(貴州航天電器股份有限公司，貴州貴陽，550009)

1 引言

連接器是電子電氣設(shè)備中不可或缺的重要組成部分，廣泛應(yīng)用于通信、通訊、國防、電力等行業(yè)中。隨著行業(yè)的發(fā)展，客戶對(duì)連接器的要求越來越高，尤其是對(duì)其可操作的快捷性要求越來越高。

本文通過對(duì)一款快鎖連接器設(shè)計(jì)過程的闡述，說明了該連接器的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

2 產(chǎn)品介紹

2.1 開發(fā)背景

本連接器是客戶用于某智能設(shè)備與終端設(shè)備的連接，為確?？蛻粼诂F(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)更快捷的使用，連接器的端接方式應(yīng)快捷、可靠、易識(shí)別。

2.2 快鎖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

連接器的常見鎖緊方式有卡口式、螺紋鎖緊式、直插拔式及快鎖式幾種，其中快鎖連接器因其操作方便，結(jié)構(gòu)可靠受到越來越廣泛關(guān)注。目前行業(yè)內(nèi)常見的快鎖結(jié)構(gòu)主要有鋼珠鎖緊機(jī)構(gòu)、雷莫?dú)W度等公司的簧片式推拉快鎖等機(jī)構(gòu)，但這些機(jī)構(gòu)普遍存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工工藝難度大，成本高等特點(diǎn)，本連接器設(shè)計(jì)的一種快鎖連接器設(shè)計(jì)了一種異型卡環(huán)鎖緊的結(jié)構(gòu)，其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，成本低等特點(diǎn)。

2.2.1 鎖緊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖1 插頭插座鎖緊示意圖

圖2 鎖緊卡環(huán)示意圖

圖1 示出了本快鎖連接器插頭與插座對(duì)接后鎖緊的效果圖。其關(guān)鍵零件為鎖緊卡環(huán)，如圖2所示，鎖緊卡環(huán)為異型開口環(huán)，其上有三處往內(nèi)側(cè)凹陷。如圖3所示，卡帽中設(shè)有裝配鎖緊卡環(huán)的槽特征，且在卡帽前端設(shè)有開口特征，便于組裝鎖緊卡環(huán)。鎖緊卡環(huán)裝入卡帽后的效果如圖4所示。

圖3 卡帽示意圖

圖4 鎖緊卡環(huán)裝入卡帽剖視圖

圖5示出了插座殼體的結(jié)構(gòu)，插座前端具有錐形斜面，斜面下方設(shè)有卡槽特征。鎖緊卡環(huán)上三個(gè)凹陷特征與插座殼體為過盈配合，當(dāng)卡帽帶著鎖緊卡環(huán)與插座對(duì)接時(shí)，插座前端的斜面擠壓鎖緊卡環(huán)上的倒角特征，使得鎖緊卡環(huán)受力往外擴(kuò)張至卡帽的槽中，使得插頭能夠繼續(xù)往前插入插座，當(dāng)鎖緊卡環(huán)運(yùn)動(dòng)到插座殼體上的卡槽特征處時(shí)，鎖緊卡環(huán)不再受到插座斜面的擠壓，回彈復(fù)位，鎖緊卡環(huán)上的三個(gè)凹陷特征正好卡在插座殼體的卡槽中，連接器實(shí)現(xiàn)鎖緊，其對(duì)接狀態(tài)如圖6所示。

圖5 插座殼體示意圖

圖6 插頭插座對(duì)接示意圖

2.2.2 解鎖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為確保插頭插座對(duì)接后能夠順利的實(shí)現(xiàn)解鎖，我們進(jìn)行了以下設(shè)計(jì)：插座部分我們對(duì)插座殼體的斜面進(jìn)行了三處銑扁，三處銑扁的角度與鎖緊卡環(huán)三處凹陷特征的位置角度保持一致。銑扁尺寸如圖7所示，小于插座殼體的卡槽直徑。因此，若鎖緊卡環(huán)的三個(gè)凹陷特征剛好在插座殼體的三個(gè)銑扁位置時(shí)，鎖緊卡環(huán)對(duì)插座無鎖緊作用，此時(shí)連接器可實(shí)現(xiàn)解鎖。

圖7 插座殼體銑扁示意圖

為實(shí)現(xiàn)鎖緊卡環(huán)的三個(gè)凹陷特征可運(yùn)動(dòng)到插座殼體的三個(gè)銑扁特征處。我對(duì)插頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)。如圖8所示，卡帽中三個(gè)缺口及頭殼體三個(gè)凸臺(tái)的位置尺寸我們?cè)O(shè)計(jì)成凸臺(tái)抵死在小環(huán)形槽左側(cè)時(shí)，卡帽上的紅點(diǎn)標(biāo)識(shí)與主鍵位對(duì)齊，復(fù)位彈簧略有預(yù)壓縮，卡帽處于初始位置，鎖緊卡環(huán)的三個(gè)凹陷特征卡在插座殼體的卡槽中，連接器處于鎖緊狀態(tài)。如圖9所示，當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)卡帽，壓縮復(fù)位彈簧，一直到頭殼體凸臺(tái)抵死在小環(huán)形槽由側(cè)時(shí)，卡帽上的藍(lán)點(diǎn)標(biāo)識(shí)與主鍵位對(duì)齊，此時(shí)鎖緊卡環(huán)的三個(gè)凹陷特征剛好處于插座殼體三個(gè)銑扁位置，鎖緊卡環(huán)與插座無干涉，此時(shí)拔開插頭可實(shí)現(xiàn)解鎖。當(dāng)撤去對(duì)卡帽的旋轉(zhuǎn)力后，在復(fù)位彈簧回彈力的作用下卡帽復(fù)位，卡帽上的紅點(diǎn)標(biāo)識(shí)與主鍵位對(duì)齊。

圖8 鎖緊狀態(tài)示意圖

圖9 解鎖狀態(tài)示意圖

2.3 關(guān)鍵零件設(shè)計(jì)

根據(jù)上文對(duì)本快鎖連接器的結(jié)構(gòu)的闡述，本連接器中，為實(shí)現(xiàn)連接器快速鎖緊和解鎖，其關(guān)鍵零件在于鎖緊卡環(huán)和復(fù)位彈簧。這兩個(gè)零件均是彈性元件，根據(jù)《彈簧設(shè)計(jì)手冊(cè)》的分類，鎖緊卡環(huán)屬于圓弧形懸臂薄板彈簧，復(fù)位彈簧屬于壓縮螺旋彈簧。下面針對(duì)這兩個(gè)關(guān)鍵零件的設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)分析。

2.3.1 鎖緊卡環(huán)尺寸設(shè)計(jì)

根據(jù)上文的闡述，我們知道鎖緊卡環(huán)的主要作用在于卡在插座殼體卡槽中，確保在鎖緊狀態(tài)下拉拽插頭，插頭插座不會(huì)發(fā)生分離。在連接器的使用過程中，只有在插頭插入插座的過程中鎖緊卡環(huán)受到插座外殼對(duì)其施加的徑向往外的力，而解鎖過程中則不會(huì)受力。為確保連接器鎖緊狀態(tài)時(shí)的耐拉力，我們對(duì)將鎖緊卡環(huán)內(nèi)切圓直徑設(shè)計(jì)成與插座外殼卡槽內(nèi)徑相同，以盡量增加鎖緊狀態(tài)下鎖緊卡環(huán)與座殼體的干涉量。同時(shí)，為了保證產(chǎn)品在對(duì)接過程中，鎖緊卡環(huán)不會(huì)對(duì)插座殼體造成刮傷，我們對(duì)鎖緊卡環(huán)進(jìn)行了倒角處理。在材料選擇方面為滿足該產(chǎn)品96小時(shí)鹽霧的要求，我們優(yōu)先選用了不銹鋼12Cr18Ni9材料。

為確保鎖緊卡環(huán)尺寸及材料設(shè)計(jì)的合理性，我們進(jìn)行對(duì)此設(shè)計(jì)狀態(tài)下的鎖緊卡環(huán)鎖緊時(shí)所需的力進(jìn)行了理論分析。從3D模型中可以模擬出，插頭插入插座時(shí)鎖緊卡環(huán)三處凹陷特整需往外擴(kuò)張0.9mm，為便于簡(jiǎn)化計(jì)算，我們?cè)谠O(shè)定鎖緊卡環(huán)的開口處完全固定，經(jīng)計(jì)算確定當(dāng)施加的力為60N時(shí)，其形變量達(dá)到0.95mm。由于我們?cè)阪i緊卡環(huán)與插座配合處作了倒角處理，其受力的分解應(yīng)如圖10所示，此時(shí)F1=60N，F(xiàn)=F1/cos21°=60N/cos21°=64N。也就是說插頭插座對(duì)接時(shí)需要軸向施加64N的力可使鎖緊卡環(huán)正常鎖緊到插座殼體的卡槽中。因我們?cè)诶碚撚?jì)算時(shí)完全固定住鎖緊卡環(huán)的開口，實(shí)際產(chǎn)品中，開口處裝入卡帽的上的開口特征處還有1mm的間隙，在對(duì)接過程中，鎖緊卡環(huán)的開口處可變形，因此，實(shí)際產(chǎn)品嚙合力應(yīng)小于64N，可以滿足客戶的正常使用。

圖10 鎖緊卡環(huán)受力分析圖

2.3.2 復(fù)位彈簧尺寸設(shè)計(jì)

復(fù)位彈簧是保證連接器在對(duì)接后解鎖之后卡帽及鎖緊卡環(huán)能恢復(fù)到鎖緊狀態(tài)的關(guān)鍵零件，考慮到產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)空間限制，我們選用了結(jié)構(gòu)緊湊，易于制造的壓縮螺旋彈簧。材料方面同樣考慮到鹽霧的需求，也是用了不銹鋼12Cr18Ni9材料。圖11示出了本連接器復(fù)位彈簧的結(jié)構(gòu)尺寸。

為驗(yàn)證復(fù)位彈簧設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性，我們進(jìn)行了理論計(jì)算及仿真分析。從上文的闡述可知，在解鎖狀態(tài)下，卡帽壓縮彈簧的轉(zhuǎn)動(dòng)量受頭殼體上凸臺(tái)的限位。在解鎖狀態(tài)下彈簧壓縮變形量約為17.5mm。根據(jù)公式P=Gd4/(8nD3)及公式G=E/2(1+v)，其中P為彈簧所受壓力，G為切變模量，d為材料直徑，為形變量，n為彈簧有效圈數(shù)，D為螺旋節(jié)徑，E為彈性模量，v為泊松比。對(duì)于本復(fù)位彈簧，=17.5mm，n=27，D=2mm，不銹鋼12Cr18Ni9材料E=1.97×104kgf/mm2，v=0.3?？捎?jì)算出G=1.97×104/2(1+0.3)=7576.9 kgf/mm2，P=7576.9×0.44×17.5/(8×27×23)=1.964kgf=1.964×9.8N=19.25N。

對(duì)于本產(chǎn)品，兩個(gè)復(fù)位彈簧在卡帽中圍繞中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)，根據(jù)理論估算的力，我們可以算出其旋轉(zhuǎn)力矩為M=F×L，其中F為彈簧壓力，L為彈簧受力點(diǎn)到連接器中心的距離，如圖12所示，F(xiàn)=19.25N,L=21mm=0.021m，單個(gè)彈簧的力矩為M=F×L=19.25×0.021=0.4Nm。兩個(gè)彈簧力矩為0.8Nm，與GJB598中24號(hào)殼體的分離力矩相當(dāng)，可滿足客戶使用要求。

圖11 復(fù)位彈簧示意圖

圖12 復(fù)位彈簧力矩示意圖

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)以上理論估算設(shè)計(jì)的快鎖連接器樣品完成后，我們按GJB1217A-2009《電連接器試驗(yàn)方法》對(duì)其振動(dòng)沖擊，機(jī)械壽命，嚙合力，分離力矩進(jìn)行了試驗(yàn)，結(jié)果均為合格。

其中嚙合力與分離力矩試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。其中連接器的嚙合力較理論計(jì)算的64N偏小，符合預(yù)期的因鎖緊卡環(huán)開口不完全固定導(dǎo)致嚙合力偏小的預(yù)期。分離力矩基本與理論計(jì)算結(jié)果一致。證明了該快鎖連接器設(shè)計(jì)的合理及理論分析的可行性。

表1 嚙合力與分離力矩試驗(yàn)結(jié)果

4 總結(jié)

本文通過對(duì)我司開發(fā)一款快鎖連接器的設(shè)計(jì)分析，得到以下結(jié)論：

(1)鎖緊卡環(huán)式的快鎖連接器結(jié)夠有效可靠，且成本相對(duì)于其他快鎖連接器更具優(yōu)勢(shì)。

(2)連接器中不同顏色標(biāo)識(shí)點(diǎn)及限位的設(shè)計(jì)使得連接器的使用更為方便、可靠。

(3)設(shè)計(jì)前期的理論計(jì)算能夠大大提高設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性，避免設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)。