一種自短路保護連接器的結(jié)構(gòu)設(shè)計

， ，

(國營第一一七廠，沈陽，110144)

1 引言

隨著國家工業(yè)化發(fā)展進程大踏步的前進，工業(yè)4.0制造時代的來臨，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行工控，而大量芯片使用的同時，設(shè)備間的電器連接也提出了避免連接過程中因為誤操作或靜電等對設(shè)備內(nèi)芯片的保護要求，自短路連接器也應(yīng)運而生。

本自短路保護連接器結(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功能，連接器在未進行對接的情況下，具有保護功能的插孔接觸件處于短路狀態(tài)，可以防止外部靜電、游離電子對敏感設(shè)備的損傷，對接后相應(yīng)短路鏈路斷開，形成獨立連通的電路，傳輸相應(yīng)的電信號。該自短路保護連接器機構(gòu)其具有體積小、重量輕、精度高、結(jié)構(gòu)簡單實用等特點。

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)相對比較簡單，主要是單個接觸件與殼體之間實現(xiàn)短路即可，而多芯自短路連接器的結(jié)構(gòu)相對比較復(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行短路設(shè)計，以上兩種是現(xiàn)在市面上常見的自短路連接器，而本文介紹的一種自短路保護連接器結(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，即部分電信號間需要進行短路處理，其余接觸件不需要，本結(jié)構(gòu)通過對相關(guān)技術(shù)指標(biāo)的要求剖析，著重針對自短路連接器結(jié)構(gòu)設(shè)計過程及設(shè)計要點進行了詳細分析，為自短路連接器結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考。

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)合國內(nèi)某型號武器系統(tǒng)的使用要求進行設(shè)計的，同時針對以往自短路連接器結(jié)構(gòu)、材料、功能等進行分析、消化，再認真分析本次要求進行結(jié)構(gòu)改進。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,觸點電流：2A，長期使用溫度：≤90℃，其中要求86～117點共32芯兩兩短路，但不要求接地，其余為正常點接觸件。

2.2 自短路結(jié)構(gòu)設(shè)計

通過對該自短路連接器的使用環(huán)境、技術(shù)要求等進行分析研究，對自短路連接器的使用原理、功能特性等進行消化，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，通過孔前絕緣體與插孔后絕緣體的相應(yīng)定位臺來固定，具體結(jié)構(gòu)如下圖所示。

圖1 一種自短路保護連接器結(jié)構(gòu)

未對接的情況下接地插孔通過特殊的接地結(jié)構(gòu)與觸頭接觸形成短路，觸頭通過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)連接器對接時，對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，同時將短路的對應(yīng)端短接插孔斷開，繼續(xù)對接后，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，同時不要求接地，故在設(shè)計時將連接器插孔絕緣體采用分腔獨立腔體設(shè)計，避免與其余接觸件間耐壓擊穿現(xiàn)象，同時在兩個接觸件腔體間設(shè)計斷路固定插針對接孔腔，當(dāng)連接器對接過程中，斷路固定插針先于電信號插針進入孔前絕緣體內(nèi)推動觸頭后退，具體結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 短接絕緣體孔腔設(shè)計

接地插孔采用，帶角度接地設(shè)計，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)，圓盤采用防轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，可與插孔前絕緣體內(nèi)獨立孔腔配合實現(xiàn)防轉(zhuǎn)功能，保證短路插孔的良好接觸。具體見圖4。

圖4 插孔結(jié)構(gòu)設(shè)計

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)，與兩個短路插孔的帶角度斜面通過尾部彈簧的壓力進行短接，形成回路結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)兩個短路插孔的短接功能，具體結(jié)構(gòu)見圖5。

圖4 插孔結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.3 自短路連接器的工藝與材料

2.3.1 材料的優(yōu)選

由于信號在傳輸過程中，銅無論是在電阻率、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、鎖緊螺母采用機械加工工藝進行生產(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械加工工藝進行生產(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、球面觸頭采用機械加工工藝進行生產(chǎn)加工，材料選用錫青銅線 QSn6.5-0.1 GB/T 21652-2008。

彈簧采用機械繞制，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、接觸電阻的計算

2.4.1 介質(zhì)耐壓計算

該產(chǎn)品要求正常條件下耐電壓2500V，現(xiàn)對產(chǎn)品的介質(zhì)耐壓進行設(shè)計計算以驗證能否此項技術(shù)指標(biāo)，計算內(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)計上保證接觸件間有足夠的絕緣介質(zhì)厚度，通過設(shè)計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)介電強度；

絕緣體材料選用耐高溫環(huán)氧模塑料MT，其介電強度為E=15KV/mm,用戶要求耐電壓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)厚度實際為：

L最小=0.55mm>L=0.166mm，能夠滿足介質(zhì)耐壓要求

2.4.2 絕緣電阻計算

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

通過上述公式可以計算出體積絕緣電阻R1,R2,分別計算兩個網(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:長度

W:寬度

依據(jù)圖7的網(wǎng)格劃分，可以分別計算兩種形狀的網(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

通過上述計算可以分別得表面絕緣電阻、體積絕緣電阻，其值完全能夠滿足使用要求。

2.4.3 接觸電阻的計算

電接觸形式可分為點接觸、線接觸、面接觸三種，本文中觸頭與插孔的接觸屬于點接觸的形式，詳見圖8。故用常用的接觸電阻公式進行計算。

圖8 觸頭與插孔點接觸形式

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

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

通過上述計算可以確認接觸電阻完全能夠滿足使用要求。

3 結(jié)論

通過對以上自短路連接器的結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料選擇、介質(zhì)耐壓、絕緣電阻、接觸電阻計算等，可以驗證該自短路連接器的結(jié)構(gòu)設(shè)計符合預(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)過試驗提供用戶使用。通過本次成功的結(jié)構(gòu)設(shè)計、設(shè)計計算、材料選擇等，完成了該自短路連接器的設(shè)計，為以后自短路連接器的設(shè)計提供參考。