电连接器冠簧接触件结构分析及其接触可靠性

2015-03-05雷永涛

机电元件 2015年1期

周权，雷永涛，叶宇，王旭，蓝菲

(贵州航天电器股份有限公司，贵州贵阳，550009)

1 引言

随着航天航空工程、电子通信工程等领域的发展，电连接器作为传递电信号和电能的基础元件，在系统中运用越来越广。作为连接器的关键部件，接触件的接触可靠性在实现电连接器连接功能中具有重要作用，任何接触件的接触失效都会对整个系统的可靠性造成影响，而接触电阻和接触件插拔力是评价接触件可靠性的一项重要指标。目前，针对冠簧式插孔接触件结构参数对接触情况和可靠性的影响，以及接触件插拔过程中，接触电阻、插拔力变化情况的研究较少。为此，本文对电连接器用冠簧接触件结构进行力学分析和接触情况研究，对其接触电阻和接触件插拔力进行理论计算，最后通过插拔试验，研究接触电阻、接触件插入力和拔出力随插拔次数的实际变化情况，为设计高可靠性的电连接器接触件提供方法和依据。

2 冠簧式插孔结构分析

2.1 冠簧式插孔结构与接触可靠性

冠簧式插孔具有插拔柔和、接触可靠等优点，作为常用的接触件形式之一，其插拔力较开槽式弹性插孔较轻，插拔柔和，主要用于大芯数、高密度的电连接器。插针与插孔对接时，依靠接触圈的弹性形成的正压力实现接触圈与插针的接触进而传输信号。冠簧式插孔与阳性插针的对接示意图见图1所示。

图1 冠簧式插孔与阳性插针对接示意图

影响电连接器接触可靠性的因素很多，通常采用单脚分离力和接触电阻两项指标来评估连接器的接触可靠性。

2.2 单脚分离力计算

连接器的接触可靠性与接触件的单脚分离力有关，而单脚分离力与相互垂直的接触面表面产生的垂直接触面的正压力有关，正压力是接触压力的一种直接体现，显著影响连接器电接触性能。在实际应用过程中由于接触件正压力的测试及计算较为困难，通过采用测量一对插合状态的接触件由静止变为运动的分离力，即接触件分离力。通常连接器接触件分离力是通过插拔试验测量的，理论单脚分离力F=μFN，其中FN为正压力。冠簧插孔的力学模型可简化为简支梁模型，如图2所示。以下为冠簧式插孔单脚分离力计算公式:

图2 冠簧式插孔力学模型示意图

1)简支梁的最大挠度为:

式中，E为材料弹性模量，I为惯性矩。

2)P作用于弹性臂中心点时，最大弯距为:

3)最大弯曲应力为:

式中，W为抗弯截面系数，对于矩形截面，W=bh2/6;b为截面的宽度;h为截面的厚度。

4)对于宽度为b，高度为h的矩形截面，其惯性矩为:

式中，n为弹性臂数量;μ为摩擦系数;对于金－金摩擦对，μ=0.2，P为触点正压力。

以24#冠簧式接触圈为研究对象，计算其单脚分离力F:

L=3.9mm，铍青铜带的［σ］=1127MPa，接触圈的 b=0.3mm，h=0.08mm，n=4，则:

触点正压力 P≥0.55N，F=nμP，则 F≥0.44N，涂DJB－823保护剂后，其分离力会降低30%左右。经实际测量，24#冠簧式接触件的插孔初始分离力为0.338N，与涂保护剂之后的分离力0.44×(1－30%)=0.308N非常接近，证明上述分离力计算公式得出的理论值具有一定的合理性。当然，分离力合格并不能代表接触可靠，当接触件表粗糙时，接触件分离力在规定范围内，但实际上只在接触件表面尖端部位有很小的接触件面积，接触电阻可能会很大，当通过较大电流时，触点会温升较大，触点可能会熔融，接触电阻进一步增加，直至短路。因此，实际评价连接器的接触可靠性时，需要结合接触电阻的大小来评价。

2.3 接触电阻

连接器的接触可靠性除了与接触件的单脚分离力有关外，还与接触电阻有关。接触电阻是连接器的一项重要指标，是评价连接器接触可靠与否的重要指标之一。接触电阻的大小完全取决于具体应用，在特定的使用环境下，接触电阻越低，接触可靠性一般越高。接触电阻由收缩电阻、膜层电阻和导体电阻组成。

2.3.1 收缩电阻

实际上，两个相互接触的表面并不是完全光滑的，在微观情况下，任何光滑的表面都是凹凸不平的，当电流通过这些凹凸不平的触点时，接触面积减少，电流会收缩(或集中)，电流密度会增大，进而产生收缩电阻。收缩电阻除了与材料表面粗糙度、接触形式、接触斑点的形状、数量、分布和电镀工艺质量等因素有关外，还与正压力有关，随着正压力增大，接触件触点数量变多，实际接触面积变大，同时触点界面由弹性变形转变为塑性变形，收缩电阻不断变小，最后趋于稳定。

2.3.2 膜层电阻

膜层电阻由接触件表面膜和其他污染物产生，膜层和污染物通常是电的不良导体，在正压力、摩擦力和一定的电作用下，接触件表面膜层会破碎，露出金属基体，产生隧道效应形成膜层电阻。实际使用过程中，连接器不可避免地接触其他物质，产生化学或物理吸附，如常用来降低分离力的DJB－823固体薄膜保护剂等。接触件长期暴露在恶劣环境中会导致接触件表面腐蚀也会带来膜层电阻。镀金接触件对碳氢化合物具有较强的吸附性，因此，连接器在组装、使用过程中应避免接触该类物质。

2.3.3 导体电阻

不同材料的导体电阻不同，导体电阻由材料自身决定。导体电阻通常很小(10－8mΩ)，与收缩电阻和膜层电阻相比，通常可以忽略。实际的接触电阻通常只考虑收缩电阻和膜层电阻两部分。

2.4 接触电阻的计算

接触电阻的计算较为复杂，实际计算都是通过简化接触模型，并通过参数进行调整、修正。实际应用中的接触电阻都是通过测量得出。

理想情况下，冠簧式插孔的接触为单斑点接触，并假设插针与冠簧插孔接触时，接触圈没有发生不可逆的塑性变形，其变形为弹性变形，此时其收缩电阻Rc可简化为:

其中，ρ为触点材料收缩电阻率;E为材料弹性模量，铍青铜的E=127400MPa;P为接触正压力，r为接触球面半径;P为触点正压力。

膜层电阻Rf的计算公式为:

式中，σ为触点膜层电阻率;H为触点硬度。

则

以24#冠簧接触圈为例，由2.2计算得知触点正压力 P≥0.55N，金的硬度 H=2.5 ×108N/m2，触点收缩电阻率 ρ=2.35×10－8Ω·m2，触点接触件半径为r=10.4mm，触点膜层电阻率σ=3×10－13Ω·m2，接触电阻:

由于接触件的表面附着沉积形成的较松散的表膜和由于物理吸附及化学吸附所形成的污染膜，实际过程中插针和插孔的接触并非完全是弹塑性变形，接触表面高低不平，实际接触面积很小，且触点正压力随着插拔次数的上升而不断减小。因而，实际接触电阻远大于上述理论值。

3 插拔试验

连接器的可靠性与接触对的插拔次数有关，尤其是在需要频繁插拔的场合，需要研究其在多次插拔后的接触可靠性，以便于掌握连接器的最佳使用寿命，避免因失效带来的损失。本文通过测量不同插拔次数后接触件的接触电阻和插入力和分离力，评估多次插拔后接触件的接触可靠性。

3.1 插拔试验与接触电阻

图3为接触电阻随插拔次数的变化情况。由图可以看出，插拔次数在500次以内，接触电阻变化较为稳定，超过500次后，随着插拔次数的增大，接触电阻不断上升;当插拔2000次时，接触电阻达到6.8mΩ。在500次范围内，接触电阻变化较为平稳，原因在于在该阶段接触件表面膜层不断破坏，接触件表面的镀金层和基体金属还没有开始磨损，表面膜层的破坏会导致接触电阻中的膜层电阻Rf会不断下降，因而会出现500次后接触电阻反而比250次时接触电阻低的现象。但当超过500次插拔后，接触电阻上升的原因在于随着插拔次数的增大，接触件表面镀层乃至基体不断磨损导致触表面粗糙，触点接触面积下降，同时经多次插拔后，冠簧接触圈的弹性下降，插拔过程中接触正压力下降，导致接触电阻增大。

图3 接触电阻随插拔次数的变化情况

3.2 插拔试验后的接触件插入力和分离力

图4 、图5为接触插入力和分离力随插拔次数的变化情况。由图可以看出，在500次插拔次数内，随着插拔次数的增大，接触件插入力和分离力均呈上述趋势。在500次插拔范围内，由于接触件表面自身不可能觉得光滑平整，且零件加工过程中造成接触面上有毛刺等多余物，插入和拔出试验插针时需要克服上述阻力，同时在500次插拔范围内，接触面上的膜层逐渐破坏，接触面粗糙度增大，因而在该范围内接触件插入力和分离力随插拔次数变大而变大。超过500次后，随着插拔次数的进一步增加，插针与插孔之间的相互摩擦进入稳定摩擦阶段，接触面表面的随着插拔次数的增加逐渐变得平整，同时多次插拔后接触圈发生变形，弹性模量下降，接触正压力下降，由公式(6)可知接触件插入力和分离力会下降。