СОДЕРЖАНИЕ
Введение
1. АНАЛИЗ ТЕХНИЧЕСКОГО ЗАДАНИЯ
2. ОБЗОР АНАЛОГИЧНЫХ КОНСТРУКЦИЙ И ВЫБОР НАПРАВЛЕНИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
3. РАСЧЕТ КНОПКИ
3.1 Выбор материала для контактов
3.2 Электрический и конструктивный расчет кнопки
3.2.1 Определение контактного усилия и переходного сопротивления
3.2.2 Определение температуры локального перегрева
Заключение
ВВЕДЕНИЕ
Повышение качества выпускаемой продукции, снижение затрат на её производство, повышение срока службы и надёжности выпускаемых изделий, рациональное использование материалов, дальнейшее развитие унификации и нормализации являются основными задачами современной радиоэлектронной промышленности. Это тесно связано с повышением качественных показателей составляющих их электрорадиоэлементов (ЭРЭ). Поэтому вопросы проектирования и рационального использования этих элементов очень важны для разработчиков радиоэлектронной аппаратуры.
Практически все исполнительные системы, в том числе и радиоэлектронные, содержат различные элементы коммутации. Их функциональные возможности обусловили широкое применение таких элементов в системах: автоматики и телемеханики; сигнализации; контроля и защиты; распределения электрической энергии; коммутации линий связи и передачи информации; резервирования и сопряжение устройств, работающих на различных принципах действия или энергетических уровнях; дистанционного управления исполнительными устройствами, а так же в системах ручного управления электронных аппаратов (ЭА). С ростом уровня автоматизации и функциональным усложнением ЭА непрерывно возрастает число применяемых коммутационных устройств и возрастает ответственность выполняемых ими функций.
Разнообразие требований, возникающих в процессе проектирования современных ЭА, привело к появлению большого числа разновидностей коммутационных устройств, различающихся по назначению, принципу действия, конструктивному исполнению, схемотехническим параметрам и другим признакам, определяющим их технические возможности и область применения. Развитие каждой разновидности коммутационных устройств отражает непрерывное повышение требований к их эксплуатационным и функциональным параметрам. Общие требования сводятся к снижению энергии, используемой для управления, увеличению быстродействия, улучшению качества коммутации (недопустимость вибрации контактов, формирование импульсов с крутыми фронтом и срезом и т.п.), повышению надёжности, обеспечению конструктивно-параметрической совместимости с другими элементами ЭА.
Данный курсовой проект посвящен разработке кнопки, которая предназначена для коммутации электрических цепей постоянного и переменного тока низкой частоты. В ходе выполнения проекта на основе анализа требований технического задания, обзора аналогичных конструкций сформулированы дополнительные требования к будущему изделию и произведен выбор направления проектирования. Произведен расчет кнопки, выполнена эскизная проработка ее элементов и разработана общая конструкция изделия. Все принятые конструкторские решения подкреплены соответствующими расчетами.
1. АНАЛИЗ ТЕХНИЧЕСКОГО ЗАДАНИЯ
Кнопка предназначена для коммутации электрических цепей постоянного и переменного тока низкой частоты в стационарных электронных аппаратах и относится к коммутационным устройствам ручного управления.
Согласно техническому заданию кнопка должна обеспечивать замыкание при следующих характеристиках:
коммутируемое напряжение до 30 В;
коммутируемый ток до 4 А;
количество цепей 2.
Исходя из этих параметров, нужно обеспечить надёжную изоляцию между контактными парами, а также корпусом.
Кнопка предназначена для эксплуатации в различной аппаратуре, то есть в помещениях и на открытом пространстве. Климатическое исполнение кнопки должно соответствовать категории УХЛ 4.2 ГОСТ 15150-69, что предполагает следующие нормы воздействий [1]:
— воздействия температуры:
1) предельное верхнее значение+40°С;
2) верхнее значение+35°С;
3) среднее значение+20°С;
4) нижнее значение+10°С;
5) предельное нижнее значение+1°С.
— воздействия относительной влажности при +20°С:98%,
— атмосферное давление воздуха окружающей среды: 86-104 кПа.
Данные условия эксплуатации не предусматривают необходимости в особых конструктивных мерах по защите изделия от воздействий факторов внешней среды.
Габариты и масса разрабатываемой кнопки должны быть незначительные, что обусловлено не большими рабочими значениями коммутируемых токов и рабочих напряжений.
Запланированная программа выпуска 5000 шт. в год обусловливает изготовление кнопки в условиях мелкосерийного производства. При этом ее конструкция должна быть не сложной, выполнена с учетом типовых технологических операций и при ее изготовлении должен быть использован распространенный сортамент конструкционных материалов [2].Также необходимо обеспечить минимальную стоимость изделия.
Таким образом использование при производстве кнопки операций типового технологического процесса изготовления призвано увеличить экономический эффект и снизить себестоимость производства.
2. ОБЗОР АНАЛОГИЧНЫХ КОНСТРУКЦИЙ И ВЫБОР НАПРАВЛЕНИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
Рассмотрим общие тенденции развития и существующие конструктивные решения относительно коммутационных устройств с ручным управлением.
Коммутационные устройства ручного управления предназначены для коммутации электрических цепей с помощью ручного привода. В зависимости от способа управления приводным механизмом они подразделяются на следующие группы [2]:
— нажимные (кнопочные);
— перекидные (тумблеры);
— поворотные (галетные и барабанные);
— движковые.
Каждый из способов управления имеет свои преимущества и недостатки. Например, с точки зрения оперативности (быстродействия) и удобства работы оператора предпочтение отдаётся нажимному способу управления. Однако при этом способе управления усложняются устройства надёжной фиксации кнопок в определённых положениях. В настоящее время более или менее чёткая фиксация обеспечивается не более чем в двух положениях, что является недостатком нажимного управления. Кроме того, для индикации фиксированного положения кнопок нужны специальные индикаторы и защита от случайного нажатия.
При перекидном способе управления в тумблерах обеспечивается более надёжная фиксация положения приводного механизма, а индикация состояния определяется положением рычага. Недостатками перекидного способа являются значительные усилия на рычаг для перевода тумблера из одного положения в другое, а также малое число положений (полюсов) при переключении (не более трёх).
Наибольшая многополюсность (множество положений) реализуется при поворотном способе управления. Благодаря особенностям конструкции в поворотных переключателях обеспечивается малое и стабильное сопротивление контактов.
При движковом способе управления надёжная фиксация переключателя обеспечивается в двух положениях. Применяются движковые переключатели в аппаратуре, у которой выступающая часть приводного механизма должна быть малой.
Коммутационные устройства ручного управления бывают, как мгновенного действия, когда скорость их перехода из одного состояния в другое практически не зависит от скорости перемещения привода, так и обычного. К коммутационным устройствам мгновенного действия относятся кнопки и микротумблеры на базе микропереключателей.
В зависимости от степени защищённости от факторов окружающей среды коммутационные устройства ручного управления бывают:
— пылебрызгозащищенные;
— герметические;
— с применением герконов и др.
Для нормальных условий эксплуатации применяются обычные конструктивные меры обеспечения работоспособности.
Коммутационные устройства ручного управления в зависимости от рабочей частоты подразделяются на:
— низкочастотные;
— высокочастотные.
Рабочая частота определяет номенклатуру материалов, использующихся для изготовления переключателей, зазоры и размещение токоведущих элементов в конструкции.
К основным, контролируемым при проектировании, параметрам коммутационных устройств ручного управления относятся [3]:
усилие или момент переключения;
число положений переключения;
способ фиксации;
диапазон коммутируемых напряжений;
диапазон коммутируемых токов;
максимальная коммутируемая мощность;
сопротивление электрических контактов;
максимальное число переключений;
сопротивление изоляции;
электрическая прочность изоляции;
ёмкость между соседними контактами;
диапазон окружающей температуры;
диапазон атмосферного давления;
вибро- и ударостойкость;
габаритные масса и размеры и др.
На основании вышесказанного для проектируемой кнопки в качестве способа управления приводным механизмом выбираем нажимный способ. Достоинством кнопок является их быстродействие и удобство работы оператора.
Особенностью кнопок является разъемный контакт, в конструкции которых нетрудно предусмотреть самозачистку контактов при замыкании и размыкании.
3. РАСЧЕТ КНОПКИ
3.1 Выбор материала для контактов
Согласно рекомендациям [5], контактные материалы должны обладать относительно невысоким модулем упругости, высокой коррозионной стойкостью при различных климатических воздействиях и относительно небольшим удельным электрическим сопротивлением.--PAGE_BREAK--
Так как одной из задач конструирования изделия является обеспечение минимальной стоимости, то целесообразно в данном случае применить конструкционный материал — бронзу бериллиевую БрБ2 ГОСТ 18175-78;
Бронза бериллиевая БрБ2 содержит 1,8-2,2% бериллия, 0,2-0,5% никеля, 0,5% примесей, остальное медь. Обладает хорошими упругими, механическими и антикоррозионными свойствами, более высоким сопротивлением усталости, высокой твёрдостью и электропроводностью по сравнению с другими бронзами, антимагнитна. Применяется для работы в магнитных и электрических полях и в агрессивных средах при нормальной температуре.
Для обеспечения оптимальных контактных свойств используем электролитическое покрытие серебром (Ag).
Серебро обладает высокой электро- и теплопроводностью, хорошими технологическими свойствами. Технически чистое серебро содержит 99,99% Ag, остальное примеси, которые заметно снижают электропроводность. Недостатком серебра является его нестойкость к сероводороду, присутствующему в атмосфере больших городов и болотистых местностей. Однако окисление серебра под действием сероводорода образует столь тонкую пленку, что она легко разрушается трением при соединении и разъединении контактов.
3.2 Электрический и конструктивный расчет кнопки
3.2.1 Определение контактного усилия и переходного сопротивления
После выбора материала определяют необходимое контактное усилие Fk, которое определяется по формуле (3.1) согласно известной методики[5]:
/>(3.1)
где Е – модуль упругости (кгс/мм/>);
/>h/> –высота выступов;
— приведенные удельные сопротивления материалов, из которых выполнены контактные элементы;
/>, /> — удельное электрическое сопротивление материалов контактных элементов для серебра и бронзы соответственно.
/>— коэффициент Пуассона;
RП – контактное переходное сопротивление
При расчете контактных усилий рекомендуется исходить из максимально допустимого падения напряжения U/>(В) на контакте, при котором температура последнего достигает такого значения, когда его механические свойства начинают резко падать. Опытное значение величины падения напряжения [4] для серебра равно U/>=0,8-0,1(В).
Определим допустимое падение напряжения на контакте по формуле:
U/>=/>; (3.2)
Получим
U />/>=/>=0,03В.
Зная величину максимального тока I/>=4A, проходящую через контакт определим величину контактного переходного сопротивления RП согласно[2]:
/>(3.3)
Имеем
R/>=/>Ом;
Подставив рассчитанные данные в формулу (3.1) получим:
/>.
Таблица 3.1 – Основные характеристики материалов
Марка материала
r, мкОм×см
Е, кгс/мм2
HB
/>, мкм
m
Бронза БрБ2
7
1,25×104
25
0,05
0,3
Серебро(Ag)
1,6
1×104
_
0,05
0,3
3.2.2 Определение температуры локального перегрева
Определим температуру локального перегрева исходя из формулы(3.4).
/>, (3.4)
где r – удельное электрическое сопротивление тела контакта;
l – теплопроводность материала контактов;
Rп – переходное сопротивление;
I – ток проходящий через контакт.
Таблица 3.2 – Исходные данные для теплового расчета
Материал
r, мкОм×см
I, А
Rп, Ом
λ, Вт/мм∙°С
Бронза БрБ2
7
4
0,0075
0,84
Серебро(Ag)
1,6
4
0,0075
4,18
Оценим температуру локального перегрева для бронзы БрБ2:
/>(°С).
Оценим температуру локального перегрева для серебра :
/>(°С).
Полученные значения перегрева обеспечивают значительную температурную стабильность контакта, т.е. протекающий ток не вызывает изменение параметров перехода.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В курсовом проекте, согласно требованиям технического задания, был спроектирована кнопка, предназначенная для коммутации электрических цепей постоянного и переменного тока низкой частоты .
В ходе выполнения проекта произведены: выбор конструкционных материалов, необходимые расчеты конструктивных, электрических, механических и тепловых параметров изделия. Конструкция отработана на технологичность с учетом ее предполагаемого выпуска в условиях мелкосерийного производства.
Достоинствами конструкции разработанной кнопки являются – малые габариты, хорошие электрические характеристики, технологичность и относительная простота. Изделие имеет хорошие экономические показатели, т.к. имеет низкую себестоимость (в конструкции нет дорогостоящих материалов).
Спроектированная конструкция кнопки полностью отвечает требованиям технического задания и современным требованиям к подобного класса функциональным элементам.
ПЕРЕЧЕНЬ ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
ГОСТ 15150-69. Машины, приборы и другие технические изделия. Исполнение для различных климатических районов. Категории, условия эксплуатации, хранения и транспортирования в части воздействия климатических факторов внешней среды.
Рычина Т.А. Электрорадиоэлементы. – М.: Сов. радио, 1979.-336 с.
Белоусов А.К. Электрические разъёмные контакты в радиоэлектронной аппаратуре. Изд. 2-е перераб. и доп. — М.: Энергия, 2005.
А.Л.Харинский.Основы конструирования элементов радиоаппаратуры.Изд.2-е перераб. и доп.-Л.: Энергия,2001. – 464с.
Свитенко В.Н. Электрорадиоэлементы: Курсовое проектирование: Учебное пособие для вузов по спец. «Конструирование и производство РЭА». – М.: Высш. шк., 2007. – 207 с.
Левин А.П. Контакты электрических соединителей радиоэлектронной аппаратуры (расчёт и конструирование). — М.: «Сов. Радио», 1972. — 216 с.
7.Мальков М.Н., Свитенко В.Н.Устройства функциональной электроники и электрорадиоэлементы: Конспекты лекций.Часть II.-Х: ХИРЭ,
1992. – с.