张 毅，范贻潘，吴 岚

（中国劳动社会保障出版社有限公司，北京 100029）

0 引言

电子设备的机箱结构设计是电子设备设计中的一个重要组成部分，不仅包括机箱机械零部件的设计，还要进行抗振设计、散热设计、电磁兼容性设计以及三防设计等，为内部的各种功能器件、板卡提供稳定、可靠的支撑。因此，设计人员在设计电子设备的机箱结构时，需要综合考虑上述多方面的因素，并结合各自产品的实际需求与特点，选择最优的设计方案，以确保电子设备可以在复杂环境中可靠、稳定地运行。

电子设备在寿命周期（研制、生产、储存、运输和使用）的各个阶段，都会受到各种自然环境和工作环境的影响，产生环境效应，制约相关系统的运行效能。随着高科技电子产品的快速发展，电子设备抵抗外界环境干扰能力的强弱，直接影响系统的性能和功能，如何提高电子设备的抗恶劣环境能力是至关重要的，而结构机箱作为电子设备的载体，更是发挥着决定性的作用[1]。

1 抗振设计

复杂环境下的电子设备由于所处工作环境恶劣，在运输或工作过程中容易受到外界振动的干扰而影响设备的工作性能或使用寿命，需要在机箱结构设计时，充分考虑振动对电子设备各器件带来的不良影响，以及采取何种措施通过抗振设计提高设备的抗振性能，减轻或避免振动对设备的干扰，从而确保电子设备的可靠运行。

对于工作在复杂环境下的电子设备，各种机械力和干扰的存在都有可能影响电子设备的可靠、稳定运行，其中影响最大的是振动和冲击。造成的危害主要有以下两种：①电子设备在某一激振频率下产生振幅很大的共振，最终因振动加速度超过其所能承受的极限加速度而无法正常工作；或者由于外界冲击所产生的冲击力超过电子设备本身能承受的强度而失去稳定性。②电子设备材料在长时间振动或多次冲击作用下发生疲劳破坏，从而导致电子设备无法正常工作[2]。

上述危害主要表现为接插件从没有采取紧固措施的插槽中脱落，导致信号开路，并有可能触碰其他元器件或电路而导致短路或损坏；振动使弹性零件发生变形，从而使具有触点的元器件产生接触不良或开路现象；零件的固有频率等于激振频率时，产生共振现象，影响机箱内部的电气元器件；机箱内部的机械结构变形，脆性材料会发生断裂；机箱的防潮、密封的措施会受到损坏等[3]。

电子设备结构机箱的抗振设计主要包括机箱的隔振设计与功能板卡的抗振设计两个方面。

1.1 结构机箱的隔振设计

电子设备结构机箱的隔振设计大多数通过橡胶减振器和金属弹簧减振器实现。其中，橡胶减振器可以通过改变橡胶的内部构造，随意调整3 个相互垂直方向上的刚度；橡胶自身具有很大的阻尼，对于高频振动的能量吸收具有显著效果，能够在通过共振区时不产生过大的振幅；阻尼比随橡胶硬度的增大而增加；天然的橡胶易于受到环境条件的限制，当外界环境温度高于60℃时，其表面会产生裂纹并逐渐加深，并且耐油性差，对光、臭氧和酸等比较敏感，容易老化[4]。金属弹簧减振器的材料性能比较稳定，对外界环境条件的反应不敏感，可在油污、高低温等恶劣环境下工作，不易老化；动刚度和静刚度基本相同，不易产生蠕变；弹簧的设计与计算比较成熟，刚度可以通过准确制造加工来保证。

1.2 功能板卡的抗振设计

从功能板卡的理论模态分析中可以看出：功能板卡的第一阶固有频率普遍较低，当受到外界应力作用时，会产生很大的共振振幅；从共振型图谱中可以得出，距离安装固定点位置越近，振幅就越小；反之，距离安装固定点越远，板卡的模态振幅就越大。因此，功能板卡需要进行有针对性的、具有有效措施的抗振设计。大多数通过功能板卡与机箱的去谐、提高功能板卡的固有频率、等刚度机箱结构设计以及合理选材的方式来实现。

（1）功能板卡与机箱的去谐。按照倍频原则，功能板卡的固有频率应设计为结构机箱固有频率的1 倍以上或者低于1/2。但是如果功能板卡的固有频率非常低，其组成基板的弯曲强度就无法满足动态载荷的应力需求，因此，进行结构设计时需要使板卡的固有频率远高于机箱的固有频率，以避免板卡和结构机箱之间的谐振。

（2）提高功能板卡的固有频率。结构设计时，通常通过提高功能板卡的结构刚度和板卡的结构安装方式来实现，如在板上布置加强筋，增加紧固点，改变电路板尺寸，改用刚度密度比值大的材料，安装锁紧条等。

（3）为了避免在机箱内部产生共振，需要最大可能地将内部组件均匀地布置在机箱内部，以保证结构机箱受力均匀，减少局部谐振，避免对该位置的电气元器件造成破坏。

（4）在机箱结构设计时，相应的机械零部件应尽量选用高阻尼的结构材料，如铝、镁铝合金。

2 电磁兼容性设计

电磁兼容性设计的根本目的是保证电子设备不受外界电磁环境的干扰，增强设备抵抗外界电磁干扰的能力，使其能够在比较特殊的电磁环境下稳定、可靠地工作。电磁兼容性设计的主要方式是控制干扰源的产生和切换电磁波的传输途径。对于结构机箱而言，主要是通过安装电磁屏蔽材料、采用可靠连续接地和滤波等方式来实现[5]。

电磁屏蔽主要是指结构设计时采取的电磁屏蔽措施，即利用屏蔽材料的屏蔽效能减弱或者降低辐射干扰。在结构设计时，应综合考虑整机采取的电磁屏蔽方法、规划合理布局、接地、选择和安装屏蔽材料等，尽可能地将内部的电磁干扰器件单独布置，减小彼此之间的电磁干扰。在结构设计时需要从电路板的布局、线路设计、机箱内部线缆布置等多个方面进行考虑，主要包括以下6 个方面。

（1）机箱结构的主要材料为金属材料，不仅有足够的强度支撑电子设备，同时也具备抗电磁干扰能力，阻断外界电磁波进入机箱内，同时机箱内部产生的电磁波发射也会被阻断，不会影响其他电子设备，起到了阻断电磁波传播的作用。

（2）对于电子设备具有前面板操作、观察显示需求的，应将前面板的液晶屏安装具有屏蔽效能的屏蔽玻璃，同时利用导电良好的结构件将屏蔽玻璃的四周丝网与前面板进行紧密连接，保证两者之间导电的连续性。

（3）机箱箱体的电磁屏蔽通过接触区域防护、两者零部件的接触区域增加凹槽设计、在槽内安装金属编织丝网衬垫之类的屏蔽材料、在左右通风孔位置装配波导材料、合理规划设计紧固螺钉的间距等措施，提高箱体的电磁屏蔽性能。

（4）为了便于电子设备的检测与维修，进行结构设计时，顶盖要便于拆卸与安装，顶盖的材料应选用铝合金板材并进行导电氧化处理，同时为了实现顶盖与机箱的电连续性接触，需要在两者的接触表面粘粘铍青铜指形簧片。

（5）进行机箱内部屏蔽设计时，可以通过由金属制成的売、盒、板等屏蔽体，将内部电子器件发射的电磁波局限在某一区域的方法，即利用导电性良好的屏蔽体将元器件、功能板卡、电缆等的干扰源包起来，形成单独的密闭空间体，防止内部器件产生的电磁波向外传递，同时防止敏感器件受到外界电磁的干扰。

（6）电子设备机箱的接地设计，可以提高电子设备工作的稳定性。通过接地可以泄放由静电感应在机箱积累的电荷，避免电荷积累形成的高电压导致内部放电而造成干扰，并为设备提供安全保障。结构机箱可以通过机壳接地的形式，实现静电屏蔽和电磁屏蔽，一般包括悬浮地、单点接地、多点接地和混合接地的形式。

3 散热设计

散热设计面临的最主要问题是电子元器件集成度迅速提高带来的高热流密度与冷却技术之间的矛盾。机箱散热设计主要通过选择合适的冷却技术、电子元器件的合理布局、机箱内部气流的通道、风扇的选择、散热器的设计以及电气元器件接触热阻的控制等方式实现。

机箱结构散热方式的选择与内部电子元器件的发热量、允许热量、工作环境以及电子元器件的组装方式及布局相关。一般情况下，电子设备结构机箱的冷却方式分为自然冷却和强制冷却两种方式。

3.1 自然冷却

自然冷却是利用内部板卡之间的间隙以及机箱的热传导、对流和辐射来达到冷却的目的，受外界环境影响比较小，并且稳定可靠，但是需要根据发热量进行详细的热计算，合理设计机箱结构形式，从而通过机箱的热交换实现热量的平衡传递。结构机箱的作用是利用机箱的箱壁作为散热系统的冷板，将电气元器件或发热电路板的热量通过热导传递到箱壁冷板，再通过冷板与空气之间的对流换热进行热交换。

自然冷却形式的结构机箱需要进行导电氧化热处理，并在表面涂覆一层有机涂料以提高其辐射散热能力。同时，可以根据需要将机箱两侧壁加工成翅板散热器形状，这样可以在降低设备重量的同时，提高机箱整体的对外散热面积，便于与四周的冷空气进行热交换。

3.2 强制冷却

强制冷却分为空气冷却和液体冷却两种形式：空气冷却主要通过在结构机箱上安装合适的风机，促使电子设备的热量与外界大气之间的气流进行交换，以实现降低电子设备内部温度的目的；液体冷却是通过液体的流动实现热量传递与交换。两种方式均对机箱结构的设计提出了比较苛刻的要求。空气冷却通过选用价格低廉的风机实现，普遍用于电子设备的结构设计中。

（1）机箱结构设计时需要根据电子设备内部板卡的发热量和各种板卡的布局，合理规划内部的风道流通，避免出现“之”字形风道。

（2）机箱结构设计需要尽最大可能地减小内部功能板卡的风阻，需要根据内部器件的数量、外形尺寸及特征，结构机箱的进风口位置及面积，通过设计计算得出结构机箱出风口的位置、出风口的通风面积以及所需要的通风量。

（3）机箱结构设计所选用的风机设计时可以选择并联和串联的形式，并联可以增大机箱的通风量，串联可以提升机箱内外的风压。

（4）机箱结构设计在保证实现电子设备良好热设计的前提下，还需要综合考虑结构机箱的重量、电磁兼容性的完整性以及防霉菌、盐雾等因素。

4 三防设计

三防设计主要是坚持预防设计为主的原则，需要与电子设备的功能与性能、加工工艺同步进行，针对目前电子设备的高温、高湿、高盐雾和霉菌的各种实际使用环境，电子设备机箱结构设计时需要充分借鉴和利用成熟的防腐蚀、防盐雾、防霉菌的设计方法，开展三防设计，对各组成部分进行腐蚀控制，主要从防腐蚀结构设计、材料选择、表面处理及涂覆等方面进行。

4.1 防腐蚀结构设计

（1）结构设计时尽可能采用整体设计方法，以减少不同材料的结构件对表面防护层的破坏和腐蚀。

（2）结构设计时尽可能采取密封的结构形式，避免各种缝隙结构和搭接结构形式，如必须使用时，需要进行表面防护和缝隙处的密封处理。

（3）结构机箱内部避免出现应力的部分，降低应力腐蚀的可能性，同时需要在关键的位置设计便于检查和维修的空间。

（4）机箱的表面要尽可能光滑、连续，避免出现锐利边缘、拐角。

（5）某些电子设备的结构件的缝隙接触位置，可以通过采用密封胶密封的形式实现，即针对需要经常拆卸的操作位置，在接触面位置加装密封条。

4.2 材料选择

机箱结构材料选择时，需要根据电子设备的具体使用环境，从设备的重量、散热、机械强度、腐蚀防护等多个方面综合考虑，主要零件可以选用易于成型与加工的铝合金材料；对于载重件或摩擦件，应选择抗拉强度比较高的合金结构钢或不锈钢材料；弹簧件应选择具有良好腐蚀性能的不锈钢弹簧钢丝；内部强度要求不高的结构件优选非金属材料，比如陶瓷、云母板、绝缘膜、绝缘漆等。

4.3 表面处理及涂覆

选用的钢铁材料的金属件采用表面镀锌钝化、镀锌镍合金、镀硬铬等措施：选用的铝合金材料采用阳极氧化及化学氧化的处理方法；电子设备的结构机箱的零部件需要根据基体材料选择相应的底漆，并涂覆油漆，内部的电子元器件、印制板及机箱的接触部分区域需要涂敷三防漆或三防保护剂。

5 结语

复杂环境下的电子设备的机箱结构设计涉及各个方面，与电子设备所使用的具体环境紧密结合，在具体的设计应用中，应仔细分析电子设备的需求，给出影响等级的层次，综合考虑需求、经济性、可靠性等原则，从抗振设计、抗电磁干扰、散热设计、三防设计等方面，进行机箱结构设计的优化，并在实际应用中不断地迭代与创新，研制出性能优越、成本低廉的高可靠性的复杂环境下的结构机箱。