一種圓形密封電連接器的設計

臧竹青

(泰州市航宇電器有限公司，江蘇泰州，225300)

1 引言

電連接器是武器裝備中的重要接口元件，武器裝備系統的各種信號都需要靠電連接器來完成傳遞和轉接。為了保證極端氣候條件下，武器裝備系統內信號傳遞的可靠性，電連接器的環境性能，特別是密封性的要求正在逐步提高。電連接器一般采用橡膠密封圈、灌封硅橡膠等方式實現密封，可根據具體使用場合來加以選擇。

本文介紹的圓形電連接器，通過特殊的頭殼體結構設計，提高水密功能的可靠性。

2 產品介紹

2.1 開發背景

該圓形密封電連接器是我公司為某研究所開發的用于軌道交通設備上的連接器。客戶要求連接器有防水功能，可耐1米水深。其具體性能指標如下：

額定電壓：500V(50Hz)；

額定電流：5A；

絕緣電阻：≥5000 (MΩ)；

耐電壓：1500V(50Hz)；

環境溫度：-55℃～+200℃；

機械壽命：1000 次；

振動：10Hz～2000Hz， 196m/s2；

沖擊：980m/s2；

耐鹽霧能力： 200小時；

防護要求：于水下1米，可正常工作。

2.2 整體結構設計

圖1是電連接器的三維造型，圖2是電連接器的剖面圖。該款圓形密封電連接器采用卡口式結構，鎖緊牢靠，抗振耐沖，可滿足振動與沖擊的性能指標。插頭插座具有五種鍵位角度定位，可實現盲插和防錯插功能。方法蘭插座采用腰形安裝孔結構，使插座安裝有更大的兼容性。插頭插座與尾部附件的連接形式為螺紋連接，為保證產品密封的可靠性，插頭插座殼體末端均設計有防轉端齒。插頭插座的端接形式采用焊接式，連接牢靠，接點電阻小。

圖1 連接器結構圖

圖2 連接器剖面圖

3 零件設計

3.1 外殼

產品在使用過程中，外殼是主要的漏在外部的零件,故外殼零件的耐鹽霧性能，直接關系到成品的耐鹽霧性能。客戶要求該連接器的耐鹽霧性能為200小時，且對連接器的重量有所限制。圓形連接器常用的外殼材料為鋁材、銅材及不銹鋼材料，密度分別為2.7g/cm3、8.5/cm3、7.9g/cm3。根據客戶的需求，該連接器使用鋁材作為外殼材料。鋁材的表面處理一般為電鍍鎳、化學鍍鎳、陽極氧化、噴涂。鋁材電鍍鎳的耐鹽霧性能為48小時，無法滿足要求。相較電鍍鎳，化學鍍鎳的鍍層更為致密，孔隙少，所以防護性能更好，一般耐鹽霧性能為96小時。鋁材陽極氧化的耐鹽霧性能受鋁合金材質、氧化膜的厚度及封孔影響，從幾十到幾百小時不等。鋁材噴涂的抗腐蝕性能優良，耐酸堿鹽霧大大優于陽極氧化，不過涂層質地較脆，振動沖擊時易剝落。因該連接器耐鹽霧性能要求較高，且可耐振動、沖擊，我們采用6系列鋁材，鍍層為陽極氧化。

在插頭插座旋合過程中，可以聽到一聲清晰的咔噠聲。此時，插頭插座插合到位，頭殼體擠壓插座內的座線圈，實現該電連接器的密封功能。此時，頭殼體受座線圈的推力與波形圈的推力，達到力平衡。考慮到波形圈長時間持續受力，有可能存在彈性失效的風險，導致電連接器連接界面進水。為提高產品密封功能可靠性，于頭殼體與防跳圈配合處，設計有臺階結構，避免波形圈彈性失效時，防止頭殼體回退過大，導致座線圈沒有壓縮量，引起產品密封功能失效。

圖3 頭殼體結構圖

3.2 基座

表1是常用工程塑料的熱變形溫度。該連接器的使用環境溫度為-55℃～+200℃，由表1可知，滿足該連接器使用溫度要求的有PT610，PA46，PA6T，LCP。綜合考慮該連接器的尺寸穩定性的要求及材料成本，我們選擇了PT610作為絕緣體和蓋板的原材料。

表1 常用工程塑料熱變形溫度表

3.3 接觸件

3.3.1 接觸件類型、材料及鍍層選擇

為了滿足插拔力小、壽命長的要求，該圓形密封電連接器選擇可靠性高的線簧孔結構，線簧孔具有插拔柔和、接觸電阻小、抗振動沖擊、壽命長等特點。

該電連接器插針為細長結構，因此插針選用錫青銅材質。插孔基材采用H62銅，接觸件表面鍍金。

3.3.2 接觸件直徑

電流與接觸件的關系如式⑴所示：

I= k·π·(d/2)2·S

⑴

式中，I為接觸對載流量，A；d為接觸對直徑，mm；k為接觸系數；S為導體單位面積的最大安全電流，A/mm2，對銅導體一般取6 A/mm2。

接觸系數k取決于接觸對的發熱和散熱狀況。發熱狀況取決于接觸電阻和接觸面積，散熱狀況則取決于接觸對和連接器的結構。一般k在0.9～1之間，根據連接器插頭插座的結構特點和使用環境，k取0.95。

由式⑴可以計算出：d=1mm。

為確保產品設計的合理性，我們對該連接器的溫升值進行了理論計算摸底。連接器的溫升結果除了受接觸件的發熱影響外，還受到其散熱方式及產品結構的影響，為簡化估算過程，我們需對連接器的各項參數進行假定，我們假定連接器接觸件的分布是均勻的，其載流量假定是相同的，此時連接器達到熱平衡后的溫度值可按下述方法估算：

Tc=q/(4·π·L·k)+Ts(℃)

(2)

Ts=q/(π·D·L·h)+Ta(℃)

(3)

q=I2·R·N·[1+α·(Tc-20)] (W)

(4)

其中：Ts—連接器外表面溫度(℃)；

Tc—連接器圓截面內部最高溫度(℃)；

Ta—環境溫度 (℃)；

L—連接器總長；(m)

k—絕緣材料熱導率(W/m·℃)

D—連接器外圓直徑(m)

I—單個接觸件負載電流(A)

α—電阻溫度系數(1/℃)

R—20℃接觸電阻 (Ω)

N—連接器芯數

h—連接器表面對流傳熱系數與輻射傳熱系數之和(W/m2·℃)

合并式⑵、⑶、⑷，最終簡化得到：

Tc=[M·(1-20·α)+ Ta] (1-M·α)-1

⑸

M=I2·R·N·(π·L)-1[(4·k) -1+(D·h)-1]

⑹

對該款連接器在標準大氣壓條件下，正常工作時溫升進行估算，各項數值取值如下：I=5A，R=5×10-3Ω，L=55×10-3m，N=7，D=23×10-3m，k=1.2 W/m·℃，h=7.2 W/m·℃，α=0.004/℃，Ta=25℃。按式⑹計算可得M=31.6℃，按式⑸計算可得Tc=61.9℃，溫升T=Tc- Ta=61.9℃-25℃=36.9℃。該連接器工作時的溫升為36.9℃，其影響可忽略不計，故我們選擇了直徑為1mm的接觸件。

4 總結

本文通過對我司開發圓形密封電連接器的設計分析，得到以下結論：

⑴ 頭殼體與防跳圈配合處，設計有臺階結構，避免波形圈彈性失效引起的產品密封失效，提高產品可靠性。

⑵ 根據產品性能指標要求，逐一分解，正向設計，充分驗證，保證產品設計質量。

⑶ 接觸件直徑及溫升的理論計算可以有效的指導設計，規避質量風險。