SDC型微矩形電連接器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

王飛

摘 要：文中主要介紹了SDC型0.75 mm間距微矩形電連接器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并對(duì)相關(guān)技術(shù)參數(shù)進(jìn)行了較為詳細(xì)的計(jì)算。

關(guān)鍵詞：SDC型；電連接器；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；參數(shù)計(jì)算

中圖分類(lèi)號(hào)：TM153.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2016）07-00-03

0 引 言

隨著武器系統(tǒng)的不斷小型化，最近幾年對(duì)更小型微矩形電連接器的需求越來(lái)越多，而目前國(guó)內(nèi)外可供選擇的小型微矩形電連接器只有間距為0.635 mm的產(chǎn)品。由于它的接觸件尺寸很小，使得其絞線插針的扭轉(zhuǎn)剛度還不到1 mm間距產(chǎn)品（體積是0.635 mm產(chǎn)品的2倍）的五分之一，從而導(dǎo)致了它工作的低可靠性。此外，該產(chǎn)品還存在成本高、主要技術(shù)指標(biāo)偏低等問(wèn)題，無(wú)法滿足重點(diǎn)工程的需要。

經(jīng)過(guò)對(duì)航空、航天、電子等軍工領(lǐng)域?qū)π⌒突⒕匦坞娺B接器的需求進(jìn)行分析研究，并綜合考慮了小型化、可靠性、經(jīng)濟(jì)性等因素，我們對(duì)MDM1型1 mm間距和NDM型0.635 mm間距的產(chǎn)品進(jìn)行了充分研究，成功將1 mm間距產(chǎn)品的絞線插針應(yīng)用在SDC型0.75 mm間距的產(chǎn)品上。SDC型產(chǎn)品的體積只有NDM型產(chǎn)品的0.86倍，它的所有技術(shù)指標(biāo)均優(yōu)于NDM型產(chǎn)品，而且固有可靠性理論上達(dá)到了后者的五倍，雖然體積很小但可靠性很高，完全滿足了現(xiàn)階段軍工設(shè)備小型化的需求。

1 主要技術(shù)指標(biāo)

SDC型0.75 mm間距微矩形電連接器的主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1所列。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)以上技術(shù)指標(biāo)，并參照NDM、MDM1等微矩形電連接器的結(jié)構(gòu)形式，對(duì)SDC型微矩形電連接器進(jìn)行了小型化設(shè)計(jì)，它的外形尺寸比NDM產(chǎn)品高度低0.5 mm，寬度窄0.2 mm，體積僅為NDM的86%，是一種結(jié)構(gòu)合理的小型化產(chǎn)品，電連接器結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

2.1 接觸件的設(shè)計(jì)

由于原1 mm間距微矩形電連接器已經(jīng)成功應(yīng)用多年，其技術(shù)相對(duì)成熟，因此可以參照其接觸件結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)，彈性絞線插針內(nèi)圈三根Ф0.07 mm純銅線，外圈七根Ф0.10 mm鈹青銅線保持原設(shè)計(jì)不變，只是將絞線插針的最大直徑由0.5 mm設(shè)計(jì)為0.48 mm，插孔最小內(nèi)徑由0.45 mm設(shè)計(jì)成0.42 mm，絞線插針與插孔結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

2.2 絕緣基座的設(shè)計(jì)

絕緣基座的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較為關(guān)鍵，它的結(jié)構(gòu)形式在一定程度上決定了連接器的外形結(jié)構(gòu)，在設(shè)計(jì)時(shí)必須充分考慮所有連接器的結(jié)構(gòu)形式及裝配時(shí)的工藝需求。絕緣基座除了用來(lái)支撐和保護(hù)接觸件外，還要承受和傳遞插拔過(guò)程中產(chǎn)生的機(jī)械力，因此除了自身要有足夠的機(jī)械強(qiáng)度外，還要在基座上設(shè)計(jì)相應(yīng)的臺(tái)階將插拔力傳遞到外殼上。絕緣基座結(jié)構(gòu)如圖3所示。

本產(chǎn)品的絕緣基座選用聚苯硫醚，它具有強(qiáng)度高、耐高溫、耐輻射、電氣性能優(yōu)良和粘接性好等特點(diǎn)。

2.3 外殼的設(shè)計(jì)

外殼用以支撐基座和接觸件的組合體，以及保護(hù)絞線插針或插孔在正常的插合過(guò)程中不會(huì)受到機(jī)械損傷。外殼的插合界面設(shè)計(jì)成梯形，灌封端設(shè)計(jì)成矩形，插孔連接器外殼上直接設(shè)計(jì)出供插針、插孔連接器鎖緊及固定插孔連接器用的螺紋孔。外殼結(jié)構(gòu)如圖4所示。

2.4 安裝附件的設(shè)計(jì)

自由端安裝附件用鉚套固定，使螺釘幾乎不沿軸向移動(dòng)，通過(guò)旋轉(zhuǎn)螺釘來(lái)實(shí)現(xiàn)連接器的連接或分離，插孔連接器外殼上直接設(shè)計(jì)有供連接用的內(nèi)螺紋，如圖5及圖4所示。

3 有關(guān)技術(shù)參數(shù)的確定及機(jī)械壽命分析

3.1 最小正壓力的確定及接觸件插拔力計(jì)算

正壓力是接觸件設(shè)計(jì)中一個(gè)非常重要的參數(shù)，絞線插針和插孔均鍍金，鍍金接觸件的最小正壓力為25 gf，結(jié)合NDM產(chǎn)品設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)選用1倍的安全系數(shù)，因此本產(chǎn)品接觸件的最小正壓力為25 gf。

接觸件插拔力取決于接觸正壓力和接觸件之間的摩擦系數(shù)，開(kāi)始插入時(shí)還與插入角有關(guān)，如圖6所示。

接觸件插拔力G的大小等于摩擦力F，即：

G=F=μN(yùn) （1）

式中，G為接觸件插拔力；F為摩擦力；μ為摩擦系數(shù)；N為正壓力。

將接觸件的最小正壓力25gf，金摩擦系數(shù)0.4代入（1）式，則可以計(jì)算出接觸件插拔力的最小值G。

G=25×0.4=10（gf）=0.098（N）

接觸件插拔力的最小值是指在插孔尺寸最大，絞線插針尺寸最小時(shí)測(cè)出的接觸件插拔力。通常我們將插孔尺寸最大值做成標(biāo)準(zhǔn)孔，通過(guò)調(diào)整絞線插針凸起部分的尺寸，直到接觸件插拔力的最小值約等于0.1 N。

3.2 額定電流計(jì)算

對(duì)于彈性件為絞線插針的連接器，額定電流可由式（2）進(jìn)行計(jì)算：

I=12πr2 （2）

式中，I為額定電流（A）；r為絞線插針半徑（mm）。

該產(chǎn)品絞線插針的直徑為Ф0.48 mm，則半徑為0.24 mm，額定電流為：I=12×3.14×0.242=2.17 A，因?yàn)?.17 A>2 A，因此額定電流滿足設(shè)計(jì)要求。

3.3 接觸電阻計(jì)算

絞線插針插入插孔后，由于產(chǎn)生彈性變形，使得絞線插針凸起部分的七個(gè)最高點(diǎn)與插孔形成七點(diǎn)接觸，其接觸電阻為：

式中，Rc為接觸電阻（Ω）； n為接觸點(diǎn)個(gè)數(shù)； H為材料硬度（N/m2）；ρ為材料電阻率（Ω·m）；N為正壓力（N）。

金的硬度為2.5×108 N/m2，ρ為23.5×10-9 Ω·m，最小正壓力為0.098 N，則由（3）式可以計(jì)算出接觸電阻為：（mΩ），由于0.33 mΩ<2 mΩ， 因此接觸電阻滿足設(shè)計(jì)要求。

3.4 絕緣電阻計(jì)算

絕緣電阻是在電連接器的絕緣部分施加直流電壓，從而使絕緣部分的表面內(nèi)或表面上產(chǎn)生漏電流而呈現(xiàn)出的電阻。過(guò)大的漏電流會(huì)產(chǎn)生熱或直流電解從而破壞絕緣，引起短路，危及安全。此外，如果絕緣電阻過(guò)低，就可能形成反饋回路、增加功率損耗、造成串音干擾等問(wèn)題，因此必須對(duì)絕緣電阻加以控制。

絕緣電阻包括絕緣介質(zhì)的體積電阻和表面電阻，由于表面電阻受環(huán)境溫度和相對(duì)濕度的影響比體積電阻大，通常絕緣材料的表面電阻要比體積電阻小幾個(gè)數(shù)量級(jí)。

絕緣基座的絕緣電阻可由下式進(jìn)行計(jì)算：

R=PT （4）

式中，R為絕緣電阻（Ω）；P為體積電阻率（Ω·mm）；T為絕緣材料厚度（mm）。

基座絕緣材料為聚苯硫醚，體積電阻率為1016 Ω·mm，相臨接觸件的最小絕緣間隔為0.15 mm，則絕緣電阻值為R=1016×0.15=1.5×1010 MΩ，由于1.5×1010 MΩ>5 000 MΩ，因此絕緣電阻滿足設(shè)計(jì)要求。

3.5 耐電壓計(jì)算

連接器的耐電壓由接觸件和絕緣基座的結(jié)構(gòu)形式、電流的頻率、絕緣基座表面的潔凈程度、空氣濕度和壓強(qiáng)等因素決定。通常絕緣基座表面清潔時(shí)，耐電壓實(shí)質(zhì)上取決于空氣的抗電強(qiáng)度。絕緣基座介質(zhì)耐電壓可由下式進(jìn)行計(jì)算：

V介=KT （5）

其中，V介為絕緣介質(zhì)耐電壓（V）；K為絕緣強(qiáng)度（V/mm）；T為絕緣材料厚度（mm）。

聚苯硫醚的絕緣強(qiáng)度為15 000 V/mm，相臨接觸件的最小絕緣間隔為0.15 mm，則耐電壓值為V介=15 000×0.15=2250 V。

空氣的抗電強(qiáng)度由兩接觸件之間的最短空間距離決定，可由下式進(jìn)行計(jì)算：

V=1 400t （6）

其中，V為空氣抗電強(qiáng)度（V）；t為絕緣間隙（mm）。

該產(chǎn)品的最小空氣間隙為0.25 mm，則由（6）式可以計(jì)算出其抗電強(qiáng)度為：V=1 400×0.25=350 V，因?yàn)? 750 V和350 V均大于300 V，因此耐電壓滿足設(shè)計(jì)要求。

3.6 機(jī)械壽命分析

連接器在正常使用時(shí)會(huì)有插入和拔出的過(guò)程，從而引起接觸件、基座、外殼等零件產(chǎn)生磨損，這些磨損會(huì)降低連接器的機(jī)械性能和電氣性能，從而影響連接器的使用壽命。

一般而言，接觸件的磨損是影響連接器壽命的主要因素，我們對(duì)SDC型微矩形電連接器進(jìn)行了插拔壽命試驗(yàn)，并記錄了接觸電阻的變化情況，試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

從圖7可以看出，隨著插拔次數(shù)的增加，接觸電阻的變化大致經(jīng)過(guò)了轉(zhuǎn)折壽命階段、穩(wěn)定壽命階段、加速壽命階段及壽命后階段四個(gè)階段。

3.6.1 轉(zhuǎn)折壽命階段

絞線插針在插孔中插拔使插孔鍍金層受到冷作硬化而變硬，在這個(gè)階段絞線插針鍍金層幾乎沒(méi)有磨損，有效接觸點(diǎn)基本不變，接觸電阻相對(duì)穩(wěn)定，見(jiàn)圖7中的AB段，0～150次。

轉(zhuǎn)折壽命階段的插拔次數(shù)可由下式進(jìn)行計(jì)算：

式中，t為轉(zhuǎn)折壽命（次）；L為插拔距離（cm）；K為常數(shù)；N為正壓力（gf）。

SDC型微矩形電連接器接觸件插拔距離為3 mm，平均接觸正壓力為35 gf，鍍金接觸件K=17×103，由（7）式可以計(jì)算出轉(zhuǎn)折壽命為：

（次）

圖7中的B點(diǎn)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)折壽命為150次，理論計(jì)算值與實(shí)際試驗(yàn)值比較接近，因此對(duì)我們的設(shè)計(jì)工作有一定的指導(dǎo)意義。

3.6.2 穩(wěn)定壽命階段

隨著絞線插針在插孔中反復(fù)插拔，當(dāng)插孔內(nèi)壁因冷作硬化硬度增大到足以擦傷絞線插針表面時(shí)，開(kāi)始產(chǎn)生磨損，使得有效接觸點(diǎn)不斷增加，接觸電阻逐漸減小，見(jiàn)圖7中的BC段，150～400次。

3.6.3 加速壽命階段

隨著插拔次數(shù)的進(jìn)一步增加，開(kāi)始在某些點(diǎn)上露出底鍍層鎳，接觸電阻逐漸增大，磨損加快，直至鍍金層磨損殆盡，見(jiàn)圖7中的CD段，400～500次。

這階段結(jié)束時(shí)總的插拔次數(shù)即通常所說(shuō)的連接器的機(jī)械壽命，從圖7中可以看出，本產(chǎn)品的機(jī)械壽命達(dá)到了500次，優(yōu)于設(shè)計(jì)要求的400次，符合設(shè)計(jì)要求。

3.6.4 壽命后階段

鍍金層磨損殆盡后，接觸電阻就基本穩(wěn)定在某一數(shù)值，見(jiàn)圖7中的DE段，由于鎳底層非常耐磨，在正常情況下這個(gè)階段可以持續(xù)上千次插拔。

4 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)試驗(yàn)情況

產(chǎn)品研制成功后，我們根據(jù)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)編制了較為詳細(xì)的結(jié)構(gòu)試驗(yàn)大綱，主要包括結(jié)構(gòu)和外形尺寸檢查、電性能試驗(yàn)、機(jī)械性能試驗(yàn)、環(huán)境試驗(yàn)、可靠性試驗(yàn)五個(gè)方面的檢測(cè)內(nèi)容。

經(jīng)過(guò)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行檢測(cè)試驗(yàn)，產(chǎn)品所有技術(shù)指標(biāo)均符合結(jié)構(gòu)試驗(yàn)大綱規(guī)定的相關(guān)要求，從而驗(yàn)證了產(chǎn)品的所有性能均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，同時(shí)也證明了生產(chǎn)工藝的可行性，為今后的批量投產(chǎn)打下了良好的基礎(chǔ)。

5 結(jié) 語(yǔ)

SDC型0.75 mm間距微矩形電連接器具有體積小、可靠性高、經(jīng)濟(jì)性好等特點(diǎn)，能夠滿足整機(jī)小型化的要求，具有很好的市場(chǎng)推廣價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1]章繼高.電接觸理論與設(shè)計(jì)技術(shù)[J].電子機(jī)械技術(shù) （專(zhuān)輯），1984 （8）：36-51.