(貴州航天電器股份有限公司，貴州貴陽，550009)

1 引言

連接器是電子電氣設備中不可或缺的重要組成部分，廣泛應用于通信、通訊、國防、電力等行業(yè)中。隨著行業(yè)的發(fā)展，客戶對連接器的要求越來越高，尤其是對其可操作的快捷性要求越來越高。

本文通過對一款快鎖連接器設計過程的闡述，說明了該連接器的設計要點。

2 產(chǎn)品介紹

2.1 開發(fā)背景

本連接器是客戶用于某智能設備與終端設備的連接，為確?？蛻粼诂F(xiàn)場施工時更快捷的使用，連接器的端接方式應快捷、可靠、易識別。

2.2 快鎖結構設計

連接器的常見鎖緊方式有卡口式、螺紋鎖緊式、直插拔式及快鎖式幾種，其中快鎖連接器因其操作方便，結構可靠受到越來越廣泛關注。目前行業(yè)內(nèi)常見的快鎖結構主要有鋼珠鎖緊機構、雷莫歐度等公司的簧片式推拉快鎖等機構，但這些機構普遍存在結構復雜，加工工藝難度大，成本高等特點，本連接器設計的一種快鎖連接器設計了一種異型卡環(huán)鎖緊的結構，其具有結構簡單可靠，成本低等特點。

2.2.1 鎖緊結構設計

圖1 插頭插座鎖緊示意圖

圖2 鎖緊卡環(huán)示意圖

圖1 示出了本快鎖連接器插頭與插座對接后鎖緊的效果圖。其關鍵零件為鎖緊卡環(huán)，如圖2所示，鎖緊卡環(huán)為異型開口環(huán)，其上有三處往內(nèi)側凹陷。如圖3所示，卡帽中設有裝配鎖緊卡環(huán)的槽特征，且在卡帽前端設有開口特征，便于組裝鎖緊卡環(huán)。鎖緊卡環(huán)裝入卡帽后的效果如圖4所示。

圖3 卡帽示意圖

圖4 鎖緊卡環(huán)裝入卡帽剖視圖

圖5示出了插座殼體的結構，插座前端具有錐形斜面，斜面下方設有卡槽特征。鎖緊卡環(huán)上三個凹陷特征與插座殼體為過盈配合，當卡帽帶著鎖緊卡環(huán)與插座對接時，插座前端的斜面擠壓鎖緊卡環(huán)上的倒角特征，使得鎖緊卡環(huán)受力往外擴張至卡帽的槽中，使得插頭能夠繼續(xù)往前插入插座，當鎖緊卡環(huán)運動到插座殼體上的卡槽特征處時，鎖緊卡環(huán)不再受到插座斜面的擠壓，回彈復位，鎖緊卡環(huán)上的三個凹陷特征正好卡在插座殼體的卡槽中，連接器實現(xiàn)鎖緊，其對接狀態(tài)如圖6所示。

圖5 插座殼體示意圖

圖6 插頭插座對接示意圖

2.2.2 解鎖結構設計

為確保插頭插座對接后能夠順利的實現(xiàn)解鎖，我們進行了以下設計：插座部分我們對插座殼體的斜面進行了三處銑扁，三處銑扁的角度與鎖緊卡環(huán)三處凹陷特征的位置角度保持一致。銑扁尺寸如圖7所示，小于插座殼體的卡槽直徑。因此，若鎖緊卡環(huán)的三個凹陷特征剛好在插座殼體的三個銑扁位置時，鎖緊卡環(huán)對插座無鎖緊作用，此時連接器可實現(xiàn)解鎖。

圖7 插座殼體銑扁示意圖

為實現(xiàn)鎖緊卡環(huán)的三個凹陷特征可運動到插座殼體的三個銑扁特征處。我對插頭結構進行了改進。如圖8所示，卡帽中三個缺口及頭殼體三個凸臺的位置尺寸我們設計成凸臺抵死在小環(huán)形槽左側時，卡帽上的紅點標識與主鍵位對齊，復位彈簧略有預壓縮，卡帽處于初始位置，鎖緊卡環(huán)的三個凹陷特征卡在插座殼體的卡槽中，連接器處于鎖緊狀態(tài)。如圖9所示，當轉(zhuǎn)動卡帽，壓縮復位彈簧，一直到頭殼體凸臺抵死在小環(huán)形槽由側時，卡帽上的藍點標識與主鍵位對齊，此時鎖緊卡環(huán)的三個凹陷特征剛好處于插座殼體三個銑扁位置，鎖緊卡環(huán)與插座無干涉，此時拔開插頭可實現(xiàn)解鎖。當撤去對卡帽的旋轉(zhuǎn)力后，在復位彈簧回彈力的作用下卡帽復位，卡帽上的紅點標識與主鍵位對齊。

圖8 鎖緊狀態(tài)示意圖

圖9 解鎖狀態(tài)示意圖

2.3 關鍵零件設計

根據(jù)上文對本快鎖連接器的結構的闡述，本連接器中，為實現(xiàn)連接器快速鎖緊和解鎖，其關鍵零件在于鎖緊卡環(huán)和復位彈簧。這兩個零件均是彈性元件，根據(jù)《彈簧設計手冊》的分類，鎖緊卡環(huán)屬于圓弧形懸臂薄板彈簧，復位彈簧屬于壓縮螺旋彈簧。下面針對這兩個關鍵零件的設計進行詳細分析。

2.3.1 鎖緊卡環(huán)尺寸設計

根據(jù)上文的闡述，我們知道鎖緊卡環(huán)的主要作用在于卡在插座殼體卡槽中，確保在鎖緊狀態(tài)下拉拽插頭，插頭插座不會發(fā)生分離。在連接器的使用過程中，只有在插頭插入插座的過程中鎖緊卡環(huán)受到插座外殼對其施加的徑向往外的力，而解鎖過程中則不會受力。為確保連接器鎖緊狀態(tài)時的耐拉力，我們對將鎖緊卡環(huán)內(nèi)切圓直徑設計成與插座外殼卡槽內(nèi)徑相同，以盡量增加鎖緊狀態(tài)下鎖緊卡環(huán)與座殼體的干涉量。同時，為了保證產(chǎn)品在對接過程中，鎖緊卡環(huán)不會對插座殼體造成刮傷，我們對鎖緊卡環(huán)進行了倒角處理。在材料選擇方面為滿足該產(chǎn)品96小時鹽霧的要求，我們優(yōu)先選用了不銹鋼12Cr18Ni9材料。

為確保鎖緊卡環(huán)尺寸及材料設計的合理性，我們進行對此設計狀態(tài)下的鎖緊卡環(huán)鎖緊時所需的力進行了理論分析。從3D模型中可以模擬出，插頭插入插座時鎖緊卡環(huán)三處凹陷特整需往外擴張0.9mm，為便于簡化計算，我們在設定鎖緊卡環(huán)的開口處完全固定，經(jīng)計算確定當施加的力為60N時，其形變量達到0.95mm。由于我們在鎖緊卡環(huán)與插座配合處作了倒角處理，其受力的分解應如圖10所示，此時F1=60N，F(xiàn)=F1/cos21°=60N/cos21°=64N。也就是說插頭插座對接時需要軸向施加64N的力可使鎖緊卡環(huán)正常鎖緊到插座殼體的卡槽中。因我們在理論計算時完全固定住鎖緊卡環(huán)的開口，實際產(chǎn)品中，開口處裝入卡帽的上的開口特征處還有1mm的間隙，在對接過程中，鎖緊卡環(huán)的開口處可變形，因此，實際產(chǎn)品嚙合力應小于64N，可以滿足客戶的正常使用。

圖10 鎖緊卡環(huán)受力分析圖

2.3.2 復位彈簧尺寸設計

復位彈簧是保證連接器在對接后解鎖之后卡帽及鎖緊卡環(huán)能恢復到鎖緊狀態(tài)的關鍵零件，考慮到產(chǎn)品的結構空間限制，我們選用了結構緊湊，易于制造的壓縮螺旋彈簧。材料方面同樣考慮到鹽霧的需求，也是用了不銹鋼12Cr18Ni9材料。圖11示出了本連接器復位彈簧的結構尺寸。

為驗證復位彈簧設計的準確性，我們進行了理論計算及仿真分析。從上文的闡述可知，在解鎖狀態(tài)下，卡帽壓縮彈簧的轉(zhuǎn)動量受頭殼體上凸臺的限位。在解鎖狀態(tài)下彈簧壓縮變形量約為17.5mm。根據(jù)公式P=Gd4/(8nD3)及公式G=E/2(1+v)，其中P為彈簧所受壓力，G為切變模量，d為材料直徑，為形變量，n為彈簧有效圈數(shù)，D為螺旋節(jié)徑，E為彈性模量，v為泊松比。對于本復位彈簧，=17.5mm，n=27，D=2mm，不銹鋼12Cr18Ni9材料E=1.97×104kgf/mm2，v=0.3。可計算出G=1.97×104/2(1+0.3)=7576.9 kgf/mm2，P=7576.9×0.44×17.5/(8×27×23)=1.964kgf=1.964×9.8N=19.25N。

對于本產(chǎn)品，兩個復位彈簧在卡帽中圍繞中心軸轉(zhuǎn)動，根據(jù)理論估算的力，我們可以算出其旋轉(zhuǎn)力矩為M=F×L，其中F為彈簧壓力，L為彈簧受力點到連接器中心的距離，如圖12所示，F(xiàn)=19.25N,L=21mm=0.021m，單個彈簧的力矩為M=F×L=19.25×0.021=0.4Nm。兩個彈簧力矩為0.8Nm，與GJB598中24號殼體的分離力矩相當，可滿足客戶使用要求。

圖11 復位彈簧示意圖

圖12 復位彈簧力矩示意圖

3 試驗驗證

根據(jù)以上理論估算設計的快鎖連接器樣品完成后，我們按GJB1217A-2009《電連接器試驗方法》對其振動沖擊，機械壽命，嚙合力，分離力矩進行了試驗，結果均為合格。

其中嚙合力與分離力矩試驗數(shù)據(jù)如表1所示。其中連接器的嚙合力較理論計算的64N偏小，符合預期的因鎖緊卡環(huán)開口不完全固定導致嚙合力偏小的預期。分離力矩基本與理論計算結果一致。證明了該快鎖連接器設計的合理及理論分析的可行性。

表1 嚙合力與分離力矩試驗結果

4 總結

本文通過對我司開發(fā)一款快鎖連接器的設計分析，得到以下結論：

(1)鎖緊卡環(huán)式的快鎖連接器結夠有效可靠，且成本相對于其他快鎖連接器更具優(yōu)勢。

(2)連接器中不同顏色標識點及限位的設計使得連接器的使用更為方便、可靠。

(3)設計前期的理論計算能夠大大提高設計的準確性，避免設計風險。