新型浮動式矩形電連接器的研究

呂 洋 謝清玲 管楊杰

(1.西安電子工程研究所 西安 710100;2.貴州航天電器股份有限公司 貴陽 550009)

0 引言

目前電子設備向高密度、小型化不斷發(fā)展，具有插拔功能的電路模塊上使用浮動式矩形電連接器越來越廣泛。為了使浮動式矩形電連接器既具有浮動功能，又具有電磁屏蔽功能，將導電密封襯墊安裝在插件盒體安裝壁與插頭法蘭盤之間，利用浮動套與法蘭盤之間的間隙，解決浮動式矩形電連接器電磁屏蔽與浮動之間矛盾。

1 浮動式矩形電連接器結(jié)構(gòu)簡介

浮動式矩形電連接器由插座、插頭和導電密封襯墊組成。插頭和插座各有矩形法蘭盤、插合端口與伸入端口。插頭法蘭盤裝有導向柱和浮動套，插座法蘭盤安裝導向套。浮動式矩形電連接器結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。

圖1 浮動式矩形電連接器結(jié)構(gòu)示意圖

浮動套設計成階梯形的環(huán)槽套筒結(jié)構(gòu)。把插頭伸入端一側(cè)的軸肩稱為浮動套伸入段，另一側(cè)的軸肩稱為浮動套限位段，中間段稱作環(huán)槽段。為了使浮動式矩形電連接器具有浮動功能，軸肩端面與法蘭盤端面之間存在軸向間隙tzjx，環(huán)槽段的外徑與法蘭盤安裝孔中間存在徑向間隙tjjx。浮動套在法蘭盤上安裝結(jié)構(gòu)示意圖見圖2。

圖2 浮動套在法蘭盤上安裝結(jié)構(gòu)示意圖

常見的浮動式矩形電連接器的導電密封襯墊安裝在插件盒體安裝壁與浮動套伸入段外端面之間，通過擰緊螺釘使浮動套緊壓導電密封襯墊。常見的浮動式矩形電連接器插頭安裝示意圖見圖3。

圖3 常見浮動式矩形電連接器

從圖3 可看出，常見的浮動式矩形電連接器存在下面幾點不足:

a.擰緊螺釘時，浮動套對導電密封襯墊施加壓力。因受壓面積小，導電密封襯墊無壓區(qū)易出現(xiàn)翹曲或扭曲現(xiàn)象以致連接處出現(xiàn)縫隙;

b.因無限位裝置，導電密封襯墊壓縮量無法控制，連接處有可能出現(xiàn)縫隙;

c.導電密封襯墊局部(受壓區(qū))有可能發(fā)生壓縮性永久變形。當插頭拆裝或者替換時就會留下縫隙。

為避免常見浮動式矩形電連接器結(jié)構(gòu)不足，需尋求新的浮動式矩形電連接器結(jié)構(gòu)。

2 新型浮動式矩形電連接器結(jié)構(gòu)

為了避免電磁波穿過縫隙或間隙而造成干擾，同時又能利用橡膠墊的彈性保證其浮動性，結(jié)構(gòu)設計時，遵循如下設計思路:

a.將導電密封襯墊安裝在插件盒體安裝壁與插頭法蘭盤中間。新型浮動式矩形電連接器插頭安裝示意圖見圖4。

圖4 新型浮動式矩形電連接器

b.為滿足電磁屏蔽要求，導電密封襯墊(平墊)最小壓縮量應控制在5%以上〔1〕。這就要求新型浮動式矩形電連接器的插合力F插合大于導電密封襯墊被壓縮5%時所需的力F5%，即:

c.導電密封襯墊(平墊)最佳壓縮量為15%～18%〔1〕。如果浮動套伸入段之寬度用n 表示，導電密封襯墊被壓縮15%和18%時的厚度分別用δ15%和δ18%表示，則設計時，取浮動套伸入段的最小寬度nmin等于δ18%，浮動套伸入段的最大寬度nmax等于δ15%。若插件推力大于導電密封襯墊被壓縮15%時所需的力F15%，則導電密封襯墊處于最佳壓縮狀態(tài)。

d.導向裝置引導電連接器對接時，為了使插頭具有浮動功能，取軸向間隙tzjx等于導電密封襯墊自由狀態(tài)時的厚度δ墊與浮動套伸入段最小寬度nmin之差，即:tzjx=δ墊-nmin=δ墊-δ18%

按照這個設計思路設計的新型浮動式矩形電連接器具有如下特點:

a.導電密封襯墊與法蘭盤間為面接觸，導電密封襯墊壓縮量控制在5%以上，電磁屏蔽效果好;

b.若插件推力F推大于導電密封襯墊被壓縮15%時所需的壓力F15%，導電密封襯墊將處于最佳壓縮狀態(tài)，同時因浮動套伸入段限位，導電密封襯墊不會出現(xiàn)永久性壓縮變形;

c.因存在軸向間隙tzjx，導電密封襯墊與法蘭盤間雖是面接觸，但插合端口對接時，插頭仍具有浮動功能。

3 設計實例

以新型浮動式矩形電連接器J29C2-15TJ 為例進行分析與設計。

3.1 導電密封襯墊材料的選取

選擇導電密封襯墊時要考慮四個因素:屏蔽效能要求、有無環(huán)境密封要求、安裝結(jié)構(gòu)要求和成本要求〔2〕。導電橡膠可提供較大范圍的衰減量，并可提供環(huán)境和潮汽密封，適用于屏蔽效能要求較高的電子設備。摻入金屬粒子的橡膠可經(jīng)擠出或模壓成多種形狀和剖面〔3〕。設計時，選用其制作導電密封襯墊。

在相對變形不超過15%的情況下，導電橡膠材料在壓力作用下，壓力與變形關系近似地用下式表示:

式中:F 為壓力(kg);E 為彈性模數(shù)(kg/cm2);S 為受壓面積(cm2)為相對變形。

在小應變時，彈性模數(shù)E 與剪切彈性模數(shù)G 的關系:

導電橡膠材料的剪切彈性模數(shù)G，主要取決于導電橡膠材料的硬度，不因種類或成分的不同有明顯的變化〔4〕。在實用范圍內(nèi)，剪切彈性模數(shù)G 和肖氏硬度HS 的關系可用下面公式計算:

新型浮動式矩形電連接器接觸件的插入力與分離力見表1。

表1 新型浮動式矩形電連接器接觸件的插入力與分離力

由于加工誤差的存在，電連接器插拔力F插合可按下式計算:

式中:m 為接觸件數(shù)，解得:F插合≥20.925N。

為滿足電磁屏蔽要求，導電密封襯墊被壓縮5% 時的壓力F5%取:

新型浮動式矩形電連接器J29C2-15TJ 導電密封襯墊的尺寸見圖5。

圖5 新型浮動式矩形電連接器J29C2-15TJ導電密封襯墊的尺寸

根據(jù)導電密封襯墊尺寸求得受壓面積:S≈2.28cm2

由(1)～(3)式，解得:HS≈48.7

設計時，可選用肖氏硬度HS 為45～50 的導電橡膠材料，例如Rogers 公司生產(chǎn)的BISCO EC-2000系列硅酮〔5〕制作導電密封襯墊。

3.2 浮動套伸入段寬度和軸向間隙的確定

設計時，導電密封襯墊自由狀態(tài)時的厚度δ墊取2mm。根據(jù)新型浮動式矩形電連接器結(jié)構(gòu)設計思路確定的浮動套伸入段寬度和軸向間隙見圖6。

圖6 浮動套伸入段寬度和軸向間隙

4 結(jié)束語

新型浮動式矩形電連接器應用于某直升機載毫米波雷達干擾吊艙上。該吊艙已順利通過S 樣機環(huán)境適應性試驗、電磁兼容試驗和武裝直升機上飛行試驗，試驗結(jié)果表明:按照本文設計思路設計的新型浮動式矩形電連接器具有浮動功能和電磁屏蔽功能。

［1］馬驂.導電密封襯墊的設計以及環(huán)境適應性設計要求［OL］.百度文庫.

［2］郭顏萍.電磁屏蔽技術在電子設備中的應用［J］.山東科學，2005，(5) ：48～51.

［3］Ray Borgersen.如何正確地選擇電磁屏蔽襯墊［J］.安全與電磁兼容，2001，(1) ：29-31.

［4］機械設計手冊，中冊，第二版(修訂) ［M］.北京：化學工業(yè)出版社，1987：1061～1068.

［5］Cynthia N.Kiss.EMI/RFI 屏蔽密封解決方案［J］.電子產(chǎn)品世界，2003，(18) ：49-50.