斜齒端面鎖緊螺紋電連接器扭矩控制方法研究

王德偉，青　春，張　文，朱　博

(沈陽興華航空電器有限責(zé)任公司,沈陽 110144)

研究與設(shè)計(jì)

斜齒端面鎖緊螺紋電連接器扭矩控制方法研究

王德偉，青春，張文，朱博

(沈陽興華航空電器有限責(zé)任公司,沈陽 110144)

摘要：文章介紹了斜齒端面鎖緊螺紋電連接器的鎖緊結(jié)構(gòu)組成、工作原理以及電連接器插合、分離時(shí)的扭矩要求。對斜齒端面鎖緊螺紋電連接器進(jìn)行了受力分析，提出了產(chǎn)品最大連接扭矩、最小分離扭矩的計(jì)算方法。分析歸納了影響扭矩大小的相關(guān)因素，制定了相應(yīng)的控制措施，從而達(dá)到有效控制產(chǎn)品扭矩大小的目的。

關(guān)鍵詞：鎖緊結(jié)構(gòu);電連接器;螺紋連接;扭矩計(jì)算;扭矩控制

1引言

螺紋連接是電連接器產(chǎn)品常用的連接方式，由于其加工工藝簡單，成本低，適用范圍廣，連接可靠，剛性好等優(yōu)點(diǎn)，而得到廣泛應(yīng)用，如ZH83723系列、GJB599 Ⅲ系列等[1-3]。在強(qiáng)振動(dòng)、沖擊場合，為了防止螺紋副松脫，結(jié)構(gòu)上常常增加防松鎖緊結(jié)構(gòu)。斜齒端面鎖緊結(jié)構(gòu)是應(yīng)用比較廣泛的一種，主要由連接螺帽、防松墊圈、防松卡圈及波紋彈簧組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

防松斜齒在波紋彈簧彈力的作用下嚙合在一起，并通過斜齒阻力實(shí)現(xiàn)螺紋副的鎖緊防松。該結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)形式簡單、裝配方便、工藝好、防松可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.連接螺帽 2.防松卡圈 3.防松墊圈 4.波紋彈簧圖1　鎖緊結(jié)構(gòu)圖Fig 1　Locking Structure

防松斜齒在波紋彈簧彈力的作用下嚙合在一起，并通過斜齒阻力實(shí)現(xiàn)螺紋副的鎖緊防松。該結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)形式簡單、裝配方便、工藝好、防松可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

電連接器在插合、分離過程中，為了保證使用時(shí)的操作性和連接時(shí)的鎖緊可靠性，對最大連接扭矩和最小分離扭矩有嚴(yán)格規(guī)定，不同殼體號產(chǎn)品的最大連接扭矩、最小分離扭矩的要求如表1所示[4]。在設(shè)計(jì)、制造過程中，需要對影響扭矩大小的因素、參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)的分析、計(jì)算及控制，從而保證產(chǎn)品扭矩滿足規(guī)定的性能要求。

表1　產(chǎn)品扭矩要求(N·mm)

2受力分析及扭矩計(jì)算

2.1受力分析

為簡化計(jì)算，忽略螺紋副及齒面間的摩擦力，并假設(shè)螺紋副勻速緩慢對接。鎖緊防松結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)如圖2所示。

(a)斜齒受力分析圖

(b)螺紋受力分析圖

(c)連接扭矩分析圖

(d)分離扭矩分析圖圖2　鎖緊結(jié)構(gòu)受力分析圖Fig2　Force Analysis of Locking Structure

由防松結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)可知：

Fi周連=Fi軸構(gòu)·cotα

(1)

Mi連構(gòu)=Fi周連·R=Fi軸構(gòu)·cotα·R

(2)

=F軸構(gòu)·cotα·R=F波·cotα·R

(3)

Fi調(diào)分=Fi軸構(gòu)·cotβ

(4)

Mi分構(gòu)=Fi周分·R=Fi軸構(gòu)·cotβ·R

(5)

=F軸構(gòu)·cotβ·R=F波·cotβ·R

(6)

式中，

Fi周連——連接時(shí)，防松墊圈第i個(gè)齒所受的防松機(jī)構(gòu)波紋彈簧作用的周向力；

Fi周分——分離時(shí)，防松墊圈第i個(gè)齒所受的防松機(jī)構(gòu)波紋彈簧作用的周向力；

Fi軸構(gòu)——防松墊圈第i個(gè)齒所受的防松機(jī)構(gòu)波紋彈簧作用的軸向力；

F軸構(gòu)——防松墊圈受的防松機(jī)構(gòu)波紋彈簧作用的總軸向力；

F波——防松機(jī)構(gòu)波紋彈簧總壓縮彈力，

F波= F軸構(gòu)；

Mi連構(gòu)——連接時(shí)，防松墊圈第i個(gè)齒所受的防松機(jī)構(gòu)波紋彈簧作用的周向扭矩；

Mi分構(gòu)——分離時(shí)，防松墊圈第i個(gè)齒所受的防松機(jī)構(gòu)波紋彈簧作用的周向扭矩；

M連構(gòu)——連接時(shí)，防松墊圈所受的防松機(jī)構(gòu)波紋彈簧作用的總周向扭矩；

M分構(gòu)——分離時(shí)，防松墊圈所受的防松機(jī)構(gòu)波紋彈簧作用的總周向扭矩；

n——防松墊圈或防松卡圈齒數(shù)；

R——防松墊圈防松齒半徑；

α——分離方向齒形夾角；

β——連接方向齒形夾角。

F周螺=F軸螺·tanφ

(7)

F軸螺=F爪+F合接

(8)

M周螺=F周螺·R螺中=F軸螺·tanφ·R螺中

=(F爪+F合接)·tanφ·R螺中

(9)

其中，

F周螺——連接螺帽螺紋受插合阻力作用的總周向力；

F軸螺——連接螺帽螺紋受插合阻力作用的總軸向力；

F爪——電連接器彈簧爪力；

F合接——電連接器所有接觸體總插合力；

M周螺——連接螺帽螺紋受的插合阻力作用的總周向扭矩；

φ——螺紋升角；

R螺中——連接螺帽螺紋中徑半徑。

2.2扭矩計(jì)算

為簡化計(jì)算，忽略摩擦阻力及孔位誤差阻力，可知：

M連=M連構(gòu)+M周螺

=F波·cotα·R+(F爪+F合接)·tanφ·R螺中

(10)

為提高防松可靠性，忽略分離時(shí)的所有阻力，僅考慮機(jī)構(gòu)本身的防松扭矩，可知：

M分=M分構(gòu)=F波·cotβ·R(11)

式中，

M連——連接時(shí)的總周向扭矩；

M分——分離時(shí)的總周向扭矩。

因此，為保證產(chǎn)品的最大連接扭矩及最小分離扭矩滿足規(guī)定要求，應(yīng)滿足如下條件：

M連=F波·cotα·R

+(F爪+F合接)·tanφ·R螺中≤M連max

(12)

M分=F波·cotβ·R≥M分max

(13)

(14)

綜上所述，影響產(chǎn)品連接扭矩、分離扭矩的參數(shù)主要包括波紋彈簧彈力、螺紋半徑及升角、殼體彈簧爪力、針孔接觸體插合力(主要由孔組排列類別決定，每種孔組排列具有固定的接觸體規(guī)格和數(shù)量[5])及防松墊圈齒形及半徑。為滿足電接觸性能、屏蔽性能、接口互換、信號分配等要求，標(biāo)準(zhǔn)中對螺紋尺寸[4]、殼體彈簧爪力[4]、針孔接觸體規(guī)格及插合力[6]有明確的規(guī)定，如表2～表3所示。而波紋彈簧彈力、防松墊圈/防松卡圈斜齒半徑及齒形角度需要根據(jù)要求進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算和優(yōu)化。

表3　接觸件最大插入力要求(N)

根據(jù)不同殼體號產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)尺寸、扭矩大小等要求，對相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算和優(yōu)化，參數(shù)值及計(jì)算結(jié)果如表4、表5所示，經(jīng)計(jì)算，扭矩滿足規(guī)定條件。

表4　參數(shù)值及計(jì)算結(jié)果

表5　參數(shù)值及計(jì)算結(jié)果

3扭矩控制措施

3.1波紋彈簧彈力控制

波紋彈簧為異形彈性件，其力學(xué)性能受材料種類、熱處理工藝方法、尺寸等因素綜合影響[7-8]。實(shí)際控制過程中，為保證其力學(xué)性能滿足規(guī)定要求，通常采用極限彈力測試的方法對其彈力進(jìn)行控制，步驟如下：

第一步，極限壓縮量預(yù)壓處理。將波紋彈簧壓縮至最低工作高度(即最大壓縮量)，然后恢復(fù)；

第二步，最小壓縮量時(shí)的彈力測試。將波紋彈簧壓縮至最大工作高度(即最小壓縮量)，并測試彈力大小，應(yīng)不小于F波設(shè)min(設(shè)計(jì)最小波紋彈簧力)；或當(dāng)采用F波設(shè)min大小的重物壓縮波紋彈簧時(shí)，其高度應(yīng)不小于最大工作高度。

圖3　波紋彈簧彈力檢測裝置示意圖Fig 3　Wave-shaped Spring Force Test device

開口波紋彈簧應(yīng)放置在規(guī)定尺寸的圓柱形檢具內(nèi)進(jìn)行彈力測量，否則，由于開口變形將導(dǎo)致彈力測量值偏小，進(jìn)而容易導(dǎo)致實(shí)際產(chǎn)品對接力矩增大。

3.2齒形控制

防松卡圈、防松墊圈的防松齒形(尖端圓角及齒形角度)直接影響扭矩大小。在實(shí)際加工中，齒端圓角及齒形角度偏差不可避免。因此，設(shè)計(jì)上規(guī)定齒形圓角的最大值為R0.05max，齒形分離方向齒形角α取正差，連接方向齒形角β取負(fù)差。生產(chǎn)過程控制中，每批零件應(yīng)抽取一定數(shù)量的樣品對齒形進(jìn)行嚴(yán)格檢測，確保實(shí)際齒形尺寸受控，如圖4所示。

(a)齒形要求圖

(b)三坐標(biāo)投影齒形檢測圖圖4　齒形要求及投影檢測圖Fig 3　Shape Requirements and Projection Detection

3.3扭矩控制

為保證扭矩滿足規(guī)定要求，產(chǎn)品出產(chǎn)驗(yàn)收檢驗(yàn)時(shí)，應(yīng)對產(chǎn)品進(jìn)行100%的連接扭矩、分離扭矩檢測，如圖5所示，并采用如下控制方法：

(1)最大連接扭矩測試時(shí)，產(chǎn)品應(yīng)送滿針孔接觸體；

(2)最小分離扭矩測試時(shí)，產(chǎn)品不裝針孔接觸體。

圖5　扭矩檢測設(shè)備及檢測過程圖Fig 4　Torque Test Equipment and Measure Process

4結(jié)論

(1)斜齒端面鎖緊螺紋電連接器的最大連接扭矩和最小分離扭矩是影響產(chǎn)品使用操作性、連接可靠性的關(guān)鍵參數(shù)，其大小主要受波紋彈簧彈力、防松齒半徑及齒形角度等因素的影響。設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)不同規(guī)格產(chǎn)品的扭矩要求及計(jì)算方法，對相關(guān)參數(shù)進(jìn)行合理計(jì)算、優(yōu)化，并確定相應(yīng)參數(shù)值，以滿足生產(chǎn)過程控制的需要。

(2)產(chǎn)品加工、制造過程中，應(yīng)采用彈力測試、投影檢測、扭矩測量等方法對波紋彈簧彈力、齒形角度、產(chǎn)品扭矩等參數(shù)進(jìn)行過程控制，確保實(shí)際產(chǎn)品的扭矩滿足規(guī)定要求。

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收稿日期:2014-12-27

Doi:10.3969/j.issn.1000-6133.2015.01.002

中圖分類號：TN784

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1000-6133(2015)01-0006-05

The Research on Torque Control Method of Threaded-coupling
Electrical Connectors Locked by Oblique Teeth

WANG De-wei, QING Chun, ZHANG Wen, Zhu Bo

(Shenyang Xinghua Aviation Electrical Co., Ltd, Shenyang 110144, China)

Abstract：The paper introduces the constituent parts and the working principle of the locking structure of the threaded -coupling electrical connectors locked by oblique teeth, and summarizes the mating and unmating torque requirement of the connectors, gives the calculational method of the maximum engagement and the minimum disengagement torque on the basis of the force analysis of the product. The paper also analyzes and summarizes the relative factors of the coupling torque, and makes corresponding control measures in order to control the magnitude of the coupling torque effectively.

Keywords：locking structure, electrical connector, threaded coupling, torque calculation, torque control