， ，

(國(guó)營(yíng)第一一七廠，沈陽(yáng)，110144)

1 引言

隨著國(guó)家工業(yè)化發(fā)展進(jìn)程大踏步的前進(jìn)，工業(yè)4.0制造時(shí)代的來(lái)臨，智能化設(shè)備的大量應(yīng)用，設(shè)備中均大量采用智能芯片進(jìn)行工控，而大量芯片使用的同時(shí)，設(shè)備間的電器連接也提出了避免連接過(guò)程中因?yàn)檎`操作或靜電等對(duì)設(shè)備內(nèi)芯片的保護(hù)要求，自短路連接器也應(yīng)運(yùn)而生。

本自短路保護(hù)連接器結(jié)構(gòu)是一種新型使用方式的連接器結(jié)構(gòu)，其具有連接器自短路保護(hù)功能，連接器在未進(jìn)行對(duì)接的情況下，具有保護(hù)功能的插孔接觸件處于短路狀態(tài)，可以防止外部靜電、游離電子對(duì)敏感設(shè)備的損傷，對(duì)接后相應(yīng)短路鏈路斷開(kāi)，形成獨(dú)立連通的電路，傳輸相應(yīng)的電信號(hào)。該自短路保護(hù)連接器機(jī)構(gòu)其具有體積小、重量輕、精度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單實(shí)用等特點(diǎn)。

現(xiàn)在，市面上的自短路連接器主要可以分為單芯自短路連接器和多芯自短路連接器，單芯自短路連接器結(jié)構(gòu)相對(duì)比較簡(jiǎn)單，主要是單個(gè)接觸件與殼體之間實(shí)現(xiàn)短路即可，而多芯自短路連接器的結(jié)構(gòu)相對(duì)比較復(fù)雜，即要求接觸件間能夠短路，還要求所有接觸件與殼體件進(jìn)行短路設(shè)計(jì)，以上兩種是現(xiàn)在市面上常見(jiàn)的自短路連接器，而本文介紹的一種自短路保護(hù)連接器結(jié)構(gòu)是有區(qū)別于上述兩種情況，該結(jié)構(gòu)是介于兩者之間的一種混裝自短路連接器，即部分電信號(hào)間需要進(jìn)行短路處理，其余接觸件不需要，本結(jié)構(gòu)通過(guò)對(duì)相關(guān)技術(shù)指標(biāo)的要求剖析，著重針對(duì)自短路連接器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程及設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)分析，為自短路連接器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

2 自短路連接器的研制

2.1 自短路連接器研制要求

該自短路連接器是結(jié)合國(guó)內(nèi)某型號(hào)武器系統(tǒng)的使用要求進(jìn)行設(shè)計(jì)的，同時(shí)針對(duì)以往自短路連接器結(jié)構(gòu)、材料、功能等進(jìn)行分析、消化，再認(rèn)真分析本次要求進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)。產(chǎn)品研制要求：該連接器為202芯，工作電壓：115/220V，接觸電阻：≤10mΩ，介質(zhì)耐壓：2500V，絕緣電阻：≥1000MΩ,觸點(diǎn)電流：2A，長(zhǎng)期使用溫度：≤90℃，其中要求86～117點(diǎn)共32芯兩兩短路，但不要求接地，其余為正常點(diǎn)接觸件。

2.2 自短路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)該自短路連接器的使用環(huán)境、技術(shù)要求等進(jìn)行分析研究，對(duì)自短路連接器的使用原理、功能特性等進(jìn)行消化，確定該自短路連接器的結(jié)構(gòu)由插座殼體、孔前絕緣體、孔后絕緣體、鎖緊螺母、插孔組件、接地插孔、彈簧、觸頭組成。插座殼體與孔前絕緣體、孔后絕緣體間采用尾部螺紋與鎖緊螺母連接結(jié)構(gòu)，插孔組件、接地插孔放在孔前絕緣體與孔后絕緣體間，通過(guò)孔前絕緣體與插孔后絕緣體的相應(yīng)定位臺(tái)來(lái)固定，具體結(jié)構(gòu)如下圖所示。

圖1 一種自短路保護(hù)連接器結(jié)構(gòu)

未對(duì)接的情況下接地插孔通過(guò)特殊的接地結(jié)構(gòu)與觸頭接觸形成短路，觸頭通過(guò)壓縮尾部彈簧獲得彈力，靜止在孔后絕緣體的觸頭腔體內(nèi)，當(dāng)連接器對(duì)接時(shí)，對(duì)接端的斷路固定插針先于通電插針與相應(yīng)的觸頭接觸，斷路固定插針將觸頭向后推動(dòng)，同時(shí)將短路的對(duì)應(yīng)端短接插孔斷開(kāi)，繼續(xù)對(duì)接后，通電插針與相應(yīng)的短接插孔連通，形成導(dǎo)電鏈路，完成信號(hào)傳輸，具體結(jié)構(gòu)件圖2。

圖2 自短路結(jié)構(gòu)

由于該連接器要求中間接觸件兩兩短接，同時(shí)不要求接地，故在設(shè)計(jì)時(shí)將連接器插孔絕緣體采用分腔獨(dú)立腔體設(shè)計(jì)，避免與其余接觸件間耐壓擊穿現(xiàn)象，同時(shí)在兩個(gè)接觸件腔體間設(shè)計(jì)斷路固定插針對(duì)接孔腔，當(dāng)連接器對(duì)接過(guò)程中，斷路固定插針先于電信號(hào)插針進(jìn)入孔前絕緣體內(nèi)推動(dòng)觸頭后退，具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3。

圖3 短接絕緣體孔腔設(shè)計(jì)

接地插孔采用，帶角度接地設(shè)計(jì)，該結(jié)構(gòu)配合球面觸頭構(gòu)成短路結(jié)構(gòu)，帶角度結(jié)構(gòu)有利于球面觸頭與之接觸導(dǎo)通，形成短路結(jié)構(gòu)，圓盤(pán)采用防轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，可與插孔前絕緣體內(nèi)獨(dú)立孔腔配合實(shí)現(xiàn)防轉(zhuǎn)功能，保證短路插孔的良好接觸。具體見(jiàn)圖4。

圖4 插孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

與短路插孔配合形成短路結(jié)構(gòu)的為球面觸頭，該觸頭前端為球面結(jié)構(gòu)，與兩個(gè)短路插孔的帶角度斜面通過(guò)尾部彈簧的壓力進(jìn)行短接，形成回路結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)短路插孔的短接功能，具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖5。

圖4 插孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.3 自短路連接器的工藝與材料

2.3.1 材料的優(yōu)選

由于信號(hào)在傳輸過(guò)程中，銅無(wú)論是在電阻率、導(dǎo)電率、電阻溫度系數(shù)等性能指標(biāo)均比較優(yōu)越，為保證設(shè)計(jì)的可靠性，本自短路連接器的所有接觸件均采用銅材質(zhì)進(jìn)行加工，殼體采用航空鋁材6061，絕緣體采用耐高溫環(huán)氧模塑料MT，彈簧采用碳素彈簧鋼絲70。

2.3.2 加工工藝

插座殼體、鎖緊螺母采用機(jī)械加工工藝進(jìn)行生產(chǎn)加工，材料選用鋁合金棒6061 GB/T 3191-2010。

插孔前絕緣體、插孔后絕緣體采用機(jī)械加工工藝進(jìn)行生產(chǎn)加工，材料選用耐高溫環(huán)氧模塑料MT Q/320200 NA032-2010。

接觸件、短接插孔、球面觸頭采用機(jī)械加工工藝進(jìn)行生產(chǎn)加工，材料選用錫青銅線(xiàn) QSn6.5-0.1 GB/T 21652-2008。

彈簧采用機(jī)械繞制，材料選用碳素彈簧鋼絲70 GB/T 4357-2009。

2.4 介質(zhì)耐壓耐電壓、絕緣電阻、接觸電阻的計(jì)算

2.4.1 介質(zhì)耐壓計(jì)算

該產(chǎn)品要求正常條件下耐電壓2500V，現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品的介質(zhì)耐壓進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算以驗(yàn)證能否此項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)，計(jì)算內(nèi)容如下：

為防止絕緣介質(zhì)擊穿，主要根據(jù)所選材料的特性，從設(shè)計(jì)上保證接觸件間有足夠的絕緣介質(zhì)厚度，通過(guò)設(shè)計(jì)圖樣可知孔位間距最小處為0.55mm，即L最小=0.55mm，如圖6所示：

圖6 絕緣體最小間隙尺寸

介質(zhì)耐壓公式如下：

Ue=L×E；

式中：L -介質(zhì)厚度 ；

Ue -耐電壓值；

E -絕緣介質(zhì)介電強(qiáng)度；

絕緣體材料選用耐高溫環(huán)氧模塑料MT，其介電強(qiáng)度為E=15KV/mm,用戶(hù)要求耐電壓Ue=1000V。

故L= Ue/E=2500/15000 =0.166 mm

根據(jù)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)與加工工藝的需要，產(chǎn)品絕緣介質(zhì)厚度實(shí)際為：

L最小=0.55mm>L=0.166mm，能夠滿(mǎn)足介質(zhì)耐壓要求

2.4.2 絕緣電阻計(jì)算

絕緣電阻通常由兩部分組成，即表面絕緣電阻、體積絕緣電阻兩部分，本文中可以根據(jù)絕緣體內(nèi)網(wǎng)格劃分，設(shè)定其最小距離，最小面積內(nèi)的最小絕緣電阻，從而計(jì)算最小的絕緣電阻。具體如圖7。體積絕緣電阻：

R=ρ×L/S

R:體積絕緣電阻；

ρ：體積電阻率；

L:絕緣體高度

S：絕緣體截面積

如下圖所示，絕緣體端面可以劃分為

圖7 表面網(wǎng)格劃分

兩種形狀的網(wǎng)格，單位為mm

產(chǎn)品體積電阻率ρ=1×1013Ω·cm

=1×106MΩ·mm,

絕緣體高度為13.6mm

通過(guò)上述公式可以計(jì)算出體積絕緣電阻R1,R2,分別計(jì)算兩個(gè)網(wǎng)格的絕緣電阻。其中：R1=ρ×L/S=1×106MΩ·mm×13.6mm/(1.4mm×7.4mm)=1.313×106MΩ≥2000MΩ

R2=ρ×L/S=1×106MΩ·mm×13.6mm/(2.4mm×3.5mm)= 1.619×106MΩ≥2000MΩ

表面絕緣電阻

R=Rs×K ， 其中K=L/W，則R=Rs ×L/W

R:表面積絕緣電阻；

Rs：表面電阻率；

K:形狀系數(shù)

L:長(zhǎng)度

W:寬度

依據(jù)圖7的網(wǎng)格劃分，可以分別計(jì)算兩種形狀的網(wǎng)格表面絕緣電阻，即R1、R2。

表面電阻率Rs=1×1014Ω·cm=1×107MΩ·mm

其中：R1= Rs ×L/W =1×107MΩ·mm×7.4mm/1.4mm=5.285×107MΩ≥2000MΩ

R2= Rs ×L/W =1×107MΩ·mm×3.5mm/2.4mm=1.458×106MΩ≥2000MΩ

通過(guò)上述計(jì)算可以分別得表面絕緣電阻、體積絕緣電阻，其值完全能夠滿(mǎn)足使用要求。

2.4.3 接觸電阻的計(jì)算

電接觸形式可分為點(diǎn)接觸、線(xiàn)接觸、面接觸三種，本文中觸頭與插孔的接觸屬于點(diǎn)接觸的形式，詳見(jiàn)圖8。故用常用的接觸電阻公式進(jìn)行計(jì)算。

圖8 觸頭與插孔點(diǎn)接觸形式

接觸電阻公式：Rj=Kj/(0.102F)m

式中Rj:接觸電阻；

Kj：接觸件材料表面參數(shù)；

m：接觸壓力參數(shù)；

由于該觸頭與插孔均采用銅質(zhì)材料，

通過(guò)相關(guān)技術(shù)查找得：Kj=0.08～0.14，

取最大0.14。

F=5N

m=0.5

通過(guò)計(jì)算得出Rj=Kj/(0.102F)m=0.14/(0.102×5)0.5=0.196mm≤10mΩ

通過(guò)上述計(jì)算可以確認(rèn)接觸電阻完全能夠滿(mǎn)足使用要求。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)以上自短路連接器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選擇、介質(zhì)耐壓、絕緣電阻、接觸電阻計(jì)算等，可以驗(yàn)證該自短路連接器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)符合預(yù)期使用要求，具有合理性，該自短路連接器已經(jīng)投產(chǎn)并經(jīng)過(guò)試驗(yàn)提供用戶(hù)使用。通過(guò)本次成功的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)計(jì)算、材料選擇等，完成了該自短路連接器的設(shè)計(jì)，為以后自短路連接器的設(shè)計(jì)提供參考。