电子工艺技术第22卷第1期
214Electronics Process Technology 2001年9月
DOI :10. 14176/j . issn . 1001-3474. 2001. 05. 007
· 新工艺新技术 ·
小型电子设备机箱的密封设计
生建友
(总参第63研究所, 南京 210016)
摘 要:阐述了密封原理, 讨论了密封材料的选择问题以及密封结构的具体形式, 给出了具体
的设计实例。
关键词:密封; 橡胶; 密封结构
中图分类号:TN 80 文献标识码:A 文章编号:1001-3474(2001) 05-0214-04
Sealing Design for Enclosure of Small -sized Electronic Equipment
SHENG Jian -you
(No . 63Institute , Nanjing 210016, C hina )
A bstract :Explain the sealing principle , discuss the selective question of sealing material &the concrete for ms of sealing c onstruction and give the specific design example .
Key words :Sealing ; Rubber ; Sealing construction Document Code :A Article ID :1001-3474(2001) 05-0214-04
现代电子设备常要求体积小、重量轻、结构紧
凑, 尤其是军用、空用及宇航设备。小型电子设备通常随身携带, 经常在野外使用, 受环境影响(如潮湿、霉菌、盐雾等) 比较大, 对军用电子设备更是常常提出防水要求, 而解决以“防潮、防霉、防盐雾”(简称三防) 为主要内容的三防问题以及防水问题最有效的途径之一就是密封, 整机采用密封机箱可以相对降低对部件的三防要求, 而且密封机箱对设备的维修性没有影响。但是, 在小型电子设备的特定条件下, 由于种种原因, 常使结构的钢度、强度比其它中、大型机箱要低, 为了结构的紧凑和重量的减轻, 用于为密封加压的机构、螺钉等也常常是比较小的, 不可能提供很大的密封力, 另外, 为了进一步方便维修、降低成本, 密封结构的设计不允许太复杂, 所有这些都给小型电子设备机箱的密封设计带来一些特殊问题, 这就要求设计人员在不对设备结构本身提出过分苛刻要求的前提下, 力求用最简设计、最低成本、最易维修的措施来满足设备的密封要求。
1 密封材料
设备的密封质量与所选的密封材料有很大关系, 密封材料质量的好坏、可靠性的高低直接影响到设备的密封能力和可靠性, 选好密封材料是进行密封设计的第一步。随着科学技术的不断进步, 材料科学研究的不断深入, 出现了许多新型固体高分子密封材料, 如橡胶型固体密封材料、塑料型固体密封材料等, 而且在合作方法和密封性能上都有很大改进, 为解决现代技术中的各种密封问题提供了有力保障。在小型电子设备中, 最常用的密封材料是橡胶, 具有弹性高、不透水、不透气、电绝缘性好、比重低等优良性能, 经过适当处理后, 它还具有耐热、寒、油、酸、碱、压、磨、能导电等宝贵特点, 所以它已成为密封结构中用得最多甚至是非用不可的密封材料。橡胶的物理、机械性能与一般的结构材料相比差别很大, 它的可逆弹性变形很大, 比钢大20～30倍, 但这仅限于变形弹性, 其体积则和液体一样, 具有不可压缩性, 橡胶的体积弹性模量K 高达220MPa ,
, , , ,
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而压缩弹性模量E 仅为3～8MPa , 因此, 在利用橡胶做密封件时, 其密封结构设计要充分考虑上述物理、机械性能, 即使橡胶在一个方向受压变形时, 在另外两个方向上要有膨胀的可能性。由于橡胶的配方不同, 性能也不相同。考察橡胶质量的好坏, 主要看以下几个主要指标:(1) 拉断强度; (2) 伸长率; (3) 扯断伸长率; (4) 扯断永久变形; (5) 拉伸应力; (6) 老化系数; (7) 邵氏硬度; (8) 脆性温度。从密封的角度考虑, 橡胶的硬度和脆性温度不能太高, 作为密封橡胶, 实践证明:其邵氏硬度应小于55°, 脆性温度应低于-50℃。常用的几种密封橡胶性能参见表1, 由表1可看出, 橡胶的环境适应性有很大差异, 在进行密封设计时, 应根据设备的具体使用环境条件综合考虑(包括性能、价格等因素) , 选择相应橡胶材料。
表1 几种常用密封橡胶的性能
名称抗拉强度P /MPa
氯丁25～27
丁睛15～30
硅橡胶4～10
氟橡胶20～22
乙丙10～25
由于疲劳破坏而加速橡胶损坏, 以至于影响密封效果, 因此, 在密封设计中, 橡胶的相对变形量一般取ε=20%～30%为宜。设计中应当注意的是, 橡胶的变形不仅与所加的压力有关, 与温度、变形程度、受压时间以及材料本身的邵氏硬度等多因素有关, 所以其变形与应力并非直线关系, 如图2所示, 这也是橡胶不同于一般结构材料的特殊之处, 由图2可以看出, 曲线在ε=0. 1～0. 45这一段基本接近与直线, 因此, 在实际设计和计算中可以近似地把它看作是直线, 不会引起过大的误差。
伸长率/%800～1000300～80050～500100～500400～800抗撕裂性使用温
度t /℃耐磨性耐油性耐化学稳定性回弹性耐老化
好
中
中
中
好
-35～130-35～175-100～350-50～300-57～150中好好中中
中好差中中
差中中中好
中好好
中好
中中好中好
2 密封原理
所谓密封就是利用密封圈(条) 截面上的凸缘与机箱装配面之间产生压力而达到密封效果。设计时, 主要是通过控制橡胶的相对变形量(简称压缩量) 来达到密封的目的。如图1所示, 密封件未受压时的高度为H 1, 受压后的高度为H 2, 则相对变形量H 1-H 2为ε, 实践证明, 当ε=10%时, 缝隙小至
H i
0. 01mm 时, 水分子仍然能渗透, 当F 继续增大到一定值时, 相对变形量ε=20%～30%,由于密封件的弹性及变形作用, 密封件紧贴装配面, 使水分子不能渗透, 从而形成密封。如果进一步增大力F , 使相3 密封结构设计
对于可拆卸式密封结构, 其结构形式多种多样, 图4所示是一些资料中推荐和我们实际使用的一些密封结构形式。其中, 图3a 、b 、j 这三种结构形式适
用于铸造、压铸或者机加工制成的机箱, 且具有较大的可供密封面积的情况下, 图3a 、b 这两种形式, 可事先做好密封件, 再用胶将它粘于密封槽内, 也可以将密封件直接压入密封槽内硫化而成, 图3j 为橡胶板冲切而成的密封垫, 使用时置予预定的位置, 这三种密封形式结构简单, 均可以达到水密的目的, 其缺点是密封件的压缩量无法控制, 容易造成压缩过度, ,
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果。此外, 在使用时还应注意, 由于密封力与密封件的宽度A 成正比, 而A 又不可能做得过小, 因为过小容易失稳, 所以相对来说结构所需的密封力也就较大, 故其加压件常使用直径较大的螺钉, 此时需要根据设备的体积和密封情况综合考虑, 选择适当的宽度值A 。图3c 是另一种用于铸造、压铸结构的密封形式, 其特点是密封面积大大减小, 因而密封力也大大减小, 所需的加压螺钉直径亦可小一些, 这样也就可以减小结构尺寸和壁厚。图3d 也是属于这一类型, 不过它是铸造(压铸) 件与冲制件之间的密封。图3e 所示结构, 具有密封力小、结构简单等优点, 但是加工误差较大, 容易导致密封失败, 例如, 当密封槽过宽, 密封件的中线偏离上密封面凸起部时, 极易造成“压偏”而使密封失效。图3f 所示密封结构, 密封件的变形更容易, 因而密封力较上述结构可更小, 但结构比较复杂, 且对加工要求高, 仅用于一些特殊场合。图3g 、h 所示结构采用双面密封, 由于单一密封面上的接触宽度较窄, 故密封力增大有限, 但其密封可靠性则大大提高, 其缺点是密封面结构尺寸较大, 故多用于密封要求严格的场合。图3i 所示结构一般只用于小面积密封, 其特点是结构简单, 无须采取任何措施, 但密封垫的形状稍微复杂(
多了螺钉
图4所示的三种密封结构形式, 当具有一定的压缩量时就可保证有效的水密封, 其优点是密封件的压缩量可以严格控制, 当达到预定压缩量时, 两个密封面就闭合, 橡胶不会被继续压缩, 从而保证密封
件不致因过压而疲劳损坏。另外一个优点是结构闭合后外观无缝隙, 不会因密封而影响设备的整体美观, 而且结构闭合后, 两个密封面导通, 对于设备的电性能(尤其是屏蔽效果) 十分有利。设计时, 要做到这一点, 必须对密封件的截面积进行精确计算。由于这三种结构的密封力也较小, 因而得到了广泛应用。图4a 常用于国产小型或袖珍式军用电子设备中, 图4c 在美制小型军用电子设备中常用, 图4b 在国内外的小型电子设备中都经常使用
。
4 插座的密封设计
随着电子技术的迅速发展, 设备的功能越来越多, 智能化、网络化程度大大提高, 设备上除了常用的电源插座外, 还有许多数据接口用的插座, 其密封质量直接影响到设备的密封性能, 其密封设计也是整机密封设计的重点。图5所示就是根据图3中的i 、j 密封形式而采用的两种密封垫, 也是最常用的两种形式。实践证明, 对于同一种插座, 采用图5(b ) 所示的密封垫所需的密封力比图5(a ) 所示的密封垫要眼小, 所用的压紧螺钉也要小得多, 适合于小型设备
。
孔) , 由于密封垫的受压面积较大, 所要求的密封力也较大, 因而结构尺寸也相应增大。
2001年9月 生建友:小型电子设备机箱的密封设计217
对于设备中其它部分的密封设计, 如显示窗口、操作键盘等, 可以参照图3、图4所示的密封结构形式。
5 设计实例
设备的整体结构初步确定后, 即可进行密封设计。设计时, 首先要初步选定密封结构形式、尺寸、加压装置、形式、尺寸以及密封材料, 然后根据这一初步方案进行密封力和紧固件的强度校核。
我们研制的某袖珍式电子设备, 其盒体、盒盖用防锈铝由数控机床加工而成, 盒体外形及密封槽的形状见图6, 密封圈的邵氏硬度为50, 截面为矩形(2mm ×2. 2mm ) 摩擦系数f =0. 6, 密封结构采用图3(b ) 所示的结构形式, 压缩量ε=0. 3, 盒体与盒盖之间用6个螺钉紧固, 材料为碳钢[τ]=100MPa , 试设计螺钉的直径
。
许多设备在满足三防要求的前提下还要满足电磁兼容的要求, 这时, 选用的密封件必须具有导电的性能(即导电衬垫) , 以保证设备盒体具有电气上的连续性(即屏蔽盒体) , 以提高设备抗电磁干扰的能力。这时, 通常采用图5所示的三种密封结构形式, 具体的导电衬垫的选用问题见文献[6]。为了适应军品需要, 我们对上述密封盒体也进行了改进, 将普通密封圈改为导电密封圈并采用了图5(a ) 所示结构, 经试验和使用证明, 该设备既满足三防要求又满足电磁兼容性要求。
6 结束语
随着加工技术的不断进步, 加工工艺的不断完善, 加工设备的不断改进, 设备机箱的种类繁多, 在进行密封设计时, 针对不同种类的机箱选用响应的密封结构, 力争做到既简单、经济又可靠、实用。而且, 随着材料科学研究的不断深入, 工程塑料得到了广泛应用, 许多设备的机箱都是用工程塑料制成的, 尤其是小型、袖珍式电子设备, 国外的许多军用电台都是塑料机箱, 它具有成本低、易加工成型等特点, 而且可以作成很复杂的形状。但是, 由于工程塑料自身的特殊性, 如收缩比难以控制, 密封槽的尺寸一致性差, 提供的压紧力(密封力) 也不如金属材料大等, 这就给密封设计带来了一定困难, 因此设计人员
解:(1) 由文献[1]可查得橡胶的剪切模量G =0. 67MPa , 则弹性模理E ≈3G =2. 01MPa ;
(2) 确定橡胶密封圈的弹性模量E P :E P =(1+f ) E =(1×0. 6) ×2. 01=6. 03MPa ;
H 10. 6
(3) 计算橡胶圈的压应力σ:σ=εE P =1. 81MPa ;
(4) 计算达到密封时所需的压紧力F :F =σ S =1267N , (密封圈的受压面积S =7×10-4mm 2) ; 则每个螺钉的拧紧力P =F /6=211. 17N ;
(5) 确定螺钉的内径d 1:d 1=10
-3
应加强对塑料机箱的密封设计研究, 以提高其密封能力。
参考文献:
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收稿日期:2001-05-15
=1. 64×[τ]
m 。
根据计算结果, 可取6个M2的螺钉, 为了进一
步增加密封的可靠性及装拆方便, 我们用了6个M3的螺钉。该设备经多次淋雨试验, 均没有发生渗漏现象, 其密封效果与理论计算相吻合。
随着科学技术的不断进步, 电子设备的种类和, ,