絞線插針在微型連接器中的應用研究

劉后倫

(中國兵器裝備集團自動化研究所有限公司，四川綿陽，621000)

1 引言

連接器是航空、航天、航海、陸戰遠程巡航攻擊等軍事應用系統中重要基礎元件，而飛機(飛行器)以及航空電子設備系統則是軍用航空連接器最大和最集中的應用領域，連接器在飛機和航空電子設備系統中起著傳輸信號或傳輸功率的互連作用。

接觸件是連接器的關鍵件，通過它來實現連接器的功能，它的性能直接影響著連接器的接觸性能。比較通用的連接器接觸件，一般插孔是彈性體，插針是剛性體。但彈性插孔很難進一步微型化，成為了電連接器向高密度、微型化發展的瓶頸，無法滿足航空、航天、無人飛行器等要求連接器實現微型級超微型的需求。

2 絞線插針接觸件介紹

絞線插針接觸件(俗稱麻花針)的出現，改變了接觸件的作用原理，它是將彈性體的絞線插針作為插針，與剛性體的插孔物理作用實現連接，使得連接器的微型化的想法變為現實，超微型化成為可能。

它獨特的結構特點使其具有良好的柔性和彈性，接觸可靠性高，耐振動、抗沖擊能力強。

2.1 絞線插針結構

絞線插針的結構由兩層銅合金絲反向呈螺旋線絞合而成，內層1根或三根，外層多根，兩端熔焊成一體，整體外形呈帶手柄鼓形狀。靠近針頭的鼓包中空，在插針插入插孔后受正壓力產生彈性形變，徑向往軸心壓縮，同時沿著螺旋線方向向軸向伸長，與插孔形成多點接觸。

圖1 絞線插針模型圖

2.2 絞線插針接觸件的特點

1)與剛性體的插孔對插時，對插孔的位置度適應性強；

2)插入力和分離力小，插拔柔和。經500次插拔后，其接觸電阻及分離力變化小。

3)接觸點多，接觸可靠性高，耐沖擊、振動。

4)可以實現微型化。

2.3 絞線插針接觸件工作原理

圖2 絞線插針插入狀態圖

3 絞線插針接觸件工藝介紹

現有通用工藝流程是先按照一定結構組成將單根的合金絲絞合成線束(內、外層螺旋方向相反)，再把線束按需要的長度進行裁切，然后將裁切后的線束段兩端熔焊在一起，最后將焊接后的線束段用模具成型得到絞線插針，這時插針的凸包就形成了。插針凸包成型后，經過特殊的時效處理后形狀就穩定下來，然后表面進行鍍金處理。最后，將絞線插針組裝入不同的針體中，再通過壓接裝置鉚接成不同的插針合件。

圖3 絞線插針工藝流程圖

4 絞線插針接觸件的應用現狀

在無人機中主要采用以下幾種連接器：小形連接器、微型(1.27mm間距)/納型(0.635mm間距)連接器、小型高密度光纖連接器、復合材料輕型連接器。絞線插針接觸件可以應用于以上各種連接器，以滿足無人機對連接器輕便、微小、高密度、高可靠的需要。

國外公司：Glenair的微型D形連接器和納型連接器采用的是絞線插針接觸件(Twist Pin Contact)技術。

國內公司：貴州航天、中航光電、四川華豐、陜西華達等公司的微矩形連接器都是采用絞線插針接觸件。

5 絞線插針接觸件的應用研究

5.1 原理分析

圖4 插針等效懸臂梁示意圖

正壓力F：

(1)

式中，H為凸包壓下變形量(撓度)，且與凸包直徑、節距等有關；

E為材料彈性模量，與插針材料有關；

I為插針慣性矩；

L為插針懸臂長度。

(2)

式中，d為插針直徑。

Z向(軸向)受力平衡，

∑Fz=0

則插拔力如下：

Fin=n*N*(tanα+μ)

(3)

Fout=n*N*(μ-tanα)

(4)

式中，N—正壓力；

μ—靜摩擦系數；

α—結合面夾角；

n—絞絲數量。

圖5 插入時插針懸臂梁示意圖

圖6 凸包彎曲變形分析示意圖

(5)

式中，D為凸包直徑；

P為凸包節距；

r為插孔倒圓半徑；

K為結構變形修正系數。

5.2 仿真分析

通過對插針與插孔插合分離過程進行有限元分析，得出插入力與分離力的變化曲線。后續又對影響插入力和分離力的因子按照正交試驗方法，建立矩陣進行有限元分析，掌握了各個因子的相關性。

圖7 插拔力曲線圖

6 絞線插針接觸件的應用趨勢

隨著無人機的發展，由于其在情報偵察、目標捕獲、目標攻擊等方面的優勢日趨突出，它的軍事重要性越來越明顯，已成為各軍事強國大力發展的武器裝備。

因無人機載荷量有限，且長時間在目標區域上空徘徊，需要減少連接器的尺寸和質量，以增大其活動范圍并提高其續航能力。

互連系統的設計也要求長期耐久性、耐凝結腐蝕(特別是插合的接觸件上)，并耐引擎引起的振動以及(可能的)武器振動。在機械性能方面，所有連接器均要求能承受住因燃料和溶劑暴露而導致的損害，抗EMI并且要含有定位鍵來防止誤插。無人機的活動范圍和持續航行能力是關鍵因素，無人機對尺寸和質量高度敏感，因此必須最大限度地減小互連元件的質量和尺寸，以便為無人機有效載荷技術、通訊、飛行控制和推進系統釋放出空間。

減輕質量、尺寸、耐沖擊和振動、電磁兼容、防腐以及高速/帶寬數據處理是無人機內互連布纜的關鍵設計要求，這些要求從無人機本身延伸到包括地面控制/支持系統內使用的電子設備以及無人機電子裝置的有效載荷。采用了小而輕，且滿足了高性能標準的連接器，可確保無人機的可靠性、安全性和工作壽命。

隨著絞線插針技術能力的提升，尺寸將做得更小，應用于超微型連接器，其尺寸約為微型連接器的1/8，質量約為微型連接器的1/4，耐沖擊和振動性能明顯優于后者。無人機，包括空基、陸基、海基無人機系統，都可以從連接器尺寸和質量的減小中獲得極大益處。

軍用無人機應用連接器的典型電子系統包括：引擎控制和傳感器、著陸/對接系統、飛行控制、燃料電池傳感器、數據處理與導航，以及有效載荷技術，如高清晰紅外相機系統、高速圖像處理、專用安全數據通訊電子、目標與火控(武器)系統、水雷探測、聲納、雷達或無線電裝置，

7 結束語

本文介紹了絞線插針的工作原理、制作工藝，并對其進行受力分析與仿真分析，及其在軍事領域的應用。作為連接器的關鍵件，對它的深入研究與推廣應用，將促進連接器的微型化，并將對國防軍事產生深遠影響。