電連接器冠簧接觸件結構分析及其接觸可靠性

周 權，雷永濤，葉 宇，王 旭，藍 菲

(貴州航天電器股份有限公司，貴州貴陽，550009)

1 引言

隨著航天航空工程、電子通信工程等領域的發(fā)展，電連接器作為傳遞電信號和電能的基礎元件，在系統(tǒng)中運用越來越廣。作為連接器的關鍵部件，接觸件的接觸可靠性在實現(xiàn)電連接器連接功能中具有重要作用，任何接觸件的接觸失效都會對整個系統(tǒng)的可靠性造成影響，而接觸電阻和接觸件插拔力是評價接觸件可靠性的一項重要指標。目前，針對冠簧式插孔接觸件結構參數(shù)對接觸情況和可靠性的影響，以及接觸件插拔過程中，接觸電阻、插拔力變化情況的研究較少。為此，本文對電連接器用冠簧接觸件結構進行力學分析和接觸情況研究，對其接觸電阻和接觸件插拔力進行理論計算，最后通過插拔試驗，研究接觸電阻、接觸件插入力和拔出力隨插拔次數(shù)的實際變化情況，為設計高可靠性的電連接器接觸件提供方法和依據(jù)。

2 冠簧式插孔結構分析

2.1 冠簧式插孔結構與接觸可靠性

冠簧式插孔具有插拔柔和、接觸可靠等優(yōu)點，作為常用的接觸件形式之一，其插拔力較開槽式彈性插孔較輕，插拔柔和，主要用于大芯數(shù)、高密度的電連接器。插針與插孔對接時，依靠接觸圈的彈性形成的正壓力實現(xiàn)接觸圈與插針的接觸進而傳輸信號。冠簧式插孔與陽性插針的對接示意圖見圖1所示。

圖1 冠簧式插孔與陽性插針對接示意圖

影響電連接器接觸可靠性的因素很多，通常采用單腳分離力和接觸電阻兩項指標來評估連接器的接觸可靠性。

2.2 單腳分離力計算

連接器的接觸可靠性與接觸件的單腳分離力有關，而單腳分離力與相互垂直的接觸面表面產(chǎn)生的垂直接觸面的正壓力有關，正壓力是接觸壓力的一種直接體現(xiàn)，顯著影響連接器電接觸性能。在實際應用過程中由于接觸件正壓力的測試及計算較為困難，通過采用測量一對插合狀態(tài)的接觸件由靜止變?yōu)檫\動的分離力，即接觸件分離力。通常連接器接觸件分離力是通過插拔試驗測量的，理論單腳分離力F=μFN，其中FN為正壓力。冠簧插孔的力學模型可簡化為簡支梁模型，如圖2所示。以下為冠簧式插孔單腳分離力計算公式:

圖2 冠簧式插孔力學模型示意圖

1)簡支梁的最大撓度為:

式中，E為材料彈性模量，I為慣性矩。

2)P作用于彈性臂中心點時，最大彎距為:

3)最大彎曲應力為:

式中，W為抗彎截面系數(shù)，對于矩形截面，W=bh2/6;b為截面的寬度;h為截面的厚度。

4)對于寬度為b，高度為h的矩形截面，其慣性矩為:

式中，n為彈性臂數(shù)量;μ為摩擦系數(shù);對于金－金摩擦對，μ=0.2，P為觸點正壓力。

以24#冠簧式接觸圈為研究對象，計算其單腳分離力F:

L=3.9mm，鈹青銅帶的［σ］=1127MPa，接觸圈的 b=0.3mm，h=0.08mm，n=4，則:

觸點正壓力 P≥0.55N，F(xiàn)=nμP，則 F≥0.44N，涂DJB－823保護劑后，其分離力會降低30%左右。經(jīng)實際測量，24#冠簧式接觸件的插孔初始分離力為0.338N，與涂保護劑之后的分離力0.44×(1－30%)=0.308N非常接近，證明上述分離力計算公式得出的理論值具有一定的合理性。當然，分離力合格并不能代表接觸可靠，當接觸件表粗糙時，接觸件分離力在規(guī)定范圍內(nèi)，但實際上只在接觸件表面尖端部位有很小的接觸件面積，接觸電阻可能會很大，當通過較大電流時，觸點會溫升較大，觸點可能會熔融，接觸電阻進一步增加，直至短路。因此，實際評價連接器的接觸可靠性時，需要結合接觸電阻的大小來評價。

2.3 接觸電阻

連接器的接觸可靠性除了與接觸件的單腳分離力有關外，還與接觸電阻有關。接觸電阻是連接器的一項重要指標，是評價連接器接觸可靠與否的重要指標之一。接觸電阻的大小完全取決于具體應用，在特定的使用環(huán)境下，接觸電阻越低，接觸可靠性一般越高。接觸電阻由收縮電阻、膜層電阻和導體電阻組成。

2.3.1 收縮電阻

實際上，兩個相互接觸的表面并不是完全光滑的，在微觀情況下，任何光滑的表面都是凹凸不平的，當電流通過這些凹凸不平的觸點時，接觸面積減少，電流會收縮(或集中)，電流密度會增大，進而產(chǎn)生收縮電阻。收縮電阻除了與材料表面粗糙度、接觸形式、接觸斑點的形狀、數(shù)量、分布和電鍍工藝質(zhì)量等因素有關外，還與正壓力有關，隨著正壓力增大，接觸件觸點數(shù)量變多，實際接觸面積變大，同時觸點界面由彈性變形轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄宰冃?，收縮電阻不斷變小，最后趨于穩(wěn)定。

2.3.2 膜層電阻

膜層電阻由接觸件表面膜和其他污染物產(chǎn)生，膜層和污染物通常是電的不良導體，在正壓力、摩擦力和一定的電作用下，接觸件表面膜層會破碎，露出金屬基體，產(chǎn)生隧道效應形成膜層電阻。實際使用過程中，連接器不可避免地接觸其他物質(zhì)，產(chǎn)生化學或物理吸附，如常用來降低分離力的DJB－823固體薄膜保護劑等。接觸件長期暴露在惡劣環(huán)境中會導致接觸件表面腐蝕也會帶來膜層電阻。鍍金接觸件對碳氫化合物具有較強的吸附性，因此，連接器在組裝、使用過程中應避免接觸該類物質(zhì)。

2.3.3 導體電阻

不同材料的導體電阻不同，導體電阻由材料自身決定。導體電阻通常很小(10－8mΩ)，與收縮電阻和膜層電阻相比，通?？梢院雎?。實際的接觸電阻通常只考慮收縮電阻和膜層電阻兩部分。

2.4 接觸電阻的計算

接觸電阻的計算較為復雜，實際計算都是通過簡化接觸模型，并通過參數(shù)進行調(diào)整、修正。實際應用中的接觸電阻都是通過測量得出。

理想情況下，冠簧式插孔的接觸為單斑點接觸，并假設插針與冠簧插孔接觸時，接觸圈沒有發(fā)生不可逆的塑性變形，其變形為彈性變形，此時其收縮電阻Rc可簡化為:

其中，ρ為觸點材料收縮電阻率;E為材料彈性模量，鈹青銅的E=127400MPa;P為接觸正壓力，r為接觸球面半徑;P為觸點正壓力。

膜層電阻Rf的計算公式為:

式中，σ為觸點膜層電阻率;H為觸點硬度。

則

以24#冠簧接觸圈為例，由2.2計算得知觸點正壓力 P≥0.55N，金的硬度 H=2.5 ×108N/m2，觸點收縮電阻率 ρ=2.35×10－8Ω·m2，觸點接觸件半徑為r=10.4mm，觸點膜層電阻率σ=3×10－13Ω·m2，接觸電阻:

由于接觸件的表面附著沉積形成的較松散的表膜和由于物理吸附及化學吸附所形成的污染膜，實際過程中插針和插孔的接觸并非完全是彈塑性變形，接觸表面高低不平，實際接觸面積很小，且觸點正壓力隨著插拔次數(shù)的上升而不斷減小。因而，實際接觸電阻遠大于上述理論值。

3 插拔試驗

連接器的可靠性與接觸對的插拔次數(shù)有關，尤其是在需要頻繁插拔的場合，需要研究其在多次插拔后的接觸可靠性，以便于掌握連接器的最佳使用壽命，避免因失效帶來的損失。本文通過測量不同插拔次數(shù)后接觸件的接觸電阻和插入力和分離力，評估多次插拔后接觸件的接觸可靠性。

3.1 插拔試驗與接觸電阻

圖3為接觸電阻隨插拔次數(shù)的變化情況。由圖可以看出，插拔次數(shù)在500次以內(nèi)，接觸電阻變化較為穩(wěn)定，超過500次后，隨著插拔次數(shù)的增大，接觸電阻不斷上升;當插拔2000次時，接觸電阻達到6.8mΩ。在500次范圍內(nèi)，接觸電阻變化較為平穩(wěn)，原因在于在該階段接觸件表面膜層不斷破壞，接觸件表面的鍍金層和基體金屬還沒有開始磨損，表面膜層的破壞會導致接觸電阻中的膜層電阻Rf會不斷下降，因而會出現(xiàn)500次后接觸電阻反而比250次時接觸電阻低的現(xiàn)象。但當超過500次插拔后，接觸電阻上升的原因在于隨著插拔次數(shù)的增大，接觸件表面鍍層乃至基體不斷磨損導致觸表面粗糙，觸點接觸面積下降，同時經(jīng)多次插拔后，冠簧接觸圈的彈性下降，插拔過程中接觸正壓力下降，導致接觸電阻增大。

圖3 接觸電阻隨插拔次數(shù)的變化情況

3.2 插拔試驗后的接觸件插入力和分離力

圖4 、圖5為接觸插入力和分離力隨插拔次數(shù)的變化情況。由圖可以看出，在500次插拔次數(shù)內(nèi)，隨著插拔次數(shù)的增大，接觸件插入力和分離力均呈上述趨勢。在500次插拔范圍內(nèi)，由于接觸件表面自身不可能覺得光滑平整，且零件加工過程中造成接觸面上有毛刺等多余物，插入和拔出試驗插針時需要克服上述阻力，同時在500次插拔范圍內(nèi)，接觸面上的膜層逐漸破壞，接觸面粗糙度增大，因而在該范圍內(nèi)接觸件插入力和分離力隨插拔次數(shù)變大而變大。超過500次后，隨著插拔次數(shù)的進一步增加，插針與插孔之間的相互摩擦進入穩(wěn)定摩擦階段，接觸面表面的隨著插拔次數(shù)的增加逐漸變得平整，同時多次插拔后接觸圈發(fā)生變形，彈性模量下降，接觸正壓力下降，由公式(6)可知接觸件插入力和分離力會下降。

圖4 接觸件插入力隨插拔次數(shù)的變化情況

圖5 接觸件分離力隨插拔次數(shù)的變化情況

4 結論

(1)影響連接器接觸可靠性的因素很多，接觸可靠性作為連接器的可靠性的一項關鍵指標，接觸可靠性與接觸件的接觸電阻和單腳分離力有關。

(2)本文以電連接器用冠簧式接觸件為研究對象，對接觸件進行了力學分析，建立了接觸件單腳分離力、接觸電阻與結構參數(shù)之間的關系，為進行接觸件的接觸情況分析提供了理論基礎。

(3)對接觸件進行插拔試驗，分析了接觸件插拔過程中接觸電阻、插入力和分離力隨插拔次數(shù)的變化情況，與理論計算值進行對比，為設計高可靠的電連接器的接觸件提供了理論依據(jù)。由插拔試驗結果得知，電連接器在實際應用中應在其使用壽命范圍內(nèi)使用，避免因頻繁插拔帶來的接觸失效。

［1］ 楊奮為.軍用電連接器的應用與發(fā)展［J］.機電元件，2012(4):52－61.

［2］ 張冠生，電器理論基礎［M］.北京:機械工業(yè)出版社，1985.

［3］ 束德林，工程材料力學性能［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2003.