Корпуса для электронных приложений должны решать широкий спектр задач и обеспечивать защиту размещенной в них электроники. Поэтому в дополнение к защите от электромагнитных помех как внутри, так и снаружи корпуса, должны быть также рассмотрены механизмы механической защиты и безопасности корпуса. Так, для мобильного использования, например в железнодорожном транспорте, или для тяжелых условий эксплуатации в суровых условиях окружающей среды (в строительной технике или морских приложениях) существуют строгие требования. Зачастую эти устройства являются критически важными для обеспечения безопасности, что приводит к базовым требованиям, предъявляемым к корпусной технике. Надежность всего приложения не в последнюю очередь зависит от используемого корпуса, поэтому устойчивость к воздействиям окружающей среды (влаги, тепла, а также инородных тел) в дополнение к высокой механической прочности является обязательной.
Для этих случаев специального применения компания HEITEC расширила свою многофункциональную линейку крейтов HeiPac Vario новой, особенно надежной версией HeiPac Vario HEAVY, ведь электроника должна безопасно функционировать даже в самых суровых условиях. Благодаря особой конструкции, HEAVY обеспечивает устойчивость при особенно высоких уровнях вибрации и ударах. В то же время он способен выдерживать большие монтажные нагрузки - более 60 кг.
Компоненты крейта изготовлены из высококачественного алюминиевого сплава AW-6060T66, который подвергается специальной обработке, для соответствия высоким требованиям. На этапе T66 сплав подвергается термическому воздействию и дальнейшему пребыванию в теплом процессе, в результате чего показатели прочности материала практически удваиваются.
Ввиду хорошей обрабатываемости и отличной теплопроводности алюминиевые сплавы часто используются в электронной промышленности, и не только по экономическим причинам. Они обладают высокой удельной прочностью, а также сравнительно низкой плотностью. Благодаря этой особенности алюминиевых сплавов как легковесного материала, компоненты могут иметь показатели прочности сравнимые со стальными компонентами той же массы. Они идеально подходят для обработки путем экструзии или литья под давлением, а также имеют очень высокую коррозионную стойкость благодаря образованию пассивирующего оксидного слоя. Однако этот оксидный слой является препятствием для электрического контактирования, поэтому поверхность хроматируется в соответствии с требованиями электромагнитной совместимости, с соблюдением директив RoHS (требования к полному исключению опасных веществ для защиты здоровья человека).
В базовой конфигурации крейт состоит из боковых стенок, профильных шин и монтажных фланцев (рис. 1). Боковые стенки являются важной составляющей корпусов для электроники, и помимо прочего имеют важную механическую функцию. Стойкость к воздействиям сдвиговых и поперечных сил, действующим внутри крейта на боковую стенку и передний монтажный фланец, вносит важный вклад в общую жесткость корпуса. Непосредственно монтажные фланцы и шины также значительно способствуют усилению встраиваемых систем. При этом, монтажный фланец служит не только для стабилизации корпуса: он позволяет разместить крейт в шкафу управления или монтажной раме, что также является его основной задачей.
Поскольку в типичном случае применения корпус в шкафу / монтажной раме закреплен только фланцами, они несут всю нагрузку встраиваемой системы. Поэтому для высоких монтажных нагрузок необходимы особенно надежные монтажные фланцы. Но как достичь такого высокого уровня стабильности? С помощью анализа методом конечных элементов (МКЭ) конструкция компонента была оптимизирована таким образом, чтобы можно было достичь наилучшего компромисса между расходом материала и требуемой прочностью. Так для фланца HeiPac Vario HEAVY, HEITEC реализовал два существенных аспекта с точки зрения дизайна. Во-первых, была расширена часть фланца, которая крепится к боковой стенке крейта. Это приводит к большей контактной поверхности с боковой стенкой, обеспечивая двойное винтовое крепление и соответствующее контактное давление для высокой стабильности всей системы. Кроме того, было решено использовать бо´льшую толщину материала, благодаря чему площадь момента инерции фланца значительно увеличилась, и, следовательно, увеличилась жесткость компонента.
Другая конструктивная особенность монтажного фланца расположена на стороне внутреннего угла. Известно, что это самая слабая точка компонента, которая изначально имеет тенденцию к повреждению при высокой монтажной нагрузке в стойке. Поэтому фланец был спроектирован таким образом, что вместо двух поверхностей, соединенных встык, материал в этом месте идет по радиусу. В любом компоненте механическое напряжение растет с количеством вырезов, поэтому их следует избегать, насколько это возможно при разработке компонентов. Даже при использовании высокопрочных материалов, таких вырезов может оказаться достаточно для существенного снижения прочности компонента. Таким образом, вырезы всегда ослабляют компонент, но благодаря увеличенному радиусу, их отрицательный эффект значительно снижен.
На общую стабильность системы также оказывает решающее влияние надежность поперечного соединения боковых стенок ‒ так называемых профильных шин. Главным образом они оказывают сопротивление прогибу, но в том числе играют важную роль при сопротивлении кручению (anti-twist). Таким образом, высокая жесткость шины на изгиб и кручение является ключевым вопросом, который необходимо учитывать при разработке тяжелого встраиваемого решения. Для того, чтобы повысить жесткость профильной шины, было решено увеличить ее поперечное сечение. При этом, было реализовано двойное винтовое соединение шины с боковыми стенками, что также значительно повысило общую стабильность, особенно при сопротивлении кручению. Если рассмотреть отклонение профильной шины в упрощенной модели (см. Рис. 3), то принимается во внимание равномерно распределенная нагрузка. В этом случае изгибающий момент Mb в середине профиля является наибольшим, и соответсвенно, отклонение W здесь также наибольшее. Чтобы обеспечить полную функциональность системы даже при высоких нагрузках, необходимым условием является усиление жесткости при изгибе. Это требуется для того, чтобы избежать повреждения электронных компонентов, например, предотвратить негативное воздействие на установленные платы.
При обеспечении стабильности системы, не следует также пренебрегать и качеством крепежного материала. Поэтому винты HeiPac Vario HEAVY обладают высоким классом прочности. Винты класса 8.8 имеют прочность на растяжение 800 Н/мм2. Для предотвращения нежелательного ослабления винтов, в комплектации HEAVY (как и всей линеки HeiPac Vario) применяются винты с контрнасечкой под головкой (рифление).
Как поставщик комплексных корпусных решений, HEITEC имеет собственные линейки крейтов, протестированные независимыми испытательными лабораториями для всех ожидаемых нагрузок и сертифицированные в соответствии со стандартом. Так, для HeiPac Vario HEAVY проводились испытания в соответствии со стандартом EN 50155, в котором обобщены важные требования для применения на железнодороном транспорте и в соответствии с DIN EN 61587-1, определяющим испытания на механические и климатические нагрузки. Тестирование, проводимое в соответствии со стандартом, обычно требует некой практически применимой конструкции общей системы (см. Рисунок 4). Это означает, что все компоненты, используемые в испытуемой системе, также будут установлены в конечном приложении. В этом ключе типичной является конструкция крейта с верхними и нижними защитными панелями, кросс-платой, направляющими для карт, задним защитным кожухом, передними панелями и соответствующими нагрузочными модулями для имитации реального использования. При этом, нагрузочные модули размещены равномерно в корпусе, для того, чтобы обеспечить однородное распределение веса.
При испытаниях на динамическую нагрузку, смонтированный крейт устойчиво фиксируется на ударном/вибрационном столе, так называемом «шейкере», и таким образом, подвергается различным вибрационным и ударным нагрузкам. Таким образом, на систему может быть оказано воздействие в несколько сотен кН, в результате которого необходимо, чтобы испытуемое устройство выдерживало самые экстремальные ускорения, выходящие далеко за рамки того, что необходимо в реальных условиях. Если крейт проходит этот тест без повреждений, он идеально подходит для использования даже в самых суровых условиях применения. HeiPac Vario HEAVY был протестирован в соответствии с требованиями DL2V или DL2S, которые соответствует типовым требованиям железнодорожной и транспортной промышленности. При этом, показатели надежности HeiPac Vario HEAVY значительно превосходят стандартные требования, поскольку установочная нагрузка в три раза превышала описанную стандартом.
Но такая система также должна выдерживать и статические нагрузки, что проверяется отклонением профильной шины в соответствии с DIN EN 61587-1. В стандарте указано, что оно не должно превышать 0,4 мм при соответствующей монтажной нагрузке. Это гарантирует, что электронные модули, размещенные в направляющих для карт, будут оставаться подключенными и полноценно функционировать даже при большой нагрузке. Как показано на рисунке 3, при равномерно распределенной нагрузке, в середине рельса отклонение максимально. Здесь оно не должно превышать 0,4 мм. Конструктив HeiPac Vario HEAVY в исполнении 3U высоты полностью удовлетворяет требования стандарта монтажной нагрузки 10 кг. Но более того, благодаря собственным направляющим для карт, оснащенным специальным изгибом, вся система сохранила полную работоспособность даже при монтажной нагрузке 15 кг. Конструкция этих направляющих для карт уникальна на рынке, и является запатентованным решением HEITEC.
Таким образом, благодаря надежной конструкции HeiPac Vario HEAVY предлагает широкий спектр возможных применений. Конечно, он типично применим на железнодорожном транспорте и сильно вибрирующих автомобилях, а также в оборонных или морских приложениях. При этом, ввиду своей способности выдерживать очень высокие нагрузки, он также подходит для использования в секторе энергетики и на электростанциях, а также для применения в лабораторном оборудовании, поскольку именно в этих областях отдельные приложения (необязательно содержащие печатные платы) могут обладать высокой монтажной нагрузкой.
