СОДЕРЖАНИЕ
Введение
1. АНАЛИЗ ТЕХНИЧЕСКОГО ЗАДАНИЯ
2. ОБЗОР АНАЛОГИЧНЫХ КОНСТРУКЦИЙ И ВЫБОР НАПРАВЛЕНИЯПРОЕКТИРОВАНИЯ
3. РАСЧЕТ КНОПКИ
3.1 Выбор материала для контактов
3.2 Электрический и конструктивный расчет кнопки
3.2.1 Определение контактного усилия и переходногосопротивления
3.2.2 Определение температуры локального перегрева
Заключение
ВВЕДЕНИЕ
Повышение качества выпускаемой продукции, снижениезатрат на её производство, повышение срока службы и надёжности выпускаемыхизделий, рациональное использование материалов, дальнейшее развитие унификациии нормализации являются основными задачами современной радиоэлектроннойпромышленности. Это тесно связано с повышением качественных показателейсоставляющих их электрорадиоэлементов (ЭРЭ). Поэтому вопросы проектирования ирационального использования этих элементов очень важны для разработчиковрадиоэлектронной аппаратуры.
Практически все исполнительные системы, в том числе ирадиоэлектронные, содержат различные элементы коммутации. Их функциональныевозможности обусловили широкое применение таких элементов в системах: автоматикии телемеханики; сигнализации; контроля и защиты; распределения электрическойэнергии; коммутации линий связи и передачи информации; резервирования исопряжение устройств, работающих на различных принципах действия илиэнергетических уровнях; дистанционного управления исполнительными устройствами,а так же в системах ручного управления электронных аппаратов (ЭА). С ростомуровня автоматизации и функциональным усложнением ЭА непрерывно возрастаетчисло применяемых коммутационных устройств и возрастает ответственностьвыполняемых ими функций.
Разнообразие требований, возникающих в процессепроектирования современных ЭА, привело к появлению большого числаразновидностей коммутационных устройств, различающихся по назначению, принципудействия, конструктивному исполнению, схемотехническим параметрам и другимпризнакам, определяющим их технические возможности и область применения.Развитие каждой разновидности коммутационных устройств отражает непрерывноеповышение требований к их эксплуатационным и функциональным параметрам. Общиетребования сводятся к снижению энергии, используемой для управления, увеличениюбыстродействия, улучшению качества коммутации (недопустимость вибрацииконтактов, формирование импульсов с крутыми фронтом и срезом и т.п.), повышениюнадёжности, обеспечению конструктивно-параметрической совместимости с другимиэлементами ЭА.
Данный курсовой проектпосвящен разработке кнопки, которая предназначена для коммутации электрическихцепей постоянного и переменного тока низкой частоты. В ходе выполнения проектана основе анализа требований технического задания, обзора аналогичныхконструкций сформулированы дополнительные требования к будущему изделию ипроизведен выбор направления проектирования. Произведен расчет кнопки, выполненаэскизная проработка ее элементов и разработана общая конструкция изделия. Всепринятые конструкторские решения подкреплены соответствующими расчетами.
1. АНАЛИЗТЕХНИЧЕСКОГО ЗАДАНИЯ
Кнопка предназначенадля коммутации электрических цепей постоянного и переменного тока низкойчастоты в стационарных электронных аппаратах и относится к коммутационнымустройствам ручного управления.
Согласно техническому заданию кнопка должна обеспечиватьзамыкание при следующих характеристиках:
- коммутируемоенапряжение до 30 В;
- коммутируемый токдо 4 А;
- количество цепей 2.
Исходя из этихпараметров, нужно обеспечить надёжную изоляцию между контактными парами, атакже корпусом.
Кнопка предназначенадля эксплуатации в различной аппаратуре, то есть в помещениях и на открытомпространстве. Климатическое исполнение кнопки должно соответствовать категорииУХЛ 4.2 ГОСТ 15150-69, что предполагает следующие нормы воздействий [1]:
— воздействиятемпературы:
1) предельноеверхнее значение+40°С;
2) верхнеезначение+35°С;
3) среднеезначение+20°С;
4) нижнеезначение+10°С;
5) предельноенижнее значение+1°С.
— воздействияотносительной влажности при +20°С:98%,
— атмосферное давлениевоздуха окружающей среды: 86-104 кПа.
Данные условияэксплуатации не предусматривают необходимости в особых конструктивных мерах позащите изделия от воздействий факторов внешней среды.
Габариты и массаразрабатываемой кнопки должны быть незначительные, что обусловлено не большимирабочими значениями коммутируемых токов и рабочих напряжений.
Запланированная программавыпуска 5000 шт. в год обусловливает изготовление кнопки в условияхмелкосерийного производства. При этом ее конструкция должна быть не сложной,выполнена с учетом типовых технологических операций и при ее изготовлениидолжен быть использован распространенный сортамент конструкционных материалов[2].Также необходимо обеспечить минимальную стоимость изделия.
Таким образом использование при производстве кнопки операцийтипового технологического процесса изготовления призвано увеличитьэкономический эффект и снизить себестоимость производства.
2. ОБЗОР АНАЛОГИЧНЫХ КОНСТРУКЦИЙ И ВЫБОРНАПРАВЛЕНИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
Рассмотрим общие тенденции развития и существующиеконструктивные решения относительно коммутационных устройств с ручнымуправлением.
Коммутационные устройства ручного управленияпредназначены для коммутации электрических цепей с помощью ручного привода. Взависимости от способа управления приводным механизмом они подразделяются наследующие группы [2]:
— нажимные (кнопочные);
— перекидные (тумблеры);
— поворотные (галетные и барабанные);
— движковые.
Каждый из способов управления имеет свои преимуществаи недостатки. Например, с точки зрения оперативности (быстродействия) и удобстваработы оператора предпочтение отдаётся нажимному способу управления. Однако приэтом способе управления усложняются устройства надёжной фиксации кнопок вопределённых положениях. В настоящее время более или менее чёткая фиксацияобеспечивается не более чем в двух положениях, что является недостаткомнажимного управления. Кроме того, для индикации фиксированного положения кнопокнужны специальные индикаторы и защита от случайного нажатия.
При перекидном способе управления в тумблерахобеспечивается более надёжная фиксация положения приводного механизма, аиндикация состояния определяется положением рычага. Недостатками перекидногоспособа являются значительные усилия на рычаг для перевода тумблера из одногоположения в другое, а также малое число положений (полюсов) при переключении(не более трёх).
Наибольшая многополюсность (множество положений)реализуется при поворотном способе управления. Благодаря особенностямконструкции в поворотных переключателях обеспечивается малое и стабильноесопротивление контактов.
При движковом способе управления надёжная фиксацияпереключателя обеспечивается в двух положениях. Применяются движковыепереключатели в аппаратуре, у которой выступающая часть приводного механизмадолжна быть малой.
Коммутационные устройства ручного управления бывают,как мгновенного действия, когда скорость их перехода из одного состояния вдругое практически не зависит от скорости перемещения привода, так и обычного.К коммутационным устройствам мгновенного действия относятся кнопки имикротумблеры на базе микропереключателей.
В зависимости от степени защищённости от факторовокружающей среды коммутационные устройства ручного управления бывают:
— пылебрызгозащищенные;
— герметические;
— с применением герконов и др.
Для нормальных условий эксплуатации применяютсяобычные конструктивные меры обеспечения работоспособности.
Коммутационные устройства ручного управления взависимости от рабочей частоты подразделяются на:
— низкочастотные;
— высокочастотные.
Рабочая частота определяет номенклатуру материалов,использующихся для изготовления переключателей, зазоры и размещение токоведущихэлементов в конструкции.
К основным, контролируемым при проектировании,параметрам коммутационных устройств ручного управления относятся [3]:
- усилие или моментпереключения;
- число положенийпереключения;
- способ фиксации;
- диапазон коммутируемыхнапряжений;
- диапазонкоммутируемых токов;
- максимальнаякоммутируемая мощность;
- сопротивлениеэлектрических контактов;
- максимальноечисло переключений;
- сопротивлениеизоляции;
- электрическаяпрочность изоляции;
- ёмкость междусоседними контактами;
- диапазонокружающей температуры;
- диапазонатмосферного давления;
- вибро- иударостойкость;
- габаритные массаи размеры и др.
На основаниивышесказанного для проектируемой кнопки в качестве способа управления приводныммеханизмом выбираем нажимный способ. Достоинством кнопок является их быстродействиеи удобство работы оператора.
Особенностью кнопокявляется разъемный контакт, в конструкции которых нетрудно предусмотретьсамозачистку контактов при замыкании и размыкании.
3. РАСЧЕТ КНОПКИ
3.1 Выбор материаладля контактов
Согласно рекомендациям[5], контактные материалы должны обладать относительно невысоким модулемупругости, высокой коррозионной стойкостью при различных климатическихвоздействиях и относительно небольшим удельным электрическим сопротивлением.
Так как одной из задачконструирования изделия является обеспечение минимальной стоимости, тоцелесообразно в данном случае применить конструкционный материал — бронзубериллиевую БрБ2 ГОСТ 18175-78;
Бронза бериллиевая БрБ2содержит 1,8-2,2% бериллия, 0,2-0,5% никеля, 0,5% примесей, остальное медь.Обладает хорошими упругими, механическими и антикоррозионными свойствами, болеевысоким сопротивлением усталости, высокой твёрдостью и электропроводностью посравнению с другими бронзами, антимагнитна. Применяется для работы в магнитныхи электрических полях и в агрессивных средах при нормальной температуре.
Для обеспеченияоптимальных контактных свойств используем электролитическое покрытие серебром (Ag).
Серебро обладает высокойэлектро- и теплопроводностью, хорошими технологическими свойствами. Техническичистое серебро содержит 99,99% Ag,остальное примеси, которые заметно снижают электропроводность. Недостаткомсеребра является его нестойкость к сероводороду, присутствующему в атмосферебольших городов и болотистых местностей. Однако окисление серебра под действиемсероводорода образует столь тонкую пленку, что она легко разрушается трениемпри соединении и разъединении контактов.
3.2 Электрический и конструктивный расчет кнопки
3.2.1 Определение контактного усилия и переходногосопротивления
После выбора материала определяют необходимоеконтактное усилие Fk, котороеопределяется по формуле (3.1) согласно известной методики[5]:
/> (3.1)
где Е – модуль упругости (кгс/мм/>);
/>h/> –высота выступов;
— приведенные удельныесопротивления материалов, из которых выполнены контактные элементы;
/>, /> -удельное электрическое сопротивление материалов контактных элементов длясеребра и бронзы соответственно.
/> - коэффициент Пуассона;
RП – контактное переходное сопротивление
При расчете контактныхусилий рекомендуется исходить из максимально допустимого падения напряжения U/>(В) на контакте, при котором температурапоследнего достигает такого значения, когда его механические свойства начинаютрезко падать. Опытное значение величины падения напряжения [4] для серебраравно U/>=0,8-0,1(В).
Определим допустимоепадение напряжения на контакте по формуле:
U/>=/> ;(3.2)
Получим
U />/>=/>=0,03В.
Зная величинумаксимального тока I/>=4A, проходящую через контакт определим величину контактногопереходного сопротивления RП согласно[2]:
/> (3.3)
Имеем
R/>=/>Ом;
Подставив рассчитанныеданные в формулу (3.1) получим:
/>.
Таблица 3.1 – Основные характеристики материаловМарка 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 Определениетемпературы локального перегрева
Определим температуру локального перегрева исходя изформулы(3.4).
/>, (3.4)
где r – удельное электрическоесопротивление тела контакта;
l – теплопроводность материала контактов;
Rп– переходное сопротивление;
I – токпроходящий через контакт.
Таблица 3.2 – Исходные данные для теплового расчетаМатериал 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 бронзыБрБ2:
/> (°С).
Оценим температуру локального перегрева для серебра :
/> (°С).
Полученные значенияперегрева обеспечивают значительную температурную стабильность контакта, т.е.протекающий ток не вызывает изменение параметров перехода.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В курсовом проекте, согласно требованиям техническогозадания, был спроектирована кнопка, предназначенная для коммутацииэлектрических цепей постоянного и переменного тока низкой частоты .
В ходе выполнения проекта произведены: выборконструкционных материалов, необходимые расчеты конструктивных, электрических,механических и тепловых параметров изделия. Конструкция отработана натехнологичность с учетом ее предполагаемого выпуска в условиях мелкосерийногопроизводства.
Достоинствами конструкции разработанной кнопки являются– малые габариты, хорошие электрические характеристики, технологичность иотносительная простота. Изделие имеет хорошие экономические показатели, т.к.имеет низкую себестоимость (в конструкции нет дорогостоящих материалов).
Спроектированная конструкция кнопки полностью отвечаеттребованиям технического задания и современным требованиям к подобного классафункциональным элементам.
ПЕРЕЧЕНЬ ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1. ГОСТ 15150-69.Машины, приборы и другие технические изделия. Исполнение для различныхклиматических районов. Категории, условия эксплуатации, хранения итранспортирования в части воздействия климатических факторов внешней среды.
2. Рычина Т.А.Электрорадиоэлементы. – М.: Сов. радио, 1979.-336 с.
3. Белоусов А.К. Электрическиеразъёмные контакты в радиоэлектронной аппаратуре. Изд. 2-е перераб. и доп. — М.: Энергия, 2005.
4. А.Л.Харинский.Основыконструирования элементов радиоаппаратуры.Изд.2-е перераб. и доп.-Л.: Энергия,2001.– 464с.
5. Свитенко В.Н.Электрорадиоэлементы: Курсовое проектирование: Учебное пособие для вузов поспец. «Конструирование и производство РЭА». – М.: Высш. шк., 2007. – 207 с.
6. Левин А.П.Контакты электрических соединителей радиоэлектронной аппаратуры (расчёт иконструирование). — М.: «Сов. Радио», 1972. — 216 с.
7.Мальков М.Н., Свитенко В.Н.Устройства функциональнойэлектроники и электрорадиоэлементы: Конспекты лекций.Часть II.-Х: ХИРЭ,
1992. – с.