周 權(quán)，雷永濤，葉 宇，王 旭，藍(lán) 菲

(貴州航天電器股份有限公司，貴州貴陽(yáng)，550009)

1 引言

隨著航天航空工程、電子通信工程等領(lǐng)域的發(fā)展，電連接器作為傳遞電信號(hào)和電能的基礎(chǔ)元件，在系統(tǒng)中運(yùn)用越來(lái)越廣。作為連接器的關(guān)鍵部件，接觸件的接觸可靠性在實(shí)現(xiàn)電連接器連接功能中具有重要作用，任何接觸件的接觸失效都會(huì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的可靠性造成影響，而接觸電阻和接觸件插拔力是評(píng)價(jià)接觸件可靠性的一項(xiàng)重要指標(biāo)。目前，針對(duì)冠簧式插孔接觸件結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)接觸情況和可靠性的影響，以及接觸件插拔過(guò)程中，接觸電阻、插拔力變化情況的研究較少。為此，本文對(duì)電連接器用冠簧接觸件結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)分析和接觸情況研究，對(duì)其接觸電阻和接觸件插拔力進(jìn)行理論計(jì)算，最后通過(guò)插拔試驗(yàn)，研究接觸電阻、接觸件插入力和拔出力隨插拔次數(shù)的實(shí)際變化情況，為設(shè)計(jì)高可靠性的電連接器接觸件提供方法和依據(jù)。

2 冠簧式插孔結(jié)構(gòu)分析

2.1 冠簧式插孔結(jié)構(gòu)與接觸可靠性

冠簧式插孔具有插拔柔和、接觸可靠等優(yōu)點(diǎn)，作為常用的接觸件形式之一，其插拔力較開(kāi)槽式彈性插孔較輕，插拔柔和，主要用于大芯數(shù)、高密度的電連接器。插針與插孔對(duì)接時(shí)，依靠接觸圈的彈性形成的正壓力實(shí)現(xiàn)接觸圈與插針的接觸進(jìn)而傳輸信號(hào)。冠簧式插孔與陽(yáng)性插針的對(duì)接示意圖見(jiàn)圖1所示。

圖1 冠簧式插孔與陽(yáng)性插針對(duì)接示意圖

影響電連接器接觸可靠性的因素很多，通常采用單腳分離力和接觸電阻兩項(xiàng)指標(biāo)來(lái)評(píng)估連接器的接觸可靠性。

2.2 單腳分離力計(jì)算

連接器的接觸可靠性與接觸件的單腳分離力有關(guān)，而單腳分離力與相互垂直的接觸面表面產(chǎn)生的垂直接觸面的正壓力有關(guān)，正壓力是接觸壓力的一種直接體現(xiàn)，顯著影響連接器電接觸性能。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中由于接觸件正壓力的測(cè)試及計(jì)算較為困難，通過(guò)采用測(cè)量一對(duì)插合狀態(tài)的接觸件由靜止變?yōu)檫\(yùn)動(dòng)的分離力，即接觸件分離力。通常連接器接觸件分離力是通過(guò)插拔試驗(yàn)測(cè)量的，理論單腳分離力F=μFN，其中FN為正壓力。冠簧插孔的力學(xué)模型可簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)支梁模型，如圖2所示。以下為冠簧式插孔單腳分離力計(jì)算公式:

圖2 冠簧式插孔力學(xué)模型示意圖

1)簡(jiǎn)支梁的最大撓度為:

式中，E為材料彈性模量，I為慣性矩。

2)P作用于彈性臂中心點(diǎn)時(shí)，最大彎距為:

3)最大彎曲應(yīng)力為:

式中，W為抗彎截面系數(shù)，對(duì)于矩形截面，W=bh2/6;b為截面的寬度;h為截面的厚度。

4)對(duì)于寬度為b，高度為h的矩形截面，其慣性矩為:

式中，n為彈性臂數(shù)量;μ為摩擦系數(shù);對(duì)于金－金摩擦對(duì)，μ=0.2，P為觸點(diǎn)正壓力。

以24#冠簧式接觸圈為研究對(duì)象，計(jì)算其單腳分離力F:

L=3.9mm，鈹青銅帶的［σ］=1127MPa，接觸圈的 b=0.3mm，h=0.08mm，n=4，則:

觸點(diǎn)正壓力 P≥0.55N，F(xiàn)=nμP，則 F≥0.44N，涂DJB－823保護(hù)劑后，其分離力會(huì)降低30%左右。經(jīng)實(shí)際測(cè)量，24#冠簧式接觸件的插孔初始分離力為0.338N，與涂保護(hù)劑之后的分離力0.44×(1－30%)=0.308N非常接近，證明上述分離力計(jì)算公式得出的理論值具有一定的合理性。當(dāng)然，分離力合格并不能代表接觸可靠，當(dāng)接觸件表粗糙時(shí)，接觸件分離力在規(guī)定范圍內(nèi)，但實(shí)際上只在接觸件表面尖端部位有很小的接觸件面積，接觸電阻可能會(huì)很大，當(dāng)通過(guò)較大電流時(shí)，觸點(diǎn)會(huì)溫升較大，觸點(diǎn)可能會(huì)熔融，接觸電阻進(jìn)一步增加，直至短路。因此，實(shí)際評(píng)價(jià)連接器的接觸可靠性時(shí)，需要結(jié)合接觸電阻的大小來(lái)評(píng)價(jià)。

2.3 接觸電阻

連接器的接觸可靠性除了與接觸件的單腳分離力有關(guān)外，還與接觸電阻有關(guān)。接觸電阻是連接器的一項(xiàng)重要指標(biāo)，是評(píng)價(jià)連接器接觸可靠與否的重要指標(biāo)之一。接觸電阻的大小完全取決于具體應(yīng)用，在特定的使用環(huán)境下，接觸電阻越低，接觸可靠性一般越高。接觸電阻由收縮電阻、膜層電阻和導(dǎo)體電阻組成。

2.3.1 收縮電阻

實(shí)際上，兩個(gè)相互接觸的表面并不是完全光滑的，在微觀(guān)情況下，任何光滑的表面都是凹凸不平的，當(dāng)電流通過(guò)這些凹凸不平的觸點(diǎn)時(shí)，接觸面積減少，電流會(huì)收縮(或集中)，電流密度會(huì)增大，進(jìn)而產(chǎn)生收縮電阻。收縮電阻除了與材料表面粗糙度、接觸形式、接觸斑點(diǎn)的形狀、數(shù)量、分布和電鍍工藝質(zhì)量等因素有關(guān)外，還與正壓力有關(guān)，隨著正壓力增大，接觸件觸點(diǎn)數(shù)量變多，實(shí)際接觸面積變大，同時(shí)觸點(diǎn)界面由彈性變形轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄宰冃危湛s電阻不斷變小，最后趨于穩(wěn)定。

2.3.2 膜層電阻

膜層電阻由接觸件表面膜和其他污染物產(chǎn)生，膜層和污染物通常是電的不良導(dǎo)體，在正壓力、摩擦力和一定的電作用下，接觸件表面膜層會(huì)破碎，露出金屬基體，產(chǎn)生隧道效應(yīng)形成膜層電阻。實(shí)際使用過(guò)程中，連接器不可避免地接觸其他物質(zhì)，產(chǎn)生化學(xué)或物理吸附，如常用來(lái)降低分離力的DJB－823固體薄膜保護(hù)劑等。接觸件長(zhǎng)期暴露在惡劣環(huán)境中會(huì)導(dǎo)致接觸件表面腐蝕也會(huì)帶來(lái)膜層電阻。鍍金接觸件對(duì)碳?xì)浠衔锞哂休^強(qiáng)的吸附性，因此，連接器在組裝、使用過(guò)程中應(yīng)避免接觸該類(lèi)物質(zhì)。

2.3.3 導(dǎo)體電阻

不同材料的導(dǎo)體電阻不同，導(dǎo)體電阻由材料自身決定。導(dǎo)體電阻通常很小(10－8mΩ)，與收縮電阻和膜層電阻相比，通?？梢院雎浴?shí)際的接觸電阻通常只考慮收縮電阻和膜層電阻兩部分。

2.4 接觸電阻的計(jì)算

接觸電阻的計(jì)算較為復(fù)雜，實(shí)際計(jì)算都是通過(guò)簡(jiǎn)化接觸模型，并通過(guò)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整、修正。實(shí)際應(yīng)用中的接觸電阻都是通過(guò)測(cè)量得出。

理想情況下，冠簧式插孔的接觸為單斑點(diǎn)接觸，并假設(shè)插針與冠簧插孔接觸時(shí)，接觸圈沒(méi)有發(fā)生不可逆的塑性變形，其變形為彈性變形，此時(shí)其收縮電阻Rc可簡(jiǎn)化為:

其中，ρ為觸點(diǎn)材料收縮電阻率;E為材料彈性模量，鈹青銅的E=127400MPa;P為接觸正壓力，r為接觸球面半徑;P為觸點(diǎn)正壓力。

膜層電阻Rf的計(jì)算公式為:

式中，σ為觸點(diǎn)膜層電阻率;H為觸點(diǎn)硬度。

則

以24#冠簧接觸圈為例，由2.2計(jì)算得知觸點(diǎn)正壓力 P≥0.55N，金的硬度 H=2.5 ×108N/m2，觸點(diǎn)收縮電阻率 ρ=2.35×10－8Ω·m2，觸點(diǎn)接觸件半徑為r=10.4mm，觸點(diǎn)膜層電阻率σ=3×10－13Ω·m2，接觸電阻:

由于接觸件的表面附著沉積形成的較松散的表膜和由于物理吸附及化學(xué)吸附所形成的污染膜，實(shí)際過(guò)程中插針和插孔的接觸并非完全是彈塑性變形，接觸表面高低不平，實(shí)際接觸面積很小，且觸點(diǎn)正壓力隨著插拔次數(shù)的上升而不斷減小。因而，實(shí)際接觸電阻遠(yuǎn)大于上述理論值。

3 插拔試驗(yàn)

連接器的可靠性與接觸對(duì)的插拔次數(shù)有關(guān)，尤其是在需要頻繁插拔的場(chǎng)合，需要研究其在多次插拔后的接觸可靠性，以便于掌握連接器的最佳使用壽命，避免因失效帶來(lái)的損失。本文通過(guò)測(cè)量不同插拔次數(shù)后接觸件的接觸電阻和插入力和分離力，評(píng)估多次插拔后接觸件的接觸可靠性。

3.1 插拔試驗(yàn)與接觸電阻

圖3為接觸電阻隨插拔次數(shù)的變化情況。由圖可以看出，插拔次數(shù)在500次以?xún)?nèi)，接觸電阻變化較為穩(wěn)定，超過(guò)500次后，隨著插拔次數(shù)的增大，接觸電阻不斷上升;當(dāng)插拔2000次時(shí)，接觸電阻達(dá)到6.8mΩ。在500次范圍內(nèi)，接觸電阻變化較為平穩(wěn)，原因在于在該階段接觸件表面膜層不斷破壞，接觸件表面的鍍金層和基體金屬還沒(méi)有開(kāi)始磨損，表面膜層的破壞會(huì)導(dǎo)致接觸電阻中的膜層電阻Rf會(huì)不斷下降，因而會(huì)出現(xiàn)500次后接觸電阻反而比250次時(shí)接觸電阻低的現(xiàn)象。但當(dāng)超過(guò)500次插拔后，接觸電阻上升的原因在于隨著插拔次數(shù)的增大，接觸件表面鍍層乃至基體不斷磨損導(dǎo)致觸表面粗糙，觸點(diǎn)接觸面積下降，同時(shí)經(jīng)多次插拔后，冠簧接觸圈的彈性下降，插拔過(guò)程中接觸正壓力下降，導(dǎo)致接觸電阻增大。

圖3 接觸電阻隨插拔次數(shù)的變化情況

3.2 插拔試驗(yàn)后的接觸件插入力和分離力

圖4 、圖5為接觸插入力和分離力隨插拔次數(shù)的變化情況。由圖可以看出，在500次插拔次數(shù)內(nèi)，隨著插拔次數(shù)的增大，接觸件插入力和分離力均呈上述趨勢(shì)。在500次插拔范圍內(nèi)，由于接觸件表面自身不可能覺(jué)得光滑平整，且零件加工過(guò)程中造成接觸面上有毛刺等多余物，插入和拔出試驗(yàn)插針時(shí)需要克服上述阻力，同時(shí)在500次插拔范圍內(nèi)，接觸面上的膜層逐漸破壞，接觸面粗糙度增大，因而在該范圍內(nèi)接觸件插入力和分離力隨插拔次數(shù)變大而變大。超過(guò)500次后，隨著插拔次數(shù)的進(jìn)一步增加，插針與插孔之間的相互摩擦進(jìn)入穩(wěn)定摩擦階段，接觸面表面的隨著插拔次數(shù)的增加逐漸變得平整，同時(shí)多次插拔后接觸圈發(fā)生變形，彈性模量下降，接觸正壓力下降，由公式(6)可知接觸件插入力和分離力會(huì)下降。

圖4 接觸件插入力隨插拔次數(shù)的變化情況

圖5 接觸件分離力隨插拔次數(shù)的變化情況

4 結(jié)論

(1)影響連接器接觸可靠性的因素很多，接觸可靠性作為連接器的可靠性的一項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)，接觸可靠性與接觸件的接觸電阻和單腳分離力有關(guān)。

(2)本文以電連接器用冠簧式接觸件為研究對(duì)象，對(duì)接觸件進(jìn)行了力學(xué)分析，建立了接觸件單腳分離力、接觸電阻與結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系，為進(jìn)行接觸件的接觸情況分析提供了理論基礎(chǔ)。

(3)對(duì)接觸件進(jìn)行插拔試驗(yàn)，分析了接觸件插拔過(guò)程中接觸電阻、插入力和分離力隨插拔次數(shù)的變化情況，與理論計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比，為設(shè)計(jì)高可靠的電連接器的接觸件提供了理論依據(jù)。由插拔試驗(yàn)結(jié)果得知，電連接器在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)在其使用壽命范圍內(nèi)使用，避免因頻繁插拔帶來(lái)的接觸失效。

［1］ 楊?yuàn)^為.軍用電連接器的應(yīng)用與發(fā)展［J］.機(jī)電元件，2012(4):52－61.

［2］ 張冠生，電器理論基礎(chǔ)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1985.

［3］ 束德林，工程材料力學(xué)性能［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2003.