摘要：現(xiàn)階段，電連接器中使用的插孔接觸件組合形式大多數(shù)為彈性件與剛性件組合。該種組合是通過彈性件與剛性件之間的彈性接觸實現(xiàn)插孔接觸連接，從而實現(xiàn)電流或信號的傳輸。就目前國內(nèi)外常用連接器領(lǐng)域的接觸結(jié)構(gòu)情況而言，懸臂式插孔與剛性插針接觸結(jié)構(gòu)是連接器領(lǐng)域中應(yīng)用最為廣泛的插孔接觸件類型。本文將對該種類型插孔接觸件進(jìn)行概要闡述。
關(guān)鍵詞：插孔;插針;連接器
1 引言
電連接器按接觸形式可以分為接觸式連接器和非接觸式連接器，受技術(shù)成熟度和使用環(huán)境的影響，現(xiàn)階段，非接觸式連接器使用相對較少，接觸式連接器仍然是連接器應(yīng)用領(lǐng)域的主流產(chǎn)品。
無論哪種結(jié)構(gòu)形式的電連接器(接觸式)，電接觸都是其核心功能，而接觸件就是實現(xiàn)電接觸功能的核心零部件。在國內(nèi)國外的電連接器領(lǐng)域均有插孔接觸件的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，如美軍標(biāo)MIL-C-39029、國軍標(biāo)GJB-1216等，由此可以看出接觸件在連接器產(chǎn)品中所占據(jù)的地位。接觸式電連接器中所使用的接觸件大多數(shù)為通過彈性件與剛性件之間的彈性接觸來實現(xiàn)接觸連接功能。就目前國內(nèi)外常用連接器領(lǐng)域的接觸結(jié)構(gòu)情況，懸臂式插孔與剛性插針相組合的接觸結(jié)構(gòu)是電連接器領(lǐng)域中應(yīng)用最廣泛的插孔接觸件類型。
2 剛性插針
相對于各類型插孔接觸件來說，剛性插針從零件結(jié)構(gòu)形式上來說相對比較簡單，從加工制造方面來說也相對容易。一般來講，剛性插針在設(shè)計過程中主要考慮使用精度及插針插合的引導(dǎo)端結(jié)構(gòu)即可。通常，為了減小插孔插合力，同時也為了提高插合的可靠性，對插針接觸端的表面粗糙度會有較高的要求，插孔接觸端的尺寸精度誤差一般要求控制在0.03mm范圍以內(nèi);在插針的插合端應(yīng)設(shè)計成具有直接倒角或錐形倒角的形式，以便于引導(dǎo)插合，如下圖所示。
a) 直接倒角圖示
b) 直接倒角圖示
圖1 剛性插針接觸端引導(dǎo)形式圖示
需要說明的是，這兩種看似微小差異的結(jié)構(gòu)卻適用于不同類型的接觸件，其中，直接倒角適用于接觸端直徑在φ2mm以上的插針，而當(dāng)插針接觸端直徑小于φ2mm時，一般建議使用錐形倒角。
3 懸臂式插孔
懸臂式插孔主要應(yīng)用于圓形電連接器中或排列形狀比較集中接近于方形的矩形連接器中;該結(jié)構(gòu)適用于22#規(guī)格以上的接觸件中，不適用于較小的接觸件中，從而也不適用于長條形的微矩形連接器中。與剛性插針配合使用，接觸壽命可以達(dá)到500次以上的水平。
在電連接器的設(shè)計中，使用最多的一類插孔就是懸臂式插孔結(jié)構(gòu)，懸臂式插孔又稱為集束式多彈性插孔結(jié)構(gòu)，懸臂式插孔結(jié)構(gòu)形式是在圓柱形插孔接觸件的接觸端開2-8個均勻分布的等分槽。槽的數(shù)目視插孔的大小和具體的使用要求而定，開槽后插孔插合端形成和等分槽數(shù)目一樣多的懸臂簧片，然后再用機(jī)械的方法將這些懸臂簧片端部均勻的向中心收口，使其達(dá)到規(guī)定的接觸壓力。生產(chǎn)實踐中，通常以接觸分離力來考核該指標(biāo)，其結(jié)構(gòu)如下圖所示。
a) 兩槽式插孔圖示
b) 四槽式插孔圖示
c) 多槽式插孔圖示
圖2 懸臂式插孔圖示
兩槽和四槽式插孔是低頻連接器和射頻連接器設(shè)計當(dāng)中，使用最為普遍的結(jié)構(gòu)形式，其插合部位以外的結(jié)構(gòu)形式可根據(jù)實際的防轉(zhuǎn)動要求、端接形式來做具體的詳細(xì)設(shè)計。多槽式插孔的典型應(yīng)用場景相對集中，如導(dǎo)通大電流的接觸體、射頻同軸連接器的接觸體等。多槽式結(jié)構(gòu)具有傳輸大電流、接觸點多、接觸可靠等優(yōu)點。
在設(shè)計和使用過程中，為了提高懸臂式插孔的使用可靠性，通常需要在開槽外圓柱面上加裝保護(hù)套管，即形成閉環(huán)插孔，該類保護(hù)套管一般由不銹鋼薄壁管制成，加裝保護(hù)套管的作用是在插孔的插合端。保護(hù)套管的應(yīng)用，可防止不相匹配的大直徑插孔插針接觸件插入;同時，套管的引導(dǎo)孔有利于插針導(dǎo)入插孔，并且有良好的限位功能，可以保證插針不致歪斜，減小插入力，能夠?qū)Σ蹇椎膹椥越Y(jié)構(gòu)起到保護(hù)作用，以防止插孔接觸件彈性的失效，從而提高使用可靠性。
圖3 加裝保護(hù)套管的懸臂式插孔圖示
4 懸臂式插孔設(shè)計計算分析
為便于描述，下面以φlmm插配直徑的懸臂式插孔接觸件為例進(jìn)行計算分析。
4.1懸臂式插孔力學(xué)模型
對懸臂式結(jié)構(gòu)的插孔接觸件進(jìn)行力學(xué)模型分析。其受力情況可簡化為懸臂梁，力學(xué)模型如下圖所示。
圖4 懸臂式結(jié)構(gòu)的插孔接觸件力學(xué)模型
圖中：fA=為插孔接觸件簧片撓度，單位為mm;
h為插孔接觸件簧片厚度，單位為mm;
L為插孔接觸件簧片長度，單位為mm;
取R=0.92mm，r=0.6mm，α=71°，L=7mm，
插孔接觸件簧片橫截面上最大應(yīng)力點離中性軸距離
 =0.3315(mm)
插孔接觸件簧片橫截面積
 =0.6027(mm2)
插孔接觸件簧片質(zhì)量
 =3.75×10-5(kg)
慣性矩
 =0.0182(mm4)
4.2懸臂式接觸件分離力計算
由于插孔接觸件簧片厚度與長度之比h/L≈0.09，因此沿插孔接觸件簧片截面的剪應(yīng)力與正應(yīng)力相比很小，可以省略不予考慮。最大正應(yīng)力σmax發(fā)生在彎矩插孔最大截面上，即插孔簧片根部。
由式
可得插孔接觸正壓力和簧片正應(yīng)力計算公式
 =0.00784 
 =2516.69
該插孔接觸件為兩簧片式結(jié)構(gòu)，則插孔接觸件分離力計算公式為：
式中μ為摩擦系數(shù)。
對懸臂式插孔接觸件分離力進(jìn)行理論分析計算：
根據(jù)經(jīng)驗，鋼質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)針粗糙度Ra為0.8μm，且插孔浸涂保護(hù)劑后鋼與金之間的摩擦系數(shù)μ=0.15;安全系數(shù)n取為1.5。根據(jù)插孔接觸件材料的強(qiáng)度，可以計算出插孔接觸件理論允許的最大分離力。
插孔接觸件簧片允許的最大正應(yīng)力 =366.67MPa;
插孔接觸件簧片允許的最大撓度 =0.14(mm);
插孔接觸件簧片允許的最大接觸正壓力 =2.78(N);
插孔接觸件簧片允許的最大分離力 =0.861(N);
懸臂式插孔接觸件滿足電性能要求的最小分離力計算：
根據(jù)設(shè)計經(jīng)驗，對于插配直徑為φlmm的懸臂式插孔接觸件來講，接觸電阻一般在10～15mΩ之間。滿足電性能的鍍金接觸件的集中電阻最大不會超過為1mΩ，也最多只占接觸電阻的10%，所以1mΩ的集中電阻是允許的。
由集中電阻計算式RC=K/Pn(mΩ)
式中K=0.502，n=0.485
則P=0.24N
可得滿足電性能要求的最小分離力 =0.072(N)
機(jī)械環(huán)境要求的插孔接觸件分離力計算：
為了確保電連接器在強(qiáng)烈振動、沖擊等機(jī)械環(huán)境下的插孔接觸可靠性，必須對強(qiáng)烈振動、沖擊等環(huán)境條件下插孔接觸件需要保證的最小分離力進(jìn)行計算。
在強(qiáng)烈振動、沖擊等機(jī)械環(huán)境條件下對插孔簧片正壓力影響最嚴(yán)重的情況是插針接觸件的加速度方向和插孔接觸件簧片的加速度方向在某瞬間正好相反，此時要求插孔接觸件簧片在承受2倍加速度值的情況下的正壓力也必須保證為0.24N。將插孔接觸件簧片質(zhì)量全部集中在簧片端部作為簡化的最安全的失效模式，計算如下：
由式
式中 為慣性力，單位為N。
m為插孔接觸件質(zhì)量，m=3.75×10-5kg，
a 為加速度，根據(jù)該產(chǎn)品使用要求取a=980m/s2
則此時簧片的極限正壓力為
 = +0.24=3.75×10-5×2×980+0.24=0.3135(N)
可計算出機(jī)械環(huán)境條件要求的最小接觸件分離力
 =0.3 =0.3×0.3135≈0.094(N)
綜合考慮插孔接觸件理論計算允許的接觸件分離力、電性能及機(jī)械環(huán)境要求的最小接觸件分離力，便于生產(chǎn)控制，最后可確定φlmm插配直徑的插孔接觸件分離力合理數(shù)值范圍為0.2～1N。
5 制造工藝及注意事項
懸臂式插孔的一般制造工藝為：精密車削加工-銑懸臂槽-其它外形加工-表面處理-簧片收口-插拔力調(diào)整-穩(wěn)定處理-安裝保護(hù)套管(僅適用于閉式插孔)。加工過程中應(yīng)注意以下幾個方面：
1)車削加工工序中，需要保證加工表面的光潔度要求，對于可取送壓接式接觸件，要特別注意保證接觸件中與卡爪相接觸的臺階不能有圓弧過度，以免引起卡爪保持力失效。
2)要保證鍍金層厚度要求，接觸件的鍍金厚度可參照相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)或軍用標(biāo)準(zhǔn)，一般情況下，軍用產(chǎn)品接觸件鍍金層厚度應(yīng)不小于1.27μm，其附著力也必須滿足工藝要求。
3)對于壓接型接觸件，要求尾部進(jìn)行退火軟化處理，以免在接觸件與導(dǎo)線壓接過程中出現(xiàn)剛性變形和裂紋，影響到壓接強(qiáng)度和使用效果。
4)簧片收口需要采用專用的工裝，以保證批量生產(chǎn)的一致性。同時，經(jīng)過收口處理的插孔接觸件，需要用標(biāo)準(zhǔn)要求的專用銷針進(jìn)行100%的分離力測試。分離力過小，會造成與插針插合時接觸電阻過大，產(chǎn)生超過指標(biāo)要求的溫升，影響信號的正常傳輸;分離力過大會導(dǎo)致連接器插合過程中插合力過大，不能正常插合，同時影響連接器的正常使用壽命。
5)彈性插孔接觸件的材料多選用銅合金。當(dāng)選用錫磷青銅時，插孔收口預(yù)插后，要進(jìn)行175℃～185℃的穩(wěn)定處理，以保證簧片彈力的持久性;插孔接觸件的材料選用鈹青銅時，插孔收口預(yù)插后，要進(jìn)行定型處理(HV320-360),才能充分發(fā)揮鈹青銅材料的高彈性性能。
6 結(jié)語
無論哪種結(jié)構(gòu)形式的電連接器(接觸式)，電接觸都是其核心功能。接觸件就是實現(xiàn)電接觸功能的核心零部件，而懸臂式插孔與剛性插針的組合應(yīng)用是電連接器領(lǐng)域的經(jīng)典組合應(yīng)用。懸臂式插孔與剛性插針組合，是設(shè)計、研發(fā)電連接器產(chǎn)品的基礎(chǔ)。只有更深入的理解了這類接觸件，才能更好的進(jìn)行電連接器的設(shè)計、研發(fā)及生產(chǎn)制造工作。 |
