復合導電橡膠在便攜式電子設備中的應用研究

趙奎

摘 要 自組網通信設備在戶外使用，需要進行密封設計。復合導電橡膠具有耐腐蝕功能，且適用于大范圍的EMI，成為密封材料的首選。在設計過程中，首先選取合適的橡膠相對變形量范圍，確定安裝溝槽尺寸、公差、橡膠墊應力以及螺釘數量，其次利用ANSYS軟件對設備外殼翹曲變形進行分析與優(yōu)化，最終確定合適的法蘭邊厚度與螺釘間距。

關鍵詞 密封設計;溝槽設計;螺釘間距;ANSYS分析;翹曲變形

引言

自組網通信設備是一款便攜式電子設備，需要在戶外工作，復合導電橡膠墊內側為鍍銀導電橡膠，提供EMI屏蔽，外側為硅橡膠，具有超強的耐鹽霧腐蝕功能[1]。

在以往設計中，設備殼體往往假設為剛體，但便攜式設備要求體積小，重量輕，最大限度的去除材料，殼體不能作為剛體考慮，需要分析殼體的翹曲變形對密封性能的影響，確定合適的法蘭邊厚度與螺釘間距。

作為工程設計，設計過程中不能忽略公差，而且要根據實際加工能力與成本選取合適的公差值。

1密封墊溝槽設計

橡膠墊片密封設計重點是控制橡膠墊的相對變形量ε，一方面保證接觸面有足夠的壓力，另一方面防止過度形變，導致橡膠失效。導電橡膠截面形狀不同，ε值也不同。選用的復合導電橡膠，供應商推薦值為13%，文獻推薦值為20%～30%，考慮到設備的使用性，選擇ε在18%～25%之間。

復合導電橡膠墊（簡稱密封墊）截面為矩形雙峰形狀，高度h=3.2±0.05mm，寬度b=3±0.05mm，截面積S=，密封墊安裝后外形近似矩形，尺寸為L×B，結構尺寸圖如圖1所示。

密封墊高h=3.2mm，壓縮率18%<ε<25%，考慮公差，溝槽深度H為：

得：2.4375≤H≤2.533，取H=2.45mm。

考慮到密封墊預拉伸因素[2]，尺寸B與L分別取B=252mm，L=247mm。

橡膠受預拉伸后，體積不變，長度變長，截面積變小為，預拉伸后，密封墊最小高度：

k為密封墊前后長度比值，為0.94。預拉伸后，密封墊最小壓縮率為：

ε=（h′-Hmax）/ h′=20.38%>18%，滿足密封最小壓縮率要求。

考慮密封圈的溶脹等因素，寬度d為：

考慮到加工等因素，取值d=mm。

2密封墊應力及螺釘數量計算

作為單向變形的密封墊，其應力計算采用巴爾涅夫-哈扎諾維奇方程[5]。

方程中需要知道橡膠的彈性模量E。在實際應用中，應將彈性模量E以表觀彈性模量Ea代替。Ea是其幾何形狀和硬度的函數[4]，本例中：

形狀系數S=b/2h，其中b=3mm ，h=3.2mm

代入得：Ea=4.569×G

切變模量G主要與橡膠硬度HA有關。密封墊HA=62，代入下式計算[3]。

設蓋板有n個M3×10螺釘，性能等級為A2-50，則單個螺釘受力為：F1=F÷n

在實際應用中，螺釘還受預緊力F2的作用。預緊力一般取值為0.2F1～0.6F1，本次取值0.6F1，單個螺釘所受到的合力ΣF=F1+ F2=8088.96/n

查國標[6]得螺釘屈服強度σs=450MPa，應力截面積As=5.03mm2，取1.5安全系數：

解不等式得螺釘數量為：n≥5.36。

考慮到設備整體的對稱性及螺釘間距的均勻性，取值n=8。

3蓋板翹曲分析

設外殼翹曲量為δt，密封墊變形量為：

因此，設備殼體和蓋板的翹曲量之和要小于0.0748mm。

利用ANSYS進行變形分析。殼體與蓋板的材料均為5A05-H112，螺釘數量8個，螺釘間距129mm，結果如下圖所示。圖1顯示設備殼體溝槽處變形，最大變形量0.039mm。

圖2所示為蓋板變形圖，最大變形量為0.10964mm，超出設計范圍。

針對蓋板變形有兩種思路，一是增加蓋板法蘭邊厚度，二是增加螺釘，減小螺釘間距。法蘭邊厚度與蓋板變形關聯表格如下：

從表1可知，法蘭邊需加厚至9mm，變形量才能勉強達到要求，而重量增加0.15kg，且設備體積也有所增加，不符合整體設計思路[7]。

方案二：如圖3所示，螺釘數量增加至12個后，螺釘間距86mm，蓋板最大變形量為0.032mm，整體翹曲量δt =0.051mm，則密封墊相對變形量為ε=18.7%，符合設計要求，最終采用此方案。

4結束語

自組網通信設備采用以上結構設計，依據GJB367A-2001《軍用通信設備通用規(guī)范》附錄A“A06淋雨試驗”進行試驗，在降雨速度為10cm/h，水平風速為18m/s，每面持續(xù)時間30min的條件下，產品未發(fā)現任何滲水現象，滿足國軍標要求。

參考文獻

[1] 馬建章，高馳名.導電橡膠在電子設備密封設計中的應用[J].無線電工程，2015（6）：78-81.

[2] 阮健.手持式野戰(zhàn)通信設備外接電池供電密封設計[J].電子機械工程，2011（4）：21-23.

[3] 戶原春彥.防振橡膠及其應用[M].北京：中國鐵道出版社，1982：63.

[4] 吳宗澤.機械零件設計手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社2004：117.

[5] 周到，史敏，王磊，等.空氣源熱泵熱水機組壓縮機矩形橡膠圈的有限元分析[J].機械設計與制造，2009（6）：144-146.

[6] 緊固件機械性能—不銹鋼螺栓、螺釘和螺柱：GB/T3098.6-2014[S].北京：中國標準出版社，2014.

[7] 軍用通信設備通用規(guī)范：GJB367A-2001[S].北京：中國標準出版社，2001.