振动对航空电连接器的影响分析

振动对航空电连接器的影响分析

王永峰

国营长虹机械厂  广西桂林  541003

摘要：

电连接器常用接触件的加工设计中, 对可靠的接触性有着较高的要求, 分析刚性插件、悬臂式插孔、线簧式插孔等结构形式, 及其应用在连接器中的设计要点。

关键词：电连接器;接触件设计;关键点;

电连接进行电与信号的传输, 必须通过插合接触件来实现, 如果接触件没有可靠的接触, 连接件也就不具有电连接的意义。电连接中的插针以及插孔组合, 被称为接触件, 是电连接器的核心部分。从电连接器常用接触件的制造工艺、选用思路、结构设计等方面, 对设计关键点做简要分析。

1电连接器的结构及其作用

1.1 壳体

电连接器壳体主要发挥两项作用，一是尽可能保护电连接器的内部零件如绝缘体、接触体等不受外界气候环境的腐蚀破坏，又能承受因外界诱发环境如振动和冲击等引起的损伤；二是为了实现电连接器良好的电磁屏蔽性和耐腐蚀的能力，因此电连接器壳体上一般带有镀层和材料处理工艺。

1.2 绝缘体

由插针、插孔四周的绝缘材料、界面灌封材料、封线体等组成，绝缘体普遍使用塑料和橡胶等有机高分子材料组成，具有很大的电阻系数。不仅可以对插针和插孔进行定位、支撑以及防护，同时还起到了接触体与壳体之间以及接触体之间充分的隔离作用。

1.3接触体

插孔和插针均统称为接触体。两者通过相互接触实现电路连接。在实际应用过程中镍合金中间层可有效阻止基底铜合金与表面喷金层之间的扩散，基底铜也可以起到良好导电的作用，接触电阻相对较低。表面喷金层在尽可能不影响接触电阻的情况下，进一步防止接触体腐蚀和氧化，以此提高电连接器的耐环境性能。

2电连接器振动试验设计

2.1 电连接器振动试验条件

试验时，借助HT702高低温湿热试验箱固定电连接器，根据GJB 1217A—2009《电连接器试验方法》，将电连接器的实验样品固定在设备上，样品以正常方式插合好，防止实验过程中因样品位置变动引起检测误差。依照GJB 599A—1993规定的J599型电连接器的振动试验方法设计试验条件。

2.2 定频变幅振动试验结果分析

整个试验过程中测试到的接触电阻随时间的变化如图1所示。图1a中，电连接器水平放置，振动方向垂直连接器轴向，频率为10 Hz，初始振幅为0.5 mm。振动从第10 s开始加载，加载时长为5 s，间隔5 s加载下一振幅振动。由图5a可知，初次加载振动时，接触电阻就开始产生波动，峰值为11.68 mΩ。在振动间隔期，接触电阻基本维持稳定，平均值为6.81 mΩ。振幅为1 mm时，接触电阻的波动峰值为13.27 mΩ。随着振幅的增大，接触电阻波动峰值稳定增大。当振幅达到9 mm时，接触电阻已增大至62.15 mΩ。由图1b、c、d可知，当振动频率和振动方向改变时，接触电阻随振幅的变化趋势基本相同。主要区别在于接触电阻在不同的时间点波动，并且接触电阻对幅度波动的敏感度也不同。当振动的幅度和频率相同时，垂直振动电连接器的接触电阻峰值比水平振动电连接器高。频率为20 Hz时的振动比10 Hz的接触电阻波动峰值更高。

对比图1a、b发现，在低频振动中，在同一种安装方式和振幅下，频率越大，对于接触电阻的影响越剧烈。由图1可知，在同一安装方式和频率下，接触电阻随着振动幅值的增大而增大。

2.3 定幅扫频振动试验结果分析

定幅扫频振动试验过程中测试得到的接触电阻如图6所示。未加载振动时，接触电阻平均值为10.45 mΩ；扫频开始后，接触电阻出现骤升，之后随着频率的增大而减小；扫频经过10 s左右，频率进入中高频段后，接触电阻接近稳态值。在加速度为5 g、10 g和15 g的扫频试验中，接触电阻峰值分别为10.06、18.86、26.22 mΩ。随着振动加速度的增加，接触电阻波动的最大值也增加。

图1 振动条件下电连接器不同安装方式的接触电阻

以5 g加速度扫频试验的结果为例，扫频从第2 s开始，接触电阻在第4个振动周期达到波动最大峰值14.55 mΩ，这是因为电振动台需要3～4个周期才能达到编程值。达到初始最大峰值后，峰值接触电阻波动会随时间减小。10 s后，最大接触电阻波动保持稳定。外加激励振幅达到设定值以后，在整个扫频试验周期内，接触电阻随振动频率的增大逐渐下降。高频段振动时，动态的接触电阻值在静态接触电阻阻值附近波动，数值较为稳定。整个过程中，接触电阻值变化较剧烈的时间也随着加速度量级的增大而增长。

由振动环境应力试验结果可知，在相同的振动条件下，垂直振动电连接器的接触电阻比水平振动波动更加剧烈，即电连接器的敏感方向为垂直振动方向。在敏感方向上，接触电阻随相同频率下振动幅度的增大而增大。如果在敏感方向上的振幅相同，则低频振动对接触电阻的影响较大，而高频振动对接触电阻的影响则不明显。在敏感方向上，相同的频率扫描测试中，接触电阻的大小随振动加速度的增大而增加迅速。

3 3种类型接触件结构设计关键点

3.1 刚性插件

从不同类型接触件使用的刚性差异分析, 零件结构形式均不复杂, 设计中要考虑的问题是插针插合引导端结构, 希望让插合力不高, 同时还要保证可靠的插合性, 就要求插针的接触段表面有极高的粗糙度, 接触端尺寸精度≤0.03 mm, 保证插针插合端是直接圆角或者是锥形圆角。

3.2 悬臂式插孔的选用和结构设计要点

悬臂式插孔结构是设计电连接器时应用最多的一种插孔类型, 也被称为集束式多弹性节点插孔。主要结构形式:从圆柱形插孔接触件开始, 接触段端均匀开 (2~8) 个等分槽, 具体槽数根据使用要求以及插孔直径而定, 然后要配置与等分槽数量相同的悬臂簧片, 使用到械做中心收口, 以满足规定接触分离力和接触压力的要求。

3.3 线簧式插孔设计关键点

线簧式插孔插拔力较为柔和、接触电阻比较小、接触寿命≥500次。一般使用在矩形连接器中, 间距规格≥2.54 mm的机柜式连接器和印制电路矩形连接器和大电流连接器, 一些圆形连接器中也应用此种类型的接触结构, 一般是大型接触件插合深度同该种类型的接触结构配合, 因此, 一般不用于接触件插合深度不高的产品中, 如果要在插合深度不高的接触件使用该种类型, 应适当调整产品接触结构, 将其加长才能有较高的可靠接触性。

结论

(1) 电连接器接触性能退化过程及失效中, 微动磨损和应力松弛现象的内在作用机制与规律还有待进一步研究。

(2) 振频与振幅的增大均会引起接触电阻波动量的增大, 固有频率处接触电阻的波动量最大。

(3) 振动条件下, 连接器插孔中微观组织结构的变化 (插孔中晶粒尺寸减小和滑移线密度增大) 促进其塑性变形, 引发应力松弛现象, 是导致接触可靠性和性能退化的主要原因之一。

(4) 试验后, 试品插拔力数值有增有减, 接触簧片表面形貌表明, 插孔出现不同程度的磨损, 直接后果亦体现在接触电阻的增大。

参考文献

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