連接器方形彈性插孔的設(shè)計(jì)與分析

葉 宇，王慶霞

(貴州航天電器股份有限公司，貴州貴陽(yáng)，550009)

1 引言

軍用電連接器擔(dān)負(fù)著控制系統(tǒng)的電能傳輸和信號(hào)控制與傳遞，它的結(jié)構(gòu)可靠性和質(zhì)量?jī)?yōu)劣直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)工程成敗，接觸可靠是保證軍用電連接器正常工作的關(guān)鍵，任何電連接器盡管復(fù)雜程度不一，但都必不可少包括殼體、絕緣體和接觸件三部分，其中接觸件是電連接器的核心零件，也是電連接器中的導(dǎo)電部分，電子設(shè)備的電纜與電纜、電纜與設(shè)備之間的電路連接，實(shí)現(xiàn)低頻信號(hào)、高頻信號(hào)及電能(功率)的傳輸插針插孔的電連接是靠插針/插孔的彈性接觸來(lái)實(shí)現(xiàn)的，插針/插孔的結(jié)構(gòu)形式?jīng)Q定了接觸的可靠性，接觸件在電連接器中起著電信號(hào)傳輸?shù)摹敖恿Π簟被颉皹蛄骸弊饔?，任何一個(gè)接觸件的失效都會(huì)影響整個(gè)連接器功能的失效，都會(huì)帶來(lái)型號(hào)、產(chǎn)品失效的嚴(yán)重后果，因此必須保證在復(fù)雜的軍事環(huán)境和軍用場(chǎng)合中萬(wàn)無(wú)一失地可靠工作。故接觸件必須具備優(yōu)良的結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定可靠的接觸保持力和良好的導(dǎo)電性能，由于接觸件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選用、機(jī)械加工、熱處理及表面處理工藝不合理都會(huì)造成連接器的接觸失效。

2 彈性插孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 插孔的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

插孔由0.2mm厚的銅合金銅帶經(jīng)落料、彎曲、整形和沖齒后形成具有2對(duì)平行彈性臂的方形零件，見(jiàn)圖1所示。

圖1 插孔外形結(jié)構(gòu)圖

插孔靠翻邊后與基座固定，彈性臂兩端固定，中間內(nèi)弓，4根彈性臂形成了插孔最小外形，方形剛性插針在插孔最小外形處接觸，形成電氣連接，插合時(shí)(見(jiàn)圖2)彈性臂外弓對(duì)插針形成正壓力，保證了較高的接觸可靠性，方形插針和插孔之間為四個(gè)面接觸，接觸面積大，保證了方形插孔的較低接觸電阻。

圖2 插合示意圖

2.2 插孔的材料選擇

連接器接觸件選材應(yīng)以性能要求為依據(jù)，從彈性極限、彈性模量、強(qiáng)度、延伸率、疲勞強(qiáng)度、成型性、導(dǎo)電性、耐腐蝕性、耐熱性、表面質(zhì)量、尺寸偏差和可焊性等方面進(jìn)行綜合考慮，為防止插針插拔時(shí)彎曲損傷，插針應(yīng)選用具有較高機(jī)械強(qiáng)度的材料，為保證插孔插合時(shí)接觸可靠，防止塑性變形和應(yīng)力松弛，插孔應(yīng)選用具有較高彈性極限與疲勞極限和適當(dāng)彈性模量材料，本設(shè)計(jì)方形插孔選用了錫青銅帶(QSn6.5-0.1),此材料具有較好的塑性和強(qiáng)度。

2.3 插孔的理論計(jì)算

這種插孔的參數(shù)計(jì)算主要需確定接觸的彈性臂長(zhǎng)度、寬度和外圓尺寸。其力學(xué)模型如圖3所示。

圖3 插孔力學(xué)模型示意圖

插孔的主要計(jì)算公式如下：

支梁的最大撓度公式為：

集中力P作用于彈性臂中點(diǎn)時(shí)，最大彎矩為：

最大彎曲應(yīng)力為：

對(duì)寬度為b，高度為h的矩形截面，其慣性矩為：

查表可知，錫青銅帶的[σ]=1127MPa、E=127400 MPa 。

公式的變換過(guò)程為：

又

推出

又

將P的表達(dá)式帶入，可得出下列公式：

所以有

(1)

(2)

又單腳分離力F為：

F=nμP

(3)

其中，n——彈性臂根數(shù)，μ——摩擦系數(shù)，金與金之間μ=0.2。

當(dāng)插孔的彈性臂寬度為b=0.4mm、彈性臂根數(shù)n=4時(shí)，根據(jù)計(jì)算，彈性臂長(zhǎng)為5mm時(shí)，單邊最大彈性變形量為0.07mm，插孔寬度方向上則為0.18mm，在彈性變形范圍內(nèi)，可保證連接器在使用過(guò)程中不發(fā)生分離力失效。

3 插孔分離力仿真

3.1 ADINA仿真軟件介紹

ADINA的最早版本出現(xiàn)于1975，在K.J.Bathe博士的帶領(lǐng)下，由其研究小組共同開(kāi)發(fā)出ADINA有限元分析軟件。ADINA的含義是Automatic Dynamic Incremental Nonlinear Analysis的首字母縮寫，為動(dòng)力非線性有限元分析，這表達(dá)了軟件開(kāi)發(fā)者的基本目標(biāo)，即ADINA除了求解線性問(wèn)題外，還要具備分析非線性問(wèn)題的強(qiáng)大功能，包括求解結(jié)構(gòu)以及涉及結(jié)構(gòu)場(chǎng)之外的多場(chǎng)耦合問(wèn)題。增量法是數(shù)值求解非線性物理問(wèn)題本質(zhì)的方法，對(duì)非線性物理問(wèn)題，計(jì)算解逼近真實(shí)解的過(guò)程是通過(guò)控制增量步逐步實(shí)現(xiàn)的，所謂增量通常是載荷增量或時(shí)間增量。

ADINA在計(jì)算理論和求解問(wèn)題的廣泛性方面處于全球領(lǐng)先的地位，尤其針對(duì)結(jié)構(gòu)非線性、流/固耦合等復(fù)雜問(wèn)題的求解具有強(qiáng)大優(yōu)勢(shì)，被業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為是非線性有限元發(fā)展方向的先導(dǎo)。經(jīng)過(guò)近20年的商業(yè)化開(kāi)發(fā)，ADINA已經(jīng)成為全球最重要的非線性求解軟件，被廣泛應(yīng)用于各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域的工程仿真計(jì)算，包括土木建筑、交通運(yùn)輸、石油化工、機(jī)械制造、航空航天、汽車、國(guó)防軍工、船舶、以及科學(xué)研究等各個(gè)領(lǐng)域[5]。

3.2 數(shù)學(xué)模型

數(shù)學(xué)模型是由有限個(gè)幾何單元組成， 用分析求解算法對(duì)單元進(jìn)行獨(dú)立的分析，并根據(jù)相鄰單元的約束條件，得到整個(gè)幾何模型可能發(fā)生的結(jié)果，本文采取圓形插針和方形插針進(jìn)行對(duì)比分析，模型簡(jiǎn)化處理如圖4：

a) 圓形插針簡(jiǎn)化模型 b)方形插針簡(jiǎn)化模型

3.3 圓形插針接觸件分離力仿真分析

3.3.1 前處理相關(guān)設(shè)置

按照產(chǎn)品裝配實(shí)際情況設(shè)置邊界條件為：插孔下底面限制Y向位移，插孔上段壁面只Y向移動(dòng)。

載荷加載設(shè)置：在插針上表面施加位移載荷3mm；

材料設(shè)置：硬態(tài)QSn6.5-0.1，楊氏模量為1.2e11 Pa；

運(yùn)用adina仿真分析，摩擦系數(shù)設(shè)為0.2。

3.3.2 后處理結(jié)果查看

圓形插針插拔力曲線圖如圖5，分離力約為0.25N。

圖5 標(biāo)準(zhǔn)針插拔力曲線圖

圓形插針插拔力應(yīng)力云圖如圖6，最大應(yīng)力發(fā)生在插孔上為300MPa，小于硬態(tài)QSn6.5-0.1的屈服強(qiáng)度。

圖6 圓形插針插拔力應(yīng)力云圖

仿真分析的分離力符合設(shè)計(jì)要求的分離力(0.19N～0.6N)。

3.4 方形插針接觸件分離力仿真分析

插拔力曲線如圖7，分離力約為0.35N。

圖7 方形針插拔力曲線圖

方形插針插拔力應(yīng)力云圖如圖8，最大應(yīng)力發(fā)生在插孔上約為400MPa，小于硬態(tài)QSn6.5-0.1的屈服強(qiáng)度。

圖8 方形插針插拔力應(yīng)力云圖

3.5 結(jié)果分析

在實(shí)際產(chǎn)品裝配中是使用方形插針，按照分離力偏大的上差尺寸仿真出來(lái)的分離力符合設(shè)計(jì)要求(0.19N～0.6N)，其最大應(yīng)力也小于材料的拉伸極限600MPa，分離力和應(yīng)力均符合要求。

3.6 影響插孔分離力因素

根據(jù)以上仿真結(jié)果分析可知，該設(shè)計(jì)方案的接觸件分離力不會(huì)超過(guò)上限0.6N，而實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)了接觸件分離力偏大的情況，這可能有零件尺寸超差、材料特性偏差以及裝配誤差等原因?qū)е碌?具體為：

a)剛性插針加工插針超差，方形插針較圓形插針工藝性較差，零件加工一致性需找到可行的方法來(lái)控制，進(jìn)一步提高插針加工質(zhì)量，保證插合端尺寸；

b)插孔最小外形處尺寸超差也會(huì)影響插孔分離力，由以上的仿真分析可知連接器插孔在理論上設(shè)計(jì)可行，要保證連接器分離力，須對(duì)插孔內(nèi)孔最小外形尺寸進(jìn)行控制，有效控制插孔光潔度；

c)組裝時(shí)對(duì)插孔進(jìn)行翻邊，此因素對(duì)連接器分離力的影響較大，工藝性較差，因基座為塑壓成型，200個(gè)基座內(nèi)孔尺寸公差范圍較大，翻邊給予插孔的反彈力不一，從而導(dǎo)致同一翻邊工裝翻邊出的插孔分離力一致性較差。

4 插孔分離力控制的有效措施

接觸件是保證軍用連接器接觸可靠的關(guān)鍵核心零件，在長(zhǎng)達(dá)數(shù)年且可能十分頻繁的插合過(guò)程中須保持低而穩(wěn)定接觸電阻，在高溫、低溫和溫度交變等使用環(huán)境中仍有足夠的彈性以保持合適的接觸正壓力，連接器的分離力控制在生產(chǎn)過(guò)程中非常重要，是提高連接器生產(chǎn)合格率的重要因素，方形彈性孔連接器分離力須采取以下措施進(jìn)行控制：

a)為保證插針質(zhì)量一致性，開(kāi)制冷沖模具進(jìn)行加工，還進(jìn)一步提高插針的生產(chǎn)率；

b)插孔內(nèi)徑尺寸入庫(kù)檢驗(yàn)時(shí)加大抽樣比例，嚴(yán)格控制內(nèi)徑尺寸在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)；

c)優(yōu)化翻邊專用工裝設(shè)計(jì)，進(jìn)一步提高連接器翻邊的生產(chǎn)效率和合格率。

接觸件的制造精度，鍍層質(zhì)量也是影響分離力的因素，在生產(chǎn)過(guò)程中必須嚴(yán)格控制接觸件零件加工質(zhì)量，從而進(jìn)一步提高連接器的分離力。