某D-Sub快鎖連接器的設計

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(上海航天科工電器研究院有限公司，200331)

1 前言

電連接器是一種電機系統，是現代電子整機及部件、無線電設備及儀器等諸多電子系統電信號回路的輸入輸出接口元件，廣泛應用于國內外航空航天、航海軍事、通訊設備、家用電器、能源交通以及計算機領域[1]。隨著社會生產力的發展和科學的進步，對連接器的功能要求越來越高。連接器按外形結構可分為圓形和矩形兩大類，某DSUB電連接器是一種J18系列小型矩形電連接器。因而，在設計過程中必須以《J8混裝(大電流)小型矩形連接器詳細規范》[2]為設計依據，首先保證滿足產品的各項機械和電氣性能，而后考慮降低生產成本達到降本增效的市場機制，進而創造更高的經濟效益和社會效益。

2 結構設計

2.1 主要技術指標

(1) 額定電壓：300V；

(2) 額定電流：50A；

(3) 絕緣電阻：≥5000MΩ；

(4) 耐電壓：≥1000Vr.m.s(50Hz)

(5) 環境溫度：-40℃∽+125℃；

(6) 鹽霧：72小時

(7) 壽命： >50次；

(8) 緊鎖力：>200N

2.2 結構組成

某D-Sub電連接器是由一組互配的插頭插座和線夾合件組成，如圖1所示。插座由鎖緊螺釘、六角螺母、彈性墊圈、平墊圈、六角ERS外殼、基座、大電流插孔、大電流插針、ESR+P外殼，鎖緊環、套筒和鉚裝螺母組成，其結構如圖2所示；插頭由外殼、ESP外殼、基座、鎖緊環、大電流插針和大電流插孔組成；線夾合件有上線夾、螺釘、銷釘、彈片(鎖緊件)、下線夾和護套等組成，上、下線夾為線夾合件的外殼。插頭和線夾合件結構如圖3所示。其中插座的大電流插針和大電流插孔分別是紫銅和青銅材料，基座材料是PPS，鎖緊螺釘、六角螺母、彈性墊圈、平墊圈都是由不銹鋼組成；插頭的外殼材料是黃銅，基座材料是PPS，大電流插針和大電流插孔分別是紫銅和青銅材料，鎖緊環的材料是青銅；線夾合件中護套由絕緣材料組成，螺釘、銷釘和鎖緊件的材料都是不銹鋼，上下線夾由壓鑄鋅組成。插頭插座采用直插式，和線夾合件配好后鎖緊。

圖1 DSUB快鎖連接器圖2 插座結構圖3 插頭和線夾合件

3 材料的選擇

為提高某DSUB電連接器的可靠性，材料的選用至關重要。插針插孔以及彈片的選材尤其重要。

3.1 接觸件的選材

插針插孔是某DSUB電連接器的接觸件，接觸件的選材需保證插合時接觸可靠[3]，防止塑性變形和應力松弛 ,應選用具有較高彈性極限與疲勞極限以及適當彈性模量的材料[4]。現對一些常用的接觸件材料進行分析：

(1)黃銅──黃銅導電性能非常良好，但經多次重復彎曲后容易迅速疲勞和變形。

(2)磷青銅──磷青銅的硬度高于黃銅，能保持較長期的彈性。它常作為工作溫度低于300℃的接觸件的材料。

(3)鈹青銅──鈹青銅的機械性能遠較黃銅或磷青銅更佳，具有高強度、高抗應力疲勞等特性，在插拔頻繁和要求高可靠的應用場合，多用鈹青銅材料[5]。

(4)錫青銅──錫青銅中合金中的錫含量一般≤10%,并含有少量的磷、鎳、鋅、鉛等元素,具有良好的力學性能,高的耐磨性, 耐蝕性和鑄造性能等。

(5)紫銅──紫銅的密度為8.79g/cm3,熔點是1083℃,具有面心立方結構,導電性能非常優良,且隨純度增高,其電阻下降,導熱性好,塑性高,強度和硬度低。在許多常見介質中純銅均具有優良的耐蝕性。

某DSUB電連接器的大電流插針和大電流插孔分別選用的是紫銅和錫青銅，在使用中發現，未產生接觸失效，能保證產品的可靠性。

3.2 彈片的選材

假設把端子近似為懸壁梁，那么有關端子正常作用力和梁設計參數之間的關系可表示為：

F=(D/4)*E*[W*(T/L)3]

(1)

式中，D：梁位移量

E：材料的彈性系數

W：端子起拱處寬度

T：端子起拱處厚度

L：端子起拱處長度

電連接器配合時接觸彈片的接觸正壓力是由金屬材料的伸縮系數和強度決定的。通過變曲，可提高接觸壓力的有效性壓力。從以上假設可得出彈性臂端子得到的正壓力(Fn)的關系為：

Fn=αmodulus×deflection×αstress

(2)

W、T、L等幾何上因素使該等式最終成立。彎曲伸縮系數可遵循胡克定理，所加的彎曲壓力不能超過比例限度。該比例限度隨著其它屈服強度的增加而增加。因此，材料幾何因素固定的情況下，強度越高，接觸壓力越大。當施加壓力超過彈性極限會導致塑性變形。 最終結果是如果彈性移動僅僅通過伸縮應力產生則接觸壓力小于將要達到的(最大接觸壓力)[6]。

某D-Sub電連接器的特點是快鎖結構，彈片的作用也至關重要，選材不當會引起解鎖時彈片產生變形，此次彈片選用的材料是301奧氏體不銹鋼，其密度為7.93 g/cm3，δb≥520 MPa，δ0.2≥205 MPa，δ≥40%，ψ≥60%。由4.1.2的仿真結果可以看出，此材料能夠滿足產品的環境性能和機械性能要求。

4 仿真分析

運用ANSYS Workbench對某DSUB電連接器進行仿真分析是了解此電連接器運作狀況的一種重要方法。現對某DSUB電連接器的彈片、外殼的工作情況進行仿真分析。主要從以下幾方面進行分析：1、分析插頭插座對接后的鎖緊力，要求鎖緊力大于200N；2、分析解鎖時彈片是否會變形；3、插頭在多大的外力下會左右晃動。

4.1 保持分析

4.1.1 邊界條件設置

邊界條件設定如圖4，圖中B表示固定軸底面，A表示給彈片和插針的接觸面加水平位移模擬拉出過程。

圖4 邊界條件設定

4.1.2 仿真結果查看

得出單片100N拉力時整體應力變形分布如圖5，彈片上應力最大，除去擠壓區域，最大應力為700MPa左右，整體無塑性變形。

圖5 整體應力分布圖

圖6 外殼應力分布圖

得出單片100N拉力時外殼應力變形分布如圖6，口部最大應力80MPa左右，小于材料抗拉強度210MPa，強度滿足要求。

4.2 解鎖分析

4.2.1 邊界條件設置

邊界條件設定如圖7，圖中A表示固定外殼和插針底面，B表示給彈片加載位移載荷模擬解鎖過程。

圖7 邊界條件設定

4.2.2 仿真結果查看

解鎖時應力分布如圖8，彈片最大應力接近900MPa，會有少量塑性變形。

圖8 應力分布圖

圖9 塑性變形分布圖

塑性變形分布如圖9，彈片根部有0.1%左右塑性變形，塑性變形很小。

4.3 插頭晃動分析

4.3.1 邊界條件設置

邊界條件設定如圖10，圖中A表示固定插針底面，B表示給外殼端面加載位移載荷模擬晃動過程。

圖10 邊界條件設定

4.3.2 仿真結果查看

晃動力曲線如圖11，該位移對應的力為25N。

圖11 晃動力曲線

整體位移分布如圖12，25N作用力時端部位移量達到2mm。插針應力分布如圖13，最大應力180MPa左右。

圖12 整體位移分布圖

圖13 插針應力分布圖

插針變形量分布如圖14，最大變形量0.1%左右。外殼應力分布如圖15，最大應力70MPa左右。外殼變形量分布如圖16，最大變形量0.05%左右。

圖14 插針變形量分布圖

圖15 外殼應力分布圖

圖16 外殼變形量分布圖

5 結論

本文介紹了某DSUB快鎖電連接器的結構設計和選材分析。運用ANSYS Workbench對快鎖線夾合件的彈片、外殼的工作情況進行仿真分析。結果表明單片100N拉力時外殼口部最大應力80MPa左右，小于材料抗拉強度210MPa，強度能達到使用要求；解鎖時彈片最大應力接近900MPa，會有少量塑性變形；插針最大變形量0.1%左右；外殼的最大應力70MPa左右，最大變形量0.05%左右。

參考文獻：

[1] 范建平，許彬彬，胥進道，王得超. 電連接器接觸件的分離力仿真與優化設計[J]. 機電元件, 2010年第4期.

[2] 《J8混裝(大電流)小型矩形連接器詳細規范》.

[3] 韓繼先 于慧敏.電連接器材料的質量控制[J]. 機電元件, 2010年第5期.

[4] 楊奮為.航天電連接器材料的選用與質量控制[J]．質量與可靠性，2002，(1):22 -27．

[5] 許丙軍.銅合金帶材在電連接器上的應用和國內現狀[J]. 世界有色金屬，2016年9月下.

[6] 《電連接器手冊》.