連接器中波紋簧的特性分析和選用指南

陳繼利，湯 振，江 浪，趙光甫

(中航光電科技股份有限公司，河南洛陽，471000)

1 引言

波紋簧是利用彎曲模具[1]或其它設(shè)備通過沖壓成形、拉伸成形[2]等方法將帶類材料加工而成、利用材料自身的彎曲變形發(fā)揮彈性作用、具有若干個波峰和波谷的一類零件。連接器中常用的波紋簧從形狀完整性上可分為閉口波紋簧、疊口波紋簧和開口波紋簧。閉口波紋簧的輪廓為一完整的封閉曲線，內(nèi)力的傳遞為連續(xù)的，如圖1所示。疊口波紋簧的輪廓為一完整的曲線，但是波紋簧的起始端與末端互相搭疊一定的距離，內(nèi)力的傳遞在搭疊處出現(xiàn)劇烈變化，如圖2所示。開口波紋簧的輪廓為一不封閉曲線，波紋簧的起始端與末端分開，內(nèi)力的傳遞在開口處出現(xiàn)斷裂，如圖3所示。

圖1 閉口波紋簧 圖2 疊口波紋簧圖 圖3 開口波紋簧

波紋簧具有空間利用率高、形狀簡單、彈性剛度范圍大等特點，在圓形連接器中經(jīng)常作為彈性零件使用，起到防松預(yù)緊的作用?，F(xiàn)以GJB599I系列插頭為例，介紹波紋簧的使用特點。插頭結(jié)構(gòu)如圖4所示，波紋簧安裝在插頭殼體和連接螺帽之間，用擋圈軸向定位連接螺帽后使波紋簧處于預(yù)壓縮狀態(tài)，連接螺帽在波紋簧預(yù)壓力的作用下保持相對位置固定。插頭插座插合后，波紋簧壓縮到位且一直處于彈性變形范圍內(nèi)，波紋簧提供的彈性力大于連接螺帽因自身質(zhì)量產(chǎn)生的慣性力，從而實現(xiàn)了連接螺帽的防松，因此波紋簧對連接器的可靠連接有著非常重要的影響，然而在工程應(yīng)用中由于波紋簧壓縮后恢復(fù)不到位引起的連接螺帽松動、連接扭矩超標等問題時有發(fā)生，給圓形連接器的正常使用埋下了質(zhì)量隱患。本文就連接器中常用的閉口、開口和疊口類型的波紋簧特點進行分析，給出連接器波紋簧的選用指南。

圖4 波紋簧在插頭中的應(yīng)用示意圖

2 加工方法對波紋簧力學(xué)性能的影響分析

閉口、開口和疊口類型的波紋簧在平面投影上都是內(nèi)外同心圓結(jié)構(gòu)，立體構(gòu)造上有若干個波峰和波谷組成，形狀如圖5。

圖5 波紋簧結(jié)構(gòu)參數(shù)

可以得到波紋簧的彈性剛度為[3]：

(1)

已知：

(2)

將公式(2)代入公式(1)，整理后得到：

(3)

其中，公式(3)中參數(shù)含義為：R為波紋簧平均半徑，m為波紋簧波數(shù)，δ為波紋簧的高度的一半，E為材料的彈性模量，b為波紋簧寬度，h為波紋簧的材料厚度。分析公式(3)可知，波數(shù)m、波紋簧平均半徑R和材料厚度h對波紋簧的彈性剛度影響較大。

閉口波紋簧為封閉結(jié)構(gòu)，材料厚度h是影響彈性剛度的主要因素。該類波紋簧一般采用帶材沖壓成形，而帶材的厚度公差較大且存在局部不均勻性，根據(jù)公式(3)可以知道，即使0.3±0.02厚的帶材也可造成彈性剛度產(chǎn)生1.49倍的差異，因此閉口波紋簧的彈性剛度個體差異大，批次穩(wěn)定性差，但由于閉口波紋簧結(jié)構(gòu)是封閉的，單個零件的彈性剛度在一定范圍內(nèi)呈良好的線性關(guān)系，見圖6。

圖6 閉口波紋簧的彈性剛度

開口波紋簧為不封閉結(jié)構(gòu)，波數(shù)m和材料厚度h是影響彈性剛度的主要因素。由于結(jié)構(gòu)不封閉，導(dǎo)致波數(shù)m不完整，有效波數(shù)隨缺口的變大而減小，這導(dǎo)致單個波紋簧的彈性剛度隨著壓縮量發(fā)生較大變化，彈性剛度呈現(xiàn)出的線性關(guān)系較差，如圖7所示。開口波紋簧的加工方法有兩種，一是帶材沖壓加工，另一種為線材壓扁繞制，這兩種加工方法對開口波紋簧彈性剛度的影響程度是不同的：當采用帶材沖壓加工時，其影響程度同閉口波紋簧；當采用線材壓扁繞制加工時，用專用設(shè)備將圓絲線料壓制成厚度偏差±0.01mm的帶材，這樣厚度h對彈性剛度的影響大大降低。但是由于線材壓扁繞制工藝復(fù)雜，成本高，開口波紋簧一般采用帶材沖壓加工，這樣就導(dǎo)致開口波紋簧的影響因素較多，質(zhì)量一致性較差。

圖7 閉口波紋簧的彈性剛度

疊口波紋簧的起始端與末端互相搭疊一定的距離，且只能采用線材壓扁繞制工藝，冷壓工序不僅大大提高了材料的彈性極限，而且材料厚度可控制在±0.01mm，降低了材料厚度h對彈性剛度的影響，這些都提高了疊口波紋簧的耐受性和一致性。在相同條件下疊口波紋簧的彈性剛度適中，且隨壓縮過程緩慢增大，基本成線性變化，如圖8所示，更為重要的是疊口波紋簧自身還可做成串、并聯(lián)結(jié)構(gòu)，使得該類波紋簧的用法更加靈活。

圖8 疊口波紋簧的彈性剛度

3 波紋簧的串并聯(lián)特性分析

閉口、開口和疊口波紋簧均能夠?qū)崿F(xiàn)串并聯(lián)結(jié)構(gòu)，但是它們實現(xiàn)的途徑是不同的。閉口和開口波紋簧在實現(xiàn)串聯(lián)時需要相鄰的波紋簧之間增加墊圈，這就要求連接器給出足夠的安裝空間，在實現(xiàn)并聯(lián)時需要波峰對波峰、波谷對波谷進行疊加。由于閉口和開口波紋簧彈性剛度的一致性較差，這就使得并聯(lián)和串聯(lián)后的波紋簧的彈性力變化范圍更大且檢測困難，在連接器中使用該類結(jié)構(gòu)時需要給出足夠大的安全系數(shù)，極易造成連接扭矩不穩(wěn)定等問題，影響操作手感。

疊口波紋簧的串聯(lián)結(jié)構(gòu)是指疊口波紋簧的層數(shù)大于1、且每層的波數(shù)為半波(例如：2.5、3.5、4.5……)，使得相鄰層之間的波峰與波谷對頂在一起，這樣的結(jié)構(gòu)使得波紋簧的彈性剛度表現(xiàn)出串聯(lián)特性，結(jié)構(gòu)如圖9所示。疊口波紋簧的并聯(lián)結(jié)構(gòu)是指波紋簧的層數(shù)大于1、且每層的波數(shù)為整數(shù)波(例如：2、3、4……)，使得相鄰層之間的波峰與波峰重疊在一起，這樣的結(jié)構(gòu)使得波紋簧的彈性剛度表現(xiàn)出并聯(lián)特性，結(jié)構(gòu)如圖10所示。疊口波紋簧的串并聯(lián)結(jié)構(gòu)使得波紋簧的設(shè)計和應(yīng)用變得非常靈活，在微型圓形連接器中得到大量應(yīng)用。

圖9 串聯(lián)波紋彈簧結(jié)構(gòu) 圖10 并聯(lián)波紋彈簧結(jié)構(gòu)

4 連接器中波紋簧的選用指南

無論連接器符合怎樣的標準，在實際使用中它們都是復(fù)合物理場的考核，例如在振動的情況下保證信號傳輸性能；在運輸?shù)倪^程中遇到淋雨天氣；在嚴寒酷暑中進行高強度作業(yè)等，電纜自重、灌膠處理以及尾夾類型都大大增加了插頭插座的質(zhì)量，作為插頭插座連接機構(gòu)中的波紋簧首當其沖，承受著嚴酷的振動、沖擊環(huán)境，除特殊情況外，連接器中的波紋簧都需要按照承受很大的力來考慮，因此防止波紋簧發(fā)生塑性變形是圓形連接器結(jié)構(gòu)設(shè)計和波紋簧類型選擇的基本要求。

相同條件下閉口波紋簧的彈性剛度最大，可壓縮量最小，很小的變形即可吸收大量的能量，單只波紋簧的彈性剛度的穩(wěn)定性好，但不同批次的波紋簧的彈性剛度一致性很差，主要因為該類波紋簧只能用帶材加工，而帶材厚度公差較大可造成彈性剛度很大的差異。因此該類波紋簧比較適合應(yīng)用在減振、防松、對力學(xué)性能一致性要求不高的場合，例如緊固螺母的防松等。

相同條件下疊口波紋簧的彈性剛度適中，且隨壓縮過程緩慢增大，可壓縮量較閉口波紋簧有所增加，疊口波紋簧只能采用線材壓扁繞制工藝，冷壓工序不僅大大提高了材料的彈性極限，而且材料厚度的精度可控制在±0.01mm，這些都提高了疊口波紋簧的耐受性和一致性，更為重要的是疊口波紋簧自身還可做成串、并聯(lián)結(jié)構(gòu)，使得該類波紋簧的用法更加靈活。該類波紋簧比較適合應(yīng)用在對壓縮量、力感和力學(xué)性能有一致性要求的場合，例如圓形插頭連接螺帽處和電磁分離連接器中的電磁鐵運動單元處等。

相同條件下開口波紋簧的彈性剛度最小，可壓縮量最大，如果采用線材壓扁繞制工藝，該類波紋簧的批次一致性也很好，但是由于缺口的存在使得波紋簧內(nèi)力的傳遞出現(xiàn)斷裂，導(dǎo)致該類波紋簧的彈性剛度隨著壓縮量發(fā)生很大變化，使得單個零件的彈性剛度穩(wěn)定性很差。該類波紋簧特別適合應(yīng)用在需要大范圍變形、對力學(xué)穩(wěn)定性要求不高的場合，例如各類零件的預(yù)定位、圓形連接器中的屏蔽接地等。

因此，在連接器的結(jié)構(gòu)設(shè)計中要根據(jù)實際情況選擇合適類型的波紋簧，不同類型波紋簧對比見表1。

表1 波紋簧性能對比表

閉口波紋簧疊口波紋簧開口波紋簧彈性壓縮量小適中大彈性剛度數(shù)值大小大適中小單件線性度優(yōu)良差批次穩(wěn)定性良優(yōu)差適用場合減振、防松對壓縮量、力感和力學(xué)性能有一致性要求預(yù)定位、屏蔽接地

5 總結(jié)

本文分析了閉口、開口、疊口波紋簧的結(jié)構(gòu)特點，并論述了彈性剛度與結(jié)構(gòu)、加工方法之間的影響關(guān)系，給出了連接器中波紋簧的選用指南，對于解決圓形連接器中波紋簧塑性變形引起的連接螺帽松動、扭矩超標問題具有一定的指導(dǎo)意義。