高低頻混裝連接器的結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能研究

劉 靈

綜述·專稿

高低頻混裝連接器的結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能研究

劉 靈

（貴州航天電器股份有限公司，貴陽(yáng) 550009）

概述了高低頻混裝連接器的發(fā)展趨勢(shì)，指明了其集成度受插拔力的制約。從連接器的安裝、接觸件的固定以及接觸件開(kāi)槽結(jié)構(gòu)等方面分析，結(jié)合力學(xué)，總結(jié)了影響連接器整體插拔力的因素和降低插拔力的方法。為連接器的高度集成化，提供了設(shè)計(jì)思路。

高低頻混裝連接器；結(jié)構(gòu)；盲插；插拔力

1 引言

隨著通信技術(shù)的迅速發(fā)展，電子設(shè)備及系統(tǒng)的集成度越來(lái)越高。尤其是近幾年，軍用武器系統(tǒng)加速升級(jí)換代，民用通信設(shè)備的快速迭代，對(duì)連接器的小型化、集成化、模塊化、高速化、易維修、快插拔等方向發(fā)展提出了更高的要求。高低頻混裝連接器應(yīng)需而生。然而隨著接觸件集成度的提高，特別是不同種類接觸件的集成，將大幅度提升連接器的整體插拔力，這又制約了連接器的集成度。

為了降低高低頻混裝連接器的整體插拔力，從連接器外殼的安裝結(jié)構(gòu)、接觸件的安裝結(jié)構(gòu)、接觸件的開(kāi)槽結(jié)構(gòu)等方面研究和探索。

2 結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能分析

2.1 連接器的外殼安裝結(jié)構(gòu)

連接器根據(jù)其外殼的固定安裝方式通常分為插頭、插座。固定端一般定義為插座，自由端定義為插頭。也有連接器雙端均固定在模塊面板上，然后通過(guò)模塊的相對(duì)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)整體對(duì)接的情況，稱為板板對(duì)接。前一種使用情況，連接器的對(duì)中性較好。而板板對(duì)接的連接器，其對(duì)中性因整機(jī)結(jié)構(gòu)精度而異。如果雙端都已安裝固定，對(duì)接的插拔力將非常大。為此板板對(duì)接連接器需要具有浮動(dòng)盲插功能，提升對(duì)中性。浮動(dòng)端連接器的外殼固定結(jié)構(gòu)如圖1所示。浮動(dòng)套、墊圈、外殼三者間隙配合，通過(guò)浮動(dòng)套的翻鉚連接在一起。連接器安裝在模塊面板上時(shí)，固定的只有浮動(dòng)套和墊圈，連接器的外殼是相對(duì)自由的。浮動(dòng)量的大小可根據(jù)浮動(dòng)套與外殼之間的間隙調(diào)整[1]。

圖1 混裝連接器示圖

2.2 接觸件的安裝結(jié)構(gòu)

高低頻混裝連接器中有多個(gè)接觸件。每個(gè)接觸件所處的位置精度均與連接器外殼的開(kāi)孔位置精度和安裝精度有關(guān)。任何與理論位置的尺寸偏差，都將在連接器的插拔力上得到體現(xiàn)。雖然零件的機(jī)加工精度很高，但是實(shí)際產(chǎn)品中位置偏差是不可消除的，所以高低頻混裝連接器整體插拔力要比單個(gè)接觸件插拔力的線型疊加大許多[2]。

通常高低頻混裝連接器應(yīng)具備單個(gè)接觸件的浮動(dòng)盲插功能，如圖1所示。接觸件通過(guò)一種彈性卡圈，安裝在外殼中。接觸件與彈性卡圈間隙配合，以實(shí)現(xiàn)單個(gè)接觸件的浮動(dòng)。根據(jù)不同的應(yīng)用情況，浮動(dòng)端可設(shè)計(jì)在一端，也可設(shè)計(jì)在雙端。由于插針接觸件與插孔接觸件的口部有導(dǎo)向結(jié)構(gòu)的存在，對(duì)接過(guò)程中，接觸件對(duì)能夠自動(dòng)調(diào)整至理想的對(duì)中位置，實(shí)現(xiàn)各自的柔性對(duì)接，盡可能減少因機(jī)加工和裝配精度的存在而增加的插拔力。

2.3 接觸件的開(kāi)槽結(jié)構(gòu)

2.3.1 模型建立

圖2 插孔開(kāi)槽結(jié)構(gòu)示圖

在連接器中，接觸件對(duì)通常分為剛性插針、彈性插孔或者彈性插針、剛性插孔。接觸件的可靠性均是通過(guò)彈性接觸件與剛性接觸件的彈力得到保證。對(duì)接手感上為插拔力。高低頻混裝連接器插拔力的大小，很大程度上是由單個(gè)射頻彈性接觸件的彈力大小決定。彈性接觸件一般通過(guò)開(kāi)槽，獲取簧片結(jié)構(gòu)，其開(kāi)槽形式主要有直開(kāi)槽和斜開(kāi)槽兩種，如圖2所示。雖然結(jié)構(gòu)形式不同，但是力的作用原理基本相同。因此選取具體代表性的直開(kāi)槽插孔研究開(kāi)槽結(jié)構(gòu)。

根據(jù)射頻接觸件的規(guī)格型號(hào)及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[3]的規(guī)定，不同類型的產(chǎn)品，其插孔接觸件的開(kāi)槽數(shù)不盡相同，有2槽、3槽、4槽、甚至8槽等。因不同使用環(huán)境，射頻接觸件具有不同的內(nèi)在結(jié)構(gòu)，其插孔接觸件內(nèi)徑、外徑以及開(kāi)槽的槽寬、槽深等均有所不同。雖然插孔接觸件上開(kāi)槽是保證接觸件彈性接觸的常規(guī)措施，但是在射頻接觸件中，開(kāi)槽卻會(huì)影響接觸件的特性阻抗，從而使得連接器的電氣性能變差。

（1）

其中：△——特性阻抗變化的百分?jǐn)?shù)；——開(kāi)槽數(shù)目；——插孔接觸件上的槽寬；——插孔接觸件的外徑。

通過(guò)式（1）可以看出，開(kāi)槽數(shù)目越多，開(kāi)槽越寬，對(duì)連接器的特性阻抗影響越大。因此，在保證接觸件的力學(xué)性能的前提下，應(yīng)該盡量減少插孔的開(kāi)槽數(shù)目和開(kāi)槽寬度，以開(kāi)2槽的插孔接觸件為例分析，如圖3所示。插孔選用鈹銅材料，開(kāi)槽后縮口處理，最后時(shí)效處理固化縮口狀態(tài)。虛線所示位置為未插合時(shí)簧片的位置，實(shí)線是插合到位后，簧片的位置。由于在同一款射頻接觸件中插孔的內(nèi)外徑與插針的外徑是相對(duì)固定的，因此接觸件插合前后，簧片的的徑向變化量也是相對(duì)固定的。

圖3 插合狀態(tài)及節(jié)目模型

插孔開(kāi)槽后，根據(jù)彈性簧片的力學(xué)特性，其受力和形變狀況類似懸臂梁結(jié)構(gòu)，因此可按照懸臂梁結(jié)構(gòu)原理建模分析，如圖4所示[4]。

圖4 懸臂梁模型

（2）

其中：——插孔簧片所受正應(yīng)力，N；——慣性模量，由插孔的物理性能所決定；——接觸件插合前后，簧片的徑向變化量（擾度），mm；——插孔簧片的長(zhǎng)度（即開(kāi)槽深度），mm；——慣性矩，mm4，可按式（3）計(jì)算。

（3）

2.3.2 分析計(jì)算

根據(jù)式（4）可以算出插拔力。

（4）

其中：——插孔簧片數(shù)量，2；——插孔簧片與插針之間的摩擦系數(shù)，與接觸件表面粗糙度有關(guān)。

聯(lián)合式（2）、式（3）、式（4）分析出，插拔力的大小與槽深負(fù)相關(guān)。

插孔簧片橫截面上最大應(yīng)力在簧片根部，可通過(guò)式（5）計(jì)算。

（5）

其中：——中性層到軸的距離，mm，可按式（6）計(jì)算。

通常材料選定后，材料的許用應(yīng)力b是定值，并且b=(2～3.5)，再聯(lián)合式（5）、式（6）可以推算出最大允許開(kāi)槽深度max。因此在不超過(guò)最大允許開(kāi)槽深度max的前提下，增加槽深來(lái)降低接觸件的插拔力。

3 結(jié)束語(yǔ)

結(jié)構(gòu)決定性能。在高低頻混裝連接器中，外殼的安裝結(jié)構(gòu)、接觸件的安裝結(jié)構(gòu)、接觸件的開(kāi)槽結(jié)構(gòu)，都直接決定著整體插拔力的大小。因此在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)連接器的使用方式，從整體考慮，選擇最佳的結(jié)構(gòu)，降低連接器的整體插拔力，提升對(duì)接的柔和性。為連接器的高度集成化提供了設(shè)計(jì)思路。

1 呂楊. 新型浮動(dòng)式矩形電連接器的研究[J]. 火控雷達(dá)技術(shù)，2013，42(4)：97～100

2 謝金祥. 某盲插連接器高密度安裝板的設(shè)計(jì)與優(yōu)化[J]. 電子機(jī)械工程，2015(3)：24～27

3 GJB5246—2004. 射頻連接器界面[S]

4 喬長(zhǎng)海，李留安. 射頻連接器用開(kāi)槽插孔的可靠性設(shè)計(jì)與制作[J]. 電子產(chǎn)品世界，2011(3)：52～56

Study on Structure and Mechanical Properties of High and Low Frequency Mixed Connectors

Liu Ling

(Guizhou Space Appliance Co., Ltd., Guiyang 550009)

In this paper, the development trend of high and low frequency mixed connectors is summarized and the integration degree of it is restricted by the plug force. From the connector installation, the fixation of the contacts and the slotted structure of the contacts, etc., combined with the mechanics, the factors affecting the overall connector plug force and the methods to reduce the plug force are summarized. The design idea is provided for the high integration of connector.

high and low frequency mixed connectors；structure；blind-mating；plug force

劉靈（1986），工程師，材料加工工程專業(yè)；研究方向：高低頻混裝連接器及組件產(chǎn)品研發(fā)。

2020-03-25