19 in型材机箱结构分析及优化研究

周锦华

（上海惠安系统控制有限公司，上海 200233）

0 引言

19 in机箱泛指装设在19 in机柜内的电子设备，为能够装在机柜内，电子设备外形设计成长方体并遵守特定高度的限制。GB/T 19520系列标准对电子设备机械结构19 in系列机械结构尺寸的面板、机架、格距、插箱等尺寸均有详细的规定，统一了19 in电子设备仪器外形尺寸，便于快速组装抽换，利于维护[1]。

19 in机箱按结构分为钣金机箱和型材机箱。近年来随着电子工业的发展，型材机箱已被广泛使用在电子设备上。由于采用了型板，机加工工作量小，工艺简单，机箱的强度与刚度均较好[2]。

19 in型材机箱结构影响因素主要有：横梁结构和配合的导轨安装方式。19 in型材机箱使用的横梁和配合使用的导轨有多种，本文运用SolidWorks Simulation Press软件对不同的横梁进行强度校核、受力分析对比，结合配合的导轨安装方式，提出合理优化的横梁结构和导轨安装方式。

1 型材横梁分析

1.1 机箱结构

19 in型材机箱整体结构如图1所示，主要由前面板、横梁、侧板、耳板、盖板、导轨、总线板安装条等零部件组成，其中横梁是关键零件之一，横梁的强度直接关系到机箱的强度和模块的插拔是否顺畅[3]。

图1 19 in型材机箱整体结构示意图

1.2 横梁受力

机箱内横梁受力主要来自两个方面：一方面横梁两端面受力（以下简称端面受力），即机箱两侧板固定安装的压力；另一方面横梁的承重力（以下简称承重力），即插入模块通过横梁上的导轨传递给横梁的压力。

运用SolidWorks Simulation Press 应力分析软件对3种不同结构的横梁进行端面和承重力应力分析。基础条件：横梁长度L=431.73 mm，材料：铝合金6063-T5。横梁受力分别如图2、图3所示[4]。

1）端面受力。横梁两端面的螺纹孔固定，横梁两侧面垂直向内施加F1=10 N，如图2所示，以横梁1为例。

图2 端面受力示意图

2）承重受力。横梁两端面固定，安装导轨面垂直向下施加F2=50 N，如图3所示，以横梁1为例。

图3 承重受力示意

1.3 横梁应力分析

3种结构横梁应力分析数据、变形图和最大变形量，以及最低安全系数FOS，如表1所示。

通过受力分析，SolidWorks Simulation Press应力分析软件模拟的横梁的变形图和最大变形量数据分析，横梁前后宽度越宽，抗弯强度越高，同时侧面2个定位孔比1个定位孔固定更稳定，避免安装横梁出现横梁旋转的问题。

从表1可以得出，无论是侧面受力还是承重受力，横梁3变形量最小，同时2个孔安装比1孔安装更稳定外，机箱的变形量更小。

表1 横梁受力分析

2 导轨分析

2.1 导轨的安装偏移和变形

图1所示导轨固定在机箱的横梁上, 主要在X方向发生偏移，在Y方向产生变形。

1）X方向偏移。X方向上导轨安装变形有2个偏移。

a.偏移1。如图4所示，机箱后视图中第5根导轨上下位置在X方向的位置应一致，距离第一根导轨距离均为116.84，但实际上因加工误差和安装误差等因素，第5根导轨上下会发生错位，第5根导轨（上）距离第一根导轨距离为116.81-d1，第5根导轨（下）距离第一根导轨距离为116.81+d2，最终第5根导轨上、下2根导轨之间的距离错位d1+d2。上下镜像对称安装的2根导轨在X方向发生偏移。

b.偏移2。图4中剖视图A-A中，第5根导轨（下）一端固定在中下横梁，另一端固定在后下横梁，同理，因加工误差和安装误差等因素，造成第5根导轨（下）两端头在X方向位置偏移，偏移距离为d3+d4。本应垂直X轴安装的导轨发生角度偏移。

以上2个方面引起了导轨偏移，导致插入模块不能垂直插入机箱，模块斜插入机箱进行配合，从而造成模块变形、配合困难和插拔困难。插入模块的变形，对模块有损伤的同时，同时对导轨有应力作用，偏移越大，插拔越困难，内应力越大。

2）Y方向变形。导轨是标准零件，安装距离是定值，如图4中剖视图A-A中，Z方向上导轨安装尺寸A是有尺寸要求的。图5是安装尺寸等于导轨安装距离示意图。

图4 X方向导轨变形

图5 安装尺寸等于导轨安装距离示意图

导轨安装尺寸A不满足导轨的安装要求，都会引起导轨在Y方向的变形，从而影响机箱的变形和插件的安装。

a.安装距离＞导轨安装距离。导轨受拉力安装在横梁上，导轨发生变形，两头翘起（如图6），导致Y方向上下导轨两头之间插拔模块的距离变小，模块插入上下导轨组成的导槽发生困难。同时固定在横梁上变形的导轨为恢复自身的长度，产生对横梁的拉力，机箱产生内应力，使机箱发生变形，进一步导致插件插拔困难。

图6 安装尺寸大于导轨安装距离示意图

b.安装距离＜导轨安装距离。导轨受压力安装在横梁上，导轨发生变形，中间凹陷（如图7），导致Y方向上下导轨中间部位插拔模块的距离变小，模块插入上下导轨组成的导槽后，因上下导轨之间间隙越来越小，插拔越来越困难，甚至引起模块卡死现象。同时固定在横梁上变形的导轨为恢复自身的长度，对横梁产生推力，机箱产生应内力，使机箱发生变形，更进一步导致模块插拔困难。

图7 安装尺寸小于导轨安装距离示意图

X、Y两个方向的变形是导轨变形的两个主要问题，解决导轨两个方向变形，机箱内变形会改善，模块插拔更顺畅。

2.2 常用导轨结构和安装

常用导轨有3种，对应安装不同结构的横梁上。

1）导轨1。对应安装在横梁1上（如图8），导轨1通过与横梁上3孔以及侧面卡扣进行定位安装。优点：固定牢固，不容易松动。缺点：a.导轨安装固定尺寸对机箱加工和装配的要求较高；b.导轨在X、Y方向变形无补偿，加工、装配产生的偏差或积累误差只能通过导轨变形来实现。导轨变形，机箱内产生应力使插拔困难。

图8 导轨1安装在横梁1上

2）导轨2。对应安装在横梁2上（如图9），导轨2通过卡扣结构固定在横梁方孔上，在Z方向间隙配合，导轨在Z方向上可以小范围移动。

图9 导轨2安装在横梁2上

优点：a.固定牢固，不容易松动；b.因Z方向的间隙配合，导轨Y方向变形得到补偿，导轨基本不发生变形，对横梁不会产生内应力。缺点：a.导轨安装固定尺寸对机箱加工和装配的X方向上要求稍高；b.导轨X方向无补偿，X方向上的加工、装配产生的偏差或积累误差只能通过导轨变形来实现。导轨变形，机箱内产生应力使插拔困难。

3）导轨3。以卡槽形式固定在横梁的导轨安装条上，间接固定在横梁3上（如图10）。导轨安装条在横梁的卡槽间X方向和Z方向均间隙配合。

图10 导轨3安装在横梁3上

优点：a.导轨安装方便；b.因X方向和Z方向的间隙配合，导轨在X、Y方向均得到补偿，导轨基本不变形，导轨安装后不受力，处于自然状态，机箱内无内应力，机箱变形最小；c.插件插拔、配合顺利。缺点：增加开模的导轨安装条零件。

2.3 最优导轨选择

通过导轨结构和安装分析，以及各导轨优缺点的对比，得出导轨3最佳。

3结论

综合横梁受力分析、导轨的变形和结构安装，得出：横梁3+导轨3是最佳结构方式。

横梁3采用2点定位，横梁安装时不旋转，同时同等受力环境下变形量最小。导轨3固定横梁3上，加工、装配产生的偏差或积累误差在X、Y方向均可得到补偿，对机箱加工精度要求不高，导轨基本不变形，机箱内应力变形最小。导轨不会对插拔模块有应力作用而造成损伤，插拔模块基本无变形。

4 结语

本文综合机箱横梁和导轨安装，优化出合适的型材机箱的横梁和导轨安装方式，为机箱设计提供理论依据。优化后的机箱在实际使用中，机箱结构稳定，插拔更加方便，完全符合优化设计的要求。