Aufbausysteme Belastungstests für 19-Zoll-Baugruppenträger

19-Zoll-Baugruppenträger müssen robust sein. Um dies zu garantieren, sollten Hersteller sie auf alle zu erwartenden Belastungen prüfen und zertifizieren lassen. Ein Überblick zu den einzelnen Testverfahren.

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PFLITSCH GmbH & Co. KG

MicroConsult Microelectronics Consulting & Training GmbH

ISH Ingenieursozietät GmbH

HEITEC AG

Baugruppenträger aus dem 19-Zoll-Aufbausystem müssen robust sein und unter allen Einsatzbedingungen zuverlässig den Anforderungen entsprechen – insbesondere bei mobilem Einsatz, wie zum Beispiel im Bereich Bahntechnik oder Schiffsverkehr. Aber auch im industriellen Umfeld mit rauen Umgebungsbedingungen werden hier besondere Ansprüche gestellt. Hitze, Kälte, Feuchtigkeit, Staub und nicht zuletzt je nach Einsatzbereich massive Einwirkungen wie Stöße oder Vibrationen sind in der Praxis zu erwarten. All dies darf ihre Stabilität und Funktion nicht beeinträchtigen.

Das gilt sowohl für die statische und dynamische Festigkeit der Baugruppenträgerstruktur als auch für ihre Widerstandsfähigkeit gegenüber Umweltbelastungen, wie sie typisch im Bereich der chemischen Industrie, bei Offshore Einsätzen oder im Schiffsverkehr auftreten.

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Heitec als Anbieter umfassender Gehäusetechnik lässt seine Baugruppenträgersysteme durch unabhängige Institute auf alle zu erwartenden Belastungen prüfen und zertifizieren. Hierbei wird als Grundlage die Norm DIN EN 61587-1 herangezogen, welche die Prüfung gegenüber mechanischen und klimatischen Belastungen, sowie die Sicherheitsaspekte für Baugruppenträger nach IEC 60297 und IEC 60917 festlegt. Damit wird sichergestellt, dass diese Systeme allen Umweltanforderungen gerecht werden und zuverlässig funktionieren.

In dieser Norm werden je nach zu erwartendem Einsatzgebiet statische und dynamische Belastungsfälle in unterschiedlichen Stufen beschrieben. Auch die klimatischen Bedingungen werden in unterschiedliche Klassen eingeteilt und genau dokumentiert, um auch hier den verschiedenen Einsatzorten gerecht zu werden.

In der DIN EN 61587-1 werden nicht nur die jeweiligen Belastungen sondern auch das Testsetup detailliert festgelegt, um dem realen Einsatzfall der Baugruppenträger möglichst nahe zu kommen.

Die zu prüfenden Systeme werden mit einer unterschiedlichen Anzahl von Dummy-Steckbaugruppen mit festgelegtem Gewicht bestückt, welche eine realistische Belastung des Gerätes simulieren. Beim statischen Belastungstest wird gezielt das Verhalten der unteren Querverbindungsschienen bewertet, die einen wesentlichen Einfluss auf die Gesamtstabilität ausüben und insbesondere die zuverlässige Führung der Steckbaugruppen im Zusammenwirken mit den eingebauten Führungsleisten sicherstellen.

Um die Formsteifigkeit der Verbindungsschienen zu prüfen, werden für diesen Test alle unteren Verbindungsschienen des Gehäuses gleichmäßig über mehrere gesteckte Dummy-Baugruppen oder alternativ über eine einzelne definierte mittig aufgebrachte Gewichtskraft belastet. Hierbei dürfen sich die unteren Verbindungsschienen maximal 0,4 mm durchbiegen. Diese Abweichung wurde im Hinblick auf zulässige Toleranzen im 19-Zoll-Baugruppenträgersystem definiert, die in der zugehörigen Norm IEC 60297-3-101 beschrieben sind, um auch unter diesen Bedingungen die sichere Führung der Steckbaugruppen zu gewährleisten.

Anforderungen an die dynamische Prüfung

Für die dynamische Prüfung muss der Baugruppenträger in eine stabile Aufspannvorrichtung montiert werden. Diese stellt die Montageschnittstelle zu einem zugehörigen 19-Zoll-Schrank dar und muss so stabil sein, dass zusätzliche Belastungen, welche von Resonanzschwingungen des Aufnahmegestelles herrühren können, vermieden werden.

Weiterhin müssen die Baugruppen für diesen Test mit einem genormten Steckverbinder versehen sein, der mit der ebenso eingebauten Busplatine oder auch entsprechenden Einzelsteckverbindern kontaktiert. Damit wird der typische Aufbau eines funktionsfähigen Gerätes nachgebildet. Die Steckbaugruppen werden über genormte Verbindungsstellen mit dem Baugruppenträger verschraubt, um ein Lösen während des Testdurchlaufs zu verhindern.

Bei dieser Prüfung wird der Baugruppenträger verschiedenen Vibrations- und Schockbelastungen ausgesetzt, die mittels eines Schock-/Schwingtisches, dem sogenannten „Shaker“, erzeugt werden. Solche „Shaker“ sind massive Geräte, die Kräfte im Bereich von mehreren hundert kN erzeugen und damit auch sehr schwere Prüflinge, mit mehreren Tonnen Eigengewicht, Beschleunigungskräften von bis zu 1000 m/s² (hundertfache Erdbeschleunigung) aussetzen können.

Solche immensen Kräfte sind für die Prüfung eines typischen Baugruppenträgers natürlich nicht erforderlich. Je nach Anforderungsstufe (SLC-1 bis SLC-8 gemäß neuestem Normentwurf) werden hier Gewichtsbelastungen von 3,5 bis zu 84 kg definiert, die über entsprechende Dummy-Steckbaugruppen im Baugruppenträger gleichmäßig verteilt aufgebracht werden.

Im Folgenden wird dieser Testablauf exemplarisch anhand der Baugruppenträgerfamilie HeiPac EASY kurz umrissen.

Anforderungen an das Testobjekt

Das Testobjekt HeiPac EASY 3 HE besteht aus zwei Seitenwänden, 19-Zoll-Anbauflanschen aus Aluminium sowie vier Verbindungsschienen, welche jeweils doppelt verschraubt sind. Der Baugruppenträger wird mit 14 eingebauten Baugruppen von jeweils 250 g mit einem Gesamteinbaugewicht von 3500 g geprüft.

Beim HeiPac EASY 6 HE Gehäuse verhält es sich ähnlich (Bild 1) – mit entsprechend höheren Belastungswerten. Laut der Norm DIN EN 61587-1 sollen in den Baugruppenträger mit 6 HE, 14 Baugruppen mit jeweils 500 g eingebaut werden. Dies ergibt ein Einbaugewicht von 7000 g.

Über die oben beschriebene Aufspannvorrichtung wird der Prüfling mit Hilfe einer Vielzahl von massiven Verschraubungen fest mit dem Shaker-Tisch verbunden, damit die Versuchsdurchführung gefahrlos ablaufen kann. Regel- und Messsensoren werden an verschiedenen Stellen des Prüflings angebracht, um die Versuchsbedingungen jederzeit zu kontrollieren und zu dokumentieren.

Je nach Anforderungsklasse (DL1S bis DL12S) werden nun Schockbelastungen erzeugt, die den Prüfling kurzzeitig mit bis zu 40 G beschleunigen und wieder abbremsen. Dies bedeutet eine enorme Herausforderung für die mechanische Struktur des geprüften Baugruppenträgers.

Die Belastung beim Tests wird in Richtung der drei Raumachsen x, y und z aufgebracht, wobei für jede Raumachse sechs Schocks durchgeführt werden, d.h. für jede Richtung drei. Ebenso wird die Dauerfestigkeit des Baugruppenträgers gegenüber den in der Praxis auftretenden Vibrationen mittels der in verschiedenen Anforderungsstufen DL1V bis DL12V definierten Schwingprüfung festgestellt. Dabei wird der Prüfling in mehreren Durchläufen Schwingungen in verschiedenen Frequenzbereichen ausgesetzt. Ziel ist es, mögliche Schwachstellen, bedingt durch das Resonanzverhalten, des Prüflings aufzudecken und diese gezielt zu überprüfen. Auch diese Untersuchung wird für sämtliche Raumachsen durchgeführt.

Schock- und Vibrationstest nach IEC 61587-1

HeiPac EASY wurde gemäß der Norm IEC 61587-1 erfolgreich schock- und vibrationsgetestet, was dem Kunden eine hohe Betriebssicherheit und Qualität gewährleistet. Ebenso wurde die Prüfung zu klimatischen Belastungen ohne Probleme absolviert, wodurch das Baugruppenträgersystem für unterschiedliche Anwendungsbereiche geeignet ist.

Der Baugruppenträger ist dank vormontierter Schrauben sehr einfach zu handhaben und für die schnelle Montage sowie für genormte Leiterplatten bzw. Steckbaugruppen bis zu einer Tiefe von 400 mm geeignet. Insbesondere die Zweifach-Verschraubung der Verbindungsschienen bietet hohe Sicherheit und Stabilität. Die zugehörigen Deckbleche werden in die Querverbindungsschiene eingeschoben und können über einen Metallclip mit einer Verschraubung sicher montiert werden. Die Verbindungsschienen für die Busplatinenmontage verfügen über eine integrierte Kontaktfläche, sodass hier keine weiteren Bauteile notwendig sind.

Automatisierungsplattformen

Modularisierung als Zukunft im Maschinen- und Anlagenbau

Die tragenden Teile, wie die Verbindungsschienen, bestehen aus einer Aluminiumlegierung, die sich durch eine hohe Festigkeit auszeichnet und sehr gut spanend bearbeitbar ist, wodurch eine sehr wirtschaftliche Herstellung ermöglicht wird. Auch die Wärmeleiteigenschaften von Aluminium sind von Vorteil, da hierdurch die im Inneren des Baugruppenträgers entstehende Wärme schnell abgeleitet und nach außen abgeführt werden kann. Dieser Effekt wird in Zeiten von stetig steigender Packungsdichte und damit auf kleinstem Raum konzentrierter Verlustleistung immer wichtiger.

Die Baugruppenträgerfamilie HeiPac EASY umfasst mehrere Varianten, womit sehr viele typische Anforderungen aus den Bereichen Industrie, Kommunikationstechnik, Medizintechnik sowie Verkehrstechnik abgedeckt werden. Zum Zubehör gehören u.a. unterschiedliche Kartenführungen und Frontsysteme, die mit verschiedenen Ein-/Aushebegriffen ausgestattet werden können.

* Nicole Jeroschewski arbeitet als Produktmanagerin bei HEITEC Elektronik in Eckental. Werner Körber ist Design Engineer bei HEITEC Elektronik in Eckental.

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