一種自短路保護連接器的結構設計

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(國營第一一七廠，沈陽，110144)

1 引言

隨著國家工業化發展進程大踏步的前進，工業4.0制造時代的來臨，智能化設備的大量應用，設備中均大量采用智能芯片進行工控，而大量芯片使用的同時，設備間的電器連接也提出了避免連接過程中因為誤操作或靜電等對設備內芯片的保護要求，自短路連接器也應運而生。

本自短路保護連接器結構是一種新型使用方式的連接器結構，其具有連接器自短路保護功能，連接器在未進行對接的情況下，具有保護功能的插孔接觸件處于短路狀態，可以防止外部靜電、游離電子對敏感設備的損傷，對接后相應短路鏈路斷開，形成獨立連通的電路，傳輸相應的電信號。該自短路保護連接器機構其具有體積小、重量輕、精度高、結構簡單實用等特點。

現在，市面上的自短路連接器主要可以分為單芯自短路連接器和多芯自短路連接器，單芯自短路連接器結構相對比較簡單，主要是單個接觸件與殼體之間實現短路即可，而多芯自短路連接器的結構相對比較復雜，即要求接觸件間能夠短路，還要求所有接觸件與殼體件進行短路設計，以上兩種是現在市面上常見的自短路連接器，而本文介紹的一種自短路保護連接器結構是有區別于上述兩種情況，該結構是介于兩者之間的一種混裝自短路連接器，即部分電信號間需要進行短路處理，其余接觸件不需要，本結構通過對相關技術指標的要求剖析，著重針對自短路連接器結構設計過程及設計要點進行了詳細分析，為自短路連接器結構設計提供參考。

2 自短路連接器的研制

2.1 自短路連接器研制要求

該自短路連接器是結合國內某型號武器系統的使用要求進行設計的，同時針對以往自短路連接器結構、材料、功能等進行分析、消化，再認真分析本次要求進行結構改進。產品研制要求：該連接器為202芯，工作電壓：115/220V，接觸電阻：≤10mΩ，介質耐壓：2500V，絕緣電阻：≥1000MΩ,觸點電流：2A，長期使用溫度：≤90℃，其中要求86～117點共32芯兩兩短路，但不要求接地，其余為正常點接觸件。

2.2 自短路結構設計

通過對該自短路連接器的使用環境、技術要求等進行分析研究，對自短路連接器的使用原理、功能特性等進行消化，確定該自短路連接器的結構由插座殼體、孔前絕緣體、孔后絕緣體、鎖緊螺母、插孔組件、接地插孔、彈簧、觸頭組成。插座殼體與孔前絕緣體、孔后絕緣體間采用尾部螺紋與鎖緊螺母連接結構，插孔組件、接地插孔放在孔前絕緣體與孔后絕緣體間，通過孔前絕緣體與插孔后絕緣體的相應定位臺來固定，具體結構如下圖所示。

圖1 一種自短路保護連接器結構

未對接的情況下接地插孔通過特殊的接地結構與觸頭接觸形成短路，觸頭通過壓縮尾部彈簧獲得彈力，靜止在孔后絕緣體的觸頭腔體內，當連接器對接時，對接端的斷路固定插針先于通電插針與相應的觸頭接觸，斷路固定插針將觸頭向后推動，同時將短路的對應端短接插孔斷開，繼續對接后，通電插針與相應的短接插孔連通，形成導電鏈路，完成信號傳輸，具體結構件圖2。

圖2 自短路結構

由于該連接器要求中間接觸件兩兩短接，同時不要求接地，故在設計時將連接器插孔絕緣體采用分腔獨立腔體設計，避免與其余接觸件間耐壓擊穿現象，同時在兩個接觸件腔體間設計斷路固定插針對接孔腔，當連接器對接過程中，斷路固定插針先于電信號插針進入孔前絕緣體內推動觸頭后退，具體結構見圖3。

圖3 短接絕緣體孔腔設計

接地插孔采用，帶角度接地設計，該結構配合球面觸頭構成短路結構，帶角度結構有利于球面觸頭與之接觸導通，形成短路結構，圓盤采用防轉結構，可與插孔前絕緣體內獨立孔腔配合實現防轉功能，保證短路插孔的良好接觸。具體見圖4。

圖4 插孔結構設計

與短路插孔配合形成短路結構的為球面觸頭，該觸頭前端為球面結構，與兩個短路插孔的帶角度斜面通過尾部彈簧的壓力進行短接，形成回路結構，實現兩個短路插孔的短接功能，具體結構見圖5。

圖4 插孔結構設計

2.3 自短路連接器的工藝與材料

2.3.1 材料的優選

由于信號在傳輸過程中，銅無論是在電阻率、導電率、電阻溫度系數等性能指標均比較優越，為保證設計的可靠性，本自短路連接器的所有接觸件均采用銅材質進行加工，殼體采用航空鋁材6061，絕緣體采用耐高溫環氧模塑料MT，彈簧采用碳素彈簧鋼絲70。

2.3.2 加工工藝

插座殼體、鎖緊螺母采用機械加工工藝進行生產加工，材料選用鋁合金棒6061 GB/T 3191-2010。

插孔前絕緣體、插孔后絕緣體采用機械加工工藝進行生產加工，材料選用耐高溫環氧模塑料MT Q/320200 NA032-2010。

接觸件、短接插孔、球面觸頭采用機械加工工藝進行生產加工，材料選用錫青銅線 QSn6.5-0.1 GB/T 21652-2008。

彈簧采用機械繞制，材料選用碳素彈簧鋼絲70 GB/T 4357-2009。

2.4 介質耐壓耐電壓、絕緣電阻、接觸電阻的計算

2.4.1 介質耐壓計算

該產品要求正常條件下耐電壓2500V，現對產品的介質耐壓進行設計計算以驗證能否此項技術指標，計算內容如下：

為防止絕緣介質擊穿，主要根據所選材料的特性，從設計上保證接觸件間有足夠的絕緣介質厚度，通過設計圖樣可知孔位間距最小處為0.55mm，即L最小=0.55mm，如圖6所示：

圖6 絕緣體最小間隙尺寸

介質耐壓公式如下：

Ue=L×E；

式中：L -介質厚度 ；

Ue -耐電壓值；

E -絕緣介質介電強度；

絕緣體材料選用耐高溫環氧模塑料MT，其介電強度為E=15KV/mm,用戶要求耐電壓Ue=1000V。

故L= Ue/E=2500/15000 =0.166 mm

根據產品的結構與加工工藝的需要，產品絕緣介質厚度實際為：

L最小=0.55mm>L=0.166mm，能夠滿足介質耐壓要求

2.4.2 絕緣電阻計算

絕緣電阻通常由兩部分組成，即表面絕緣電阻、體積絕緣電阻兩部分，本文中可以根據絕緣體內網格劃分，設定其最小距離，最小面積內的最小絕緣電阻，從而計算最小的絕緣電阻。具體如圖7。體積絕緣電阻：

R=ρ×L/S

R:體積絕緣電阻；

ρ：體積電阻率；

L:絕緣體高度

S：絕緣體截面積

如下圖所示，絕緣體端面可以劃分為

圖7 表面網格劃分

兩種形狀的網格，單位為mm

產品體積電阻率ρ=1×1013Ω·cm

=1×106MΩ·mm,

絕緣體高度為13.6mm

通過上述公式可以計算出體積絕緣電阻R1,R2,分別計算兩個網格的絕緣電阻。其中：R1=ρ×L/S=1×106MΩ·mm×13.6mm/(1.4mm×7.4mm)=1.313×106MΩ≥2000MΩ

R2=ρ×L/S=1×106MΩ·mm×13.6mm/(2.4mm×3.5mm)= 1.619×106MΩ≥2000MΩ

表面絕緣電阻

R=Rs×K ， 其中K=L/W，則R=Rs ×L/W

R:表面積絕緣電阻；

Rs：表面電阻率；

K:形狀系數

L:長度

W:寬度

依據圖7的網格劃分，可以分別計算兩種形狀的網格表面絕緣電阻，即R1、R2。

表面電阻率Rs=1×1014Ω·cm=1×107MΩ·mm

其中：R1= Rs ×L/W =1×107MΩ·mm×7.4mm/1.4mm=5.285×107MΩ≥2000MΩ

R2= Rs ×L/W =1×107MΩ·mm×3.5mm/2.4mm=1.458×106MΩ≥2000MΩ

通過上述計算可以分別得表面絕緣電阻、體積絕緣電阻，其值完全能夠滿足使用要求。

2.4.3 接觸電阻的計算

電接觸形式可分為點接觸、線接觸、面接觸三種，本文中觸頭與插孔的接觸屬于點接觸的形式，詳見圖8。故用常用的接觸電阻公式進行計算。

圖8 觸頭與插孔點接觸形式

接觸電阻公式：Rj=Kj/(0.102F)m

式中Rj:接觸電阻；

Kj：接觸件材料表面參數；

m：接觸壓力參數；

由于該觸頭與插孔均采用銅質材料，

通過相關技術查找得：Kj=0.08～0.14，

取最大0.14。

F=5N

m=0.5

通過計算得出Rj=Kj/(0.102F)m=0.14/(0.102×5)0.5=0.196mm≤10mΩ

通過上述計算可以確認接觸電阻完全能夠滿足使用要求。

3 結論

通過對以上自短路連接器的結構設計、材料選擇、介質耐壓、絕緣電阻、接觸電阻計算等，可以驗證該自短路連接器的結構設計符合預期使用要求，具有合理性，該自短路連接器已經投產并經過試驗提供用戶使用。通過本次成功的結構設計、設計計算、材料選擇等，完成了該自短路連接器的設計，為以后自短路連接器的設計提供參考。