張新麗 邢路 趙應(yīng)應(yīng)

西安艾力特電子實(shí)業(yè)有限公司 陜西 西安 710114

1 電連接器的基本組成結(jié)構(gòu)以及相應(yīng)的作用

一套完整電連接器由殼體、絕緣介質(zhì)、中心接觸件三個(gè)基本單元組成，每個(gè)單元都有其獨(dú)特的特點(diǎn)。比如：殼體在電連接器中的主要作用是保護(hù)絕緣介質(zhì)和中心接觸件等高精密零部件在運(yùn)行中不被損傷，并屏蔽外部電磁干擾，保證運(yùn)行的可靠性。絕緣介質(zhì)的主要作用是保護(hù)中心接觸件（插針或插孔）始終在具體設(shè)計(jì)的位置之上，并促使每個(gè)接觸件之間以及各接觸件和殼體之間實(shí)現(xiàn)電氣絕緣，提升電連接器的總體耐環(huán)境能力。接觸件由兩部分共同組成，其一是陽接觸件，其二是陰接觸件，常用的連接方式有焊接、壓接、繞接等。其主要作用是實(shí)現(xiàn)電路的相互連接。

2 電連接器接觸件結(jié)構(gòu)分析

2.1 建立分析模型

電連接器接觸件結(jié)構(gòu)組成非常復(fù)雜，影響運(yùn)行性能的因素也比較多，常用的結(jié)構(gòu)形式有三種，包括：圓柱式接觸件、麻花針式接觸件、雙曲線式接觸件。其中應(yīng)用最多的結(jié)構(gòu)形式是圓柱式接觸件，就以此種電連接器接觸件為例構(gòu)建結(jié)構(gòu)分析模型。插針和插孔在進(jìn)行插合過程中，主要是通過插孔簧片結(jié)構(gòu)形成的彈性變形，從而形成接觸壓力，壓緊插針，避免發(fā)生脫落問題，影響電連接器接觸件運(yùn)行的穩(wěn)定性。因此，插孔的結(jié)構(gòu)參數(shù)都會接觸壓力會造成較大的影響。插孔在收口之前，需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析的參數(shù)比較多，包括：插孔原外徑、原內(nèi)徑、槽深、槽寬、插孔內(nèi)孔倒角等。插孔收口之后，需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析的參數(shù)則比較少，主要有兩個(gè)，其一是槽孔的深度L，其二是插孔的徑向內(nèi)徑φ，具體的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示：

圖1 電連接器接觸件插孔收口后的結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 插孔結(jié)構(gòu)和接觸可靠性分析

和其他結(jié)構(gòu)形式相比，圓柱式接觸件具有非常明顯的優(yōu)點(diǎn)，包括：插拔比較柔和、接觸更加可靠等，可很好的應(yīng)用在大芯數(shù)、高密度的電連接器中。圓柱式接觸件在使用中，插針和插孔一一對應(yīng)，主要是通過接觸圈自身的彈性壓力，來完成接觸圈和插針的緊密接觸，實(shí)現(xiàn)對電信號的有效傳輸，具體的對接結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示：

圖2 圓柱式接觸件對接示意圖

2.3 單腳分離力指標(biāo)分析

單腳分離力指標(biāo)是評價(jià)電連接器接觸件結(jié)構(gòu)接觸可靠性的主要指標(biāo)之一，需要進(jìn)行系統(tǒng)分析。電連接器接觸件結(jié)構(gòu)在具體應(yīng)用中，單腳分離力通常與相互垂直的接觸面表面形成的垂直接觸面的正壓力有關(guān)，也是電連接器接觸件結(jié)構(gòu)接觸壓力最直觀的表現(xiàn)形式。但在實(shí)際分析研究中，接觸件正壓力的測試和計(jì)算難度非常大，涉及多種力學(xué)計(jì)算分析。通常采取測量一對插合狀態(tài)的接觸件從靜止?fàn)顟B(tài)，轉(zhuǎn)變?yōu)檫\(yùn)動狀態(tài)和分離力，就是電連接器接觸件結(jié)構(gòu)的分離力，此種分離力可通過插拔試驗(yàn)來獲得，冠簧插孔的力學(xué)模型可簡化看做成簡支梁模型，具體情況如圖3所示：從理論的角度來看，冠簧式插孔單腳分離力計(jì)算過程如下。

圖3 冠簧插孔的力學(xué)模型示意圖

簡支梁的最大撓度計(jì)算公式如下：

式中，E表示電連接器接觸件結(jié)構(gòu)材料的彈性模量，I為慣性矩。當(dāng)P作用在彈性臂中心點(diǎn)時(shí)，承受的最大彎矩為：而最大的彎曲應(yīng)力則為：其中W表示抗彎截面系數(shù)，如果是矩形截面，則有，其中b表示的是截面的寬度，h為截面的厚度是。

單腳分離力的計(jì)算公式如下：

式中，n為彈性臂的數(shù)量，μ為使用中的摩擦系數(shù)，對圓柱式接觸件而言，μ取值為0.2，P為觸點(diǎn)的正壓力。以24#冠簧式接觸圈為例，在計(jì)算單腳分離力F時(shí)，L取值為3.9mm， 的取值為1127MPa，b的取值為0.3mm，h的取值為0.08mm，n的取值為4，以后觸點(diǎn)正壓力大于等于0.55N，根據(jù)公式可獲知，單腳分離力大于等于0.44N，在其表面涂抹一層DJB-823保護(hù)劑之后，單腳分離力大概會降低30%。24#冠簧式接觸件的插孔初始分離力通常為0.338N，涂抹保護(hù)劑之后會降到為0.308N。 表面上述公式分析具有合理性[1]。

2.4 接觸電阻的分析

收縮電阻分析：電連接器接觸件結(jié)構(gòu)在實(shí)際運(yùn)行中，其接觸面無法做到絕對光滑，當(dāng)電流通過時(shí)，接觸面積會減少，電流會出現(xiàn)出收縮狀態(tài)，密度比較大，從會就會形成收縮電阻。收縮電阻的阻值大小和很多方面都有密切關(guān)系，包括；接觸面表明粗糙程度、接觸的方式、接觸斑點(diǎn)的形狀及數(shù)量、電鍍工藝、正壓力等。通常情況下，電連接器接觸件承受的正壓力越大，則觸點(diǎn)也就越多，實(shí)際接觸面積就越大，接觸點(diǎn)界面也會從最開始的彈性變形，轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄宰冃危率故湛s電阻不斷減少，最終趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

膜層電阻分析：引起膜層電阻的成因主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面，其一是接觸件表面膜，其二是其他污染物，二者都屬于不良導(dǎo)體，在正壓力、摩擦力以及通電的情況下，接觸件表明膜層有發(fā)生破碎的可能，從而露出金屬基體，形成隧道效應(yīng)，就會引起膜層電阻。但電連接器接觸件在具體應(yīng)用中，不可避免的需要和其他物質(zhì)接觸，在通電的作用下，就會形成化學(xué)或者是物理吸附[2]。接觸件長時(shí)間在惡劣的環(huán)境下運(yùn)行，會導(dǎo)致表面腐蝕速度加快，從而形成膜層電阻。此外，鍍金接觸件對碳?xì)浠衔镉泻軓?qiáng)的吸附作用，因此，在電連接器接觸件結(jié)構(gòu)組裝及使用中，要盡量避免接觸碳?xì)浠衔?，以減輕膜層電阻。

導(dǎo)體電阻分析：不同材料的物理特性決定了電阻也不相同，但通常情況下，導(dǎo)體電阻非常小，通常低于10～8mΩ，和收縮電阻以及膜層電阻相比微乎其微，通常情況下，在分析電連接器接觸件結(jié)構(gòu)接觸可靠性時(shí)，主要對收縮電阻和膜層電阻進(jìn)行分析。

3 電連接器接觸件結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 影響電連接器接觸件結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)的主要因素

電連接器接觸件在和電纜進(jìn)行安裝配合中，需要綜合考慮應(yīng)力錐組件、高壓屏蔽管、主絕緣等結(jié)構(gòu)。其中應(yīng)力錐和電纜絕緣界面、高壓屏蔽管端部、安裝電纜端拐角位置都會引起不同程度的等位先梯度變化，如果控制不當(dāng)，就會引起嚴(yán)重的電場集中問題。電連接器接觸件在具體使用過程中，安裝電纜端是極易發(fā)生故障的位置，而且也是容易發(fā)生破損的位置。因此，必須進(jìn)行科學(xué)合理的設(shè)計(jì)優(yōu)化，具體而言，可對電連接器接觸件安裝截面為400mm2電纜電場進(jìn)行系統(tǒng)分析。

3.2 電纜端拐角位置參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

和電纜附件相比，電連接器接觸件自身場強(qiáng)度要求具有更高的安全裕度，但受到位置特殊性的影響，需要對電連接器接觸件安裝電纜端拐角位置進(jìn)行全面優(yōu)化設(shè)計(jì)，以達(dá)到降低場強(qiáng)的目的，防止附件在運(yùn)行中因?yàn)橥馄帘卫匣?，引起局部放電現(xiàn)象，影響電連接器接觸件使用的安全性和穩(wěn)定性[3]。

通常情況下，電連接器接觸件和安裝電纜端外輪廓線以及是接線端子端外部輪廓線之間的夾角通常小于90°，這就需要度拐角位置的倒角半徑進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，可將外輪廓線改變成垂直相交的交接方式。此種優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，雖然可以在一定程度上增大材料的用量，但對工藝以及使用性能方面有良好的改善作用。此外，還要綜合考慮拐角位置倒角和兩條外輪廓線的相切，控制最大半徑不超過14mm，可逐步增大拐角位置的倒角半徑，對電場進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算，當(dāng)?shù)菇前霃綖?2mm時(shí)，其最大場強(qiáng)最少可降低15%作用，從而較大程度上緩解拐角位置的電場集中問題，進(jìn)一步提升電連接器接觸件絕緣設(shè)計(jì)效果。

3.3 應(yīng)力錐曲線的優(yōu)化設(shè)計(jì)

在電連接器接觸件加工生產(chǎn)中，通常選擇工廠預(yù)制生產(chǎn)，尤其是絕緣部件通常采取一次成型工藝，此種預(yù)制生產(chǎn)方法，內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較緊密，幾乎不存在絕緣界面，但安裝完成之后，在和電纜絕緣面的接觸位置，會出現(xiàn)一個(gè)絕緣界面[4]。如何控制好此界面的切向電場的安全范圍，是電連接器接觸件結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。應(yīng)力錐區(qū)域集中在附件上的場強(qiáng)大小，取決于錐形線的線形條件，需要在電連接器應(yīng)力錐長度保持不變的情況下，來調(diào)整應(yīng)力錐的曲線線形，并進(jìn)行場強(qiáng)驗(yàn)算，進(jìn)行逐步優(yōu)化和調(diào)整。

3.4 屏蔽管長度的優(yōu)化

通常情況下，電連接器上安裝電纜時(shí)屏蔽管的長度在110mm左右，雖然此長度，能夠減小端部場強(qiáng)，但卻會對電纜導(dǎo)體和電連接器接線管的安裝造成影響。接線管通常是采用壓接的方法，和電連接器相互連接的，為保證安裝的牢固性，通常需要至少壓四道卡，相互之間的距離要控制在25mm左右，且兩邊需要預(yù)留出約5mm的間隙[5]。所以屏蔽管的長度設(shè)計(jì)為110mm時(shí)，布設(shè)三道卡就能滿足強(qiáng)度要求。將高壓屏蔽管的長度優(yōu)化為80mm時(shí)，不但可以有效減少電連機(jī)器的安裝空間，而且還能節(jié)約材料，降低成本。

4 結(jié)束語

綜上所述，電連接器接觸件結(jié)構(gòu)是否科學(xué)合理，直接關(guān)系到其使用的安全性、穩(wěn)定性和可靠性。這就需要對電連接器接觸件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行全面系統(tǒng)的分析，結(jié)合具體的影響因素，以及實(shí)際應(yīng)用需求，開展有針對性的結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，可大幅度提升電連接器的應(yīng)用效果，為我國航空航天、信息通信、工業(yè)生產(chǎn)等提供更加先進(jìn)、合理的電連接器。