連接器剛性插針接觸對的插入力研究

(貴州航天電器股份有限公司，貴州貴陽，550009)

1　引言

本課題主要以剛性插針和彈性插孔為主要研究范圍,插拔力是接觸件機(jī)械性能里的一個重要指標(biāo)，一個設(shè)計良好的接觸件，其插入力和分離力應(yīng)很接近。如果接觸件結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計不合理，會造成插入力急劇增大和連接器對接困難，甚至?xí)p害接觸件，影響機(jī)械性能里的機(jī)械壽命指標(biāo)。本研究的主要目的就是要通過理論推算，找出影響插入力的主要因素，使設(shè)計接觸件時能夠避免不合理的結(jié)構(gòu)尺寸，為插入力較大的連接器產(chǎn)品的改進(jìn)提供參考。

2　圓形頭剛性插針與開槽彈性插孔

2.1　插入力分析

圓頭剛性插針的頭部形狀為半球形，開槽插孔是指在插頭的插合端沿軸向加工一定數(shù)量的槽，形成多條彈性的懸臂梁，經(jīng)收口等工序后形成彈性體，為防止插針與插孔對接時由于插針超差或歪斜造成插孔過量變形，通常在插孔外面的配置護(hù)管進(jìn)行保護(hù)和導(dǎo)向。具體結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1　帶護(hù)管直開槽彈性插孔與剛性插針

當(dāng)剛性插針與直槽彈性插孔對接的時，我們以口部剛接觸時的狀態(tài)進(jìn)行插入力受力分析，具體見圖2。

圖2　插入力受力分析圖

根據(jù)有摩擦的斜面施加水平推力公式可知：

F=Wta n(Φ+θ)

(1)

其中，F(xiàn)為插入力，W為插孔收口后的各花瓣的徑向壓力，Φ為摩擦角，θ為斜面的傾斜角。其中Φ=arctan(μ)，μ為摩擦系數(shù)。下面分析傾斜角θ的計算方法，具體見圖3所示。其中，L為槽深，B為槽寬，d為插針直徑，D為插孔孔徑，α為收口后的彎曲角度，r為插孔孔口圓弧半徑。根據(jù)三角函數(shù)關(guān)系可知：θ=arcos((h+r)/(d/2+r ))，h=D/2-k，k≈sinα*A , A≈L-r，α=arcsin(B/2/L)，將其代入公式(1)，由此可得:

F=Wtan(arctanμ+ arcos((D/2-B/2/L*(L-r)+r)/(d/2+r)))

(2)

圖3　傾斜角分析圖

以下我們以20#插孔為例，其中已知L=5.5、B=0.4、D=1.12、d=1.02、r=0.2，通過改變其中的尺寸參數(shù)，重新計算插入力F，分析插孔各結(jié)構(gòu)尺寸變化時對插入力的影響程度。

2.2　槽寬對插入力的影響

當(dāng)L=5.5、D=1.12、d=1.02、r=0.2、W=1、μ=0.2時，改變B參數(shù)并運用公式(2)計算插入力，數(shù)據(jù)表見表1，折線圖見圖3。通過圖表可知，槽寬與插入力成正比，隨著槽寬的增加，插入力會顯著增加。

圖3　槽寬-插入力折線圖

表1　槽寬-插入力數(shù)據(jù)表

2.3　槽深對插入力的影響

當(dāng)B=0.4、D=1.12、d=1.02、r=0.2、W=1、μ=0.2時改變槽深L的參數(shù)，并運用公式(2)計算插入力，數(shù)據(jù)表見表2，折線圖見圖4。通過圖表可知，槽深與插入力成正比，但是隨著槽深的增加，插入力增加非常緩慢，由此可見，插孔插深對插入力影響非常小，可以忽略不計。

圖4　槽深-插入力折線圖

表2　槽深-插入力數(shù)據(jù)表

2.4　孔徑對插入力的影響

當(dāng)B=0.4、L=5.5、d=1.02、r=0.2、W=1、μ=0.2時改變孔徑D的參數(shù)，并運用公式(2)計算插入力。數(shù)據(jù)表見表3，折線圖見圖5，通過圖表可知，槽深與插入力成反比。

圖5　孔徑-插入力折線圖

表3　孔徑-插入力數(shù)據(jù)表

2.5　孔口圓弧半徑對插入力的影響

當(dāng)B=0.4、L=5.5、d=1.02、D=1.12、W=1、μ=0.2時，通過改變圓弧半徑r的參數(shù)，并運用公式(2)計算插入力，數(shù)據(jù)表見表4，折線圖見圖6。通過圖表可知，插孔孔口圓弧半徑與插入力成反比。

圖6　孔口圓弧半徑-插入力折線圖

表4　孔口圓弧半徑-插入力數(shù)據(jù)表

2.6　花瓣徑向壓力對插入力的影響

當(dāng)B=0.4、L=5.5、d=1.02、r=0.2、D=1.12、μ=0.2時，改變插孔收口后各花瓣的徑向壓力W，運用公式(2)計算插入力。數(shù)據(jù)表見表5，折線圖見圖7。通過圖表可知，插孔徑向力與插入力成正比，通常徑向壓力與插孔的分離力相關(guān)聯(lián)，分離力的大小已經(jīng)決定了徑向力的大小，因此，徑向力不能作為減少插入力的措施。

圖7　插孔花瓣徑向力-插入力折線圖

表5　插孔徑向力-插入力數(shù)據(jù)表

3　錐形頭剛性插針與開槽彈性插孔

將剛性插針頭部設(shè)計成錐形是接觸件設(shè)計的一種常見手段，下面就對錐形頭插針與開槽彈性插孔對接時的插入力進(jìn)行受力分析，具體形狀見圖8。根據(jù)有摩擦的斜面推力公式 F=Wtan(Φ+θ)， F為插入力，W為徑向力，Φ為摩擦角，θ傾斜角。其中Φ=arctan(μ)，μ為摩擦系數(shù)，由圖可知，傾斜角θ=α/2，將以上關(guān)系代入公式(1)得出公式：

F=Wtan(arctan(μ)+α/2)

(3)

根據(jù)公式可知影響插入力的因素主要由插針頭部錐度α、徑向力W和摩擦系數(shù)μ。

下面就影響插入力的主要因素插針頭部錐度α角進(jìn)行研究，以徑向力W=1，摩擦系數(shù)μ=0.2時，將其代入公式(3)進(jìn)行分析，具體見表6和折線圖見圖9。由圖表可知，插針頭部錐度大小與插入力成正比，錐度越小插入力也就越小。

圖8　錐形頭插針與直槽彈性插孔受力分析圖

圖9　插針錐度-插入力折線圖

表6　插針錐度-插入力數(shù)據(jù)表

4　圓頭剛性插針與喇叭口插孔

4.1　插入力分析

喇叭口插孔是將開槽插孔在收口過程中將插孔口部翻開，形成喇叭口形狀，從而改善接觸件對接狀況，圖10為喇叭口插孔的受力分析圖。其對接方式類似錐形插針與開槽彈性插孔的對接，其插入力計算同樣采用F=Wtan(Φ+θ)公式，其中Φ=arctan(μ)，μ為摩擦系數(shù)。

圖10　喇叭口插孔受力分析圖

下面分析斜面傾斜角的計算，具體見圖11，其中A為喇叭口長度，B為槽寬，β為喇叭口彎曲角度， L為槽深，θ為斜面傾斜角，θ=β-α，α=arcsin(B/2/(L-A))，W為插孔花瓣的徑向力,將以上關(guān)系代入公式(1)可得

F=Wtan(arctan(μ)+β- arcsin(B/2/(L-A)))

(4)

圖11　喇叭口插孔傾斜角分析圖

下面就以20插孔為例進(jìn)行研究，假設(shè)插孔槽深L=5.5，槽寬B=0.4，喇叭口長度A=1，喇叭口彎曲角β=15°，插孔徑向力W=1。

4.2　喇叭口插孔槽寬對插入力的影響

當(dāng)L=5.5、A=1和β=15°時，通過公式(4)改變槽寬B的參數(shù)，分析其對插入力的影響。通過數(shù)據(jù)表(表7)和折線圖(見圖12)可知，插孔槽寬與插入力成反比，隨著槽寬的增加，插入力緩慢的下降，因此槽寬對插入力的影響較小，可以忽略。

圖12　喇叭口槽寬-插入力折線圖

表7　喇叭口插孔槽寬-插入力數(shù)據(jù)表

4.3　喇叭口插孔槽深對插入力的影響

當(dāng)B=0.4、A=1和β=15°時，通過改變槽深L參數(shù)，分析其對插入力F的影響。通過數(shù)據(jù)表(表8)和折線圖(見圖13)可知，插孔槽深與插入力成正比，隨著槽深的增加，插入力緩慢的上升，因此槽深對插入力的影響較小，可以忽略。

圖13　喇叭口槽深-插入力折線圖

表8　喇叭口插孔槽深-插入力數(shù)據(jù)表

4.4　喇叭口翻口角度對插入力的影響

當(dāng)B=0.4、A=1和L=5.5時，通過公式(4)改變翻口角度β參數(shù)，分析其對插入力的影響。通過數(shù)據(jù)表(表9)和折線圖(見圖14)可知，喇叭口翻口角度與插入力成正比，翻口角度的增加，插入力也快速上升，因此喇叭口翻口角度對插入力的影響較大，為喇叭口插孔的重要參數(shù)。

圖14　喇叭口翻口角度-插入力折線圖

表9　喇叭口翻口角度-插入力數(shù)據(jù)表

5　結(jié)束語

通過以上各種形狀和尺寸的接觸件的插入力分析，可以得出以下結(jié)論：

1)對于圓形頭剛性插針與開槽彈性插孔接觸件設(shè)計，可以通過減少切槽寬度、增大插孔孔徑和增大孔口圓弧半徑的方法有效降低插入力；

2)對于錐形頭剛性插針與開槽彈性插孔接觸件設(shè)計，可以通過減少插針頭部錐形角度的方法，有效降低接觸件的插入力；

3)對于圓頭剛性插針與喇叭口開槽彈性插孔接觸件設(shè)計，可以通過減小喇叭口翻口角度的方法使接觸件的插拔力降低。

參考文獻(xiàn)：

[1]機(jī)械設(shè)計手冊. 機(jī)械工業(yè)出版社,2004.8.