圓形連接器連接扭矩一致性設計方法

陳東旭，吳 凱，王紫陽，徐 樂，翟國富

(哈爾濱工業大學電器與電子可靠性研究所，黑龍江哈爾濱，150001)

1 引言

耐環境快速分離高密度小型圓形電連接器因具有防斜插、屏蔽、耐鹽霧、抗強振動沖擊、耐腐蝕以及快速鎖緊與分離的結構特點而被廣泛應用于航天、航空、艦艇和核武器等裝備,是軍用電子設備和系統之間的主要互連元件[1,2]。其性能和可靠性直接影響航天、航空、艦艇和核武器系統的正常工作[3]。

連接器一致性在產品中占有很重要的地位,它能直接影響整個產品的性能[4,5]。國外,比較大型的連接器廠商如泰科、安費諾、molex等在很多年前就和一些高校共同協作投入對此進行研究[6]。國內校企聯合研究起步較晚,但也有一些科研機構和生產單位對其進行了連接器相關性能的一致性研究[7]。楊奮為、陳文華等科研工作者在連接器一致性方面都取得了很高的研究成果[8,9]。正是這些前輩的努力使得中國連接器有了高速的發展。從目前來看,在連接器的一致性方面還需要更多突破來解決客戶不斷提出的高性能、穩健性要求。比如圓形連接器中產品整機連接扭矩過大、連接過程頓挫感明顯、批次產品一致性較差的問題。

本文以系列圓形連接器連接扭矩過大且一致性較差問題為研究對象,利用建模軟件對該型連接器進行參數化建模,通過多種有限元軟件的協同仿真,對連接器整個連接過程進行數值模擬。確定影響連接器整機連接扭矩過大和一致性較差問題的關鍵參數。并對關鍵參數的加工工藝和尺寸組合進行優化設計,從而降低連接器的連接扭矩,提升整體連接扭矩的一致性。

2 整機有限元分析和實驗測試

2.1 有限元模型的建立

以某個產品為研究對象,根據產品的工程圖、實體產品的結構和尺寸,利用三維建模軟件SolidWorks對其進行參數化建模,模型的爆炸視圖如圖1、2所示。

圖1 插座組件爆炸視圖

圖2 插頭組件爆炸視圖

2.2 求解分析

根據連接器結構特點和組成方式,確定影響連接扭矩大小的因素有接觸件插入力、屏蔽簧片摩擦力、動靜棘輪扭矩、三頭螺紋傳動效率、螺套外殼摩擦扭矩和波紋彈簧反力等。對上述因素進行試驗測量,把測量數據代入相關有限元軟件中,通過聯合仿真方法,計算出此時連接器的整機插合分離扭矩。仿真流程圖,如圖3所示。整機Adams仿真模型,如圖4所示,聯合仿真連接扭矩與分離扭矩曲線圖,如圖5所示。

圖3 仿真流程圖

圖4 整機聯合Adams仿真模型

2.3 試驗測試

將上述零部件組裝成連接器,用扭矩試驗機對產品插入分離扭矩進行實測。扭矩測試機,如圖6所示,扭矩試驗結果,如圖7所示。

圖6 扭矩試驗機

圖7 扭矩測試結果

由圖5和圖7可以看出,仿真結果與實測結果相吻合。采用仿真分析方法進行連接器整機扭矩影響分析,大大減少了產品優化過程的時間成本和加工驗證成本。

3 連接扭矩關鍵參數確定

連接器在連接過程中克服的主要阻力有:波紋彈簧反力、屏蔽簧片摩擦力和接觸件插入力。通過有限元仿真分析,確定上述參數對整機連接扭矩的貢獻度,如圖8所示。可以看出產品連接器中接觸件插入力對連接扭矩貢獻最大為78.1%,其次波紋彈簧反力為12.1%、屏蔽簧片摩擦力9.8%。所以控制好接觸件插入力大小和一致性至關重要。同時也需要對波紋彈簧反力和屏蔽簧片摩擦力進行加嚴控制。

圖8 連接器中各個參數對整機連接扭矩貢獻度

4 接觸件插分力優化設計

GJB規定接觸件插分力合格范圍3.34N-0.19N,期望值范圍1.6N-0.4N。選取一批現有接觸件進行插分力測試,力分布情況,如圖9所示。可以看出現有接觸件插入力分布在1.5N-3.75N之間,插入力分散性較大,一些接觸件插入力超出合格范圍。

圖9 現有接觸件插分力分布

目前,接觸件整體插入力偏大且一致性較差原因:(1)插孔尺寸參數組合并非最優,插入力存在尖峰,為了保持分離力合格率,往往插入力峰值會偏大。接觸件插分力曲線,如圖10所示。(2)接觸件收口工藝中關鍵參數值(夾具行程、夾具位置、插孔擺放方向)不明確。

圖10 接觸件插分力曲線

結合接觸件收口工序和尺寸參數應用穩健性設計方法對接觸件進行優化設計。根據接觸件的插分力期望值確定收口工序參數,基于虛擬樣機建模與仿真分析技術、穩健性設計技術等,以性能最優、質量一致性提升為目標。對接觸件的尺寸參數進行確定,設計原理圖,如圖11所示。

圖11 穩健性設計優化設計原理

按穩健性設計后接觸件尺寸參數加工一批接觸件,用自動收口機按確定工序參數進行收口,最后測試接觸件插分力,接觸件插分力曲線,如圖12所示。通過對比可以看出接觸件插入力峰值明顯降低,且分離力保持較好。批次優化后接觸件插分力分布圖,如圖13示。通過圖13看出,優化設計后接觸件插入力范圍為1.15N-1.9N,合格率為100%,且一致性較好,同時分離力保持較好。

圖12 優化后接觸件插分力曲線

圖13 優化后接觸件插分力分布

5 扭矩測試

用優化后接觸件和加嚴控制后屏蔽簧片、波紋彈簧組裝成連接器,測試整機扭矩大小,如圖14所示,可以看出優化后連接器產品連接扭矩比優化前減小很多。

圖14 產品扭矩測試結果

統計一批優化前連接器,其扭矩試驗結果為:產品平均連接扭矩值為2.5N*m,標準差為0.387;統計一批優化后連接器,其扭矩試驗結果為:產品平均連接扭矩值為1.52N*m,標準差為0.113。

6 結論

本文采用三維建模軟件建立了某種連接器的整體仿真簡化模型,用有限元軟件對連接器整機連接扭矩進行分析,得到的結論具體如下:

(1)通過有限元軟件對連接器連接扭矩分析,確定了影響連接器的連接扭矩主要因素為接觸件插入力、屏蔽簧片摩擦力和波紋彈簧反力;

(2)通過有限元軟件對接觸件插入力的優化分析,找到了接觸件加工工藝參數和最佳尺寸參數,由此明顯降低了接觸件插入力峰值,提升了接觸件插分力的一致性,此方法可以推廣到其它類似產品進行驗證后應用;

(3)通過仿真能夠實現關鍵結構參數的有限元優化分析,可以為連接器性能優化提供技術手段和理論支撐。