which the boards are separated by shields or plates made of foamed polymeric materials, performing protective functions. One of the sides of the plate faces the printed circuit board and has a shape that repeats the volumetric configuration of the board. The circuit board and the protective plate are held by a framing mount. The printed circuit boards and protective plates are provided with holes for mounting the fastening pull rods.

Достоинство конструкции заключается в том, что каждая плата в пакете опирается всей плоскостью на щиты и по сравнению с аналогами обладает большей прочностью. Однако применение данной конструкции пакета печатных плат в изделиях с радиоэлектронными блоками, стартующих с помощью вышибного заряда, когда ускорения достигают величин порядка 9000-10000 g не представляется возможным из-за разрушения плат вместе с щитами между стержней и особенно в центральной части, где действует максимальный изгибающий момент от возрастающей пиковой скорости, так как велика эффективная площадь плоских плат и пластин, на которые перпендикулярно действует сила удара. При таких огромных перегрузках полимерные плоские щиты (пластины) не защищают печатные платы, так как имеют малую жесткость. А применение щитов большей толщины или изготовленных из металла резко увеличивает массу блока и, кроме того, приводит к возрастанию нагрузки на отдельные печатные платы пакета, а также на обрамляющее крепление и стягивающие стержни, вызывая в них перенапряженное состояние и поломку, которая нарушит электрическую связь. Т.е. чем больше масса блока, тем больший удар и механические напряжения испытывают его отдельные элементы и, как показывают испытания, в момент наивысшей нагрузки даже жесткая конструкция пакета печатных плат имеет прогиб, что дополнительно вносит знакопеременную нагрузку и приводит к понижению надежности монтажа отдельных элементов и блока в целом. При расположении печатных плат и щитов вдоль осевой нагрузки сохраняются от разрушения печатные платы, но при этом происходит обрыв радиоэлементов из-за наличия зазоров между защитной пластиной и объемной конфигурацией платы и работе выводов радиоэлементов на срез. The advantage of the design is that each board in the package is supported by the entire plane on the boards and, in comparison with analogs, has greater strength. However, the use of this design of a package of printed circuit boards in products with electronic blocks starting with a knockout charge when accelerations reach values of the order of 9000-10000 g is not possible due to the destruction of the boards together with shields between the rods and especially in the central part where the maximum bending moment from increasing peak speed, since the effective area of flat boards and plates, which are impacted perpendicularly, is large. With such huge overloads, polymer flat boards (plates) do not protect printed circuit boards, as they have low rigidity. And the use of shields of greater thickness or made of metal dramatically increases the mass of the block and, in addition, leads to an increase in the load on individual printed circuit boards of the package, as well as on the framing fastening and tightening rods, causing them an overstressed state and breakage that will interrupt electrical communication. Those. the greater the mass of the block, the greater the impact and mechanical stresses of its individual elements and, as the tests show, even at the moment of the highest load, the rigid structure of the package of printed circuit boards has a deflection, which additionally introduces an alternating load and reduces the reliability of installation of individual elements and the block in whole. When the printed circuit boards and boards are positioned along the axial load, the printed circuit boards are preserved from destruction, but at the same time, the radioelements break due to the presence of gaps between the protective plate and the three-dimensional configuration of the circuit board and the operation of the radioelement leads to cut.

Таким образом, как показывает анализ известных технических решений, реализация их в изделиях, стартующих с большими перегрузками, не представляется возможной из-за пониженной надежности монтажа или большой массы. Thus, as the analysis of known technical solutions shows, their implementation in products starting with large overloads is not possible due to the reduced reliability of installation or large mass.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение надежности работы радиоэлектронного блока при перегрузках с одновременным уменьшением массы. The objective of the invention is to increase the reliability of the electronic unit during overloads while reducing weight.

Поставленная задача достигается тем, что в радиоэлектронном блоке, содержащем пакет печатных плат с радиоэлементами, щиты, разделяющие печатные платы и соединенные с ними посредством обрамляющего крепления и стержней, новым является то, что щиты выполнены в виде предварительно напряженных в направлении, противоположном действию перегрузок, арок с центральным отверстием и гнездами, выполненными на выпуклых поверхностях арок и предназначенных для установки в них с клеем корпусов радиоэлементов. Причем в платах между стержнями выполнены радиальные пазы и центральное отверстие, соосное отверстию в арках. А обрамляющее крепление снабжено втулкой, размещенной в центральном отверстии арок и плат. The task is achieved in that in a radio-electronic unit containing a package of printed circuit boards with radio elements, the boards separating the printed circuit boards and connected to them by means of framing fasteners and rods, new is that the boards are made in the form of prestressed in the opposite direction to the overload, arches with a central hole and nests made on the convex surfaces of the arches and intended for installation of radioelement housings in them with glue. Moreover, in the boards between the rods made radial grooves and a Central hole, coaxial to the hole in the arches. And the framing mount is equipped with a sleeve located in the central hole of the arches and boards.

С помощью подтягивания втулки создается усилие, действующее на арки щитов в сторону увеличения их прогиба, а при действии вышибного заряда (перегрузки) его величина уменьшается на усилие поджатия арок щитов, тем самым повышается надежность работы радиоэлектронного блока. Кроме того, втулка выбирает зазоры между щитами, образованные величинами допусков при их изготовлении, и не увеличивает массу блока, так как исключен материал щитов и плат из центральной части блока, но за счет создания разности усилий позволяет уменьшить толщину щитов, а следовательно, уменьшить массу блока. By pulling the sleeve, a force is created that acts on the shield arches in the direction of increasing their deflection, and under the action of an expelling charge (overload), its value decreases by the force of pressing the shield arches, thereby increasing the reliability of the electronic unit. In addition, the sleeve selects the gaps between the shields formed by the tolerance values during their manufacture, and does not increase the mass of the block, since the material of the shields and boards is excluded from the central part of the block, but due to the creation of a difference in forces, it allows to reduce the thickness of the shields, and therefore, to reduce the mass block.

При воздействии перегрузки зацементированные клеем радиоэлементы в выполненых гнездах щитов обеспечивают повышение надежности и несколько снижают массу блока. А пазы позволяют между стержнями "дышать" печатным платам в ослабленных местах, когда действует как прямая, так и обратная нагрузка, чем защищаются места паек и токопроводников от повреждений и, кроме того, уменьшают массу радиоэлектронного блока. Under the influence of overload, the radioelements cemented by glue in the made nests of the panels provide increased reliability and slightly reduce the mass of the unit. And the grooves allow the PCBs to “breathe” between the rods in weakened places, when both direct and reverse loads act, which protects the rations and conductors from damage and, in addition, reduces the weight of the electronic unit.

На фиг.1 изображен общий вид конструкции описываемого радиоэлектронного блока; на фиг.2 - сечение по А-А на фиг.1,
где 1 - обрамляющее крепление, 2 - стержень, 3 - гнездо, 4 - шит, 5 - печатная плата, 6 - корпус радиоэлемента, 7 - клей, 8 - вывод радиоэлемента, 9 - припой, 10 - центральное отверстие, 11 - втулка, 12 - паз радиальный, 13 - токопроводники, 14 - жгут.Figure 1 shows a General view of the structure of the described electronic unit; figure 2 is a section along aa in figure 1,
where 1 is the framing mount, 2 is the rod, 3 is the socket, 4 is the shield, 5 is the printed circuit board, 6 is the radioelement body, 7 is the adhesive, 8 is the output of the radioelement, 9 is solder, 10 is the central hole, 11 is the sleeve, 12 - radial groove, 13 - conductors, 14 - harness.

Предлагаемая конструкция радиоэлектронного блока выполнена следующим образом. The proposed design of the electronic unit is as follows.

Гибкие печатные платы 5 наклеиваются на вогнутые поверхности выполненных в виде арок щитов 4. На выпуклых поверхностях щитов 4, направленных в противоположную сторону действия перегрузки, сформованы гнезда 3, в которых размещены корпуса радиоэлементов 6 и их выводы 8. Корпуса радиоэлементов 6 закреплены в гнездах 3 клеем 7, а выводы 8 припоем 9 к платам 5. Щиты 4 с платами 5 и радиоэлементами собраны в пакет и скреплены по краям стержнями 2 и обрамляющим креплением 1. В центре обрамляющего крепления 1 установлена втулка 11, которая введена в центральное отверстие 10, выполненное в щитах 4 и платах 5. Стержни 2 и втулка 11 жестко закрепляют щиты 4 с платами 5 в обрамляющем креплении 1, причем с обеспечением предварительного напряжения. В момент действия ускорения нагрузку воспринимает втулка 11, а при обратной перегрузке, которая соответствует примерно 1/13 величины прямой, - стержни 2. Предварительно в печатных платах 5, между стержнями 2, выполнены радиальные пазы 12 и от оси блока, которые могут быть как сквозные, так и прерывистые в зависимости от массы радиоэлементов и щитов 4. Электрическая связь между платами 5 может осуществляться как жгутом 14, так и выводами 8. Flexible printed circuit boards 5 are glued to the concave surfaces of the shields made in the form of arches 4. On the convex surfaces of the shields 4, directed in the opposite direction of the overload action, nests 3 are formed, in which the housings of the radio elements 6 and their conclusions are placed 8. The cases of the radio elements 6 are fixed in the sockets 3 glue 7, and leads 8 with solder 9 to the boards 5. The shields 4 with the boards 5 and radioelements are assembled in a bag and fastened around the edges with rods 2 and a framing fastener 1. A sleeve 11 is installed in the center of the framing fastener 1, which is inserted into the center the second hole 10, made in the shields 4 and the boards 5. The rods 2 and the sleeve 11 rigidly fasten the shields 4 with the boards 5 in the framing mount 1, and with pre-stressing. At the moment of acceleration, the load is absorbed by the sleeve 11, and with reverse overload, which corresponds to approximately 1/13 of the direct value, the rods 2. Previously, in the printed circuit boards 5, between the rods 2, radial grooves 12 are made and from the axis of the block, which can be either end-to-end and intermittent depending on the mass of radioelements and shields 4. Electrical connection between the boards 5 can be carried out by either a bundle 14 or terminals 8.

Предложенная конструкция радиоэлектронного блока отличается от прототипа
- повышенной надежностью работы, так как напряженные арки (щиты) снижают амплитуду прогиба из-за уменьшенного результирующего момента, который представляет разность между изгибающим моментом от перегрузки и обратным моментом затяжки щитов втулкой, что противодействует разрушению щитов и радиоэлементов.The proposed design of the electronic unit is different from the prototype
- increased reliability, since tense arches (shields) reduce the amplitude of deflection due to the reduced resulting moment, which is the difference between the bending moment from overload and the reverse torque of tightening the shields with a sleeve, which counteracts the destruction of shields and radioelements.

Кроме того, часть давления от перегрузки идет на сжатие выпуклых щитов, чем снижается усилие с печатных плат, паек и токопроводников, а выпуклая поверхность щитов совместно с гнездами позволяет расположить разногабаритные радиоэлементы так, чтобы перегрузка действовала на минимальную площадь их корпусов. Кроме того, надежность работы увеличивают и радиальные пазы, выполненные в печатных платах, поскольку между элементами крепления больше деформируются щиты c платами, а пазы разгружают монтаж в ослабленных местах (между стержнями);
- малой массой из-за гнезд, выполненных в щитах. Кроме того, предварительная затяжка щитов с платами в противоположном направлении действия перегрузок и их форма в виде арок также позволяют уменьшить толщину щитов.In addition, part of the pressure from the overload goes to compressing the convex shields, which reduces the force from printed circuit boards, solders and conductors, and the convex surface of the shields together with the sockets allows you to arrange multiple radio elements so that the overload acts on the minimum area of their enclosures. In addition, the radial grooves made in the printed circuit boards increase the reliability of the operation, since the shields with the boards are more deformed between the fastening elements, and the grooves unload the installation in weakened places (between the rods);
- low weight due to nests made in shields. In addition, the preliminary tightening of shields with boards in the opposite direction of the overload and their shape in the form of arches also reduce the thickness of the shields.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Патент США 3376479, Н.Кл. 317-101 от 30.04.65 г., аналог.SOURCES OF INFORMATION
1. US patent 3376479, N. Cl. 317-101 from 04/30/65, analogue.

2. Патент Японии 54-43181, Н.Кл. 59 G-40 (H 05 K 1/04) от 21.07.71 г., аналог. 2. Japanese Patent 54-43181, N. Cl. 59 G-40 (H 05 K 1/04) from 07/21/71, analog.

3. Патент Англии 1458965, Н.Кл. В 5 А (В 29 Д 27/04) от 20.12.72 г., прототип. 3. England patent 1458965, N. Cl. 5 A (B 29 D 27/04) dated 12/20/72, prototype.

Claims

An electronic unit containing a package of printed circuit boards with radio elements, boards separating printed circuit boards and connected to them by means of a framing fastener and rods, characterized in that the boards are made in the form of prestressed in the opposite direction to the overloads, arches with a central hole and sockets made on convex surfaces of arches and intended for installation in them with glue of the housings of radioelements, moreover, in the boards between the rods there are made radial grooves and a central hole, with osnoe with a hole in the arches and is provided with a framing fixture bushing placed in the central opening of arches and boards.