Курсовая работа по теме:

Разработка технологического процесса сборки автомобильного усилителя мощности

Реферат

Объект разработки – автомобильный усилитель мощности.

Цель работы – Разработать частичный комплект конструкторской документации на изготовление автомобильного усилителя мощности для бытового пользования, который изготавливается при серийном типе производства и эксплуатируется в климатических условиях ТС 2.1.Устройство должно соответствовать высоким требованиям технологичности, надежности и эргономики.

Приобрести навыки по конструированию радиоэлектронных устройств, в общем, и выбору конструкторских решений для производства автомобильного усилителя мощности. Провести сравнительный анализ аналогов разрабатываемых усилителей и оценить преимущества и недостатки каждого.

Технологичность, надежность, усиление, мощность, коммутация, ремонтопригодность, блок питания, орган управления, эстетика, эргономика.

Содержание

Введение

1. Назначение и принцип действия усилителя мощности

2. Технические требования к усилителям мощности

2.1 Эксплуатационные требования

2.2 Требования технологичности

2.3 Требования эргономики и эстетики

3. Обеспечение технических требований

3.1 Обеспечение эксплуатационных требований

3.2 Обеспечение технологичности

3.3 Обеспечение эргономики

4. Обоснование выбора конструкции

5. Описание конструкции

6. Конструкторские расчеты

6.1 Расчет винта на срез

6.2 Расчет надежности

Выводы

Введение

Современное развитие технической электроники вызвало к жизни ряд областей науки, техники специфически электронного направления. В связи с этим техническая электроника классифицируется по самостоятельным областям и подразделяется на радиоэлектронику промышленную, транспортную, медицинскую, ядерную и др.

Радиоэлектроника, являясь старейшей областью технической электроники, занимается вопросами использования электрических приборов, устройств и установок для передачи и приема электромагнитных колебаний в широком диапазоне частот. [1]

Основной физический механизм работы РЭС – многократное преобразование природы сигналов. Конструкцию РЭС следует рассматривать в виде определенным образом упорядоченной статической комбинации (структуры) исходных свойств (материалов, элементов) и их взаимосвязей, обеспечивающих заданное динамическое преобразование физической природы сигналов, преимущественно электромагнитной природы.

Особенности конструкции РЭС определяются областью ее использования (объектом-носителем), схемотехническим назначением, используемыми элементной и конструктивной базами.

Усилитель мощности автомобильный является возимым прибором и предназначен для усиления звуковой частоты.

1. Назначение и принцип действия усилителя мощности

Усилитель мощности автомобильный является возимым прибором и предназначен для усиления звуковой частоты какого-либо воспроизводящего устройства.

На входе каждого канала установлен предварительный усилитель на ОУ DA1 с общим для каждой пары каналов регулятором уровня входной чувствительности R1. Коэффициент передачи предварительного усилителя изменяется от -6 дБ до +20дБ, что обеспечивает широкий диапазон регулировки чувствительности – от 150 мВ до 3В. Для работы каналов усилителя в мостовом включении предусмотрен инвертор на ОУ микросхемы DA2, включаемый в один из каналов каждой пары.

Ключи на полевых транзисторах VT1,VT2 блокируют вход УМЗЧ на время переходных процессов при включении и выключении источника сигнала, обеспечивая "бесшумную" коммутацию. Это необходимо, так как усилитель имеет открытый по постоянному току вход. Сигнал для управления ключами и блоком питания формируется отдельным каскадом.

Усилитель мощности имеет симметричную структуру. На входе установлен двойной дифференциальный каскад. Для расширения динамического диапазона дифференциального каскада в эмиттеры транзисторов включены резисторы.

Второй каскад – усилитель напряжения с местной ООС.

Третий каскад – двухтактный эмиттерный повторитель на составных транзисторах.

Корректирующие конденсаторы С4,С6,С7 обеспечивают устойчивость усилителя. Ток выходного каскада контролируется на резисторе R32. При его увеличении до 5А транзистор VT14 открывается и включает защиту блока питания. Для снятия блокировки после устранения перегрузки необходимо выключить и вновь включить усилитель.

2. Технические требования к усилителю мощности

2.1 Эксплуатационные требования

К усилителю мощности предъявляются следующие эксплуатационные требования:

- диапазон частот 20-20000 Гц;

- выходная мощность на канал 20 Вт;

- удобство работы при эксплуатации;

Изделие должно сохранять свои параметры в пределах норм, установленных техническими заданиями, стандартами или техническими условиями в течении сроков службы и сроков сохраняемости, указанных в техническом заданиях, стандартах или технических условиях, после и (или) в процессе воздействия климатических факторов.

Разработанный прибор должен эксплуатироваться в транспортных средствах II группа аппаратуры по ГОСТ 11478 – 88, категория исполнения – ТС 2.1 по ГОСТ 15150 – 69, для эксплуатации в качестве встроенных элементов внутри комплектных изделий категорий 1,4.1,2, конструкция которых исключает возможность конденсации влаги на встроенных элементах.

Так как изделие эксплуатируется в салоне автомобиля и предназначено для усиления звуковой частоты, таким образом, ручка регулировки громкости должна быть удобной и легкодоступной, что исключает длительное отвлечение внимания от дороги при управлении автомобилем. Цветовое оформление корпуса усилителя должно вписываться в интерьер салона автомобиля.

Значения температуры воздуха при эксплуатации, ˚С:

а) рабочие

1) верхнее значение + 45

2) нижнее значение - 10

3) среднее + 27

б) предельные рабочие

1) верхнее + 55

2) нижнее - 10

Относительная влажность 90 % при 27 ˚С

- продолжительность, мес 12,

- верхнее значение 98 % при 35 ˚С

Разработанный прибор должен выдерживать такие виды испытания (в соответствии с ГОСТ 11478 – 88):

а) Испытания на прочность при воздействии синусоидальной вибрации (диапазон частот от 10 до 150 Гц):

1) амплитуда виброускорения, м/с² (g) 19,6 (2)

2) число циклов качания частоты в каждом положении аппаратуры 20

б) испытания на прочность при воздействии механических ударов многократного действия:

1) ускорение, м/с² (g) 98 (10)

2) длительность ударного импульса, мс 16

3) частота ударов, удар/мин 60 – 120

4) число ударов 1000

в) испытания на прочность при транспортировании:

1) ускорение, м/с² (g) 147 (15)

2) длительность ударного импульса, мс 11

3) частота ударов, удар/мин 60 – 120

4) число ударов 1000

г) испытания на воздействие повышенной температуры:

1) рабочая повышенная температура, ˚С 40

2) продолжительность, ч 2

3) предельная повышенная температура, ˚С 55

4) продолжительность, ч 2

д) испытания на воздействие пониженной температуры:

1) рабочая повышенная температура, ˚С -10

2) продолжительность, ч 2

3) предельная повышенная температура, ˚С – 40

4) продолжительность, ч 2

е) испытания на воздействие повышенной влажности:

1) относительная влажность, % 93

2) температура 25

3) продолжительность, ч 96

ж) испытания на воздействие пыли:

1) рабочая повышенная температура, ^о С 40

2) относительная влажность, %, не более 50

3) концентрация пыли в воздухе, 1/м³ 2

4) скорость циркуляции воздуха, м/с 0,5

2.2 Требования технологичности

Эффективность и качество конструкций РЭС характеризуется системой показателей – важнейшим из них является технологичность, под которой понимается совокупность свойств конструкции изделия, обеспечивающая оптимизацию затрат при производстве, эксплуатации, ремонте с учётом заданных показателей качества.

Различают производственную, эксплуатационную и ремонтную технологичность конструкции.

Производственная технологичность определяет объём работ по технологической подготовке производства, сложность изготовления, удобство монтажа вне предприятия-изготовителя и характеризуется тремя составляющими: трудоемкостью, материалоемкостью и себестоимостью.

Эксплуатационная технологичность определяет объём работ при подготовке изделия к работе, техническому ремонту и утилизации.

Ремонтная технологичность характеризует свойства изделия при проведении всех видов ремонта, кроме текущего.

Эксплуатационная и ремонтная технологичность характеризуется пятью составляющими: доступностью, контролепригодностью, взаимозаменяемостью, обеспеченностью ЗИП, легкосъёмностью с объекта.

Доступность – это свойство конструкции обеспечивать простоту и удобство подготовки к техническому обслуживанию, ремонту и возвращению в исходное положение входящих частей, по окончании этих работ. Входящие в конструкцию части должны быть доступны для осмотра и замены без предварительного удаления других частей.

Контролепригодность – свойство конструкции, позволяющее осуществить контроль над режимом работы всех частей наиболее просто и быстро.

Взаимозаменяемость – свойство конструкции не нуждаться вовсе или нуждаться минимально в пригоночных и регулировочных работах при замене входящих в нее частей.

Тип производства разрабатываемого прибора – крупносерийное.

Можно выделить ряд рекомендаций по повышению технологичности:

- желательно не использовать или ограничить использование оригинальных ЭРЭ;

-использовать типовые или хорошо отработанные на данном предприятии технологические процессы;

- ограничить, а лучше исключить применение крупногабаритных ЭРЭ, которые неизбежно приведут к наличию объемного монтажа и ручной пайке и ручной установке на плату;

- использовать автоматизированную установку и пайку ЭРЭ;

2.3 Требования эргономики и эстетики

Вопросами реализации требований эргономики художественными средствами занимается техническая эстетика — наука, изучающая социально-культурные, технические и эстетические проблемы, формирования гармоничной предметной среды, создаваемой средствами производства.

В результате отработки изделия на эргономичность должна быть обеспечена эффективность взаимодействия человека с изделием, снижена утомляемость пользователя, приняты меры к предупреждению его ошибочных действий, в том числе и в аварийных ситуациях.

При изготовлении бытовой РЕА специально оговариваются наличие потребительских удобств, применительно к каждому конкретному изделию. На устройстве должны быть нанесены четкие и не стираемые обозначения и надписи, поясняющие назначение органов управления и устройств переключения.

Эстетические требования включают следующую номенклатуру показателей:

а) информационная выразительность характеризует способность изделия отражать в форме сложившиеся в обществе эстетические представления;

б) рациональность формы характеризует соответствие формы объектным условиям изготовления и эксплуатации изделия; проявляется в соответствии формы изделия его назначению, особенностям технологии;

в) целостность композиции характеризует гармоническое единство частей и целого, взаимосвязь элементов формы изделия и его согласованность с ансамблем других изделий;

г) совершенство производственного исполнения характеризуется чистотой выполнения контуров и сопряжения элементов, тщательностью покрытий и отделки, четкостью исполнения фирменных знаков и эксплутационной документации, устойчивостью к повреждениям.

При проектировании необходимо выполнить эргономический анализ создаваемой конструкции и убедиться в том, что:

- выбор формы изделия и соотношение размеров его сторон, цветовое решение передней панели и корпуса обеспечивают оптимальный режим работы пользователя;

- расположение органов управления обеспечивает удобное положение человека при работе;

- органы управления размещены в пределах досягаемости с учетом положения тела пользователя при работе,

- форма, размеры и материал органов управления соответствуют прилагаемому усилию, допустимому с точки зрения физиологии;

- конструкция обеспечивает удобство обслуживания и ремонта РЭС (доступность, степень риска и т.д.);

- рука при перемещении органа управления не закрывает шкалу индикатора;

- существует соответствие между перемещением органов управления и вызванными ими эффектами;

- органы управления и индикации размещены в последовательности, соответствующей порядку выполнения операций;

- физическая и психофизиологическая нагрузка при работе соответствует возможностям операторов (мужчин, женщин, молодых н пожилых работников).

3. Обеспечение технических требований

3.1 Обеспечение эксплуатационных требований

Прибор выполнен в форме параллелепипеда. Размеры изделия соизмеримы с его функциональным назначением. Цвет прибора черный. Корпус изготовлен из полистирола, закрывается снизу крышкой.

Конструкция обеспечивает удобство пользования усилителем с точки зрения средне статистического пользователя. Согласно условиям ТЗ разработанный усилитель мощности является возимой аппаратурой и принадлежит к II группе эксплуатации, т.е. аппаратура работающая в транспортных средствах.

В целом, к прибору выдвинуты жесткие требования. При эксплуатации устройства в заданных условиях, применение мер по обеспечению защиты от влаги, в частности применение герметичного корпуса – не оправданно.

В конструкции данного устройства применяется стандартная ЭРЭ, имеющая влагозощитное покрытие и с низкой интенсивностью отказов, которая обеспечивает надежную работоспособность устройства на протяжении гарантированного срока службы при воздействии на него неблагоприятных климатических факторов.

Плата усилителя выполнены из стеклотекстолита, применение которого в заданных условиях приемлемо. Во избежание коротких замыканий печатных проводников на плате используется запас расстояния в максимально нагруженных местах платы.

Материал корпуса – ударопрочный полистирол, который предотвращает выход из строя усилителя при воздействии механических нагрузок. Крышка соединяется с корпусом с помощью резьбового соединения. Форма печатной платы приближена к квадратной, крепление платы осуществляется в четырех точках. ЭРЭ крепятся на плате при помощи пайки. Крупногабаритные элементы на плате отсутствуют. Для предотвращения повреждения при транспортировке предусматривается стопорение винтов и гаек также должна быть предусмотрена специальная тара для прибора.

Данное устройство в отличие от его аналогов имеет малое энергопотребление. Это качество усилителя обуславливается применением в схеме электрической принципиальной ЭРЭ с малыми уровнями потребляемой мощности.

Питание прибора осуществляется от бортового источника питания автомобиля.

3.2 Обеспечение технологичности

Так как разрабатываемое изделие эксплуатируется в салоне автомобиля, для корпуса прибора выбрана литая конструкция из полистирола, который обладает хорошими эстетическими свойствами.

Использование литой конструкции при серийном типе производства очень выгодно, так как для данного типа производства она является высокотехнологичной. Данный тип формообразования имеет минимум отходов, что ведет в свою очередь к уменьшению затрат на их утилизацию. Кроме этого данный метод формообразования при серийном производстве является оптимальным и не требует больших затрат, а также достаточно хорошо отработан на производстве.

Конструкция корпуса сделана таким образом, что при снятии крышки имеется полный доступ ко всем элементам конструкции, это облегчает замену элементов при выходе их из строя. Это в свою очередь обеспечивает высокий уровень ремонтопригодности усилителя.

К оригинальным элементам конструкции относятся печатная плата корпус и крышка. Конфигурация оригинальных деталей проста, это приводит к их хорошей воспроизводимости. Плата изготавливается с помощью комбинированного метода, по типовому технологическому процессу, хорошо отработанному на производстве.

Для соединения деталей и сборочных единиц использовались шурупы и винты, т.е. резьбовые соединения. Резьбовые соединения характеризуются высокой надежностью и повышенной трудоемкостью, но их использование оправдано возможностью разборки изделия, т.е. повышает его ремонтопригодность. Стопорение механически нагруженных резьбовых соединений осуществляется с помощью краски.

В усилителе применена стандартная элементная база. Это в свою очередь дает возможность применять типовые технологические процессы по установке и пайке ЭРЭ.

Формовка выводов и установка радиоэлементов является стандартной по ОСТ 4ГО.010.030. Количество типоразмеров радиоэлементов сведено к минимуму.

Благодаря тому, что элементы устанавливаются на одной стороне платы, и как было сказано ранее, применена стандартная элементная база, для установки и пайки ЭРЭ используются автоматизированные системы, хорошо отработанные на производстве. Таким образом, можно использовать групповую пайку, в частности пайку волной, установку элементов осуществлять путем использования специализированных автоматов. Это в свою очередь уменьшит затраты времени, финансовые и трудовые ресурсы на производство данного изделия при серийном типе производства.

Обеспечение теплового режима осуществляется путем применения для нагруженных элементов радиатора. Тип радиатора выбран пластинчатый, так как он является наиболее технологичным, простым и дешевым в изготовлении, что очень важно в условиях серийного производства.

Сборка изделия осуществляется довольно просто и не требует дополнительных затрат на специальный инструмент и оборудование, так как все крепежные места – легкодоступны.

3.3 Обеспечение эстетики и эргономики

Корпус усилителя имеет форму параллелепипеда, которая является простой и выразительной. Во внешней отделке отсутствуют случайные детали – все то, что нарушает целостность формы.

Элементы крепежа утоплены в стенки корпуса ( винты и шурупы с потайной головкой ), таким образом не выступая за границы стенок корпуса и не нарушая его эстетической завершенности.

Орган управления усилителем мощности расположен таким образом, чтобы водитель мог эффективно управлять устройством, не допуская ошибок. Размеры органов управления соответствуют физиологическим возможностям среднестатистического человека (размер ручки регулировки громкости является оптимальной для "тонкой" регулировки уровня громкости).

Элементы соединения с электрооборудованием автомобиля вынесены на заднюю стенку усилителя, что не ухудшает эстетических свойств усилителя.

Для каждого элемента, расположенного на передней и задней панели, присутствуют соответствующие надписи, поясняющие его назначение. Цвет маркировки (белый) контрастирует с цветом корпуса, что облегчает ее считывание.

4. Обоснование выбора конструкции

Поиск вариантов конструкции изделия производят, отправляясь от аналога (аналогов) и двигаясь в направлении их доработки и улучшения с тем, чтобы обеспечить выполнение поставленного задания. Кроме аналогов, применяемых в указанном выше смысле, широко используют частные аналоги — апробированные конструкции различных структурных уровней, которые не являются законченными изделиями. Следует четко представлять себе, что использование аналога не только облегчает труд конструктора, но и обеспечивает также преемственность и повышает объем применяемости со всеми вытекающими отсюда преимуществами.

Проработка варианта конструкторского решения изделия включает выбор типа конструкции изделия, выбор типа несущей конструкции (НК), выбор и обоснование средств обеспечения надежности и малогабаритности, выбор и обоснование средств защиты от внешних и внутренних дестабилизирующих факторов. При этом должны быть рассмотрены и обеспечены требования ТЗ по технологическим показателям, эргономике и технической эстетике. Глубина проработки должна быть достаточной для сопоставления анализируемых вариантов.

В процессе разработки изделия под названием усилитель мощности автомобильный было исследовано несколько типов корпусов, которые показаны на рис. 4.1. Рассмотрены различные виды корпуса, с точки зрения его установки в салоне автомобиля.

При выборе конструкции необходимо стремится к компактности, удобству эксплуатации и презентабельному виду прибора.

Вариант исполнения корпуса изделия представленный на рисунке 4.1а имеет не очень удачную конструкцию, так как крепление усилителя производится всего в двух точках, что является неприемлемым при эксплуатации прибора на транспортном средстве. Также данное расположение крепежных элементов требует специальной доработки салона автомобиля.

Вариант исполнения корпуса изделия представленный на рисунке 4.1б устраняет некоторые недостатки присущие предыдущему варианту корпуса, но он также имеет ряд недостатков. В данном случае крепление производится в четырех точках, но такое расположение крепежных элементов также требует специальной доработки салона автомобиля.

Вариант конструктивного решения представленный на рис. 4.1в лишен недостатков, характерных для ранее рассмотренных решений и подходит для данного случая. Этот вариант решения позволяет удобно разместить усилитель в специально предназначенном в салоне автомобиле месте, а также максимально использовать внутреннее пространство.

Корпус имеет форму параллелепипеда, который можно изготовить из полистирола. Так как тип производства данного устройства – крупносерийный, для корпуса прибора выбрана литая конструкция, которая в данных условиях производства является высокотехнологичной. Кроме этого данный метод отработан на производстве.

Орган управления расположен на передней панели прибора. Компоновка прибора сделана таким образом, чтобы обеспечить свободный доступ к элементам схемы при замене в случае выхода их из строя.

В результате анализа конструкций корпуса была выбрана последняя конструкция ( рисунок 4.1в), так как она имеет ряд преимуществ перед другими двумя конструкциями, описанными выше. Прибор скомпонован таким образом, что обеспечивается отличная ремонтопригодность прибора благодаря легкосъемной нижней крышке, а также форма корпуса соответствует всем требованиям эргономики и эстетики.

5. Описание конструкции

Усилитель мощности имеет форму параллелепипеда.

Прибор состоит из корпуса поз.1 и основания поз.2. Они изготовлены из ударопрочного полистирола и представляют собой две литые детали, которые соединяются между собой с помощью шурупов с потайной головкой поз. 15.

На верхней панели устройства расположены префорационные отверстия, предназначенные для обеспечения нормального теплового режима нагруженных элементов. Также на этой же панели расположены выступы с отверстиями ("ушки"), предназначенные для крепления усилителя в салоне автомобиля.

На передней панели корпуса расположен переменный резистор (R1) поз. 20, с помощью которого производится регулировка уровня громкости в широких пределах

На задней панели предусмотрены разъемы поз. 8,9, предназначенные для подключения входного и снятия выходного сигналов.

Для крепления печатной платы поз.5 и радиатора в сборе поз.6, используются шурупы и шайбы поз.13,14, которые вкручиваются в бобышки отлитые на основании.

Основная масса элементов крепится на печатной плате, за исключением двух мощных транзисторов, которые прикручиваются к пластинчатому радиатору.

Все органы регулировки и коммутации имеют соответствующие надписи.

6. Конструкторские расчеты

6.1 Расчет винта на срез

Расчет винтов на срез, которыми крепится плата к основанию, проводится с помощью программы EXCEL. Ход и методика расчета приведены в приложении А.

6.2 Расчет надежности

Расчет надежности проводится для того чтобы определить максимально возможную продолжительность работы часов с учетом времени работы его в течении суток. На основе этих результатов производитель решает, какую гарантию на данный прибор он может дать. Обычно производитель дает гарантию меньше того, сколько прибор может проработать. Это обусловлено тем, что производитель старается избежать гарантийного обслуживания, а значит и больших затрат на содержания сервисных отделов.

Методика расчета заключается в том чтобы, зная интенсивность отказа каждого конкретного элемента определить общую интенсивность отказа во всем устройстве.

Интенсивность отказа во всем устройстве вычисляется по формуле 6.1.

(6.3)

где k – поправочный коэффициент;

m – число групп элементов;

n_i – число i-х элементов;

- интенсивность отказа i-го элемента.

Затем проводится расчет среднего времени на один отказ Т, по формуле 6.2.

(6.4)

Расчетные данные и результаты расчета заносятся в таблицу 6.1.

По результатам расчета строим график Р(t).

Рисунок 6.1- График Р(t).

Таблица 6.1-Результаты расчета наработки на отказ.

Как видно из расчетов при восьмичасовой работе прибор может работать около восьми лет. Это говорит о том, что прибор имеет довольно высокую надежность, что очень важно для РЭС. Стоит сказать, что прибор с такими показателями обязательно заинтересует потенциальных покупателей и займет не последнее место на рынке усилительной техники.

Выводы

В результате выполнения курсового проекта был разработан частичный комплект конструкторской документации на изготовление усилителя мощности. Так же были проведены расчеты винта на срез и надежности прибора. Данные расчета показывают, что устройство имеет довольно высокую надежность.

Для усилителя были обеспечены высокие эксплуатационные требования, высокая технологичность, удобство работы и презентабельный вид. Высокие значения данных показателей, обеспечили высокую надежность, удобство работы, приятный эстетический вид, простоту изготовления в условия крупносерийного производства, что позволяет говорить о низких затратах материальных, трудовых и энергетических ресурсов, что в конечном результате дает низкую стоимость усилителя мощности.

Все это позволяет говорить о высокой конкурентноспособности данного прибора на рынке бытовой техники, где требование к качеству, надежности и цене очень велико.

При разработке устройства были найдены достоинства и недостатки, проанализировав которые, можно сделать вывод, что данное устройство отвечает требованиям, предъявленным к нему, будет пользоваться спросом и может быть запущенно в производство.

Перечень ссылок

1. Журнал "Радиоаматор", 2002, №2 с. 42 – 43.

2. Методические указания к циклу лабораторных работ по курсу КРЭС "Системный анализ" для студентов всех форм обучения специальностей 7.091.002 и 7.091.701 /Составители: Перегрин Г.Р, Поспеева Е.И, Башмакова Л.И – Запорожье: ЗГТУ, 1997-36с.

3. Методические указания по расчету надежности РЭА в дипломных и курсовых проектах радиотехнических специальностей. – Запорожье: ЗГТУ, 1991. – 40с.

4. Гелль П.П, Иванов-Есепович Н.К. Конструирование и микроминиатюризация радиоэлектронной аппаратуры: Учебник для ВУЗ-ов. – Л.: Энергоиздат. Ленинградское отделение. 1984. – 536с.

5. Справочник конструктора РЭА: Общие принципы конструирования / Под ред. Р. Г. Варламова. – М.: Сов. радио, 1980. – с., ил.

6. Белинский В.Т., и др. Практическое пособие по учебному конструированию РЭА.- К.: Высшая школа, 1992 – 494с., ил.