淺談兩端鋼球快鎖微矩形連接器鎖緊設計

王飛

摘要：本文通過對一種微矩形連接器的快鎖結構原理介紹，從該種連接器的設計背景及較常規微矩形連接器的優點及應用前景出發，對連接器快鎖結構進行分析，材料選擇、及耐環境性能分析、并對連接器相關可靠性試驗進行驗證進行闡述。

主題詞：微矩形 ?快鎖?? 鎖緊結構

引言

現代及未來戰爭對軍用電子裝備提出了小型化、集成化要求的同時，隨之而來的要求連接器也要求小型化。然在連接器日趨越小的同時，連接器的對接可靠及操作方便更成為人們關注的焦點。在連接器自身較小，對接后連接器的保持力不足以保證設備在嚴酷的力學環境下可靠工作時，為保證連接器的傳輸可靠，連接器需有鎖緊機構從而提供連接器的對接保持力。然，從傳統的中心鎖緊機構連結來看，連接器的鎖緊機構所要求的空間很大，不適用于微型連接器的設計。若采用傳統的連接器兩端螺釘擰緊方式也同樣存在缺點：其一，連接器的較小即安裝空間同樣較小，所以產品對接后操作會存在干涉等不便;其二，連接器在分離是同樣需拆卸螺釘，而不能及時使連接器分離。針對以上問題，鋼球快鎖自保持矩形電連接器能很有效的克服現有只保持電連接器存在的缺點，鋼球快鎖自保持矩形電連接器不但能很有效的實現自保持連接器的自動鎖緊與分離公能，而且可以較為精確的調節和控制鎖緊力與分離力，同時具有較高的可靠性。

1兩端鋼球快鎖結構設計

1.1原理簡介

連接器的鎖緊分離結構如圖1所示，連接器鎖緊結構端可通過調節螺釘的擰入深度調節彈簧壓縮量從而調節鋼球解鎖力，另一端在外殼上加工凹槽，使鋼球在彈簧彈力作用下將鋼球壓縮在凹槽內從而實現鎖緊，再者當調節螺釘的擰入深度將壓縮彈簧壓縮到并圈時即實現連接器兩端鎖死功能。

連接器對接時，鋼球首先受到擠壓后退到與外殼齊平，待鋼球到凹槽處時鋼球在彈簧彈力作用下卡入凹槽內從而使產品實現鎖緊，從而實現產品的快速鎖緊功能，提高連接器的接觸可靠性能。分離時，在連接器一端施加沿對接反方向力，則另一端外殼凹槽臺階會給予插頭鋼球反向壓力分力，待壓力分力超過彈簧對鋼球施加的彈力時，鋼球壓縮彈簧至鋼球退出插座圓形槽，從而實現連接器插頭與插座的快速分離。

1.2結構分析

由圖2可看出該類連接器結構上較為簡單，只是在普通直插拔矩形連接器兩端延伸出兩端用于安裝鎖緊結構。該類連接器鎖緊力主要取決于彈簧壓縮鋼球的彈力，所以彈簧并圈前的彈力大小決定了連接器能正常對接、分離條件下的最大鎖緊力。同時該類連接器鎖緊力是兩端鋼球壓力共同決定，因此兩端彈簧壓縮鋼球的彈力需盡可能的保持平衡，從而保證對接時連接器對接端兩端受力相同，否則連接器在對接、分離時會出現偏斜現象從而影響產品的正常使用，故連接器兩端鎖緊結構鎖緊螺釘擰入深度保持相同，且兩端彈簧彈力大小應盡可能保持一致。

同時由圖2結構分析知如要求連接器鎖死時即需要求鋼球不能運動，保證鋼球位置被限制有以下兩種途徑：1、調節螺釘壓縮彈簧使彈簧并圈，此時鋼球位置被彈簧限位;2、調節螺釘套彈簧小端在彈簧壓縮并圈前將鋼球頂死。因此，在設計鋼球鎖緊結構時需保證調節螺釘小端長度應小于等于彈簧的并圈長度，從而保證彈簧彈力最大有效使用。

2材料選擇及耐環境性能分析

2.1材料選擇

連接器對接、分離過程中鋼球會一直保持著與對接端外殼擠壓摩擦，因此連接器凹槽端外殼在材料選擇時應選擇耐磨的材料。連接器凹槽外殼材料的選擇需根據產品的分離力的要求選擇產品合適的外殼材料及處理方式來保證產品在規定分離內外殼不會過度磨損，從而降低連接器鎖緊可靠性。

產品外殼材料在選擇時，因優先保證外殼的材料的硬度要求，使產品能夠保證在規定分離內的機械壽命要求。而由于材料的特性使然，熱處理后硬度越高的不銹鋼材料含碳量越高，因此材料的耐蝕性能越差。經對產品的分離力、機械壽命和耐蝕性能要求的綜合考慮在分離要求≤100N之間時連接器外殼采用不銹鋼14Cr17Ni2。該不銹鋼具有以下性能：熱處理后具有較高的力學性能，硬度為HRC36～40，耐蝕性優于12Cr13和10Cr17。一般用于既要求高力學性能的可淬硬性，又要求耐硝酸、有機酸腐蝕的軸類、活塞桿等零件。

當連接的分離里要求過大時，產品對接分離會加劇外殼的磨損，而使連接器無法滿足機械壽命使用要求，因此在設計時需重新選擇合適的外殼材料或降低連接器的使用壽命。因選用國標鋼球硬度要求為≥58HRC，通常選用不銹鋼9Cr18淬火處理，淬火后硬度要求為（59～62）HRC從而保證連結對接時外殼耐磨性能，防止連接器經壽命后磨損嚴重而不能滿足連接器分離力要求。

2.2耐蝕性能分析

耐環境性能是連接器較為重要的性能，而就該類連接器來說，連接器一端外殼采用高碳不銹鋼，因此連接器的耐鹽霧性能為本類連接器關注重點。

連接器外殼材料選用的不銹鋼14Cr17Ni2及9Cr18的耐鹽霧性能都不佳，當連接器的耐鹽霧性能要求48h時，對不銹鋼外殼熱處理后進行鈍化處理后能夠滿足連接器的耐鹽霧性能;若連接器要求使用在更惡劣的環境時要求時，連接器的不銹鋼外殼常規鈍化處理不能滿足連接器的耐鹽霧性能，需對外殼進行DLC涂覆處理，從而提高產品的耐鹽霧性能。

2.3耐力學性能分析

對于微小連接器而言，連結本身質量較輕，產品自身保持力較小，故微小型連接器在自身保持力下在振動、沖擊等環境條件下連接器的信號傳輸可靠性很難保證。因此在振動、沖擊等環境條件保持電信號的可靠傳輸，也是該類連接器應重點關注的可靠性指標。

連接器在振動、沖擊環境下能否實現可靠傳輸有以下幾個關鍵因素：其一，連接器對接到位后鎖緊的可靠性（即保持力）是決定連接器抗振動、沖擊等環境能力的因素之一。其二，連接器自身接觸件種類及接觸件固定方式也是決定連接器的抗振動、沖擊的因素。而對本文闡述的該類連接器而言，在接觸件類型及固定方式一樣條件下，連接器抗振動、沖擊能力也同樣決定于兩端鋼球的鎖緊力的大小。當連接器對接到位需鎖死時，連接器無相對運動此時連接器的抗振動、沖擊能力完全決定于接觸件自身的連接器可靠性。

2.4耐力學性能試驗驗證

21芯連接器，鎖緊力調節為50N時，連接器在10～2000Hz加速度196m/s²（正弦振動條件），功率頻譜密度0.4G²/Hz總加速度均方根值23.1（隨機振動條件），后峰鋸齒波峰值加速度735m/s²（沖擊條件）條件下信號傳輸良好未發生有超過1μs的瞬斷。當鎖緊力調節到80N時，連接器在高頻段10～2000Hz加速度196m/s²（正弦振動條件），功率頻譜密度0.6G²/Hz總加速度均方根值28.4（隨機振動條件），后峰鋸齒波峰值加速度980m/s²（沖擊條件）條件下試驗連接器的信號傳輸良好未發生有超過1μs的瞬斷。

3總結

本文通過對微矩形連接器的應用前景著手，從連接器鎖緊結構分析、材料選擇、耐環境性能分析驗證，從而對該類連接器設計提供簡單的指導意見。

參考文獻：

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[2]余玉芳.機電元件技術手冊，電子工業出版社，1991年;

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