連接器中波紋簧的特性分析和選用指南

陳繼利，湯 振，江 浪，趙光甫

(中航光電科技股份有限公司，河南洛陽，471000)

1 引言

波紋簧是利用彎曲模具[1]或其它設備通過沖壓成形、拉伸成形[2]等方法將帶類材料加工而成、利用材料自身的彎曲變形發揮彈性作用、具有若干個波峰和波谷的一類零件。連接器中常用的波紋簧從形狀完整性上可分為閉口波紋簧、疊口波紋簧和開口波紋簧。閉口波紋簧的輪廓為一完整的封閉曲線，內力的傳遞為連續的，如圖1所示。疊口波紋簧的輪廓為一完整的曲線，但是波紋簧的起始端與末端互相搭疊一定的距離，內力的傳遞在搭疊處出現劇烈變化，如圖2所示。開口波紋簧的輪廓為一不封閉曲線，波紋簧的起始端與末端分開，內力的傳遞在開口處出現斷裂，如圖3所示。

圖1 閉口波紋簧 圖2 疊口波紋簧圖 圖3 開口波紋簧

波紋簧具有空間利用率高、形狀簡單、彈性剛度范圍大等特點，在圓形連接器中經常作為彈性零件使用，起到防松預緊的作用。現以GJB599I系列插頭為例，介紹波紋簧的使用特點。插頭結構如圖4所示，波紋簧安裝在插頭殼體和連接螺帽之間，用擋圈軸向定位連接螺帽后使波紋簧處于預壓縮狀態，連接螺帽在波紋簧預壓力的作用下保持相對位置固定。插頭插座插合后，波紋簧壓縮到位且一直處于彈性變形范圍內，波紋簧提供的彈性力大于連接螺帽因自身質量產生的慣性力，從而實現了連接螺帽的防松，因此波紋簧對連接器的可靠連接有著非常重要的影響，然而在工程應用中由于波紋簧壓縮后恢復不到位引起的連接螺帽松動、連接扭矩超標等問題時有發生，給圓形連接器的正常使用埋下了質量隱患。本文就連接器中常用的閉口、開口和疊口類型的波紋簧特點進行分析，給出連接器波紋簧的選用指南。

圖4 波紋簧在插頭中的應用示意圖

2 加工方法對波紋簧力學性能的影響分析

閉口、開口和疊口類型的波紋簧在平面投影上都是內外同心圓結構，立體構造上有若干個波峰和波谷組成，形狀如圖5。

圖5 波紋簧結構參數

可以得到波紋簧的彈性剛度為[3]：

(1)

已知：

(2)

將公式(2)代入公式(1)，整理后得到：

(3)

其中，公式(3)中參數含義為：R為波紋簧平均半徑，m為波紋簧波數，δ為波紋簧的高度的一半，E為材料的彈性模量，b為波紋簧寬度，h為波紋簧的材料厚度。分析公式(3)可知，波數m、波紋簧平均半徑R和材料厚度h對波紋簧的彈性剛度影響較大。

閉口波紋簧為封閉結構，材料厚度h是影響彈性剛度的主要因素。該類波紋簧一般采用帶材沖壓成形，而帶材的厚度公差較大且存在局部不均勻性，根據公式(3)可以知道，即使0.3±0.02厚的帶材也可造成彈性剛度產生1.49倍的差異，因此閉口波紋簧的彈性剛度個體差異大，批次穩定性差，但由于閉口波紋簧結構是封閉的，單個零件的彈性剛度在一定范圍內呈良好的線性關系，見圖6。

圖6 閉口波紋簧的彈性剛度

開口波紋簧為不封閉結構，波數m和材料厚度h是影響彈性剛度的主要因素。由于結構不封閉，導致波數m不完整，有效波數隨缺口的變大而減小，這導致單個波紋簧的彈性剛度隨著壓縮量發生較大變化，彈性剛度呈現出的線性關系較差，如圖7所示。開口波紋簧的加工方法有兩種，一是帶材沖壓加工，另一種為線材壓扁繞制，這兩種加工方法對開口波紋簧彈性剛度的影響程度是不同的：當采用帶材沖壓加工時，其影響程度同閉口波紋簧；當采用線材壓扁繞制加工時，用專用設備將圓絲線料壓制成厚度偏差±0.01mm的帶材，這樣厚度h對彈性剛度的影響大大降低。但是由于線材壓扁繞制工藝復雜，成本高，開口波紋簧一般采用帶材沖壓加工，這樣就導致開口波紋簧的影響因素較多，質量一致性較差。

圖7 閉口波紋簧的彈性剛度

疊口波紋簧的起始端與末端互相搭疊一定的距離，且只能采用線材壓扁繞制工藝，冷壓工序不僅大大提高了材料的彈性極限，而且材料厚度可控制在±0.01mm，降低了材料厚度h對彈性剛度的影響，這些都提高了疊口波紋簧的耐受性和一致性。在相同條件下疊口波紋簧的彈性剛度適中，且隨壓縮過程緩慢增大，基本成線性變化，如圖8所示，更為重要的是疊口波紋簧自身還可做成串、并聯結構，使得該類波紋簧的用法更加靈活。

圖8 疊口波紋簧的彈性剛度

3 波紋簧的串并聯特性分析

閉口、開口和疊口波紋簧均能夠實現串并聯結構，但是它們實現的途徑是不同的。閉口和開口波紋簧在實現串聯時需要相鄰的波紋簧之間增加墊圈，這就要求連接器給出足夠的安裝空間，在實現并聯時需要波峰對波峰、波谷對波谷進行疊加。由于閉口和開口波紋簧彈性剛度的一致性較差，這就使得并聯和串聯后的波紋簧的彈性力變化范圍更大且檢測困難，在連接器中使用該類結構時需要給出足夠大的安全系數，極易造成連接扭矩不穩定等問題，影響操作手感。

疊口波紋簧的串聯結構是指疊口波紋簧的層數大于1、且每層的波數為半波(例如：2.5、3.5、4.5……)，使得相鄰層之間的波峰與波谷對頂在一起，這樣的結構使得波紋簧的彈性剛度表現出串聯特性，結構如圖9所示。疊口波紋簧的并聯結構是指波紋簧的層數大于1、且每層的波數為整數波(例如：2、3、4……)，使得相鄰層之間的波峰與波峰重疊在一起，這樣的結構使得波紋簧的彈性剛度表現出并聯特性，結構如圖10所示。疊口波紋簧的串并聯結構使得波紋簧的設計和應用變得非常靈活，在微型圓形連接器中得到大量應用。

圖9 串聯波紋彈簧結構 圖10 并聯波紋彈簧結構

4 連接器中波紋簧的選用指南

無論連接器符合怎樣的標準，在實際使用中它們都是復合物理場的考核，例如在振動的情況下保證信號傳輸性能；在運輸的過程中遇到淋雨天氣；在嚴寒酷暑中進行高強度作業等，電纜自重、灌膠處理以及尾夾類型都大大增加了插頭插座的質量，作為插頭插座連接機構中的波紋簧首當其沖，承受著嚴酷的振動、沖擊環境，除特殊情況外，連接器中的波紋簧都需要按照承受很大的力來考慮，因此防止波紋簧發生塑性變形是圓形連接器結構設計和波紋簧類型選擇的基本要求。

相同條件下閉口波紋簧的彈性剛度最大，可壓縮量最小，很小的變形即可吸收大量的能量，單只波紋簧的彈性剛度的穩定性好，但不同批次的波紋簧的彈性剛度一致性很差，主要因為該類波紋簧只能用帶材加工，而帶材厚度公差較大可造成彈性剛度很大的差異。因此該類波紋簧比較適合應用在減振、防松、對力學性能一致性要求不高的場合，例如緊固螺母的防松等。

相同條件下疊口波紋簧的彈性剛度適中，且隨壓縮過程緩慢增大，可壓縮量較閉口波紋簧有所增加，疊口波紋簧只能采用線材壓扁繞制工藝，冷壓工序不僅大大提高了材料的彈性極限，而且材料厚度的精度可控制在±0.01mm，這些都提高了疊口波紋簧的耐受性和一致性，更為重要的是疊口波紋簧自身還可做成串、并聯結構，使得該類波紋簧的用法更加靈活。該類波紋簧比較適合應用在對壓縮量、力感和力學性能有一致性要求的場合，例如圓形插頭連接螺帽處和電磁分離連接器中的電磁鐵運動單元處等。

相同條件下開口波紋簧的彈性剛度最小，可壓縮量最大，如果采用線材壓扁繞制工藝，該類波紋簧的批次一致性也很好，但是由于缺口的存在使得波紋簧內力的傳遞出現斷裂，導致該類波紋簧的彈性剛度隨著壓縮量發生很大變化，使得單個零件的彈性剛度穩定性很差。該類波紋簧特別適合應用在需要大范圍變形、對力學穩定性要求不高的場合，例如各類零件的預定位、圓形連接器中的屏蔽接地等。

因此，在連接器的結構設計中要根據實際情況選擇合適類型的波紋簧，不同類型波紋簧對比見表1。

表1 波紋簧性能對比表

閉口波紋簧疊口波紋簧開口波紋簧彈性壓縮量小適中大彈性剛度數值大小大適中小單件線性度優良差批次穩定性良優差適用場合減振、防松對壓縮量、力感和力學性能有一致性要求預定位、屏蔽接地

5 總結

本文分析了閉口、開口、疊口波紋簧的結構特點，并論述了彈性剛度與結構、加工方法之間的影響關系，給出了連接器中波紋簧的選用指南，對于解決圓形連接器中波紋簧塑性變形引起的連接螺帽松動、扭矩超標問題具有一定的指導意義。