复合导电橡胶在便携式电子设备中的应用研究

赵奎

摘 要 自组网通信设备在户外使用，需要进行密封设计。复合导电橡胶具有耐腐蚀功能，且适用于大范围的EMI，成为密封材料的首选。在设计过程中，首先选取合适的橡胶相对变形量范围，确定安装沟槽尺寸、公差、橡胶垫应力以及螺钉数量，其次利用ANSYS软件对设备外壳翘曲变形进行分析与优化，最终确定合适的法兰边厚度与螺钉间距。

關键词 密封设计;沟槽设计;螺钉间距;ANSYS分析;翘曲变形

引言

自组网通信设备是一款便携式电子设备，需要在户外工作，复合导电橡胶垫内侧为镀银导电橡胶，提供EMI屏蔽，外侧为硅橡胶，具有超强的耐盐雾腐蚀功能[1]。

在以往设计中，设备壳体往往假设为刚体，但便携式设备要求体积小，重量轻，最大限度的去除材料，壳体不能作为刚体考虑，需要分析壳体的翘曲变形对密封性能的影响，确定合适的法兰边厚度与螺钉间距。

作为工程设计，设计过程中不能忽略公差，而且要根据实际加工能力与成本选取合适的公差值。

1密封垫沟槽设计

橡胶垫片密封设计重点是控制橡胶垫的相对变形量ε，一方面保证接触面有足够的压力，另一方面防止过度形变，导致橡胶失效。导电橡胶截面形状不同，ε值也不同。选用的复合导电橡胶，供应商推荐值为13%，文献推荐值为20%～30%，考虑到设备的使用性，选择ε在18%～25%之间。

复合导电橡胶垫（简称密封垫）截面为矩形双峰形状，高度h=3.2±0.05mm，宽度b=3±0.05mm，截面积S=，密封垫安装后外形近似矩形，尺寸为L×B，结构尺寸图如图1所示。

密封垫高h=3.2mm，压缩率18%<ε<25%，考虑公差，沟槽深度H为：

得：2.4375≤H≤2.533，取H=2.45mm。

考虑到密封垫预拉伸因素[2]，尺寸B与L分别取B=252mm，L=247mm。

橡胶受预拉伸后，体积不变，长度变长，截面积变小为，预拉伸后，密封垫最小高度：

k为密封垫前后长度比值，为0.94。预拉伸后，密封垫最小压缩率为：

ε=（h′-Hmax）/ h′=20.38%>18%，满足密封最小压缩率要求。

考虑密封圈的溶胀等因素，宽度d为：

考虑到加工等因素，取值d=mm。

2密封垫应力及螺钉数量计算

作为单向变形的密封垫，其应力计算采用巴尔涅夫-哈扎诺维奇方程[5]。

方程中需要知道橡胶的弹性模量E。在实际应用中，应将弹性模量E以表观弹性模量Ea代替。Ea是其几何形状和硬度的函数[4]，本例中：

形状系数S=b/2h，其中b=3mm ，h=3.2mm

代入得：Ea=4.569×G

切变模量G主要与橡胶硬度HA有关。密封垫HA=62，代入下式计算[3]。

设盖板有n个M3×10螺钉，性能等级为A2-50，则单个螺钉受力为：F1=F÷n

在实际应用中，螺钉还受预紧力F2的作用。预紧力一般取值为0.2F1～0.6F1，本次取值0.6F1，单个螺钉所受到的合力ΣF=F1+ F2=8088.96/n

查国标[6]得螺钉屈服强度σs=450MPa，应力截面积As=5.03mm2，取1.5安全系数：

解不等式得螺钉数量为：n≥5.36。

考虑到设备整体的对称性及螺钉间距的均匀性，取值n=8。

3盖板翘曲分析

设外壳翘曲量为δt，密封垫变形量为：

因此，设备壳体和盖板的翘曲量之和要小于0.0748mm。

利用ANSYS进行变形分析。壳体与盖板的材料均为5A05-H112，螺钉数量8个，螺钉间距129mm，结果如下图所示。图1显示设备壳体沟槽处变形，最大变形量0.039mm。

图2所示为盖板变形图，最大变形量为0.10964mm，超出设计范围。

针对盖板变形有两种思路，一是增加盖板法兰边厚度，二是增加螺钉，减小螺钉间距。法兰边厚度与盖板变形关联表格如下：

从表1可知，法兰边需加厚至9mm，变形量才能勉强达到要求，而重量增加0.15kg，且设备体积也有所增加，不符合整体设计思路[7]。

方案二：如图3所示，螺钉数量增加至12个后，螺钉间距86mm，盖板最大变形量为0.032mm，整体翘曲量δt =0.051mm，则密封垫相对变形量为ε=18.7%，符合设计要求，最终采用此方案。

4结束语

自组网通信设备采用以上结构设计，依据GJB367A-2001《军用通信设备通用规范》附录A“A06淋雨试验”进行试验，在降雨速度为10cm/h，水平风速为18m/s，每面持续时间30min的条件下，产品未发现任何渗水现象，满足国军标要求。

参考文献

[1] 马建章，高驰名.导电橡胶在电子设备密封设计中的应用[J].无线电工程，2015（6）：78-81.

[2] 阮健.手持式野战通信设备外接电池供电密封设计[J].电子机械工程，2011（4）：21-23.

[3] 户原春彦.防振橡胶及其应用[M].北京：中国铁道出版社，1982：63.

[4] 吴宗泽.机械零件设计手册[M].北京：机械工业出版社2004：117.

[5] 周到，史敏，王磊，等.空气源热泵热水机组压缩机矩形橡胶圈的有限元分析[J].机械设计与制造，2009（6）：144-146.

[6] 紧固件机械性能—不锈钢螺栓、螺钉和螺柱：GB/T3098.6-2014[S].北京：中国标准出版社，2014.

[7] 军用通信设备通用规范：GJB367A-2001[S].北京：中国标准出版社，2001.