連接器方形彈性插孔的設計與分析

葉 宇，王慶霞

(貴州航天電器股份有限公司，貴州貴陽，550009)

1 引言

軍用電連接器擔負著控制系統的電能傳輸和信號控制與傳遞，它的結構可靠性和質量優劣直接關系到整個系統工程成敗，接觸可靠是保證軍用電連接器正常工作的關鍵，任何電連接器盡管復雜程度不一，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電部分，電子設備的電纜與電纜、電纜與設備之間的電路連接，實現低頻信號、高頻信號及電能(功率)的傳輸插針插孔的電連接是靠插針/插孔的彈性接觸來實現的，插針/插孔的結構形式決定了接觸的可靠性，接觸件在電連接器中起著電信號傳輸的“接力棒”或“橋梁”作用，任何一個接觸件的失效都會影響整個連接器功能的失效，都會帶來型號、產品失效的嚴重后果，因此必須保證在復雜的軍事環境和軍用場合中萬無一失地可靠工作。故接觸件必須具備優良的結構、穩定可靠的接觸保持力和良好的導電性能，由于接觸件的結構設計、材料選用、機械加工、熱處理及表面處理工藝不合理都會造成連接器的接觸失效。

2 彈性插孔結構設計

2.1 插孔的結構設計

插孔由0.2mm厚的銅合金銅帶經落料、彎曲、整形和沖齒后形成具有2對平行彈性臂的方形零件，見圖1所示。

圖1 插孔外形結構圖

插孔靠翻邊后與基座固定，彈性臂兩端固定，中間內弓，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(見圖2)彈性臂外弓對插針形成正壓力，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以性能要求為依據，從彈性極限、彈性模量、強度、延伸率、疲勞強度、成型性、導電性、耐腐蝕性、耐熱性、表面質量、尺寸偏差和可焊性等方面進行綜合考慮，為防止插針插拔時彎曲損傷，插針應選用具有較高機械強度的材料，為保證插孔插合時接觸可靠，防止塑性變形和應力松弛，插孔應選用具有較高彈性極限與疲勞極限和適當彈性模量材料，本設計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度。

2.3 插孔的理論計算

這種插孔的參數計算主要需確定接觸的彈性臂長度、寬度和外圓尺寸。其力學模型如圖3所示。

圖3 插孔力學模型示意圖

插孔的主要計算公式如下：

支梁的最大撓度公式為：

集中力P作用于彈性臂中點時，最大彎矩為：

最大彎曲應力為：

對寬度為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 。

公式的變換過程為：

又

推出

又

將P的表達式帶入，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，μ——摩擦系數，金與金之間μ=0.2。

當插孔的彈性臂寬度為b=0.4mm、彈性臂根數n=4時，根據計算，彈性臂長為5mm時，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，可保證連接器在使用過程中不發生分離力失效。

3 插孔分離力仿真

3.1 ADINA仿真軟件介紹

ADINA的最早版本出現于1975，在K.J.Bathe博士的帶領下，由其研究小組共同開發出ADINA有限元分析軟件。ADINA的含義是Automatic Dynamic Incremental Nonlinear Analysis的首字母縮寫，為動力非線性有限元分析，這表達了軟件開發者的基本目標，即ADINA除了求解線性問題外，還要具備分析非線性問題的強大功能，包括求解結構以及涉及結構場之外的多場耦合問題。增量法是數值求解非線性物理問題本質的方法，對非線性物理問題，計算解逼近真實解的過程是通過控制增量步逐步實現的，所謂增量通常是載荷增量或時間增量。

ADINA在計算理論和求解問題的廣泛性方面處于全球領先的地位，尤其針對結構非線性、流/固耦合等復雜問題的求解具有強大優勢，被業內人士認為是非線性有限元發展方向的先導。經過近20年的商業化開發，ADINA已經成為全球最重要的非線性求解軟件，被廣泛應用于各個工業領域的工程仿真計算，包括土木建筑、交通運輸、石油化工、機械制造、航空航天、汽車、國防軍工、船舶、以及科學研究等各個領域[5]。

3.2 數學模型

數學模型是由有限個幾何單元組成， 用分析求解算法對單元進行獨立的分析，并根據相鄰單元的約束條件，得到整個幾何模型可能發生的結果，本文采取圓形插針和方形插針進行對比分析，模型簡化處理如圖4：

a) 圓形插針簡化模型 b)方形插針簡化模型

3.3 圓形插針接觸件分離力仿真分析

3.3.1 前處理相關設置

按照產品裝配實際情況設置邊界條件為：插孔下底面限制Y向位移，插孔上段壁面只Y向移動。

載荷加載設置：在插針上表面施加位移載荷3mm；

材料設置：硬態QSn6.5-0.1，楊氏模量為1.2e11 Pa；

運用adina仿真分析，摩擦系數設為0.2。

3.3.2 后處理結果查看

圓形插針插拔力曲線圖如圖5，分離力約為0.25N。

圖5 標準針插拔力曲線圖

圓形插針插拔力應力云圖如圖6，最大應力發生在插孔上為300MPa，小于硬態QSn6.5-0.1的屈服強度。

圖6 圓形插針插拔力應力云圖

仿真分析的分離力符合設計要求的分離力(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

方形插針插拔力應力云圖如圖8，最大應力發生在插孔上約為400MPa，小于硬態QSn6.5-0.1的屈服強度。

圖8 方形插針插拔力應力云圖

3.5 結果分析

在實際產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的分離力符合設計要求(0.19N～0.6N)，其最大應力也小于材料的拉伸極限600MPa，分離力和應力均符合要求。

3.6 影響插孔分離力因素

根據以上仿真結果分析可知，該設計方案的接觸件分離力不會超過上限0.6N，而實際生產過程中出現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導致的,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控制，進一步提高插針加工質量，保證插合端尺寸；

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

c)組裝時對插孔進行翻邊，此因素對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個基座內孔尺寸公差范圍較大，翻邊給予插孔的反彈力不一，從而導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鍵核心零件，在長達數年且可能十分頻繁的插合過程中須保持低而穩定接觸電阻，在高溫、低溫和溫度交變等使用環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過程中非常重要，是提高連接器生產合格率的重要因素，方形彈性孔連接器分離力須采取以下措施進行控制：

a)為保證插針質量一致性，開制冷沖模具進行加工，還進一步提高插針的生產率；

b)插孔內徑尺寸入庫檢驗時加大抽樣比例，嚴格控制內徑尺寸在設計范圍內；

c)優化翻邊專用工裝設計，進一步提高連接器翻邊的生產效率和合格率。

接觸件的制造精度，鍍層質量也是影響分離力的因素，在生產過程中必須嚴格控制接觸件零件加工質量，從而進一步提高連接器的分離力。