淺談兩端鋼球快鎖微矩形連接器鎖緊設(shè)計(jì)

王飛

摘要：本文通過對(duì)一種微矩形連接器的快鎖結(jié)構(gòu)原理介紹，從該種連接器的設(shè)計(jì)背景及較常規(guī)微矩形連接器的優(yōu)點(diǎn)及應(yīng)用前景出發(fā)，對(duì)連接器快鎖結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，材料選擇、及耐環(huán)境性能分析、并對(duì)連接器相關(guān)可靠性試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證進(jìn)行闡述。

主題詞：微矩形 ?快鎖?? 鎖緊結(jié)構(gòu)

引言

現(xiàn)代及未來戰(zhàn)爭對(duì)軍用電子裝備提出了小型化、集成化要求的同時(shí)，隨之而來的要求連接器也要求小型化。然在連接器日趨越小的同時(shí)，連接器的對(duì)接可靠及操作方便更成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。在連接器自身較小，對(duì)接后連接器的保持力不足以保證設(shè)備在嚴(yán)酷的力學(xué)環(huán)境下可靠工作時(shí)，為保證連接器的傳輸可靠，連接器需有鎖緊機(jī)構(gòu)從而提供連接器的對(duì)接保持力。然，從傳統(tǒng)的中心鎖緊機(jī)構(gòu)連結(jié)來看，連接器的鎖緊機(jī)構(gòu)所要求的空間很大，不適用于微型連接器的設(shè)計(jì)。若采用傳統(tǒng)的連接器兩端螺釘擰緊方式也同樣存在缺點(diǎn)：其一，連接器的較小即安裝空間同樣較小，所以產(chǎn)品對(duì)接后操作會(huì)存在干涉等不便;其二，連接器在分離是同樣需拆卸螺釘，而不能及時(shí)使連接器分離。針對(duì)以上問題，鋼球快鎖自保持矩形電連接器能很有效的克服現(xiàn)有只保持電連接器存在的缺點(diǎn)，鋼球快鎖自保持矩形電連接器不但能很有效的實(shí)現(xiàn)自保持連接器的自動(dòng)鎖緊與分離公能，而且可以較為精確的調(diào)節(jié)和控制鎖緊力與分離力，同時(shí)具有較高的可靠性。

1兩端鋼球快鎖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1原理簡介

連接器的鎖緊分離結(jié)構(gòu)如圖1所示，連接器鎖緊結(jié)構(gòu)端可通過調(diào)節(jié)螺釘?shù)臄Q入深度調(diào)節(jié)彈簧壓縮量從而調(diào)節(jié)鋼球解鎖力，另一端在外殼上加工凹槽，使鋼球在彈簧彈力作用下將鋼球壓縮在凹槽內(nèi)從而實(shí)現(xiàn)鎖緊，再者當(dāng)調(diào)節(jié)螺釘?shù)臄Q入深度將壓縮彈簧壓縮到并圈時(shí)即實(shí)現(xiàn)連接器兩端鎖死功能。

連接器對(duì)接時(shí)，鋼球首先受到擠壓后退到與外殼齊平，待鋼球到凹槽處時(shí)鋼球在彈簧彈力作用下卡入凹槽內(nèi)從而使產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)鎖緊，從而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的快速鎖緊功能，提高連接器的接觸可靠性能。分離時(shí)，在連接器一端施加沿對(duì)接反方向力，則另一端外殼凹槽臺(tái)階會(huì)給予插頭鋼球反向壓力分力，待壓力分力超過彈簧對(duì)鋼球施加的彈力時(shí)，鋼球壓縮彈簧至鋼球退出插座圓形槽，從而實(shí)現(xiàn)連接器插頭與插座的快速分離。

1.2結(jié)構(gòu)分析

由圖2可看出該類連接器結(jié)構(gòu)上較為簡單，只是在普通直插拔矩形連接器兩端延伸出兩端用于安裝鎖緊結(jié)構(gòu)。該類連接器鎖緊力主要取決于彈簧壓縮鋼球的彈力，所以彈簧并圈前的彈力大小決定了連接器能正常對(duì)接、分離條件下的最大鎖緊力。同時(shí)該類連接器鎖緊力是兩端鋼球壓力共同決定，因此兩端彈簧壓縮鋼球的彈力需盡可能的保持平衡，從而保證對(duì)接時(shí)連接器對(duì)接端兩端受力相同，否則連接器在對(duì)接、分離時(shí)會(huì)出現(xiàn)偏斜現(xiàn)象從而影響產(chǎn)品的正常使用，故連接器兩端鎖緊結(jié)構(gòu)鎖緊螺釘擰入深度保持相同，且兩端彈簧彈力大小應(yīng)盡可能保持一致。

同時(shí)由圖2結(jié)構(gòu)分析知如要求連接器鎖死時(shí)即需要求鋼球不能運(yùn)動(dòng)，保證鋼球位置被限制有以下兩種途徑：1、調(diào)節(jié)螺釘壓縮彈簧使彈簧并圈，此時(shí)鋼球位置被彈簧限位;2、調(diào)節(jié)螺釘套彈簧小端在彈簧壓縮并圈前將鋼球頂死。因此，在設(shè)計(jì)鋼球鎖緊結(jié)構(gòu)時(shí)需保證調(diào)節(jié)螺釘小端長度應(yīng)小于等于彈簧的并圈長度，從而保證彈簧彈力最大有效使用。

2材料選擇及耐環(huán)境性能分析

2.1材料選擇

連接器對(duì)接、分離過程中鋼球會(huì)一直保持著與對(duì)接端外殼擠壓摩擦，因此連接器凹槽端外殼在材料選擇時(shí)應(yīng)選擇耐磨的材料。連接器凹槽外殼材料的選擇需根據(jù)產(chǎn)品的分離力的要求選擇產(chǎn)品合適的外殼材料及處理方式來保證產(chǎn)品在規(guī)定分離內(nèi)外殼不會(huì)過度磨損，從而降低連接器鎖緊可靠性。

產(chǎn)品外殼材料在選擇時(shí)，因優(yōu)先保證外殼的材料的硬度要求，使產(chǎn)品能夠保證在規(guī)定分離內(nèi)的機(jī)械壽命要求。而由于材料的特性使然，熱處理后硬度越高的不銹鋼材料含碳量越高，因此材料的耐蝕性能越差。經(jīng)對(duì)產(chǎn)品的分離力、機(jī)械壽命和耐蝕性能要求的綜合考慮在分離要求≤100N之間時(shí)連接器外殼采用不銹鋼14Cr17Ni2。該不銹鋼具有以下性能：熱處理后具有較高的力學(xué)性能，硬度為HRC36～40，耐蝕性優(yōu)于12Cr13和10Cr17。一般用于既要求高力學(xué)性能的可淬硬性，又要求耐硝酸、有機(jī)酸腐蝕的軸類、活塞桿等零件。

當(dāng)連接的分離里要求過大時(shí)，產(chǎn)品對(duì)接分離會(huì)加劇外殼的磨損，而使連接器無法滿足機(jī)械壽命使用要求，因此在設(shè)計(jì)時(shí)需重新選擇合適的外殼材料或降低連接器的使用壽命。因選用國標(biāo)鋼球硬度要求為≥58HRC，通常選用不銹鋼9Cr18淬火處理，淬火后硬度要求為（59～62）HRC從而保證連結(jié)對(duì)接時(shí)外殼耐磨性能，防止連接器經(jīng)壽命后磨損嚴(yán)重而不能滿足連接器分離力要求。

2.2耐蝕性能分析

耐環(huán)境性能是連接器較為重要的性能，而就該類連接器來說，連接器一端外殼采用高碳不銹鋼，因此連接器的耐鹽霧性能為本類連接器關(guān)注重點(diǎn)。

連接器外殼材料選用的不銹鋼14Cr17Ni2及9Cr18的耐鹽霧性能都不佳，當(dāng)連接器的耐鹽霧性能要求48h時(shí)，對(duì)不銹鋼外殼熱處理后進(jìn)行鈍化處理后能夠滿足連接器的耐鹽霧性能;若連接器要求使用在更惡劣的環(huán)境時(shí)要求時(shí)，連接器的不銹鋼外殼常規(guī)鈍化處理不能滿足連接器的耐鹽霧性能，需對(duì)外殼進(jìn)行DLC涂覆處理，從而提高產(chǎn)品的耐鹽霧性能。

2.3耐力學(xué)性能分析

對(duì)于微小連接器而言，連結(jié)本身質(zhì)量較輕，產(chǎn)品自身保持力較小，故微小型連接器在自身保持力下在振動(dòng)、沖擊等環(huán)境條件下連接器的信號(hào)傳輸可靠性很難保證。因此在振動(dòng)、沖擊等環(huán)境條件保持電信號(hào)的可靠傳輸，也是該類連接器應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注的可靠性指標(biāo)。

連接器在振動(dòng)、沖擊環(huán)境下能否實(shí)現(xiàn)可靠傳輸有以下幾個(gè)關(guān)鍵因素：其一，連接器對(duì)接到位后鎖緊的可靠性（即保持力）是決定連接器抗振動(dòng)、沖擊等環(huán)境能力的因素之一。其二，連接器自身接觸件種類及接觸件固定方式也是決定連接器的抗振動(dòng)、沖擊的因素。而對(duì)本文闡述的該類連接器而言，在接觸件類型及固定方式一樣條件下，連接器抗振動(dòng)、沖擊能力也同樣決定于兩端鋼球的鎖緊力的大小。當(dāng)連接器對(duì)接到位需鎖死時(shí)，連接器無相對(duì)運(yùn)動(dòng)此時(shí)連接器的抗振動(dòng)、沖擊能力完全決定于接觸件自身的連接器可靠性。

2.4耐力學(xué)性能試驗(yàn)驗(yàn)證

21芯連接器，鎖緊力調(diào)節(jié)為50N時(shí)，連接器在10～2000Hz加速度196m/s²（正弦振動(dòng)條件），功率頻譜密度0.4G²/Hz總加速度均方根值23.1（隨機(jī)振動(dòng)條件），后峰鋸齒波峰值加速度735m/s²（沖擊條件）條件下信號(hào)傳輸良好未發(fā)生有超過1μs的瞬斷。當(dāng)鎖緊力調(diào)節(jié)到80N時(shí)，連接器在高頻段10～2000Hz加速度196m/s²（正弦振動(dòng)條件），功率頻譜密度0.6G²/Hz總加速度均方根值28.4（隨機(jī)振動(dòng)條件），后峰鋸齒波峰值加速度980m/s²（沖擊條件）條件下試驗(yàn)連接器的信號(hào)傳輸良好未發(fā)生有超過1μs的瞬斷。

3總結(jié)

本文通過對(duì)微矩形連接器的應(yīng)用前景著手，從連接器鎖緊結(jié)構(gòu)分析、材料選擇、耐環(huán)境性能分析驗(yàn)證，從而對(duì)該類連接器設(shè)計(jì)提供簡單的指導(dǎo)意見。

參考文獻(xiàn)：

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