車載衛(wèi)星通信系統(tǒng)振動(dòng)設(shè)計(jì)與

車載衛(wèi)星通信系統(tǒng)振動(dòng)設(shè)計(jì)與分析摘要：介紹了車載衛(wèi)星通信系統(tǒng)振動(dòng)產(chǎn)生的原因，并結(jié)合振動(dòng)理論，著重分析了進(jìn)行車載衛(wèi)星通信系統(tǒng)振動(dòng)設(shè)計(jì)的途徑與方法，有助于提高系統(tǒng)的抗振能力。關(guān)鍵詞：固有頻率；結(jié)構(gòu)諧振；加固設(shè)計(jì)；振動(dòng)隔離；振動(dòng)試驗(yàn)1前言車載衛(wèi)星通信系統(tǒng)主要由三部分組成：一是前端天線系統(tǒng)設(shè)備，包括天線、饋線、以及天線座與傳動(dòng)系統(tǒng)；二是電子設(shè)備部分，包括接收、發(fā)射和信道等；三是運(yùn)輸載體和系統(tǒng)保障設(shè)備，包括車輛、方艙、電源和空調(diào)等。這些設(shè)備在運(yùn)輸和使用過程中，由于內(nèi)外因素的影響，會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)。產(chǎn)生振動(dòng)的原因主要有：·運(yùn)輸狀態(tài)下，路面的不平整性引起各設(shè)備的上下、前后、左右多方向的振動(dòng)；·工作狀態(tài)下，天線系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)諧振；·工作狀態(tài)下，風(fēng)載造成的天線激振；·包括電源、空調(diào)、風(fēng)機(jī)在內(nèi)的各有源設(shè)備工作時(shí)的自主振動(dòng)。其中前兩個(gè)因素對(duì)系統(tǒng)的電訊性能以及系統(tǒng)的穩(wěn)定性影響最大，容易引起設(shè)備的破壞。其現(xiàn)象大致分兩類：·結(jié)構(gòu)與工藝性破壞，如結(jié)構(gòu)件的疲勞、斷裂、磨損、連接件的松動(dòng)、分離等；·功能與性能性破壞，包括工作失靈、性能降低以及超出容差范圍等。為此，對(duì)車載衛(wèi)通系統(tǒng)的振動(dòng)進(jìn)行控制和分析十分必要。由于保障設(shè)備一般由專業(yè)廠家提供，所以著重探討天線系統(tǒng)與電子設(shè)備的抗振設(shè)計(jì)，并從振源的控制、結(jié)構(gòu)的加固設(shè)計(jì)、設(shè)備的減振隔振、試驗(yàn)的驗(yàn)證等四方面進(jìn)行分析。2設(shè)計(jì)與分析2.1改善運(yùn)輸環(huán)境，控制振源在運(yùn)輸狀態(tài)下，公路運(yùn)輸環(huán)境最為惡劣，因此，以公路運(yùn)輸環(huán)境來作為系統(tǒng)的運(yùn)輸環(huán)境。公路運(yùn)輸環(huán)境是一種寬帶振動(dòng)，它是由于車體的支承、結(jié)構(gòu)與路面平度的綜合作用產(chǎn)生的。車體在上下、前后、左右方向上同時(shí)存在不同的振動(dòng)，而上下方向的振動(dòng)量又最為嚴(yán)重〔1〕〔2〕。所以，運(yùn)輸環(huán)境下著重分析設(shè)備上下方向的振動(dòng)。在公路運(yùn)輸狀態(tài)下，振源的形成主要來自于路面，它是路面狀況與行駛速度的函數(shù)〔3〕〔4〕。在該狀態(tài)下，系統(tǒng)的振動(dòng)模型如圖1所示。試驗(yàn)與分析表明，路面越不平整，車速越快，車輛及其設(shè)備的振動(dòng)越激烈，振動(dòng)的振幅以及加速度均很大。所以，合理選擇行車道路和行駛速度，有助于減小振動(dòng)振幅。在等級(jí)較差的路面上行駛時(shí)，降低車速可以減緩車輛及其設(shè)備的振動(dòng)，有助于保護(hù)設(shè)備。但由于行車道路和行駛速度不是設(shè)計(jì)人員所能控制的，因而，設(shè)計(jì)者在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，要以最為惡劣的環(huán)境來考慮。2.2加固設(shè)計(jì)無論是天線系統(tǒng)，還是電子設(shè)備，均應(yīng)遵循剛度設(shè)計(jì)為主、強(qiáng)度校核為輔的設(shè)計(jì)指導(dǎo)思想。加固設(shè)計(jì)就是針對(duì)結(jié)構(gòu)的最薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行的。通過加固設(shè)計(jì)，能夠提高設(shè)備的剛度、強(qiáng)度，提高結(jié)構(gòu)固有頻率，進(jìn)而提高設(shè)備抗振抗沖擊性能。天線系統(tǒng)的加固設(shè)計(jì)工作狀態(tài)下，天線系統(tǒng)一旦發(fā)生結(jié)構(gòu)諧振，就會(huì)直接影響到天線電訊性能以及系統(tǒng)的穩(wěn)定性，甚至造成系統(tǒng)毀壞。避免結(jié)構(gòu)諧振的最直接的方法，是提高天線結(jié)構(gòu)的固有頻率。而天線座的傳動(dòng)系統(tǒng)是天線反射體與基礎(chǔ)構(gòu)件連接的橋梁，又是運(yùn)動(dòng)受力載體，故傳動(dòng)系統(tǒng)剛度對(duì)天線系統(tǒng)固有頻率的影響非常重大。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，增大傳動(dòng)系統(tǒng)剛度，降低天線負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，可以有效地提高系統(tǒng)的固有頻率。在天線傳動(dòng)系統(tǒng)剛度滿足要求的前提下，天線反射體和天線座架的剛度決定著系統(tǒng)的固有結(jié)構(gòu)諧振頻率。運(yùn)用有限元分析，運(yùn)用大型結(jié)構(gòu)分析軟件NASTRAN、SAP或ANSYS，對(duì)天線反射體和天線座架進(jìn)行動(dòng)靜力分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)，在重量符合要求的條件下，將自重和風(fēng)載作為載荷，以固有頻率為目標(biāo)函數(shù)，尋求最大結(jié)構(gòu)剛度，獲取最佳設(shè)計(jì)方案。通過優(yōu)化設(shè)計(jì)、分析，改善結(jié)構(gòu)的整體剛度，使薄弱環(huán)節(jié)得到加強(qiáng)，使結(jié)構(gòu)的固有頻率得到提高，使結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布趨于均勻合理。汽車運(yùn)輸狀態(tài)下，天線系統(tǒng)或者直接剛性安裝在車輛或方艙上，或者通過包裝架剛性安裝在車輛上。因而在對(duì)天線、天線座加固設(shè)計(jì)的同時(shí)，要對(duì)安裝基座、車頂、車架或包裝架進(jìn)行加固，從而提高剛性，確保其共振頻率比汽車正常遇到的強(qiáng)迫頻率高得多。2.2.2電子設(shè)備的加固設(shè)計(jì)電子設(shè)備在結(jié)構(gòu)上一般包含機(jī)柜、機(jī)箱和組件（或印制板、電源板）三個(gè)層次結(jié)構(gòu)。層次設(shè)備的剛度設(shè)計(jì)必須遵守倍頻程規(guī)則。機(jī)架的固有頻率應(yīng)大于掃頻激勵(lì)頻率。裝于機(jī)架內(nèi)的模塊、插箱的固有頻率應(yīng)大于2倍的機(jī)架固有頻率；而裝于模塊插箱內(nèi)的結(jié)構(gòu)件、器件、印制版等的固有頻率應(yīng)大于2倍的模塊、插箱固有頻率〔5〕。對(duì)電子設(shè)備進(jìn)行加固設(shè)計(jì)，目的就是增大剛度，提高固有頻率。機(jī)柜機(jī)架的剛度主要取決于組成機(jī)架機(jī)柜各結(jié)構(gòu)件的自身剛度和各結(jié)構(gòu)件聯(lián)接處的剛度。2.2.2.1設(shè)備自身剛度設(shè)計(jì)機(jī)箱、機(jī)柜在載荷作用下會(huì)產(chǎn)生彎曲和轉(zhuǎn)動(dòng)，即沿垂直軸振動(dòng)時(shí)將產(chǎn)生彎扭耦合振動(dòng)。機(jī)箱、機(jī)柜等結(jié)構(gòu)件的剛度，取決于各自的結(jié)構(gòu)形式、材料、固定方式。通常，在計(jì)算時(shí)假設(shè)機(jī)箱、機(jī)柜相當(dāng)于單自由度系統(tǒng)，則機(jī)箱、機(jī)柜彎扭耦合振動(dòng)固有頻率fn估算如下〔4〕〔5〕：由上式可以推斷，提高箱柜固有頻率fn的主要方法是：·減小質(zhì)量；·縮短長度；·提高抗彎、抗扭剛度。在設(shè)備的質(zhì)量、尺寸一定的條件下，提高機(jī)柜、機(jī)箱的抗彎、抗扭剛度是提高固有頻率的重要手段。這些手段主要有：·合理選擇構(gòu)件的截面形狀和尺寸，可有效提高抗彎抗扭剛度?！ざ嗖捎每蚣芙Y(jié)構(gòu)，從結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、整體性、可靠性等多方面進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)?！?duì)薄弱環(huán)節(jié)以及承載零部件進(jìn)行重點(diǎn)分析。機(jī)柜骨架是決定機(jī)柜剛度的關(guān)鍵；插箱底板是電子模塊、組件的安裝基礎(chǔ)。因而結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，盡可能提高機(jī)柜骨架、插箱底板的剛度?！ず侠聿贾檬芰c(diǎn)，合理分布載荷，防止耦聯(lián)振動(dòng)，減小集中應(yīng)力。機(jī)箱內(nèi)電子組件應(yīng)盡量靠近兩邊側(cè)板，不能集中在中間；三級(jí)導(dǎo)軌的安裝位置應(yīng)盡量與機(jī)箱重心高度一致。.2連接剛度設(shè)計(jì)·機(jī)箱與機(jī)柜、機(jī)箱內(nèi)組件與機(jī)箱、各過渡件與機(jī)柜機(jī)箱聯(lián)接應(yīng)可靠。采用螺紋緊固劑、防松墊圈、防松螺母等措施可有效防止螺栓聯(lián)接松脫?！ぢ?lián)接用的螺釘，根據(jù)具體情況確定其規(guī)格、數(shù)量、分布，以起到加固作用?！ねǔC(jī)箱與機(jī)柜的聯(lián)接除前面板螺釘、兩側(cè)導(dǎo)軌支撐外，應(yīng)在后面板上設(shè)置定位銷進(jìn)行鎖定，從而承受上下、左右方向的振動(dòng)與沖擊載荷?！C(jī)柜上安裝側(cè)門與后門，有助于增加機(jī)柜的整體剛度，同時(shí)門板與骨架的聯(lián)接應(yīng)牢固。2.3振動(dòng)隔離2.3.1隔振系統(tǒng)模型在對(duì)電子設(shè)備進(jìn)行加固設(shè)計(jì)的同時(shí)，應(yīng)采取隔振緩沖措施。設(shè)備采取隔振緩沖是抗振抗沖擊的重要措施，一個(gè)好的隔振緩沖系統(tǒng)可有效地降低振動(dòng)傳遞率、碰撞傳遞率和沖擊傳遞率。電子設(shè)備一般安放在機(jī)柜內(nèi)，對(duì)電子設(shè)備的隔振緩沖，主要依靠機(jī)柜隔振器的隔振緩沖作用。目前對(duì)高1.2米以上機(jī)柜，隔振器的安裝方式已標(biāo)準(zhǔn)化〔5〕，即在設(shè)備底部安裝四只相同特性的隔振器，后背上部安裝兩只相同特性的隔振器。這樣，有助于減小設(shè)備的搖晃。其力學(xué)模型如圖2所示。藏班對(duì)機(jī)企柜的答背架挖式隔配振系列統(tǒng)而傘言，企根據(jù)庭振動(dòng)斜理論興分析艘，得蚊知其支存在軍著耦霞聯(lián)自滔由度仙，會(huì)燕引起快局部衛(wèi)共振要和系壩統(tǒng)耦名聯(lián)共效振。治因而缺，抗燒共振五設(shè)計(jì)脊和解壯耦設(shè)冬計(jì)是物背架巨式隔云振系邪統(tǒng)要標(biāo)解決耳的兩磚大問惡題〔陜6〕昏。湊蜘2.秋3.錦2刻抗共魚振設(shè)仍計(jì)題賣抗共碰振設(shè)臂計(jì)的棄目的已是避辱免或純抑制腸共振捐。對(duì)鳳于機(jī)悠械振柴動(dòng)系綁統(tǒng)，嗚共振烤現(xiàn)象排總是隔難以士避免定的。李為了察防止助隔振蹤系統(tǒng)稼過大埋的共切振傳勻遞率差對(duì)設(shè)指備的找損壞砍，所撥選隔呀振器桃的傳傻遞率脾應(yīng)在葵標(biāo)準(zhǔn)抄規(guī)定互的范城圍之版內(nèi)，劑即最稈大共詢振傳竊遞率魔（η居v）椅ma按x≤滴5。印對(duì)于樓不產(chǎn)袋生共沈振的惱理想蘇隔振蘿系統(tǒng)援，η貸v≤月1，巨隔振掩器的課剛度翠和固是有頻你率應(yīng)較盡可燃能低少，同印時(shí)隔倍振器嫩應(yīng)具礙有變頁阻尼聞特性咽〔4啞〕。煩癢世在實(shí)叮際應(yīng)叮用中馳，我奴們應(yīng)偉優(yōu)先歉選用唇隔振窩傳遞素率小顆、固酸有頻卷率低休的隔滿振器逝來抑糧制電遣子設(shè)裙備的去共振狀。功待2.概3.浩3解鳳耦設(shè)吼計(jì)蜓紗對(duì)于過機(jī)柜它隔振網(wǎng)器采犧用重各心安浮裝方播式，賊質(zhì)量壺中心祖與剛惑度中覺心重恨合，宰能避賤免耦煌合振惜動(dòng)。弱但在尋實(shí)際袍工作拴中，涉這種根安裝途方式何難以疊實(shí)現(xiàn)斜，且歷結(jié)構(gòu)據(jù)穩(wěn)定椅性差悔，因嫩而多胃采用臣標(biāo)準(zhǔn)待安裝勾方式懲。誰滅但對(duì)些于背珠架式習(xí)安裝誦隔振耐系統(tǒng)覽而言披，耦州合振悲動(dòng)不洞可避除免。珍解耦唯設(shè)計(jì)那的目狀的，項(xiàng)是避戀免或伍減小顛耦合庫振動(dòng)員，口盡可貿(mào)能減艙小或耳避免及耦合秀振動(dòng)碌帶來悉的有南害影刃響。巷為使州背架受式安肥裝的騾隔振鋸緩沖沙系統(tǒng)混具有曬較好恒的隔乒振效貓果，室必須驢使背靜架式談安裝防隔振奇系統(tǒng)搬的重囑向剛術(shù)度為腸零，塌且其柳水平粘剛度脈與底濱部隔滑振器運(yùn)的水世平剛感度匹雨配〔施5〕龍。試賴驗(yàn)證歐明，所GW飽F和臭GB評(píng)J匹套配使嚴(yán)用時(shí)縣可獲有得三距向無深共振開放大前的隔黎振系抗統(tǒng)。攔痕功2.籃3.斥4減責(zé)震器灑的選琴型棒素在隔亦振系嗓統(tǒng)安餐裝方褲式固懇定后賴，減界振器統(tǒng)的選寒型及輸其組腥合形美式?jīng)Q歸定了蠅系統(tǒng)精的動(dòng)伙態(tài)特樣性和肺穩(wěn)定護(hù)性。帝目前軋，常葉用的甜減振并器有誓三種渾：E麥型減露震器脊、無眼諧峰貢減震免器和遭鋼絲雪繩減扮震器煉。備普三種庭減震膀器各含有優(yōu)冊缺點(diǎn)鉆：娛沫·E勵(lì)型減腸震器迎：靜籃變形貓較小豐，安梁裝方貝便，聾比較希適合府方艙泊和廂釣體內(nèi)陵部安宅裝，暑但固淡有頻家率高按。語社·無綿諧峰軟減震階器：摘減振廉及隔錢沖效百果好兵，無坊共振賣放大趴，壽托命長晝，但格載荷領(lǐng)必須工在減液震器譯的額網(wǎng)定載緒荷的盞20描%以風(fēng)內(nèi)，定否則赴效果沙會(huì)差玻些。涉忙矩·鋼挎絲繩只減震喇器：暴剛度臘具有嚼漸軟凍的非船線性區(qū)特性旨，傳胖遞率哭低，所能適攏應(yīng)多筐種受騙力狀消態(tài)，永主要窗適合懶于壁醫(yī)式安主裝。灑刺嗚三種核減震壟器常星用型準(zhǔn)號(hào)的嗽組合朝使用剖情況蒙及各蚊自性寬能，沉分別薄見表歡1、梅表2撈。發(fā)末以上桶三種惹減震折器及鋸其組特合在顧不同距的產(chǎn)攀品中推均使武用過杜。根染據(jù)使捷用情站況來逗看，逮三者熟各有斜優(yōu)缺士點(diǎn)。凱相比雞而言糠，組書合I五方便捉、簡乏單、繳經(jīng)濟(jì)難，但童減振眉效果吩一般所；組道合Ⅲ爐性能伸最佳睛、效繪果最踩好，揀但價(jià)吹格上漸相對(duì)登要貴胖一些貍；而協(xié)組合紐Ⅱ各救方面?zhèn)€居于挎兩者粥中間斜。因頌而在遙設(shè)備撒振動(dòng)戰(zhàn)環(huán)境踏較好燒時(shí)，董可優(yōu)富先選貌用組屬合Ⅰ茶；在裕有較諷高要趣求或羅設(shè)備登振動(dòng)彼環(huán)境浙較惡尤劣時(shí)蚊，則勒應(yīng)優(yōu)虎先選腿用組駁合Ⅲ散，以趟取得嶄良好賠的減性振隔默振效善果。朽懇渠2.孫4振淋動(dòng)試?yán)眚?yàn)棵嘉由于溪振動(dòng)仿環(huán)境益錯(cuò)綜剝復(fù)雜尖，振斗動(dòng)分艙析的標(biāo)結(jié)果礦不可端避免腳存在陵一定愧的誤栽差和亭不確皆定性魯，因餓而還艙需通崗過振碗動(dòng)試屋驗(yàn)來蜜進(jìn)行鋼分析曬與驗(yàn)螺證。食鴉烘振動(dòng)懷試驗(yàn)譯，用逝于評(píng)文定設(shè)拜備在監(jiān)其預(yù)刑期的休運(yùn)輸冰和使叛用環(huán)旗境中友的抗筒振能傭力。漁通過溪振動(dòng)哲試驗(yàn)牌，可衰以分夾析設(shè)備備的貼振動(dòng)化特性告和動(dòng)滋態(tài)參鬧數(shù)，促為新忘設(shè)計(jì)鑄的電隙子設(shè)調(diào)備的燥振動(dòng)浴分析肝與設(shè)唉計(jì)計(jì)描算提頌供可男靠數(shù)流據(jù)，纖極大潤提高蓄振動(dòng)縱計(jì)算娘分析罪的準(zhǔn)付確度含；暴月露現(xiàn)塊有電究子設(shè)擠備結(jié)浸構(gòu)工貸藝中托的缺酷陷、廉薄弱磨環(huán)節(jié)歡，為尾進(jìn)行吐設(shè)備喘的結(jié)揉構(gòu)修飛改提鋼供依她據(jù)。箏絲由通過綱進(jìn)行額計(jì)算訪分析王、結(jié)哄構(gòu)設(shè)在計(jì)與作振動(dòng)縱試驗(yàn)徑，再豐到計(jì)查算分列析和祖結(jié)構(gòu)尾設(shè)計(jì)心的循釋環(huán)，枝大大霧提高銷了設(shè)擱備抗賢振能蔽力。遞艇含對(duì)于朽已經(jīng)板定型模生產(chǎn)創(chuàng)的保蘿障設(shè)檢備和構(gòu)天線芽設(shè)備筒以及軟個(gè)別辛不能孕做振葵動(dòng)試叛驗(yàn)的際特殊韻設(shè)備免，一銳般是胸通過扎跑車振試驗(yàn)刪代替夾振動(dòng)蘿試驗(yàn)守，以劉達(dá)到煎驗(yàn)證朱的目奇的。煤悅嗚3工純程應(yīng)喉用實(shí)蠢例奏竹某框6米宇移動(dòng)遞站設(shè)咱備，啦由天儲(chǔ)線系持統(tǒng)、滲電子夕設(shè)備急、保搭障設(shè)墨備三母部分嗚組成損。天溜線系臣統(tǒng)主可要包亞括天援饋伺可有關(guān)窯設(shè)備置，電歐子設(shè)懲備包膏括數(shù)餓臺(tái)機(jī)確柜、友機(jī)箱芒，保評(píng)障設(shè)牢備包你括車么輛、聞方艙爸以及潔空調(diào)舌等。唐閘墻考慮繩到車嫩載特引性，吳結(jié)構(gòu)醒設(shè)計(jì)畝時(shí)開洪展了按以下這幾方春面的冊工作完：副會(huì)（1寧）運(yùn)鹽用A充NS準(zhǔn)YS妻5.拋5對(duì)到天線狹反射瞞體、捎天線川座架膏、副夜車架植進(jìn)行井計(jì)算妄分析班，以合重量襯和固覽有頻還率為藍(lán)目標(biāo)巷函數(shù)前，以柄精度應(yīng)或變搏形為成約束惱，實(shí)申現(xiàn)重礙量與遲剛度迅的雙泊重優(yōu)附化?？荤P您（2短）針傍對(duì)原所車載干機(jī)柜喝、機(jī)胞箱的喜薄弱艱環(huán)節(jié)怠進(jìn)行念分析校改進(jìn)街、加亭固設(shè)僵計(jì)；破同時(shí)解，艙換內(nèi)機(jī)泳柜采器用6廉只減暢震器喬的標(biāo)毛準(zhǔn)方貓式進(jìn)獨(dú)行安謎裝。目敬帖（3醉）空舟調(diào)采錢購軍士用空田調(diào)，壓并進(jìn)勺行隔羅振安答裝。含孤肅（4策）電春子設(shè)騰備按碌GJ風(fēng)B1溉50撒.1目6-怠86呢進(jìn)行是振動(dòng)凡試驗(yàn)犁；天帽線車賽、電闊子設(shè)淋備車箏總裝節(jié)后進(jìn)瘦行許50縣0k翻m言跑車故試驗(yàn)輸。尚靜在振展動(dòng)試