机箱结构设计技术规范

文件名称 文件名称 机机 箱箱 结结 构构 设设 计计 规规 范范 编号 编号 RD SJ 004RD SJ 004版本 版本 A0A0页次 页次 1 1 2323 编写 编写 审核 审核 批准批准 日期 日期 持续改进的质量 快速灵活的反应 准确及时的交货 有利竞争的成本 文明和谐的环境 1范围 本规范适用于工业类计算机机箱的结构设计 并针对军工产品与需要实施特性分 类的工业计算机规定了特性分类在设计文件上的表示方法 2规范性引用标准及参考文献 2 1GB T 3047 2 1992 高度进制为 44 45mm 的面板 机架和机柜基本尺寸系列 2 2GB T 14665 1998 机械工程 CAD 制图规则 2 3GB T 2822 1991 标准尺寸 2 4SJ T 207 1 3 1999 中华人民共和国电子行业标准 设计文件管理制度 2 5 电子设备结构设计原理 3定义 特性分类 根据特性的重要程度 对其实施分类的过程 特性分为三类 关键特 性 重要特性和一般特性 关键特性 如有故障 可能危及人身安全 导致武器或完成所要求使命的主要系 统失效的特性 具有此特性的零件称关键零件 重要特性 如有故障 可能会导致最终产品不能完成所要求使命的特性 具有此 特性的零件称重要零件 一般特性 该特性虽与产品质量有重要关系 但如有故障 一般不会影响产品的 使用性能 仅有此特性的零件称一般特性 4机箱设计的基本要求 4 1证产品技术指标的实现 设计机箱时 必需考虑机箱内部元 器件相互间的 电磁干扰和热的影响 以提高电性能的稳定性 必需注意机箱的强度 钢度 问题 以免产生变形 引起电气接触不良 门 插接件卡滞 甚至受振后损 坏 必需按实际工作环境和使用条件 采取相应的措施以提高设备的可靠性 和使用寿命 保证产品技术指标的实现 4 2便于设备的操作使用与安装维修 为了能有效地操作和使用设备 必须使机 2 箱的结构设计符合人的心理和生理特点 同时还要求结构简单 装拆方便 此外 面板上的控制器 显示装置必须进行合理选择与布局 以及考虑操作 人员的人身安全等等 4 34 3良好的结构工艺性 结构与工艺是密切相关的 采用不同的结构就相应有不 同的工艺 而且机箱结构设计的质量必须要有良好的工艺措施来保证 因此 要求设计者必须结合生产实际考虑其结构工艺性 4 4贯彻标准化 模块化 4 4 1 准化是国家的一项重要技术经济政策和管理措施 它对于提高产品质 量和生产率 便于使用维修 加强企业管理 降低生产成本等都具有 重要作用 结构设计中必须尽量减少特殊零 部件的数量 增加通用 件的数量 尽可能多的采用标准化 规格化的零 部件和尺寸系列 尽 量采用标准库中和国标零部件 4 4 2 模块化是标准化的发展 是标准化的高级形式 用模块可组合成新的 系统 也易于从系统中拆卸更换 模块具有典型性 通用性 互换性 或兼容性 标准化通用化只是在零件级进行通用互换 模块化则是在 部件级 甚至子系统级进行互换通用 从而实现更高层次的简化 5机箱设计的其本步骤 5 1细研究产品的技术指标 5 1 1 产品的技术指标是设计 制造与使用的唯一依据 亦是检验产品质量的 客观标准 为了正确的进行机箱结构设计 应深入实际 详细研究产品 的各项技术指标 了解国内外同类产品或相近类型产品的结构与使用情 况 然后再确定结构的形式 5 2确定机箱的类型和外形尺寸 5 2 1 机箱类型是在总体布局过程中 根据不同的产品应用需求 制定各种 不同方案 经过讨论分析和比较而确定是壁挂式 桌面式 还是上架式 的 5 2 2 机箱尺寸是按机箱内元器件的大小确定初步尺寸 然后根据这个尺寸 选用标准尺寸 也可先选定标准的外形尺寸 再进行箱内的元器件布局 3 分配 5 2 3 面板设计 机箱内元器件的排列布局 5 2 4 面板的尺寸是在机箱类型 尺寸确定后定下的 而面板上各种操纵和 显示装置的选择和布局 应该根据电原理图的要求 人机工程 造型 通风等因素综合考虑 5 2 5 机箱内部元器件的排列是根据电原理图 主要元 器件的外形尺寸及 相互关系 并考虑通风 减振 屏蔽及走线的方便美观程度等来确定的 5 3确定机箱零 部件结构形式 绘制零件图纸 5 3 1图纸是工业的语言 再好的设计 也需用它表达出来 一套清晰完整的 图纸是一个好的产品的前提和保证 我公司机械图采用 中国国家工程 制图标准 投影方式采用第一视角投影法 尺寸标注参照 GB T2822 1981 对于由主要尺寸导出的因变量尺寸和工艺上工序间的尺寸 不受 此限制 对已有标准规定的尺寸 可按专用标准选用 机械组参照 GB T 14665 1998 所做的 模板及图框使用说明 对 CAD 电子档 图框 图层 图线等也做了详细规定 详见 受控文件归档模板 5 3 2本公司一套完整的机械资料由以下 9 部份组成 1 图纸封面 2 零件清 单 3 总装图 4 部件图 5 零件图 6 碰焊图 7 丝印图 8 包装图 9 产品使用说明书 5 3 2 1 图纸封面 包括所设计机箱的名称及设计 审核 批准的签名 5 3 2 2 零件清单 分为 IPC XXXXXX 零件清单 与 IPC XXXXXX 零件 清单 非军工产品 包括设计机箱的关键 重要零件和一般零件 的图纸清单和应用到的机箱辅件清单 非军工产品零件清单无产 品特性分类 详见附表及填表说明 5 3 2 3 总装图 要能够明确表达出主要零 部件及元器件的安装位置 机箱的外型 安装尺寸 并在标题栏上方列出主要零 部件及元 器件清单 对于关键 重要零件在备注栏中分别标注 G 与 4 Z 标示 5 3 2 4 部件图 在总装图不能完全表达设计意图时 还需做出部件图 部件图的要求同于总装图 5 3 2 5 零件图 是整套图纸的最基本单元 要求能按制图标准清楚表达 零件 对于关键 重要尺寸 需在标示尺寸后分别标注 Gx 与 Zx 标示 x 表示处数 如 图上尺寸 28 0 01 是第 3 处关键尺寸 标示为 28 0 01 G3 同时在标题栏中注明 零件名称 数量 所属机箱 图号 材料 表面镀涂 零件版本 以及关键 重要零件标示等 如果同时具有关键特性和重要特性 的零件图 则只在图纸标题栏内标注 G 5 3 2 6 碰焊图 要求能够清楚表达各碰焊件的位置 在有严格尺寸要求 时 还需标注尺寸 公差 在碰焊图明细栏中 需详细列出碰焊 件的代号 名称 图号 数量 5 3 2 7 丝印图 必须能清楚表达出丝印文字 图形的位置 技术要求中 应注明丝印文字 图形的高度 字体类型 颜色等 颜色 PANTONE 色卡表示 5 3 3 机械图纸编号规则如下 XXX X XX 图纸流水号如 01 99 M 零件图 S 丝印图 H 碰焊图 W 线组图 P 包装图 ZP 装配图 产品型号 例 编号 IETH802 M01 其中 IETH802 表示产品型号 M 表示零件图 01 表示第一张图纸 5 3 4 除电镀外 所有零件的表面处理 在零件图 碰焊图中只注明 喷漆 或是 喷粉 具体颜色在 零件清单 中注明 不做表面处理的零件 5 镀涂栏内不填内容 5 4 资料审核 5 4 1 军工产品及与需要实施特性分类的产品审核 图纸及清单经审批后 分 别交工程进行工艺会签 交品质进行质量会签及认证进行标准化审核才 能受控发放 5 4 2 一般产品的图纸及清单的受控 只需审批后就可送文控受控 其他签核 栏用 划掉 6机箱的结构件 6 1机箱零部件的分类及命名 机 箱 箱盖组件箱体组件 挡口板 导 轨 面板组件 挂耳把手面板支架门组件 可做成一体门玻璃 铰链门 箱盖箱盖压板 背板组件 背板 驱动器组件压条底板组件EMC 弹片进风防尘组 件 驱动器架软驱盖光驱盖 前压条后压条防尘网架防尘网盖风扇架 底板支架 插槽架 AT ATX 面板 接地弹片 I O 架I O 弹片 喇叭架箱体 6 如上图所示 机箱主要由五大部份组成 各部份又分成若干小的部份 在 没有特殊要求的情况下 零件图中的零件名称需按上图所列的零件名称命名 上图也可作为整套机箱设计完后的对照检查使用 6 2面板组件 摘自 GB T 3047 2 92 6 2 1 面板 见图 1 1 图 1 3 6 2 1 1面板宽度 B 的尺寸系列 482 6 609 6 762 0mm 6 2 1 2高度 H 的尺寸系列见表 1 1 6 2 1 3面板的材料 面板一般使用型材或 2 50mm 冷轧钢板制作 工作站 的面板用铝合金板制作 厚度分为 10mm 8 0mm 6 0mm 5 0mm 几 个规格 6 2 1 4面板上的装饰 为了机箱外表的美观 一般在机箱的面板上都有一 些装饰性的丝印 凹凸槽等 原则是不能影响机箱功能及牢固性 公司的标志一般装在机箱面板的左上角醒目位置 特殊情况可例外 图 1 1图 1 2图 1 3 7 表 1 1 Hh1h2h3代号 图号 n U 0 4 1U43 65 9 1 1 2U88 137 7 1U43 65 931 8 2U88 15 976 2 3U132 537 757 15 4U17737 7101 6 5U221 537 7146 1 1 2 6U265 937 7190 5 6U265 937 757 1576 2 7U310 337 788 957 15 8U354 837 7101 676 2 9U399 237 7101 6120 6 10U443 737 7101 6165 1 11U488 137 7133 3146 1 1 3 12U532 637 7133 3190 6 注 表中 U 44 45mm H nXU 0 8mm 当结构设计需要增加不足 1U 的面板高度时 允许在 H 值上增加 1 2U 但 h1 h2 h3 不变 6 2 1 5面板安装槽口或安装孔的尺寸见图 1 4 图 1 4 8 6 2 1 6面板的类型与机柜立柱的配合示意 见图 1 5 图 1 5 9 6 2 1 7面板与机柜 或机架 在宽度方向上的安装尺寸 见图 1 6 表 1 2 表 1 2 BB1B min 482 6465450 609 6592577 762 0744 4729 4 图 1 6 10 6 2 2挂耳 挂耳可与面板做成一体 也可单独做成一个零件 但挂耳上的 上架孔以及挂耳与机箱面板整合后的外型尺寸必须符合 GB T3047 2 92 6 2 3把手 把手应优先选用 机械设计通用件标准库 中的把手 为了便 于机箱上架后与机柜立柱贴平 机箱面板上固定把手的螺钉应选用沉 头螺钉 面板也需在背面沉孔 把手装上后 不得影响上架螺钉的装 配 新设计把手时 应符合以下标准 1 4U 包含 4U 以上的机箱 把手固定孔距为 138mm 固定螺孔 为 2 M4 2 2U 机箱把手固定孔距为 64mm 固定螺孔为 2 M4 3 1U 机箱把手固定孔距为 35mm 固定螺孔为 2 M3 6 2 4面板支架 面板支架是面板与箱体之间的过渡件 它和面板 箱体 都要有良好的电接触 面板支架不光要支撑面板 还要支撑装在门板 内的开关 灯板 防尘网组件等 面板支架上开关类的开孔可参照 机械设计标准库 驱动器的开孔是在驱动器外型尺寸基础上周边 放大 0 3mm 面板支架与箱体之间的间隙单边留 0 2mm 比较合适 6 2 5门组件 门组件一般由门 玻璃 门绞几部份组成 因要监视门内 指示灯的运行状态 一般在门上都开有能够看到灯的观察窗 在观察 窗内嵌有门玻璃 门绞是把门与箱体联接起来的一个重要部件 应优 先选用 机械设计通用件标准库 中的标准门铰链 设计时应对门的 开闭情况做模拟试验 包括锁在内的所有门上附件不得与面板有碰撞 卡滞现象 完全开启后的门也不能碰在面板上 以免蹭掉面板上的喷 涂层 一般门与门框的间隙单边留 0 3mm 比较合适 靠近门绞侧的间 隙可适当放大 考虑到转动干涉及外表的美观 门绞侧的边可铣成斜 边 门框相应位置也需倒角 6 3箱盖组件 6 3 1 箱盖 箱盖的外型尺寸 一般与箱体同宽 与箱体接触面有良好的电接 11 触 单边间隙留 0 3mm 较适宜 6 3 2 箱盖压条 为便于箱盖与箱体固定 在箱盖内侧设计有压条 帮助箱盖 卡在箱体上 一般压条与箱盖间的间隙等于面板支架的板厚加上 0 3mm 12 6 4箱体组件 箱体 面板与箱盖的基本尺寸 见图 1 7 表 1 3 表 1 3 B482 6609 6 B3 包含机箱两导轨 449 推荐不含导轨 425 576 推荐不含导轨 560 H 见表 1 1 H3 H 参照 GB T2822 1981 选用标准尺寸 D3 240 300 360 420 需要时按 60mm 增量增加 图 1 7 13 6 4 1 箱体是整个机箱的重要组成部分之一 它不光承担机箱中电子元器件的 保卫 屏蔽 固定的任务 还要在适当的位置对电子元器件的连接 线加以固定 箱体与其它部件碰焊时 焊点间距不得大于 50mm 对一 些外露的窄长缝隙 需加以处理 方法有三种 a 减小碰焊点间距 b 缩小固定螺钉间距 c 增加 EMC 弹片 6 5驱动器架 驱动器架可按其在机箱中所处位置及与相邻零件 元件的位置关 系确定 驱动器需有前后调节的空间 与驱动器配合时建议侧面单边间隙留 0 3mm 驱动器架与驱器以及机壳要保证有良好的电气接触 例如可在橡胶 减震上装跨接弹片 在不装光软驱的情况下 还应设计光 软驱盖板 光软 驱盖应优先选用 机械设计通用件标准库 中的 6 6压条 压条的作用是在机箱中压紧所有板卡 使机箱在经受恶劣环境下的震 动时板卡不致于松动或接触不良 所以压条要有一定的钢性 强度 材料必 须选用 1 50mm 以上的钢板 在已知最高板卡的情况下 设计时压条的下表面 距板卡的上表面距离为 5 0mm 这样压块既有一定的压缩量 又不用再加工 浪费工时 在压其它板卡时 可在压块尺寸 A 上进行调整 见图 1 8 压条 上装压块的开孔见图 1 9 两侧开孔若要错开设计时 靠近插槽架一侧的开 孔按正常位置设计 压条分为前后两条 前压条压在全长卡的后端 后压条 在机箱中的位置一般处于 PICMG 卡前端 1 3 处 约为 114mm 前 后压条下 表面距板卡上表面的距离应相等 如图 1 10 所示 图 1 9图 1 8 14 6 7EMC 弹片 为了保证整机的电磁兼容性 机箱设计时必须考虑屏蔽问题 而 接缝的连接工艺及结构对屏蔽效能影响最大 所以要求接缝为碰焊的 重叠 部分不得小于 9 0mm 焊点间距不得大于 50mm 螺钉连接时 也应有同样的 重叠和螺钉间距 在结构上不能满足以上要求时 就要考虑应用 EMC 弹片来 保证机箱接触面缝隙不大于 50mm 了 EMC 弹片应优先选用 机械设计通用 件标准库 中的 6 8喇叭架 机箱上的喇叭主要作用是放大主板上蜂鸣器的声音 它的位置最好 选在面板 机箱底面等能透出声音的地方 喇叭 喇叭压片请优先选用 机 械设计通用件标准库 中的 6 9进风防尘组件 随着电技术的迅速发展 微电子元器件和设备的组装密度也 在迅速提高 组件和设备的热流密度也在迅速增加 为了防止电子元器件的 热失效 保证它们在规定的热环境下 能按预定的参数正常 可靠地工作 就要给它们创造一个良好的热环境 要创造这样的环境 首先要从电子设备 的热控制入手 一般来说 电子设备冷却的方法有以下几种 图 1 10 15 6 9 1 自然冷却法 靠电子元件自身的热对流 辐射 传导来散发热量 优 点是可靠性高 成本低 它不需要风扇 热管等冷却装置 避免了因机 械部件磨损或故障影响系统可靠性的敝病 缩小了机箱空间 在设计低 功耗主板时应优先考虑自然冷却法 6 9 2强迫空气冷却法 此法在一些热流密度要求高 温升要求也比较高的 电子设备中得到广泛应用 优点是设备简单 成本低 缺点是体积重 量大 噪音也较大 机械部件磨损或故障会影响系统的可靠性 我 们公司的工控机箱大多采用的是此种方法 而此法中用的最多的又是 C 整机鼓风冷却法 强迫空气冷却的基本形式有三种 a 单个电子元 器件的强迫空冷 也就是对某个发热特别严重的电子元器件设计专用 风道 采取点冷却的方式 b 整机抽风冷却 也就是把风扇装在出风口 处 特点是风量大 风压小 各部分风量比较均匀 适用于单元热量 分布比较均匀 各元件所需冷却表面的风阻较小的机箱 c 整机鼓风冷 却法 也就是把风扇装在进风口处 特点是风压大 风量比较集中 适用于单元内热量分布不均匀 各单元需要专门风道冷却 风阻较大 元件较多的机箱 6 9 3整机抽风或鼓风所需风量公式如下 Qf Cp t m3 s 式中 空气的密度 kg m3 Cp 空气的比热 J kg 总损耗功率 热流量 W t 冷却空气出口与进口温差 一般 t 可取 10 左右 6 9 4这是一种比较保守的计算方法 它忽略了机箱四周对大气的辐射和自 然对流换热所散去的热量 算出的值偏大 如果外界温度低于机箱表 面温度 精确计算时 应该把辐射和自然对流换热所散去的热量减去 再求所需风量 一般在强迫风冷时 辐射与自然对流散热量约占总散 热量的 10 左右 既 Qf 10 Cp t m3 s 6 9 5直接液体冷却法 此法适用于体积功率密度较高的电子元器件或部件 16 优点是冷却效率极高 缺点是需要对流泵和热交换器等部件 易损 维护成本高 6 9 6 热管冷却法 热管是一种热传导效率很高的传热器件 其传热性能比相 同的金属导热能力高几十倍 且热管两端的温差很小 应用热管传热 时 主要是如何减小热管两端接触界面上的热阻 6 9 7 我们使用最多的是强迫空气冷却法 此法中不管采用哪种形式 都要考 虑风道及风孔的设计 风道因受机箱体积 箱内元器件布局的限制 要根据具体情况来定 风孔设计时要把握以下四条基本准则 a 通风 孔的开设要有利于气流形成有效的自然对流通道 b 进风孔尽量对准发 热元器件 c 进风口与出风口要远离 为防止气流短路 应开在温差较 大的相应位置 进风孔尽量低 出风孔尽量高 d 进 出风孔都应考虑 电磁泄露 进风孔还需要考虑防尘 6 9 8 因防尘网对进风有一定的阻碍作用 应用时应该根据机箱实际工作的环 境来定 一般 1U 机箱工作的环境相对较好 可考虑不用防尘网 防尘 网应有专门的支架来支撑 拆装也应方便 利于使用者定期清理防尘 网上的灰尘 6 9 9 进风防尘组件中的主角是风扇 它的选用应综合考虑 考虑到降低噪声 及结构的合理性 一般在设计时风扇支架都是和插槽架合二为一的 6 10底板组件 底板组件是一套机箱的核心部分 在结构上 底板组件是由底板 支架 插槽架 I O 架和 I O 弹片四部份组成 而设计时 最关心的是装在 这些支架上的主板 底板之间的位置 尺寸关系 目前为止 还没有找到过 这方面的现成资料 我以我们公司现有的底板 主板经测绘后 总结出它们 之间的关系如图 1 11 供大家设计时参考 17 6 10 1 底板组件的四个零件中 I O 架的尺寸与主板关系最为密切 我公司以 前的机箱对此件的尺寸未做统一规定 我根据我们以前的老产品及主 板尺寸定出 I O 架的主要关联尺寸 见图 1 12 供大家设计时参考 图 1 11 18 6 10 2 底板支架 顾名思义是固定底板的 应按所用底板配好螺孔 外型与底 板做成相近形状 与机箱固定的孔位还需做防反设计 底板支架上表 面距底板下表面最小不得小于 3 0mm 推荐尺寸为 6 0mm 与隔离柱等 高 图 1 12 19 6 10 3 为了加强对主板的散热 插槽架经常与风扇架设计成一体 所以插槽架 中间部分应尽可能大的镂空 新设计的机箱插槽架还要承担支撑前压条 的任务 插槽架上装卡条的孔位如图 1 13 6 10 4 I O 弹片作用是加强键仔与 I O 架之间的接触 机械设计通用件标准 库 中收进了我公司常用底板需配的几款 I O 弹片 设计时请优先选 用 6 11背板组件 6 11 1背板 背板是整个机箱的后屏障 I O 架 一些并口 串口 键盘接口 电源出口都固定在它上面 大多数机箱还要从背板上出风 一些行 业 比如 DVR 行业 还有大把的线要从背板上出来 所以背板上最 好留一些出线孔 不用时用盖板盖上 背板在许可的情况下最好做 成可拆式 与箱体配合的单边间隙留 0 2mm 较合适 它与箱体要保 持良好的电导通 图 1 13 20 6 11 2挡口板 挡口板 盖板是盖住背板上过线孔的小板 板上开有通风孔 如图盖板是盖住背板上过线孔的小板 板上开有通风孔 如图 1 1 1515 图 1 14 图 1 14 图 1 15 21 6 12导轨 6 12 1 导动 导轨是加强机箱强度和上架用的 我公司常用的导轨见图 1 16 服务器和三合一显视器等需要抽出的设备还要用到抽拉式导轨 典型 的如我公司产品 IPC KVM 上用的的三级导轨 见图 1 17 图 1 16 图 1 17 22 7电磁兼容设计 7 1 随着电子技术的迅速发展 单纯的机械结构设计已经逐步被机电结合 光电结 合等新技术所取代 这就要求我们作机箱结构设计时 不单要考虑电子元器件 是否能被装下 还要在电磁兼容 通风散热 振动等方面多与电子工程师勾通 使我们的机箱能更好的为我公司的产品服务 下面是机箱设计在电磁兼容方面 应注意的几个问题 7 1 1 机箱上尽量少开长孔 通风孔长度应 30mm 其它槽缝上电接触不良的 长度应 50mm 长 否则就得采取附加的电接通措施 如接地簧片 7 1 2 机箱上两金属件间的接触面上不能有漆 包括电源安装处 新设计机箱 尽量采用 外喷涂 内保护 的方式 7 1 3 所有 I O 口的外壳应就近与机壳后面板良好接通 无法保证的应采用端面 带弹片的插座 7 1 4 光驱和软驱之间 以及它们与盘架之间 盘架与机箱面板之间均应加金属 簧片 使之电接触好 8表面处理 8 1 铝板和铝合金表面可做如下处理 拉丝 喷砂后氧化 电镀 8 1 1 铝板面板表面常做拉丝氧化或喷砂氧化处理 8 1 1 1 拉丝可根据装饰需要 制成直纹 乱纹 螺纹 波纹和旋纹等几种 喷砂处理可获得细微反射面的表面 达到光泽柔和效果 8 1 1 2 氧化使铝板表面得到一层保护膜 以防自然氧化 而且氧化膜的表面 硬度也比原材料高 可以起到保护作用 氧化分导电氧化和阳极氧化 导电氧化 氧化层可导电 氧化层薄 表面易脏和易被腐蚀 导电氧 化只能做本色和金黄色 阳极氧化 氧化层不导电 氧化层厚 阳极氧化膜靠吸附染料而着色 可使产品得到各种颜色 自然散热时 铝合金散热器为提高辐射热的能力 常做阳极氧化发黑 处理 8 1 1 3 电镀层起装饰和保护作用 如铰链镀镍 8 2 钢板表面常做如下处理 喷漆 喷粉 电镀 起装饰和保护作用 23 8 2 1 冷扎板耐腐蚀性差 需整个零件全喷涂或电镀 其余钢板视外观需要而选择 8 2 2 单面漆厚约为 0 025mm 0 04mm 单面粉厚约为