鷹爪 (EAGLE GRIP)接觸件的設計與應用

鄒作濤，劉 賁

(貴州航天電器股份有限公司，貴州貴陽，550009)

1 引言

矩形自浮動電連接器是擬用于空間飛行器遙控作業(yè)裝置中的一款特殊用途連接器，由機械臂操控插頭和插座對接或分離，其插座內(nèi)置的對準互插裝置在產(chǎn)品對接時起到浮動對準的作用，產(chǎn)品插頭和插座插合后實現(xiàn)電氣連接功能。

在高真空環(huán)境下，金屬表面的氣體分子膜、有機污染膜會被清除掉，使金屬表面原子直接接觸，在原子配對機理和熱擴散機理的作用下產(chǎn)生冷焊現(xiàn)象。一般認為真空度在10－6數(shù)量級就可能產(chǎn)生冷焊效應，電連接器如果在高真空環(huán)境下進行插拔等操作，在接觸對之間可能產(chǎn)生冷焊現(xiàn)象，將影響連接器的使用壽命和接觸可靠性。避免真空冷焊現(xiàn)象的一個主要措施就是盡可能的降低接觸件之間的正壓力。另外，該連接器插拔次數(shù)要求至少為6000次，高于目前國內(nèi)大多數(shù)軍用連接器的500次插拔次數(shù)指標要求，常規(guī)的接觸件形式已經(jīng)不能滿足要求。因此，對滿足既定使用要求的長壽命、輕插拔力接觸件的設計是開展矩形自浮動電連接器研制的關鍵。

本文從接觸件的選型、計算、仿真及試驗驗證幾個方面進行介紹，提出了一種新型鷹爪(EAGLE GRIP)接觸件的應用模式，論證了該接觸件在矩形自浮動電連接器上應用的可行性。

2 鷹爪(EAGLE GRIP)接觸件的特點

近年來，國外某公司推出了一種新型的鷹爪(EAGLE GRIP)接觸件，其符合MIL－C－39029標準規(guī)定，已通過了 MIL－STD－790、EN9100、AS9100、JISQ 9100認證以及 MIL－C－39029的QPL認證，在 Amphenol Aerospace(安費諾航天)、Boeing Aerospace(波音航天)和European Space A-gency(歐洲航天局)均有應用。圖1為鷹爪接觸件的結構示意圖，其采用接觸簧圈結構，每個接觸簧圈周圈均勻分布3個或3個以上的接觸片，具有接觸可靠性高、長壽命、輕插拔力的特點，機械壽命能達到6000次以上。

圖1 EAGLE GRIP(鷹爪)端子結構示意圖

表1為該EAGLE GRIP(鷹爪)接觸件(20號、22號)的技術參數(shù)。與常規(guī)的軍用高可靠接觸件相比，它具有以下優(yōu)勢:

1)多個簧爪可多面和插針柔性接觸，使插入和拔出力差異更小;

2)減少插拔時接觸壓力和磨損，保持低的接觸電阻和良好的電連接;

3)采用分體式結構，接觸簧圈和本體可選擇不同的材料和鍍覆，減少材料及加工成本。

表1 EAGLE GRIP(鷹爪)接觸件技術參數(shù)

3 鷹爪接觸件的設計

3.1 力學模型

根據(jù)接觸對的接觸原理，插針插入后，將在接觸簧圈接觸片的最小直徑處接觸。由于接觸片的一端固定，另一端可以沿徑向移動，故可將EAGLE GRIP(鷹爪)接觸件簡化為直梁懸臂梁力學模型，簡化后的力學模型如圖2所示。

圖2 接觸簧圈接觸片簡化力學模型圖

圖中，δ:接觸變形量，即嚙合時接觸片被撐開的距離;

l:接觸片長度;

b:接觸片寬度;

t:接觸片厚度;

P:接觸正壓力。

3.2 參數(shù)計算

根據(jù)接觸件結構尺寸特征，初步設計接觸簧片的長、寬、厚分別為 l=1.37mm、b=0.35mm、t=0.1mm。

根據(jù)材料力學的相關知識，以上力學模型的相關參數(shù)計算如下:

1)允許變形量計算

式中，σ允:允許應力;

E:彈性模量。

查鈹青銅帶的σ允=1127Mpa，E=127400MPa，通過計算得σ允=0.11mm。

2)正壓力計算公式

式中，J:接觸片的慣性矩;

由式(2)、(3)聯(lián)立求出接觸正壓力P與接觸片變形量δ之間的關系式(4)。

式中，F(xiàn):接觸件分離力;

n:接觸片數(shù)目(3);

μ:摩擦系數(shù)(金與金之間μ=0.2)。

4)正壓力選取

正壓力越大，接觸越可靠，接觸電阻越低，但是當正壓力增加到一定程度后，接觸電阻減小的適度將變得極其微小，而且本項目要求提高接觸對的插拔壽命，則需要盡可能降低分離力以減小磨損。按照GJB1216的規(guī)定，20#和22#接觸對的最小分離力均為0.19N，本項目即以0.19N作為最小分離力進行正壓力設計。

5)變形量計算

由式(4)、(5)聯(lián)立求出變形量δ與分離力F之間的關系式(6)。

根據(jù)最小分離力指標要求，則可由式(6)計算出兩種規(guī)格接觸件的最小變形量22#為0.073mm、20#為0.077mm。

對于22#接觸件，插針直徑為 Φ0.762 ±0.013，最小直徑為 Φ0.749mm，按0.073mm的變形量設計，則簧圈喉圓最大直徑設計為Φ0.60mm;對于20#接觸件，插針直徑為 Φ1.02 ±0.02，最小直徑為Φ1.00mm，按0.077mm 的變形量設計，則簧圈喉圓最大直徑設計為Φ0.85mm。

6)變形量復核

對于上述設計的最小變形量，簧圈喉圓尺寸給定公差0.05mm，則簧圈喉圓尺寸最小對應相應插針尺寸最大時為產(chǎn)生最大變形量的狀態(tài)。通過計算，22#接觸件的最大變形量為0.07mm、20#接觸件的最大變形量為0.08mm，小于允許的最大變形量0.11mm 要求。

3.3 仿真分析

分別對兩種規(guī)格的接觸件進行力學仿真分析，得到22#接觸件的最大試驗插針(Φ0.775mm)插入力曲線和最小試驗插針(Φ0.749mm)分離力曲線圖分別見圖3和圖4。20#接觸件的最大試驗插針(Φ1.04mm)插入力曲線和最小試驗插針(Φ1.00mm)分離力曲線圖分別見圖5和圖6。

圖3 22#接觸件最大試驗插針插入力曲線

圖4 22#接觸件最小試驗插針分離力曲線

圖中，0s～1s是插入，1s～2s是拔出。從圖中可以看出，22#接觸件的最大插入力為0.56N、最小分離力為 0.27N;20#接觸件的最大插入力為0.69N、最小分離力為0.29N。仿真結果與計算結果基本一致。

圖5 20#接觸件最大試驗插針插入力曲線

圖6 20#接觸件最小試驗插針分離力曲線

4 應用實例及試驗驗證

如圖7為矩形自浮動電連接器的內(nèi)部結構示意圖，其插孔接觸對采用上述的EAGLE GRIP(鷹爪)接觸件，隨機抽取連接器進行了電性能、機械性能及環(huán)境性能方面的試驗驗證，具體試驗情況見表2所示。

圖7 矩形自浮動電連接器內(nèi)部結構示意

表2 試驗驗證結果

圖8 接觸電阻隨溫度的變化曲線

圖9 20號接觸件插入力變化曲線

圖10 20號接觸件分離力變化曲線

圖11 22號接觸件插入力變化曲線

圖12 22號接觸件分離力變化曲線

圖13 20號接觸件接觸電阻變化曲線

圖14 22號接觸件接觸電阻變化曲線

5 結語

EAGLE GRIP(鷹爪)接觸件作為一種新型的接觸件形式，相較于目前比較常見的接觸件在插拔力、機械壽命等方面具有明顯的優(yōu)勢，其成功運用于矩形自浮動電連接器也為國內(nèi)高可靠、特殊用途連接器的接觸件設計提供了另一種選擇。

［1］ 童靖宇.空間冷焊效應及其防護技術研究［J］.航天器環(huán)境工程，2000，(1).

［2］ 劉新建.電連接器電接觸可靠性分析研究.華中科技大學碩士學位論文.2006.11.