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任公司,沈陽 110144)

研究與設計

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構組成、工作原理以及電連接器插合、分離時的扭矩要求。對斜齒端面鎖緊螺紋電連接器進行了受力分析，提出了產品最大連接扭矩、最小分離扭矩的計算方法。分析歸納了影響扭矩大小的相關因素，制定了相應的控制措施，從而達到有效控制產品扭矩大小的目的。

關鍵詞：鎖緊結構;電連接器;螺紋連接;扭矩計算;扭矩控制

1引言

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

防松斜齒在波紋彈簧彈力的作用下嚙合在一起，并通過斜齒阻力實現螺紋副的鎖緊防松。該結構具有結構形式簡單、裝配方便、工藝好、防松可靠性高等優點，結構如圖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　鎖緊結構圖Fig 1　Locking Structure

防松斜齒在波紋彈簧彈力的作用下嚙合在一起，并通過斜齒阻力實現螺紋副的鎖緊防松。該結構具有結構形式簡單、裝配方便、工藝好、防松可靠性高等優點，結構如圖1所示。

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

表1　產品扭矩要求(N·mm)

2受力分析及扭矩計算

2.1受力分析

為簡化計算，忽略螺紋副及齒面間的摩擦力，并假設螺紋副勻速緩慢對接。鎖緊防松結構的受力狀態如圖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　鎖緊結構受力分析圖Fig2　Force Analysis of Locking Structure

由防松結構的受力狀態可知：

Fi周連=Fi軸構·cotα

(1)

Mi連構=Fi周連·R=Fi軸構·cotα·R

(2)

=F軸構·cotα·R=F波·cotα·R

(3)

Fi調分=Fi軸構·cotβ

(4)

Mi分構=Fi周分·R=Fi軸構·cotβ·R

(5)

=F軸構·cotβ·R=F波·cotβ·R

(6)

式中，

Fi周連——連接時，防松墊圈第i個齒所受的防松機構波紋彈簧作用的周向力；

Fi周分——分離時，防松墊圈第i個齒所受的防松機構波紋彈簧作用的周向力；

Fi軸構——防松墊圈第i個齒所受的防松機構波紋彈簧作用的軸向力；

F軸構——防松墊圈受的防松機構波紋彈簧作用的總軸向力；

F波——防松機構波紋彈簧總壓縮彈力，

F波= F軸構；

Mi連構——連接時，防松墊圈第i個齒所受的防松機構波紋彈簧作用的周向扭矩；

Mi分構——分離時，防松墊圈第i個齒所受的防松機構波紋彈簧作用的周向扭矩；

M連構——連接時，防松墊圈所受的防松機構波紋彈簧作用的總周向扭矩；

M分構——分離時，防松墊圈所受的防松機構波紋彈簧作用的總周向扭矩；

n——防松墊圈或防松卡圈齒數；

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扭矩計算

為簡化計算，忽略摩擦阻力及孔位誤差阻力，可知：

M連=M連構+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，忽略分離時的所有阻力，僅考慮機構本身的防松扭矩，可知：

M分=M分構=F波·cotβ·R(11)

式中，

M連——連接時的總周向扭矩；

M分——分離時的總周向扭矩。

因此，為保證產品的最大連接扭矩及最小分離扭矩滿足規定要求，應滿足如下條件：

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，影響產品連接扭矩、分離扭矩的參數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格和數量[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，標準中對螺紋尺寸[4]、殼體彈簧爪力[4]、針孔接觸體規格及插合力[6]有明確的規定，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要求進行相應的計算和優化。

表3　接觸件最大插入力要求(N)

根據不同殼體號產品的結構尺寸、扭矩大小等要求，對相關參數進行了計算和優化，參數值及計算結果如表4、表5所示，經計算，扭矩滿足規定條件。

表4　參數值及計算結果

表5　參數值及計算結果

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]。實際控制過程中，為保證其力學性能滿足規定要求，通常采用極限彈力測試的方法對其彈力進行控制，步驟如下：

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

第二步，最小壓縮量時的彈力測試。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，應不小于F波設min(設計最小波紋彈簧力)；或當采用F波設min大小的重物壓縮波紋彈簧時，其高度應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

開口波紋彈簧應放置在規定尺寸的圓柱形檢具內進行彈力測量，否則，由于開口變形將導致彈力測量值偏小，進而容易導致實際產品對接力矩增大。

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。在實際加工中，齒端圓角及齒形角度偏差不可避免。因此，設計上規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取負差。生產過程控制中，每批零件應抽取一定數量的樣品對齒形進行嚴格檢測，確保實際齒形尺寸受控，如圖4所示。

(a)齒形要求圖

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

3.3扭矩控制

為保證扭矩滿足規定要求，產品出產驗收檢驗時，應對產品進行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，產品應送滿針孔接觸體；

(2)最小分離扭矩測試時，產品不裝針孔接觸體。

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

4結論

(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品使用操作性、連接可靠性的關鍵參數，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。設計時，應根據不同規格產品的扭矩要求及計算方法，對相關參數進行合理計算、優化，并確定相應參數值，以滿足生產過程控制的需要。

(2)產品加工、制造過程中，應采用彈力測試、投影檢測、扭矩測量等方法對波紋彈簧彈力、齒形角度、產品扭矩等參數進行過程控制，確保實際產品的扭矩滿足規定要求。

參考文獻：

[1]楊奮為.軍用電連接器的應用及發展[J].機電元件,2007,27(3):43-46.

[2]楊奮為.航天電連接器的選用[J].機電元件,2000,20(4):48.

[3]彭祥基. 圓形電連接器發展綜述[C].連接器與開關第八屆學術會議論文集. 貴州:貴州華烽電器有限責任公司,1999:111-115.

[4]GJB599A-93, 耐環境快速分離高密度小圓形電連接器總規范 [S].

[5]GJB1611-93, GJB599 耐環境快速分離高密度小圓形電連接器的絕緣安裝板接觸件孔位排列 [S].

[6]GJB1216-91, 電連接器接觸件總規范 [S].

[7]姜春英,李盈毅,趙淳宇,鄢文,汪家國,李勝.波形彈簧材料及其熱處理工藝選擇[J].鄭州紡織工學院學報,1996,7(3):15-20.

[8]左韓露,孫紅軍,梁文娟.電連接器中卡口式鎖緊機構的設計與計算[J].機電元件,2009,29(2):29-30.

收稿日期:2014-12-27

Doi:10.3969/j.issn.1000-6133.2015.01.002

中圖分類號：TN784

文獻標識碼：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