1、学木论 x l lll E 文章编号：10098119(2007)050O4404 ， 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 摘要线簧插孔一直是电连接器生产企业大力推荐的一种插孔结构。介绍了其结构特点、设计时的力学假 设、接触电阻及在实际使用中的电流密度集中点，析了簧插孔的可靠性。 关键词 线簧孔，力学分析，接触电阻，电流密度可靠性 线簧孔是法国FRB公司的专利产品，早在1974年， 我国已开始线簧孔的生产。一般认为线簧孔接触件具 有接触电阻小、插拔力小、寿命长等优点，也有观点 认为其可靠性甚高，失效率低于10一s10 。 目前国内主要的电连接器产品多数采用闭口悬 臂梁外加保护套的插孔(或称
2、片簧式插孔)，在航空工 业的苏式飞机米格及苏一27、苏一30上完全采用此结构。 虽然，美国军用标准MILC一5015、MILC一26482、 MILC一26500、MILC一83723、MILC一38999也一直采 用闭口式插孔，但从未将线簧孔纳入美国军用标准。 既然线簧孔有诸多的优点，为什么美国圆形电连接器 未加以选用并纳入规范呢 笔者带着这样的问题，较 详细地对线簧孔进行了研究和分析，提出些看法供 探讨。 1 当前使用的三种主要插孔 (1)开口式带保护套的插孔 这是当前美国常用规范唯一采用的一种插孔形式， 保护套是为了防止较大直径的插针或表笔误插入插孔 内，而使插孔接触部分变形导致并影响插
3、孔的接触可 靠。在美军标MILC一39029中，对于接触形式，插针的 形式和尺寸、插孔的插拔力、压接后的接触电阻，以 及接触偶应经受的各种试验均有明确的规定。这种插 孔加工简单，安全可靠。图1为带保护套插孔的结构。 (2)双曲线插孔(线簧孔) 在20世gB90年代初，线簧孔主要是供给通讯兵部 图1带保护套插孔结构图 0军民两用技术与产品20075 女 i ： l ： 和邮电通讯行业，反映不一。进入2l世纪，线簧孔希 望进入航空航天领域，并开展美国MILC一38999系列产 品采用线簧孔的工作。图2为线簧孔的装配结构图。 一 镀青铜镗 前套 内套广一旦奎一 图2线簧孔装配结构图 (3)冠黄孔 冠
4、簧孔最早始于美国ELCON公司的矩形电源连接 器。该插孔头部外套收口可防止大尺寸物件进入而保 护插孔，同时具有线簧孔插拔力小、寿命长的优点。 其结构较线簧孔简单，制造工艺相对容易。同时，局 部通电的薄弱尺寸得到改进而在偶然性的电弧下能可 靠地保护自己。其装配如图3所示。 图3冠簧孔装配结构图 2线簧孔的工作原理 线簧孔是利用一个回转的单向母线(沿圆周均匀 分布)作为插孔接触件的模型，直母线采用弹性金属 丝，这些弹性金属丝在固定的内套上形成一个两端大、 中间小的包络面，如图4所示。 喉圆 图4线簧孔包络面结构图 当插针接触件插入时，由于插针外径大于喉圆尺 寸，所以，插针将弹性金属丝撑开而被包络。
5、这样构 成了多根的丝接触，包络过程见图5。 图5包络过程图 线簧孔接触件的结构有两种，一种是由整体外套 构成，见图6(a)；另一种是由两体外套(前、后)构 成，见图6(b)。 铍青铜丝 内套 整体式外套 图6(a)整体外套线簧孔示意图 图6(b)两体外套线簧孔示意图 国内生产线簧孔的厂家大多采用手工工艺装配， 其装配工艺在此不作表述。 3线簧孔的喉圆 当线簧丝的上端点固定，线簧丝下端沿内套下圆 周运动时， 当13=ol3,-3，Le=L；则喉圆Db=Da一2d为喉圆最大值： 拦 1 删 学本论文 设：D：插针直径 Da：内套的内径 Db：线簧的喉圆直径 L：内套的长度 ：线簧丝长度 d：线簧丝
6、直径 图7计算线簧孔实际喉圆尺寸 当线簧丝沿圆周运动到c点，JDb=0。 由此，可以求出Db的运动方程式： LxyL=tg Lxy=Ltg3其喉圆Db(不计线簧丝直径d) 为： (Db2)2+(Lxy2)(Da2) Db=rDa2_L2tg213) Db是双曲线正切函数，故简称双曲线函数。 当考虑到金属丝直径d时。实际喉圆尺寸： Db=(Da2_L2tg213) -2d 插针插入线簧孔内时，弹性金属丝的受力变形如 图8所示。 椭圆短轴：b=D2 椭圆长轴：a=D2Sin3 图8弹性金属丝的受力变形 P1 P2 I P3 P4 f l l l f 图9计算线簧的单孔力 当喉圆、插针直径、金属丝的
7、挠度已知时。则可 进行金属丝的许用应力8的计算及金属丝所受弯曲力P 的计算。同时，考虑到摩擦系数就可算出线簧孔的单 孔力。 4关于线簧孔几个问题的讨论 线簧孔的力学分析是非常重要的。它是线簧孔设 计的基础。为使问题简化，假设如下： 2 5军民两用技术与产品0 学木论文 IXUESHULI；N。 假设弹性金属丝在内套中分布是均匀的，且金 属丝在孔内呈直线状态，丝在内套边缘弯曲处已呈屈 服状态： 假设插针插入插孔时是完全同心的，即每一根 弹性金属丝所受的径向力一致，产生形变一致，变形 后的弹性金属丝仍然处于同一平面内； 弹性金属丝的变形由中心向两端是对称的； 弹性金属丝当温度变化时，引起的温度应力
8、可 忽略不计； 插孔由于装配因素影响，引起的装配应力也可 忽略不计； 假设插针是刚体，弹性金属丝是弹性体，符合 弹性力学中的一般假说。 以上假设中除第条可以取得共识外，其余五条 在实际生产和使用过程中都与假设存在很大程度的区 别，以下将逐一加以分析。 (1)线簧孔电接触中存在着危险断面 当针孔接触时电流由插针通过金属丝流向c、D所 代表的内套，此时Ac段与BD段则存在着s点电流密度 最高的断面，见图10。 S 图1O S点电流密度最高的断面 线簧孔的金属丝与插针接触的AB段及金属丝与内 套接触的C、D点具有一定的导热能力，而S点则是散热 最困难的部位，s点是插针最先接触的点，也是最后电 流断开
9、的点。 以巾10线簧孔为例，巾10线簧孔额定电流为5A， 是由6根 015mm的铍青铜丝承载，其s点的电流密度 为J， Jl=(52)(6x015 xrr+4)=236 Amm 对4,10片簧孔而言， 其截面积S=(1642xIx)4一(106 订)42 03 X r164106)2=1036mm 电流密度Jr=51036=482 Amm JIJ2=236482 5(倍) 0军民两用技术与产品20075 图ll 10线簧孔截面积 在航空航天产品中不存在电连接器带电插拔的问 题，但在地面进行用电设备检查、测试、维护、修理 过程中，则难以避免电连接器带电插拔现象的发生。 有时操作人员并不知道连接器
10、是否处于通电状态，这 样，在电连接器插合和分离的过程中就会产生电弧。 而这种电弧对于本来电流密度就很高的线簧孔影响特 别严重，能使金属丝发生烧断现象。这是非常危险的， 因为金属丝烧断后，从连接器外面难以发现，这就给 以后的使用带来了潜在的不能允许的隐患。 在实际的使用特别是在电源系统的使用中，发生 过线簧孔金属丝烧断的现象。 (2)线簧孔的接触电阻 首先，接触电阻的计算应包含两部分，即接触电 阻是由收缩电阻和膜电阻两部分组成，其理论公式为： RJ=p2nRp+onnR2p (1) 式中 R1：接触电阻 P：接触材料的电阻率 13“：膜电阻的电阻率 n：接触点个数(导电斑点) R。：接触点的平均
11、半径 P、13“可以查出，但n和Rp是难以确定的。经过努 力，在理论公式(1)的基础上又提出公式： RJ=K(0102F) (2) 式中 RJ：接触电阻 F：接触力(N用牛顿表示) K：接触t-tr料p、H(材料硬度)的函数 m：接触表面在F下变形的情况 公式(2)较(1)有了很大的改善，但在计算中发 现，m在051之间对于“接触 是大致粗略的人为确定。 而K值在接触材料氧化与未氧化时变化很大，而且同一 材料接触时数据跨度也较大。如铜一铜接触K值为80 140，选择之后也是有很大的人为痕迹。F接触力值也是 难以确定的。因而，与理论计算的可靠性相差较大。作 为相同结构进行比较是可以的，但对于采用
12、不同结构的 接触件，通过计算说明哪种结构更好则难以取得共识。 笔者认为，比较同一直径结构不同接触偶接触电 阻最好的办法，是在同一环境条件下、用同一试验方 法进行实际比较。取片簧孔、线簧孔、冠簧孔用电压 降法测定压降并计算其接触电阻(按MILC一1344 30041方法进行)，数量各20件，其结果如下：片簧孔 0001251；线簧孔00021；冠簧孔000251。 对于这一结果，笔者认为大致是合理的，因为线 簧孔除与插针所产生的接触电阻外，还有两处压接点 的电阻，而冠簧孔接触大于线簧孔也是合理的。 (3)不同插入深度的影响 试验中发现，片簧孔对插针插入的深度影响是不 大的，而冠簧和线簧影响则较大
13、。这与线簧孔力学分 析中“弹性金属丝的变形由中点向两端是对称的”假 设是相关联的。 将线簧孔初插(插入深度较少)、插到中部、插到 底部，其接触电阻最大可能有30的差值。不进行接 触长度尺寸链计算是不能清楚插针插孔的具体接触情 况的。应当注意的是，38999 I、系列要求防斜 插，因而插针不是随意可变动长度的，当没见到尺寸 链计算就认为。弹性金属丝的变形由中点向两端是对 称的”可能有误。 (4)插针插入插孔时的同心度 无论设计者及制造者做出多大的努力也不能改变 壳体的不同心，绝缘体的不同心，孔位偏差所造成的 针、孔的不同心。38999标准规定对于插针位置偏移应 在06mm的圆内；而插孔位置偏移应
14、在直径为038ram的 圆内。由于这种不同心使每一根弹性金属丝所受的力 是不一致的，因而，金属丝的形变也不会是一致的， 求得一致是难以达到的。 (5)装配的影响不容忽视 FRB公司重要的专利技术之一就是在装配过程中 保证金属丝始终受有拉紧力，保持金属丝在孔内呈 。直线状态”。鉴于此，一切计算都是正确的。然而， 不容忽视的是在装配中由于不同心、椭圆等原因。不 能够保证。每一根金属丝所受的力”都是相等的。因 而金属丝不是直线而是稍带弧线并向下垂，因此有人 称为下垂双曲线。由于缺乏必要的手段。这种下垂是 测不出的，一般制造厂认为，这种情况不影响使用， 但这一点确实改变了假设及插针接触点的受力状态，
15、这也是线簧孔生产中不容忽视的问题。 (6)温度应力的影响 线簧孔必须承受温度从一55C200C的 中击在此 x 1 l| 学木论文 温度范围内，弹性金属丝有较大的变化，但总的数值 影响是较小的。 (7)对失效率的质疑 据称，线簧孔的失效率低于10 10 。国外对失效 率是极为重视的，电连接器从针孔、绝缘体等零件投 入研制起，要做零件的可靠性试验，而成品更要做可 靠性试验以计算其失效率。 当看到有资料介绍线簧孔的失效率达到10一10 时是令人兴奋的，但这种连接器失效率试验需拿出1 万个产品做1万个小时的试验，不出现故障或只有一 件失效。 另外，要规定一个施加失效率应力试验的程序。 否则，由于试验
16、方法不确定，失效率会有很大出入。 也就是说，由于施加应力的不同，失效率的数值也会 有相应变化。由此可以推断，线簧孔电连接器可靠性 试验的失效率是一个统计值。 (8)线簧孔尺寸的影响及取送时的受力情况 由于结构的原因，以qb10为例，线簧孔的最大外圆 尺寸大于带护套片簧插孔的外圆。这在连接器芯谱排 布时，线簧孔明显处于劣势，对于标准规定的芯谱 (如孔间距为33)，如将片簧孔替换为线簧孔，为保证 其相应的绝缘电阻、耐电压及其它性能指标。还有许 多必须解决的问题。 苫 。宁 In 号 号 图12线簧孔尺寸影响及受力情况 5结束语 经进一步消化理解美国军用规范关于圆形电连接 器的论述，结合国内外地面设备和航空、航天系统选 用圆形电连接器的现状。以及对相关用户的走访调 研，基本上能够了解线簧孔的基本性能和它在航空航 天系统上使用受阻的原因。因此，可靠性始终是连接 器设计fON造过程中首当其 中的关键，更是使用中的 首要要素。 2007“5军民两用技术与产品0
