王超群,符江鵬,李曉磊,張 滋
(鄭州航天電子技術(shù)有限公司,河南鄭州,450001)
螺紋連接器作為系統(tǒng)中必不可少的元器件之一,射頻同軸連接器中N、TNC、SMA、SSMA等型號(hào)均采用螺紋連接機(jī)構(gòu),大量廣泛地應(yīng)用于系統(tǒng)中。系統(tǒng)中安裝的螺紋連接器由于振動(dòng)等因素的存在,螺紋連接會(huì)發(fā)生松動(dòng),造成連接螺母松脫,導(dǎo)致傳輸信號(hào)中斷,嚴(yán)重影響系統(tǒng)的可靠性[1],所以,螺紋連接防松脫問(wèn)題亟待解決。
針對(duì)螺紋連接器防松脫問(wèn)題,傳統(tǒng)的解決辦法依靠螺紋的預(yù)緊力及在連接螺母上打保險(xiǎn)絲孔的方法。該方法主要存在以下幾個(gè)問(wèn)題:(1)在插頭的連接螺母和插座的安裝板上面加工保險(xiǎn)絲孔工藝難度大,不利于提高生產(chǎn)效率;(2)保險(xiǎn)絲在固定和拆卸過(guò)程中,工序繁瑣,操作難度大,花費(fèi)時(shí)間長(zhǎng);(3)安裝和拆卸需要專(zhuān)門(mén)的工具。
對(duì)于上述問(wèn)題,本文以SMA螺紋連接器為例,進(jìn)行了螺紋自鎖連接器的產(chǎn)品設(shè)計(jì),通過(guò)在插頭和插座設(shè)計(jì)一種螺紋自鎖機(jī)構(gòu),達(dá)到螺紋鎖緊并防松脫的目的,并通過(guò)試驗(yàn)和用戶(hù)應(yīng)用驗(yàn)證,該自鎖產(chǎn)品性能指標(biāo)優(yōu)良,并且安裝便捷,可廣泛擴(kuò)展應(yīng)用于螺紋連接機(jī)構(gòu)的連接器,具有很好的推廣價(jià)值。
螺紋自鎖設(shè)計(jì)原理如圖1所示。插座1和牙套2安裝固定在法蘭盤(pán)上,齒套3和驅(qū)動(dòng)彈簧5安裝在插頭殼體4上,當(dāng)插頭和插座插合完成后,在驅(qū)動(dòng)彈簧彈5的作用下,齒套與牙套相互嚙合,達(dá)到螺紋自鎖的目的。
圖1 螺紋自鎖設(shè)計(jì)原理圖
如圖1所示,該螺紋自鎖產(chǎn)品將自鎖機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)為附件的形式安裝在插頭殼體和插座的法蘭結(jié)構(gòu)上,不改變?cè)a(chǎn)品的安裝開(kāi)孔尺寸,可以和原產(chǎn)品互插互換,用戶(hù)需要自鎖功能的時(shí)候,安裝上自鎖附件即可,便于用戶(hù)靈活選擇。
螺紋自鎖具體過(guò)程如圖2所示。圖2(a)所示,螺紋自鎖插頭、插座分離狀態(tài),在這種狀態(tài):插頭齒套位于位置1,插座牙套用螺釘安裝在插座殼體法蘭盤(pán)上;圖2(b)所示,螺紋自鎖插頭、插座插合到位,螺紋未鎖死,在這種狀態(tài):僅旋合螺母,使插頭和插座完成插合,插頭和插座插合過(guò)程中,插頭齒套保持處于位置1;圖2(c)所示,插頭、插座插合到位,螺紋鎖死狀態(tài),在這種狀態(tài):插頭齒套位于位置2,插頭齒套和插座牙套相互嚙合,螺紋達(dá)到自鎖目的。
(a)插頭、插座未插合狀態(tài)
在自鎖插頭和自鎖插座連接過(guò)程中,連接螺母旋合到位,合理設(shè)計(jì)自鎖機(jī)構(gòu)的自鎖行程,達(dá)到自鎖目的,同時(shí)確保自鎖機(jī)構(gòu)與插座端面不發(fā)生干涉。
圖3 自鎖機(jī)構(gòu)行程
由于齒套安裝在連接螺母上面,連接螺母旋合緊固后,為避免齒套與插座上面的牙套發(fā)生干涉,齒套端面與相應(yīng)的牙套之間保證一定的間隙距離。又,齒套和牙套存在齒深,當(dāng)齒套和牙套完全嚙合時(shí),需要預(yù)留齒深的距離。同時(shí),滿(mǎn)足自鎖行程的前提下,保證自鎖結(jié)構(gòu)尺寸盡可能的小,與原產(chǎn)品外形保持一致,設(shè)計(jì)出最短、最合理的自鎖行程。
自鎖連接器自鎖功能發(fā)生在連接螺母旋合完成之后,解鎖功能發(fā)生在連接螺母旋開(kāi)之前,自鎖機(jī)構(gòu)與連接螺母的結(jié)構(gòu)息息相關(guān),自鎖產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中,通過(guò)對(duì)連接螺母結(jié)構(gòu)和自鎖結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì),使兩者相互配合,確保自鎖功能實(shí)現(xiàn),同時(shí)保證自鎖產(chǎn)品的外形尺寸最小,結(jié)構(gòu)最精煉,可以和原產(chǎn)品互換。
自鎖機(jī)構(gòu)通過(guò)齒套和牙套的相互嚙合,達(dá)到螺紋自鎖目的,齒套和牙套最大外徑的確定、齒型的確定、齒數(shù)的計(jì)算,相互嚙合過(guò)程間隙余量的控制,確保連接螺母旋合后,可以做到100%自鎖。齒型設(shè)計(jì)如圖4所示。
圖4 齒型設(shè)計(jì)圖
齒數(shù)的設(shè)計(jì)與齒套外徑尺寸有關(guān)。理論上:齒數(shù)越多,自鎖越自如,但由于連接器尺寸的限制和加工工藝水平的限制,齒數(shù)不可能無(wú)限多。實(shí)際情況是:在滿(mǎn)足要求的情況下,齒數(shù)的設(shè)計(jì)盡可能的少。這里分別以36個(gè)齒、45個(gè)齒和60個(gè)齒計(jì)算進(jìn)行說(shuō)明。
直徑Φ7.5的外圓,均布36個(gè)齒,齒間距(弧長(zhǎng)):7.4*3.14/36=0.654mm;
均布45個(gè)齒,齒間距(弧長(zhǎng)):7.4*3.14/45=0.523mm;
均布60個(gè)齒,齒間距(弧長(zhǎng)):7.4*3.14/60=0.392mm;
又,1/4-36UNS-2B螺紋[2]: 大徑D=1/4inch=1/4×25.4=6.35mm;
螺距P=inch/36=25.4/36=0.7056mm;
0.65mm弧長(zhǎng)(角度10°)對(duì)應(yīng)軸向尺寸:P/360*10=0.7056/360*10=0.02mm;
0.52mm弧長(zhǎng)(角度8°)對(duì)應(yīng)軸向尺寸:P/360*8=0.7056/360*10=0.0157mm;
0.39mm弧長(zhǎng)(角度6°)對(duì)應(yīng)軸向尺寸:P/360*6=0.7056/360*10=0.012mm;
經(jīng)過(guò)上面的分析和計(jì)算,可知:
1)36個(gè)齒、45個(gè)齒和60個(gè)齒數(shù)下,極限情況下對(duì)應(yīng)的齒間距分別為0.654mm、0.523mm、0.392mm。即,60個(gè)齒的情況下齒間距最密,嚙合更自如,但齒型更小,剛度最弱;36個(gè)齒的情況下齒間距最稀疏,嚙合自如性較差,但齒型較大,剛度最強(qiáng)。
2)36個(gè)齒、45個(gè)齒和60個(gè)齒數(shù)下,極限情況下對(duì)應(yīng)的軸向尺寸分別為0.02mm、0.157mm、0.012mm。即,60個(gè)齒的情況下,軸向極限間隙最?。?6個(gè)齒的情況下,軸向極限間隙稍大。
齒套安裝在連接螺母上面,具備一定的徑向旋轉(zhuǎn)和軸向移動(dòng)運(yùn)動(dòng)范圍,而SMA連接器連接螺母尺寸小,六方螺母最大外圓Φ9.3,齒套在連接螺母上面如何固定、安裝配合及實(shí)現(xiàn)在一定范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)是自鎖機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要難點(diǎn)之一。
自鎖產(chǎn)品與正常產(chǎn)品相比較而言,在正常產(chǎn)品螺母旋合的基礎(chǔ)上,增加了螺母的鎖緊和解鎖功能,所以,更合理、更人性化的結(jié)構(gòu)和操作設(shè)計(jì)是自鎖產(chǎn)品的一個(gè)設(shè)計(jì)要點(diǎn)。
如圖5所示,當(dāng)插頭的銷(xiāo)子處于位置1的狀態(tài)下,插頭和插座正常旋合到位,注意旋合過(guò)程擰螺母部位。當(dāng)插頭和插座正常旋合到位(力矩扳手?jǐn)Q緊力矩0.79-1.13Nom),旋轉(zhuǎn)制動(dòng)套,將銷(xiāo)子處于位置2,完成插頭和插座的自鎖。解鎖過(guò)程反之亦然。
圖5 螺母旋合擰緊及自鎖過(guò)程圖
該自鎖產(chǎn)品螺母旋合和自鎖機(jī)構(gòu)旋合方向一致,施加力和受力的方向保持一致,螺母殼體設(shè)計(jì)有滾花和銑扁,自鎖機(jī)構(gòu)殼體設(shè)計(jì)有小凸臺(tái)和滾花,便于操作,并且在操作過(guò)程中,自鎖和解鎖過(guò)程更人性化。
圖6所示為設(shè)計(jì)研制生產(chǎn)的SMA型螺紋自鎖連接器實(shí)物圖。圖6(a)為連接器未鎖緊狀態(tài),圖6(b)為連接器鎖緊狀態(tài)。圖7為該螺紋自鎖產(chǎn)品裝配的電纜組件產(chǎn)品,已供用戶(hù)使用,性能指標(biāo)良好,自鎖結(jié)構(gòu)可靠,通過(guò)用戶(hù)的應(yīng)用驗(yàn)證。
(a) 未鎖緊狀態(tài) (b) 鎖緊狀態(tài) 圖6 連接器螺紋自鎖狀態(tài)
圖7 SMA螺紋自鎖連接器電纜組件
該SMA系列螺紋自鎖產(chǎn)品,技術(shù)指標(biāo)完全滿(mǎn)足《GJB681A-2002 射頻同軸連接器總規(guī)范》相關(guān)規(guī)定要求[3]。在18GHz范圍內(nèi),自鎖產(chǎn)品電壓駐波比和插損指標(biāo)如圖8所示,電壓駐波比<1.1,損耗0.567dB。
圖8 自鎖產(chǎn)品電壓駐波比和插損指標(biāo)
隨機(jī)將提交批品種規(guī)格相同的插頭(座)與任意插座(頭)插合對(duì)接,自鎖齒牙可以相互嚙合,相同規(guī)格的連接器應(yīng)能完全互換,自鎖齒牙可以互相嚙合。
用測(cè)力計(jì)(或等效測(cè)力儀器)測(cè)算自鎖機(jī)構(gòu)行程范圍內(nèi)彈力大小,實(shí)物產(chǎn)品測(cè)試結(jié)果如圖9(a)自鎖機(jī)構(gòu)行程范圍內(nèi)往返自鎖彈力測(cè)繪圖、
圖9(b)自鎖機(jī)構(gòu)行程范圍內(nèi)單程自鎖彈力測(cè)繪圖。
(a)往返自鎖彈力測(cè)繪圖 (b)單程自鎖彈力測(cè)繪圖圖9 行程范圍內(nèi)自鎖彈力測(cè)繪圖
自鎖連接器尾部固定,沿連接器軸向方向以30N的力作用于自鎖機(jī)構(gòu),保持該力30s,自鎖機(jī)構(gòu)不脫離殼體。如圖10(a)自鎖產(chǎn)品自鎖機(jī)構(gòu)拉脫力試驗(yàn)方法,如圖10(b)自鎖產(chǎn)品自鎖機(jī)構(gòu)拉脫試驗(yàn)。
(a) 自鎖機(jī)構(gòu)拉脫力試驗(yàn) (b) 拉脫力試驗(yàn)圖10 拉脫力試驗(yàn)
針對(duì)SMA型螺紋連接器由于振動(dòng)等因素導(dǎo)致螺紋連接發(fā)生松動(dòng)問(wèn)題,設(shè)計(jì)一種SMA型螺紋自鎖連接器。該螺紋自鎖產(chǎn)品的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì):1)確保螺紋100%自鎖;2)安裝開(kāi)孔尺寸和原開(kāi)孔尺寸一致,即不改變?cè)a(chǎn)品開(kāi)孔尺寸;3)外形尺寸與原產(chǎn)品尺寸相比,接近一致;4)操作便捷,人性化操作;5)加工成本低;6)性能指標(biāo)優(yōu)良。
該產(chǎn)品已通過(guò)試驗(yàn)和用戶(hù)應(yīng)用驗(yàn)證,操作便捷,可以作為一種有效的螺紋放松措施在螺紋連接機(jī)構(gòu)中廣泛推廣應(yīng)用。目前,我單位已將該自鎖機(jī)構(gòu)成功推廣應(yīng)用于N、TNC、SSMA等螺紋連接射頻連接器中,可以有效的解決螺紋松動(dòng)問(wèn)題,該自鎖產(chǎn)品具有很好的推廣價(jià)值。