Разработать конструкцию клавиши управления РЭА

Разработать конструкцию клавиши управления РЭА

Введение

Различного рода кнопкам, клавишам управления и контактам принадлежит заметная роль в современной радиоэлектронной аппаратуре и средствах автоматики при решении широкого круга технических задач в приводных, программных, переключающих, тормозных, фиксирующих, блокировочных и многих других устройствах. Они являются одним из основных элементов средств автоматики и автоматизации. Сегодня трудно назвать отрасль промышленности, где бы не использовались те или иные клавиши управления, кнопки и контакты.

Относительная простота, компактность конструкций, широкие функциональные возможности этих устройств обусловили применение их в системах автоматики и телемеханики, управления, сигнализации, контроля, защиты, информационных и других отраслях техники, науки, производства.

С ростом уровня автоматизации и функциональным усложнением аппаратуры, с повышением плотности компоновки ее увеличивается число применяемых электрических устройств. К этим устройствам и их исполнительным элементам предъявляются все более высокие конструктивно-технологические, экономические и эксплуатационные требования (в частности, простоты и технологичности конструкций, уменьшения габаритных размеров, массы, потребляемой энергии, простоты обслуживания, удобства эксплуатации, сокращения сроков разработки).

Целью данного курсового проекта является разработка конструкции клавиши управления РЭА.

1 Назначение и области применения конструкции

Клавиша управления РЭА предназначена для подачи сигнала путем механического воздействия на колпачок устройства  в цепях устройств автоматических систем. Может применяться в приборостроении, машиностроении для контроля и регулировки работы оборудования. В частности – включение (например, сигнализации при открытии дверей), отключение и переключение на другие системы или режимы работы. Клавиши управления нашли широкое применение почти во всех отраслях промышленности. 

Условия эксплуатации клавиши управления предполагают ее использование при температурах (-20÷+40)м/span>С, влажности 95%. Условия эксплуатации также накладывают требования к материалам конструкции, которые должны обеспечить надежную работу устройства в течение всего периода эксплуатации.

2 Описание и обоснование выполненной конструкции.

Клавиша предназначена для коммутации постоянного тока. Устройство состоит из корпуса 7, патрона 1, гайки 6, подвижного контакта 2, кнопки 5 с закрепленными на ней колпачком 3 и шильдиком 4,капсуля 11, пружин 8, 10, контактов 9, 13, 14 и лепестков 12. Патрон 1 – армированное пластмассовое изделие, в котором заформован лепесток, изготовленный из МНЦС 16-29-1.8 ГОСТ 492-73. Подвижный контакт 2 состоит из пластины и четырех контактов, соединенных расклепкой. Пластина изготовлена из сталит БрАЖ9-4 ГОСТ 18175-78 , а контакты — из серебра твердотянутого Ср999 ГОСТ 6836-72. Колпачок 3 приклеивают к кнопке 5 клеем.

При нажатии кнопки 5 подвижный контакт 2 замыкает контакты 14.Индикация клавиши всегда нахадится в рабочем состоянии. Пружина 8 на двух диаметрально расположенных контактах служит для установки кнопки в исходное положение. Для надежности четыре контакта клавиши соединены по два, параллельно. Клавиша ставится в гнезда панели пульта и фиксируется выступами на корпусе 7.

Патрон 1, кнопка 5, гайка 6, корпус 7 и капсуль 11 изготовлены из поликарбоната ПК4-ОМ ТУ 1762-81. Поликарбонат литейный окрашенный, удовлетворительные прочность и ударопрочность, хорошие литейные свойства и обрабатываемость резанием. Широкая гамма красителей. Применяется для изготовления деталей сложной конфигурации, корпусов, цветных наружных деталей полупрозрачных и непрозрачных. Рабочий диапазон температур -40м/span>С…+140м/span>С.

Колпачок 3, шильдик 4 изготовлены из стекла органического СОЛ ГОСТ 15809-70. Полиметилметакрилат листовой. Высокие химическая и влагостойкость. Прозрачен, хорошо обрабатывается резанием, сваривается, в нагретом состоянии пластичен, допустимы гибка и формовка. Рабочий диапазон температур до +100м/span>С    

Одним из элементов клавиши являются контакты, которые могут быть изготовлены из меди, бронзы, серебра. Медь М1 ГОСТ 859-78 мягкий пластичный металл, обладает хорошей тепло и электропроводностью. На воздухе подвергается окислению, поэтому необходимы частые зачистки или специальные гальванические покрытия типа О – Ви по ГОСТ 9.306-85, которое обеспечивается пайкой. Цвет покрытия от светло-серебристого до серого. Содержание висмута от 0.3…3.6%. Гальвано покрытие выполняется в определённых условиях и требует больших экономических затрат. Бронза Бр Б2 ГОСТ 18175-78. Обладает высокими механическими свойствами, высоким сопротивлением усталости, хорошей электро и теплопроводностью, штампуется. Рекомендуется для применения пружинящих контактов, щеток и токопроводящих деталей. Лучше всего работает при температурах -30м/span>С…+30м/span>С. Для увеличения износоустойчивости и увеличения твёрдости, расширения возможности работы необходимо производить гальванопокрытия О-Ви или кадмиевое. Наилучшим материалом  контактов является КМК – А10(серебро, вольфрам, никель). Серебро обладает высокой электро и теплопроводностью, не является химически активным элементом. Вольфрам обладает большой износоустойчивостью, твёрдостью, может работать в агрессивных средах, высокая температура плавления. Никель является антикоррозионным элементом и выполняет функции гальванопокрытия.

 3 Технические характеристики конструкции.

     1.   Клавиша управления обладает следующими техническими характеристиками:

           – габаритные размеры:

            высота –  82.5 мм;

            ширина – 46.5 мм;

            длина – 56.5 мм;

– ток через контакты 10А;

– напряжение питания 12В;

– усилие 15 кг;

– равномерно распределенное давление 108 кПа;

– допускаемое напряжение [σ]=50 МПа;

– цилиндрическая жесткость D=230;

– диаметр контактов 5 мм;

– высота контактов 1,6 мм;

– величины контактных усилий Рmin.констр=0.07 Н и Рmax=807 Н.

4 Расчёты подтверждающие надёжность и

работоспособность конструкции.

4.1 Расчёт контактов

В приборе применяются разрывные контакты. Они работают с образованием дуги при размыкании и для них наиболее пригодны тугоплавкие металлы и сплавы типа твёрдых растворов (напряжение дугообразования 12В и ток 0.6А меньше напряжения и тока при котором работают контакты . Поэтому в качестве материала контактов для уменьшения возможности сваривания выбираем Ср999 ГОСТ 6836-72 (серебро твердотянутое) имеющую следующее параметры:

Плотность ρ=10.5⋅103 кг/м3;

Температура плавления tпл = 961 м/span>С;

Удельное сопротивление ρуд = 1.6⋅10-4 Ом⋅м;

Удельная теплопроводность Cуд = 4.16 Вт/смм/span>С;

Твердость по Бринеллю (HB) = 30..60⋅107  Н/м2;

Температурный коэффициент сопротивления ТКС =0.41 1/м/span>С⋅10-3;

Модуль упругости E = 7.7⋅1010   Н/м2.

         Исходя из значения тока определяем из таблицы 1 выбираем диаметр контакта и высоту контакта:

Таблица 1

Диаметр контакта D = 5 мм;

Высота контакта h = 1,6 мм;

В данной конструкции цепь разветвляется на два контакта и вследствии этого ток, протекающий через контакт, будет в двое меньше. 

1. Рассчитываем контактное сопротивление:

                                  Ом

где  Uk – напряжение в контакте.

2. Требуемая площадь контакта для нормального охлаждения:

                            мм²

где I=5А – ток через контакты;

           с=0.48 – коэффициент охлаждения( при естественном охлаждении 0.48);

           Δt=60м/span>С – допускаемое превышение температуры (для окисляющихся материалов 50м/span>…75м/span>С);

3. Минимальное контактное усилие:

     Н

где  с=1 – коэффициент шероховатости поверхности (с=1 для чисто обработанной поверхности);

            b=1 – коэффициент, зависящий от характера деформации, вида и формы зоны контактирования (b=0.7…1; т.к. твердотянутое серебро Ср999 склонно к образованию поверхностных пленок, выбираем b=1.0 );

           ρ =1.6⋅10-4 – удельное сопротивление материала;

           НВ=50⋅107 – твёрдость по Бринеллю; 

4. Определяем Рминконстр:

где

κзап=5 – коэффициент запаса, учитывающий износостойкость и изменение усилия Р от допусков на контактонесущую систему(κзап=1.5…5)

κf =1– коэффициент частоты тока (при f=2…10кГц κf =1.0…5.0);

κт =1– температурный коэффициент, учитывающий уменьшение усилия Р от изменения жёсткости контактонесущей системы при колебаниях температуры;

γ = 3.6⋅10-3 – температурный коэффициент изменения модуля упругости материала контактонесущей системы;

5. Определяем максимальное контактное усилие:

                                       Н/мм²

                                       Н

σк – напряжение для контакта сфера- плоскость;

rk=15 – радиус сферы(определяется по ГОСТ 3884-77,для ∅=5мм rк=15мм);

Е – модуль упругости;

6. Величина минимального зазора  ∆min  достаточного для самогашения дуги:

       мм

величину реального зазора нужно брать в 1,3..2 раза больше расчетного.

В результате расчётов получены сферические контакты, выполненные из материала Ср999 ГОСТ 6836-72 (серебро твердотянутое)  с размерами:

1. диаметр d=5мм;
2. высота h=1.6мм;
3. радиус закругления rк = 15мм.
4. сопротивление контактов Rк=8⋅10-3Ом;
5. минимальное усилие на контактах Pмин=1.4 Н;
6. максимальное Рмах=807 Н;

минимальный зазор между контактами Δ=1.13 мм.

 4.2 Расчёт пружины.

Исходными данными для расчета пружин является:

     – прикладываемое усилие    15кг.

     – наружный диаметр пружины   6мм.

     – диаметр проволоки   1мм.

     – высота пружины в свободном состоянии   18мм.

     – влажность   95%

В приборе используется пружина цилиндрическая сжатия. Для профилактики ржавления пружину необходимо оксидировать.  Выберем материал для пружины сталь 65Г по ГОСТ 14959-69

     – модуль сдвига G=8000 кг/мм²

     – предел прочности  190 кг/мм²

     – допускаемое напряжение [τ] = 150 кг/мм²

Выберем угол подъема витков в свободном состоянии α=12 град для придания пружине большей жесткости.

1. Средний диаметр пружины:

                                              мм

2. Шаг пружины в свободном состоянии:

                      мм

3.Максимальный прогиб одного витка:

                                             мм

С целью получения более надежной опорной поверхности крайние витки выберем сошлифованные.

4. Толщина опорного сошлифованного витка:

                           мм

   где   – доля сошлифованного витка.

5. Число рабочих витков пружины:

6. Полное число витков:

7. Прогиб одного витка под нагрузкой 1кг.:

                                 мм

В данной конструкции используется две одинаковые пружины и нагрузка распределяется равномерно.

8. Прогиб одного витка пружины под рабочей нагрузкой:

                                          мм

9. Высота пружины под рабочей нагрузкой:

               мм

10. Рабочий ход пружины:

                                    мм

11. Предельная нагрузка:

                     кг

где S – зазор между витками при нагрузке  .

12. Индекс пружины:

13. Коэффициентформы сечения и кривизны витка:

14. Напряжение в материале пружины при нагрузке .

                кг/мм²

15. Длина развернутой проволоки:

                     мм

При проведении расчётов была получена следующая пружина:

1. материал – сталь 65г по ГОСТ 14959-69;
2. диаметр проволоки d = 1мм;
3. число рабочих витков n =  5.5;
4. высота пружины в свободном состоянии  Ho = 18мм;
5. длина развернутой проволоки L = 112.4мм;
6. индекс пружины с = 5.

4.3 Расчёт направляющей на заклинивание.

Точность поступательного перемещения подвижной детали – кнопки и колпачка, лёгкость и плавность движения, малый износ при требуемой нагрузке – важнейшие требования, которые необходимо обеспечивать при конструировании, изготовлении деталей и сборке направляющих. Для приборов, работающих в условиях больших перепадов температур, эти требования должны соблюдаться во всём диапазоне колебания температуры.

Типы направляющих классифицированы по виду трения:

1. направляющие с трением скольжения: по цилиндрическим, по плоским или комбинированным поверхностям.
2. направляющие с трением качения: на шариках, на роликах или иголках.
3. направляющие с внутренним трением(упругие).

    В приборе используется направляющая с трением скольжения. Для проверки правильности выбора посадки и класса точности направляющих проводят проверочный расчёт по формуле:

Δ – минимальный зазор при данной температуре;

D1 – наименьший при данном допуске диаметр охватывающей детали;

D2 – наибольший при данном допуске диаметр охватываемой детали;

α – коэффициент линейного расширения материала;

t и t0 – соответственно конечная и начальная температура;

      Т.к. корпус сделан из поликарбоната ПК-4 ОМ, а кнопка и колпачок из поликарбоната  ПК-4 ОМ и стекла органического СОЛ то в данном случае понадобится два расчета.

 Рассчитаем сначала минимальный зазор между корпусом и кнопкой:

       Температура, при которой работает прибор t=-20м/span>C:

       температура, при которой работает прибор t=40м/span>C:

Произведем расчет минимального зазора между корпусом и колпачком:

     температура, при которой работает прибор t=-20м/span>C:

     температура, при которой работает прибор t=40м/span>C:

Произведем расчет максимального зазора:

Δмах – максимальный зазор;

l – длина направляющей;

h – длина выступающей части;

f – коэффициент трения;

       В результате проведенных расчетов минимального зазор между корпусом и подвижной частью конструкции не должен быть меньше 1.04 мм, а максимальный зазор не должен превышать 5.8 мм.

4.4 Определение толщины колпачка клавиши управления

При расчете нужной толщины стенок в качестве расчетной модели принимается прямоугольная пластина размерами a×b постоянной толщины h с жесткой заделкой пластины по контуру и нагруженной по всей поверхности равномерно распределением давлением P(Па).

Определяем давление Р по формуле:

где m – масса, кг;

g – ускорение свободного падения, м/с2.

При соотношении a/b≤3 – для случая защемления пластины по контуру определяются коэффициенты С1 и С2.

Определяем действующий в сечении пластины максимально распределенный изгибающий момент Мmax, Па∙м2:

       Мmax=C2∙P∙b2        

Мmax=58,9∙10-3∙108000∙(34∙10-3)2=7,35 Па∙м2

Определяем допускаемое напряжение [σ], Па

       [σ]= σт/[n]        

где σт – предел текучести, Па;

[n] – запас прочности.

[σ]= 100∙106/2=50МПа

Из условий прочности минимальная толщина пластины, в мм, при допускаемом напряжении [σ], определяется по формуле:

Определяем цилиндрическую жесткость D:

где E – модуль упругости, Па;

μ – коэффициент Пуассона.

Определяем максимальный прогиб в центре пластины ωmax в метрах:

м

В результате расчета жесткости и прочности корпуса были получены следующие данные:

– минимальная толщина корпуса 0,00094м;

– жесткость 230;

– максимальный прогиб   м.

Заключение

        Клавиши управления РЭА является практически универсальной т.к. может быть использована в различных климатических условиях и применена для работы в агрессивных средах. Имеет относительно невысокую стоимость. Материалы, которые применяются в клавиши управления РЭА имеют широкое распространение. При ее изготовлении не требуется специальной технологической оснастки повышенной точности и специального оборудования. Детали могут быть изготовлены на различных предприятиях с использованием возможностей оборудования данных предприятий и квалификации рабочих. Основным условием изготовления деталей на различных предприятиях является:

• взаимозаменяемость деталей;
• надёжность; 
• точность.

Преимущество клавиши заключается в следующем:

• она взрыво- и пожаробезопасена;
• имеет малый износ контактов;
• пригодна для работы в условиях весьма частых отключений;
• для дугогашения не требуется специальная дугогасящая среда.

В клавиши управления РЭА используются пружина с параметрами:

1. материал – пружинная проволока по ГОСТ 14959-69;
2. диаметр проволоки – d=1мм;
3. число рабочих витков – n=5.5;
4. длина пружины в свободном состоянии – Н0=18мм;
5. длина проволоки – L=112.4мм
6. индекс пружины- с=5.

контакты:

1. диаметр d=5мм;
2. высота h=1.6мм;
3. сопротивление контактов Rк=8⋅10-3Ом;
4. минимальное усилие на контактах Pмин=0.07Н;
5. максимальное Рмах=807Н;
6. зазор между контактами Δ=1.13мм.