一種SMA型螺紋自鎖連接器設(shè)計(jì)

王超群，符江鵬，李曉磊，張 滋

(鄭州航天電子技術(shù)有限公司，河南鄭州，450001)

1 引言

螺紋連接器作為系統(tǒng)中必不可少的元器件之一，射頻同軸連接器中N、TNC、SMA、SSMA等型號(hào)均采用螺紋連接機(jī)構(gòu)，大量廣泛地應(yīng)用于系統(tǒng)中。系統(tǒng)中安裝的螺紋連接器由于振動(dòng)等因素的存在，螺紋連接會(huì)發(fā)生松動(dòng)，造成連接螺母松脫，導(dǎo)致傳輸信號(hào)中斷，嚴(yán)重影響系統(tǒng)的可靠性[1]，所以，螺紋連接防松脫問(wèn)題亟待解決。

針對(duì)螺紋連接器防松脫問(wèn)題，傳統(tǒng)的解決辦法依靠螺紋的預(yù)緊力及在連接螺母上打保險(xiǎn)絲孔的方法。該方法主要存在以下幾個(gè)問(wèn)題：(1)在插頭的連接螺母和插座的安裝板上面加工保險(xiǎn)絲孔工藝難度大，不利于提高生產(chǎn)效率；(2)保險(xiǎn)絲在固定和拆卸過(guò)程中，工序繁瑣，操作難度大，花費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)；(3)安裝和拆卸需要專門(mén)的工具。

對(duì)于上述問(wèn)題，本文以SMA螺紋連接器為例，進(jìn)行了螺紋自鎖連接器的產(chǎn)品設(shè)計(jì)，通過(guò)在插頭和插座設(shè)計(jì)一種螺紋自鎖機(jī)構(gòu)，達(dá)到螺紋鎖緊并防松脫的目的，并通過(guò)試驗(yàn)和用戶應(yīng)用驗(yàn)證，該自鎖產(chǎn)品性能指標(biāo)優(yōu)良，并且安裝便捷，可廣泛擴(kuò)展應(yīng)用于螺紋連接機(jī)構(gòu)的連接器，具有很好的推廣價(jià)值。

2 螺紋自鎖產(chǎn)品設(shè)計(jì)

2.1 螺紋自鎖設(shè)計(jì)原理

螺紋自鎖設(shè)計(jì)原理如圖1所示。插座1和牙套2安裝固定在法蘭盤(pán)上，齒套3和驅(qū)動(dòng)彈簧5安裝在插頭殼體4上，當(dāng)插頭和插座插合完成后，在驅(qū)動(dòng)彈簧彈5的作用下，齒套與牙套相互嚙合，達(dá)到螺紋自鎖的目的。

圖1 螺紋自鎖設(shè)計(jì)原理圖

如圖1所示，該螺紋自鎖產(chǎn)品將自鎖機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)為附件的形式安裝在插頭殼體和插座的法蘭結(jié)構(gòu)上，不改變?cè)a(chǎn)品的安裝開(kāi)孔尺寸，可以和原產(chǎn)品互插互換，用戶需要自鎖功能的時(shí)候，安裝上自鎖附件即可，便于用戶靈活選擇。

2.2 螺紋自鎖具體過(guò)程

螺紋自鎖具體過(guò)程如圖2所示。圖2(a)所示，螺紋自鎖插頭、插座分離狀態(tài)，在這種狀態(tài)：插頭齒套位于位置1，插座牙套用螺釘安裝在插座殼體法蘭盤(pán)上；圖2(b)所示，螺紋自鎖插頭、插座插合到位，螺紋未鎖死，在這種狀態(tài)：僅旋合螺母，使插頭和插座完成插合，插頭和插座插合過(guò)程中，插頭齒套保持處于位置1；圖2(c)所示，插頭、插座插合到位，螺紋鎖死狀態(tài)，在這種狀態(tài)：插頭齒套位于位置2，插頭齒套和插座牙套相互嚙合，螺紋達(dá)到自鎖目的。

(a)插頭、插座未插合狀態(tài)

3 設(shè)計(jì)關(guān)鍵要點(diǎn)

3.1 自鎖行程確定

在自鎖插頭和自鎖插座連接過(guò)程中，連接螺母旋合到位，合理設(shè)計(jì)自鎖機(jī)構(gòu)的自鎖行程，達(dá)到自鎖目的，同時(shí)確保自鎖機(jī)構(gòu)與插座端面不發(fā)生干涉。

圖3 自鎖機(jī)構(gòu)行程

由于齒套安裝在連接螺母上面，連接螺母旋合緊固后，為避免齒套與插座上面的牙套發(fā)生干涉，齒套端面與相應(yīng)的牙套之間保證一定的間隙距離。又，齒套和牙套存在齒深，當(dāng)齒套和牙套完全嚙合時(shí)，需要預(yù)留齒深的距離。同時(shí)，滿足自鎖行程的前提下，保證自鎖結(jié)構(gòu)尺寸盡可能的小，與原產(chǎn)品外形保持一致，設(shè)計(jì)出最短、最合理的自鎖行程。

3.2 連接螺母結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

自鎖連接器自鎖功能發(fā)生在連接螺母旋合完成之后，解鎖功能發(fā)生在連接螺母旋開(kāi)之前，自鎖機(jī)構(gòu)與連接螺母的結(jié)構(gòu)息息相關(guān)，自鎖產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中，通過(guò)對(duì)連接螺母結(jié)構(gòu)和自鎖結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，使兩者相互配合，確保自鎖功能實(shí)現(xiàn)，同時(shí)保證自鎖產(chǎn)品的外形尺寸最小，結(jié)構(gòu)最精煉，可以和原產(chǎn)品互換。

3.3 齒套和牙套設(shè)計(jì)

自鎖機(jī)構(gòu)通過(guò)齒套和牙套的相互嚙合，達(dá)到螺紋自鎖目的，齒套和牙套最大外徑的確定、齒型的確定、齒數(shù)的計(jì)算，相互嚙合過(guò)程間隙余量的控制，確保連接螺母旋合后，可以做到100%自鎖。齒型設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 齒型設(shè)計(jì)圖

3.4 齒數(shù)設(shè)計(jì)

齒數(shù)的設(shè)計(jì)與齒套外徑尺寸有關(guān)。理論上：齒數(shù)越多，自鎖越自如，但由于連接器尺寸的限制和加工工藝水平的限制，齒數(shù)不可能無(wú)限多。實(shí)際情況是：在滿足要求的情況下，齒數(shù)的設(shè)計(jì)盡可能的少。這里分別以36個(gè)齒、45個(gè)齒和60個(gè)齒計(jì)算進(jìn)行說(shuō)明。

直徑Φ7.5的外圓，均布36個(gè)齒，齒間距(弧長(zhǎng))：7.4*3.14/36=0.654mm；

均布45個(gè)齒，齒間距(弧長(zhǎng))：7.4*3.14/45=0.523mm；

均布60個(gè)齒，齒間距(弧長(zhǎng))：7.4*3.14/60=0.392mm；

又，1/4-36UNS-2B螺紋[2]: 大徑D=1/4inch=1/4×25.4=6.35mm；

螺距P=inch/36=25.4/36=0.7056mm；

0.65mm弧長(zhǎng)(角度10°)對(duì)應(yīng)軸向尺寸：P/360*10=0.7056/360*10=0.02mm；

0.52mm弧長(zhǎng)(角度8°)對(duì)應(yīng)軸向尺寸：P/360*8=0.7056/360*10=0.0157mm；

0.39mm弧長(zhǎng)(角度6°)對(duì)應(yīng)軸向尺寸：P/360*6=0.7056/360*10=0.012mm；

經(jīng)過(guò)上面的分析和計(jì)算，可知：

1)36個(gè)齒、45個(gè)齒和60個(gè)齒數(shù)下，極限情況下對(duì)應(yīng)的齒間距分別為0.654mm、0.523mm、0.392mm。即，60個(gè)齒的情況下齒間距最密，嚙合更自如，但齒型更小，剛度最弱；36個(gè)齒的情況下齒間距最稀疏，嚙合自如性較差，但齒型較大，剛度最強(qiáng)。

2)36個(gè)齒、45個(gè)齒和60個(gè)齒數(shù)下，極限情況下對(duì)應(yīng)的軸向尺寸分別為0.02mm、0.157mm、0.012mm。即，60個(gè)齒的情況下，軸向極限間隙最小；36個(gè)齒的情況下，軸向極限間隙稍大。

3.5 齒套的固定方式

齒套安裝在連接螺母上面，具備一定的徑向旋轉(zhuǎn)和軸向移動(dòng)運(yùn)動(dòng)范圍，而SMA連接器連接螺母尺寸小，六方螺母最大外圓Φ9.3，齒套在連接螺母上面如何固定、安裝配合及實(shí)現(xiàn)在一定范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)是自鎖機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要難點(diǎn)之一。

3.6 操作過(guò)程人性化設(shè)計(jì)

自鎖產(chǎn)品與正常產(chǎn)品相比較而言，在正常產(chǎn)品螺母旋合的基礎(chǔ)上，增加了螺母的鎖緊和解鎖功能，所以，更合理、更人性化的結(jié)構(gòu)和操作設(shè)計(jì)是自鎖產(chǎn)品的一個(gè)設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

如圖5所示，當(dāng)插頭的銷子處于位置1的狀態(tài)下，插頭和插座正常旋合到位，注意旋合過(guò)程擰螺母部位。當(dāng)插頭和插座正常旋合到位(力矩扳手?jǐn)Q緊力矩0.79-1.13Nom)，旋轉(zhuǎn)制動(dòng)套，將銷子處于位置2，完成插頭和插座的自鎖。解鎖過(guò)程反之亦然。

圖5 螺母旋合擰緊及自鎖過(guò)程圖

該自鎖產(chǎn)品螺母旋合和自鎖機(jī)構(gòu)旋合方向一致，施加力和受力的方向保持一致，螺母殼體設(shè)計(jì)有滾花和銑扁，自鎖機(jī)構(gòu)殼體設(shè)計(jì)有小凸臺(tái)和滾花，便于操作，并且在操作過(guò)程中，自鎖和解鎖過(guò)程更人性化。

4 SMA螺紋自鎖產(chǎn)品

4.1 自鎖連接器及電纜組件

圖6所示為設(shè)計(jì)研制生產(chǎn)的SMA型螺紋自鎖連接器實(shí)物圖。圖6(a)為連接器未鎖緊狀態(tài)，圖6(b)為連接器鎖緊狀態(tài)。圖7為該螺紋自鎖產(chǎn)品裝配的電纜組件產(chǎn)品，已供用戶使用，性能指標(biāo)良好，自鎖結(jié)構(gòu)可靠，通過(guò)用戶的應(yīng)用驗(yàn)證。

(a) 未鎖緊狀態(tài) (b) 鎖緊狀態(tài) 圖6 連接器螺紋自鎖狀態(tài)

圖7 SMA螺紋自鎖連接器電纜組件

4.2 駐波和插損指標(biāo)

該SMA系列螺紋自鎖產(chǎn)品，技術(shù)指標(biāo)完全滿足《GJB681A-2002 射頻同軸連接器總規(guī)范》相關(guān)規(guī)定要求[3]。在18GHz范圍內(nèi)，自鎖產(chǎn)品電壓駐波比和插損指標(biāo)如圖8所示，電壓駐波比<1.1，損耗0.567dB。

圖8 自鎖產(chǎn)品電壓駐波比和插損指標(biāo)

4.3 互換性

隨機(jī)將提交批品種規(guī)格相同的插頭(座)與任意插座(頭)插合對(duì)接，自鎖齒牙可以相互嚙合，相同規(guī)格的連接器應(yīng)能完全互換，自鎖齒牙可以互相嚙合。

4.4 自鎖機(jī)構(gòu)工作力

用測(cè)力計(jì)(或等效測(cè)力儀器)測(cè)算自鎖機(jī)構(gòu)行程范圍內(nèi)彈力大小，實(shí)物產(chǎn)品測(cè)試結(jié)果如圖9(a)自鎖機(jī)構(gòu)行程范圍內(nèi)往返自鎖彈力測(cè)繪圖、

圖9(b)自鎖機(jī)構(gòu)行程范圍內(nèi)單程自鎖彈力測(cè)繪圖。

(a)往返自鎖彈力測(cè)繪圖 (b)單程自鎖彈力測(cè)繪圖圖9 行程范圍內(nèi)自鎖彈力測(cè)繪圖

4.5 自鎖機(jī)構(gòu)拉脫力

自鎖連接器尾部固定，沿連接器軸向方向以30N的力作用于自鎖機(jī)構(gòu)，保持該力30s，自鎖機(jī)構(gòu)不脫離殼體。如圖10(a)自鎖產(chǎn)品自鎖機(jī)構(gòu)拉脫力試驗(yàn)方法，如圖10(b)自鎖產(chǎn)品自鎖機(jī)構(gòu)拉脫試驗(yàn)。

(a) 自鎖機(jī)構(gòu)拉脫力試驗(yàn) (b) 拉脫力試驗(yàn)圖10 拉脫力試驗(yàn)

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)SMA型螺紋連接器由于振動(dòng)等因素導(dǎo)致螺紋連接發(fā)生松動(dòng)問(wèn)題，設(shè)計(jì)一種SMA型螺紋自鎖連接器。該螺紋自鎖產(chǎn)品的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)：1)確保螺紋100%自鎖；2)安裝開(kāi)孔尺寸和原開(kāi)孔尺寸一致，即不改變?cè)a(chǎn)品開(kāi)孔尺寸；3)外形尺寸與原產(chǎn)品尺寸相比，接近一致；4)操作便捷，人性化操作；5)加工成本低；6)性能指標(biāo)優(yōu)良。

該產(chǎn)品已通過(guò)試驗(yàn)和用戶應(yīng)用驗(yàn)證，操作便捷，可以作為一種有效的螺紋放松措施在螺紋連接機(jī)構(gòu)中廣泛推廣應(yīng)用。目前，我單位已將該自鎖機(jī)構(gòu)成功推廣應(yīng)用于N、TNC、SSMA等螺紋連接射頻連接器中，可以有效的解決螺紋松動(dòng)問(wèn)題，該自鎖產(chǎn)品具有很好的推廣價(jià)值。