基于電連接可靠性的冠簧設(shè)計

王 煥，丁 麗，徐 強

(南京康尼科技實業(yè)有限公司，江蘇南京，210038)

1 引言

電連接器作為一種基礎(chǔ)元件，用于實現(xiàn)電信號的傳輸和控制以及電子與電氣設(shè)備之間的電連接，在各類電氣系統(tǒng)中，比如航天、電子、通信等行業(yè)，電連接器在器件與器件、組件與組件、系統(tǒng)與系統(tǒng)之間進行電氣連接和信號傳遞，是構(gòu)成一個完整系統(tǒng)所必須的基礎(chǔ)組件，故應(yīng)用范圍大，數(shù)量可觀，地位重要。一個復(fù)雜的航天系統(tǒng)要求有數(shù)以千計的各類電連接器，例如某一型號發(fā)射任務(wù)，僅地面設(shè)備就需各種電連接器3400多套。電連接器要求在各種惡劣環(huán)境、各種苛刻的條件下能可靠地溝通電路、傳遞信息、實現(xiàn)特定的功能，其可靠性直接影響到火箭和導(dǎo)彈等工程系統(tǒng)能否可靠地工作，由于電連接器的失效而導(dǎo)致系統(tǒng)故障的事例時有發(fā)生。隨著系統(tǒng)中其它電子元器件可靠性水平的不斷提高，電連接器的可靠性水平已對系統(tǒng)的可靠性起到了決定性的作用［1］。

因此，電連接器除了要滿足一般的性能要求外，特別重要的要求是電連接器必須達到接觸良好，工作可靠，維護方便，其工作可靠與否直接影響整個設(shè)備電路的正常工作，涉及整個主體的安危。為此，整個電路對電連接器的質(zhì)量和可靠性有非常嚴(yán)格的要求。接觸件作為電連接器內(nèi)部承擔(dān)電接觸功能的關(guān)鍵部件，對電連接器的可靠性起著決定性作用。接觸件的可靠性取決于接觸件的結(jié)構(gòu)設(shè)計、工藝、制造、管理、原材料性能、工作環(huán)境等多種因素義［2］。

2 影響電接觸可靠性的因素

電接觸可靠性的影響參數(shù)比較多，主要涉及接觸材料性能、工作條件和環(huán)境氣體等方面。要找到解決接觸實效的方法來保證電接觸可靠性，故研究、分析觸點的失效機理對于解決電接觸問題是非常必要的。研究主要集中在以下幾個方面［3］:

(1)材料的研究。各種材料的性能都隨時間變化，故應(yīng)首先選擇能長期保持可靠性的高性能材料，然后在考慮使用環(huán)境，要具有在惡劣環(huán)境中使用的能力。

(2)加工制造方面的研究。目前國內(nèi)制造的連接器來自這方面的問題比較集中，由于加工能力不足，導(dǎo)致實際制造所得的連接器的性能和理想中的連接器的性能差異比較大，從而降低了可靠性。

(3)環(huán)境方面的研宄。當(dāng)觸點在大氣環(huán)境中被腐蝕時，導(dǎo)致接觸點表面的形狀發(fā)生變化，與理想狀態(tài)相比，各個參數(shù)不但隨著時間變化，還會隨著使用條件的變化而變化，從而影響電接觸性能，最終造成電接觸故障。

根據(jù)上述的造成電接觸故障的三個主要因素，本文主要就某種冠簧的結(jié)構(gòu)、特點及設(shè)計步驟做一些探討，以獲得更好的使用性能，避免電接觸故障過早發(fā)生。

3 冠簧結(jié)構(gòu)

冠簧分內(nèi)冠簧和外冠簧，外冠簧又稱燈籠頭，燈籠頭安裝在插銷的外圓柱面上，與圓柱形插套組成接觸對，如圖1所示。內(nèi)冠簧安裝在插套的內(nèi)孔中，與圓柱插銷組成接觸對，如圖2所示。

圖1 外冠簧(燈籠頭)

圖2 內(nèi)冠簧

4 冠簧特點

由冠簧的結(jié)構(gòu)可知，在外冠簧使用時，接觸件實際接觸面為燈籠頭外表面－－球面和圓柱形插套(柱面)接觸，內(nèi)冠簧使用時，接觸件實際接觸面為內(nèi)冠簧內(nèi)表面－－球面和圓柱形插銷(柱面)接觸，均為點面接觸，由于在同等正壓力、同等材料及結(jié)構(gòu)下，點面接觸形式比面面接觸形式可以獲得更低的壓縮電阻與皮膜電阻［4］，故冠簧結(jié)構(gòu)的實際接觸電阻比較低;此外，冠簧利用彈性變形進行鎖緊，對接觸件有一定的精度要求，故插孔(針)具有插拔柔和、接觸穩(wěn)定可靠、抗振動沖擊性好、插拔壽命高的優(yōu)點，與線簧插孔相比更利于規(guī)?；a(chǎn)，且在大電流應(yīng)用領(lǐng)域更具有優(yōu)越性，克服了線簧插孔載流能力差的缺點，而且成本低廉。

近年來，由于冠簧具有以上特點，用冠簧裝配的連接器被廣泛用于軍事工業(yè)、航空航天、鐵道車輛、城軌地鐵和民用的電力、通信和各種控制信號的傳輸上。

5 冠簧設(shè)計步驟及要點

插孔(針)是連接器完成電連接的核心零件，而冠簧作為插孔(針)的核心部分，具有至關(guān)重要的作用。所以，如何正確地選用冠簧以及設(shè)計冠簧插孔(針)，是實現(xiàn)接觸對接觸電阻、插拔力、溫升等電性能的關(guān)鍵所在。因此，必須十分重視冠簧的選擇及與冠簧插孔(針)的設(shè)計。

5.1 內(nèi)(外)冠簧設(shè)計步驟

1.確定具體的結(jié)構(gòu)形式，是采用內(nèi)冠簧結(jié)構(gòu)還是外冠簧結(jié)構(gòu)。根據(jù)產(chǎn)品的使用情況選擇合適的冠簧結(jié)構(gòu)，看看是內(nèi)冠簧還是外冠簧更符合要求。

2.確定插針或插套直徑。根據(jù)產(chǎn)品的使用時最大的負載電流，采取內(nèi)冠簧結(jié)構(gòu)時，選擇適當(dāng)?shù)牟遽樦睆?，采取外冠簧結(jié)構(gòu)時，選擇適當(dāng)?shù)牟逄字睆健?/p>

3.確定其他尺寸。根據(jù)插針或插套直徑設(shè)計冠簧的其余尺寸。

4.確定冠簧配合件尺寸。根據(jù)設(shè)計好的內(nèi)冠簧選擇配合插針尺寸，根據(jù)設(shè)計好的外冠簧選擇配合配合插套尺寸。

5.2 設(shè)計要點

1.插合時冠簧的單邊壓縮量應(yīng)在0.15～0.25mm之間。

2.冠簧的結(jié)構(gòu)尺寸直接影響著接觸對分離力的大小，在其余參數(shù)不變的情況下，冠簧中部的球面半徑R、球形部分長度S越大，球面部分開槽寬度P越小，接觸對的分離力也相應(yīng)的越小。當(dāng)然，球面半徑R、球形部分長度S不是越大越好，球面部分開槽寬度也不是越小越好，為了得到適當(dāng)?shù)姆蛛x力以及良好的接觸電阻，這三個參數(shù)的數(shù)值都要合理的進行設(shè)計。為了便于模具的加工和增加模具壽命，槽的寬度不應(yīng)過小。

3.為了便于模具的設(shè)計與加工，需要繪制兩端呈開口狀冠簧展開圖。

4.設(shè)計步驟中的尺寸均為指冠簧使用狀態(tài)下的尺寸。

6 結(jié)論

綜上所述，內(nèi)(外)冠簧和與之相配的插針(插套)是電連接器關(guān)鍵組件，它直接影響著電連接器的可靠性。冠簧結(jié)構(gòu)使用性能的好壞不但取決于設(shè)計過程，還取決于插針(插套)的材料和加工工藝。一般情況下插針(插套)大多采用銅合金或者純銅，具體應(yīng)滿足實際使用時的導(dǎo)電性能要求，加工方式采用機械加工。為了達到更好的使用性能，內(nèi)(外)冠簧表面需要要采用后續(xù)的表面處理。內(nèi)(外)冠簧結(jié)構(gòu)的具體設(shè)計過程，將在后續(xù)的工作中完成。

［1］ 潘駿.航天電連接器振動可靠性建模與評估［D］.杭州:浙江大學(xué)，2002.

［2］ 靳方建.電連接器接觸件可靠性分析與高溫插拔試驗［D］.杭州:浙江理工大學(xué)，2012.

［3］ 龍慧娟.振動對汽車連接器可靠性的影響［D］.北京:北京郵電大學(xué)，2013.

［4］ 王繼超.探針式電連接器的接觸可靠性試驗與研究［D］.上海:上海交通大學(xué)，2009.